Кіріспе

Атмосфералық қозғалыстың математикалық моделі Атмосфералық ғылымда атмосфералық модель - атмосфералық қозғалысты басқаратын бастапқы, динамикалық теңдеулердің толық жиынтығы бойынша жасалған математикалық модель. Ол осы теңдеулерді турбуленттік диффузия, сәулелену, ылғалды процестер (булар мен жауын-шашын), жылу алмасу, топырақ, өсімдіктер, жер үсті сулары, жер бедерінің кинематикалық әсерлері және конвекция үшін параметрлеумен толықтыруға болады. Атмосфералық модельдердің көпшілігі сандық, яғни олар қозғалыс теңдеулерін дискреттеу. Олар торнадолар мен шекаралық қабаттың айналып өтуі, ғимараттардағы микромасштабты турбулентті ағын, сондай-ақ синоптикалық және жаһандық ағын сияқты микромасштабты құбылыстарды болжауға болады. Модельдің көлденең домені бүкіл Жерді қамтитын жаһандық немесе жердің бір бөлігін ғана қамтитын аймақтық (шектеулі аймақ) болып табылады. Модельдердің әртүрлі түрлері термотроптық, баротроптық, гидростаттық және гидростаттық емес. Кейбір модель түрлері атмосфера туралы болжамдар жасайды, бұл уақыт кезеңдерін ұзартады және есептеу жылдамдығын арттырады. Болжамдар атмосфераның физикасы мен динамикасы бойынша математикалық теңдеулер арқылы есептеледі. Бұл теңдеулер сызықтық емес және оларды дәл шешу мүмкін емес. Сондықтан сандық әдістер шамамен шешімдерді алады. Әр түрлі модельдер әр түрлі шешім әдістерін қолданады. Глобалды модельдерде жиі көлденең өлшемдер үшін спектрлік әдістер және тік өлшемдер үшін шекті айырмашылықтар әдістері қолданылады, ал өңірлік модельдерде әдетте барлық үш өлшемде шекті айырмашылықтар әдістері қолданылады. Белгілі бір орындар үшін модельдік шығыс статистикасы климаттық ақпаратты, сандық ауа райы болжамынан шыққан шығыстарды және қазіргі жер бетіндегі ауа райын бақылауларды модельдік бейімділік пен шешім мәселелерін ескеретін статистикалық қатынастарды әзірлеу үшін пайдаланады.

Түрлері

Термотроптық модельдің негізгі болжамдары: жылулық желдің шамасы өзгеруі мүмкін, бірақ оның бағыты биіктікке қатысты өзгермейді, сондықтан атмосферадағы бароклиникті геопотенциалдық биіктік беттері мен олардың арасындағы орташа жылулық желдің көмегімен симуляциялау мүмкін. Баротроптық модельдер атмосфераның баротроптық деп есептеледі, яғни геострофтық желдің бағыты мен жылдамдығы биіктіктен тәуелсіз. Басқаша айтқанда, геострофтық желдің тік жел қиылысы жоқ. Бұл сондай-ақ қалыңдығы контурларының (температураның проксиі) жоғарғы деңгейдің биіктігі контурларына параллель екенін білдіреді. Атмосфераның бұл түрінде жоғары және төмен қысым аймақтары жылы және суық температура аномалияларының орталықтары болып табылады. Жылы өзектік биіктіктер (субтропикалық қырқа және Бермуда Азорлық биіктігі сияқты) және суық өзектік төменгілер биіктікпен желдерді күшейтеді, ал салқын өзектік биіктіктер (сықа арктикалық биіктіктер) және жылы өзектік төменгілер (тропикалық циклондар сияқты) керісінше. Баротроптық модель атмосфера геострофтық тепе-теңдікте деп болжауға негізделген атмосфералық динамиканың оңайлатылған түрін шешуге тырысады; яғни атмосферадағы ауаның Россби саны аз. Егер атмосфера дивергенциясыз деп есептелсе, Эйлер теңдеулерінің қисығы баротроптық вихрилік теңдеуге түседі. Бұл соңғы теңдеуді атмосфераның бір қабатында шешуге болады. Атмосфераның шамамен 6 м биіктіктегі жағдайы көбінесе дивергенциясыз болғандықтан, баротроптық модель атмосфераның атмосфералық қысым бетіне сәйкес келетін геопотенциалдық биіктіктегі жағдайын жақсырақ болжайды.

Тарих

Сандық ауа райын болжау тарихы 1920 жылдары Льюис Фрай Ричардсонның Vilhelm Bjerknes әзірлеген процедураларды пайдаланған күш-жігерімен басталды. Тек компьютер мен компьютерлік симуляция пайда болғаннан кейін ғана есептеу уақыты болжау кезеңінің өзінен аз уақытқа қысқарды. ENIAC 1950 жылы алғашқы компьютерлік болжамдарды жасады, ал қуатты компьютерлер кейіннен бастапқы деректер жиынтығының көлемін ұлғайтты және қозғалыс теңдеулерінің күрделі нұсқаларын қосты. 1966 жылы Батыс Германия мен АҚШ-та бастапқы теңдеу модельдеріне негізделген операциялық болжамдар жасала бастады, содан кейін 1972 жылы Ұлыбританияда және 1977 жылы Австралияда. Жаһандық болжау модельдерінің дамуы алғашқы климаттық модельдерге әкелді. Атмосфералық динамикаға негізделген болжау модельдерінің шығысы жер деңгейіне жақын түзетулерді қажет ететіндіктен, 1970 және 1980 жылдары жекелеген болжау нүктелері (орналасу орындары) үшін модельдік шығыс статистикасы (MOS) жасалды. Суперкомпьютерлердің қуаты артып келе жатқанда да, сандық ауа райы модельдерінің болжау қабілеті болашаққа екі аптаға дейін ғана созылады, өйткені бақылаулардың тығыздығы мен сапасы, сондай-ақ болжамды есептеу үшін қолданылатын бөлшектік дифференциалдық теңдеулердің хаотикалық сипаты әр бес күнде екі еселенген қателерді енгізеді. 1990 жылдан бері үлгілік ансамбльді болжауды қолдану болжаудың белгісіздігін анықтауға және ауа райын болжауды басқаша мүмкін болғанынан әрі қарай кеңейтуге көмектеседі.

Есептеу

Модель - бұл белгілі бір жерлер мен биіктіктердегі болашақ метеорологиялық ақпаратты шығаратын компьютерлік бағдарлама. Кез келген модельде атмосфераның болашақ жағдайын болжау үшін қолданылатын примитивті теңдеулер деп аталатын теңдеулер жиынтығы бар. Бұл теңдеулер талдау деректері бойынша басталады және өзгерістердің жылдамдығы анықталады. Бұл өзгерістердің жылдамдығы атмосфераның қысқа уақыт аралығында болашақтағы жағдайын болжайды, әр уақыт өсімі уақыт қадамы деп аталады. Одан кейін теңдеулер жаңа атмосфералық жағдайға қолданылып, жаңа өзгерістердің жылдамдығын табуға болады, ал бұл жаңа өзгерістердің жылдамдығы болашақтағы атмосфераны болжайды. Уақытты кезең-кезеңмен есептеу, ерітінді қажетті болжамды уақытқа жеткенше қайталанады. Модельде таңдалған уақыт қадамының ұзындығы есептеу тордағы нүктелер арасындағы қашықтыққа байланысты және сандық тұрақтылықты сақтау үшін таңдалады. Жалпы модельдер үшін уақыт қадамдары оншақты минутқа тең, ал өңірлік модельдер үшін уақыт қадамдары бірден төрт минутқа дейін. Жаһандық модельдер әр түрлі уақытта болашаққа қарай жүреді. UKMET Бірыңғай моделі болашаққа алты күн, ал Экологиялық модельдеу орталығы жүргізетін Глобалды болжау жүйесі моделі болашаққа 16 күн жүреді. Пайдаланылатын теңдеулер сызықтық емес бөлшектік дифференциалдық теңдеулер болып табылады, оларды бірнеше идеалданған жағдайларды қоспағанда, талдамалық әдістер арқылы дәл шешу мүмкін емес. Сондықтан сандық әдістер шамамен шешімдерді алады. Әр түрлі модельдер әр түрлі шешім әдістерін қолданады: кейбір жаһандық модельдер көлденең өлшемдер үшін спектрлік әдістерді және тік өлшемдер үшін шекті айырмашылық әдістерін қолданады, ал өңірлік модельдер мен басқа да жаһандық модельдер әдетте барлық үш өлшемде шекті айырмашылық әдістерін қолданады.

Параметрлеу

Ауа райы мен климаттық модельдердің торкөздерінің аралықтары бар және типтік кумуляциялық бұлттың масштабы кем , және сұйықтық қозғалысының теңдеулерімен физикалық түрде бейнеленуі үшін одан да ұсақ тор қажет болар еді. Сондықтан бұлттар бейнелейтін процестер әр түрлі күрделілікпен параметрленеді. Алғашқы модельдерде егер модельдік тор қорабындағы ауа бағанасы тұрақсыз болса (яғни, төменгі жағы жоғарғы жағынан жылырақ болса), онда ол бұрылады және сол тік бағанадағы ауа араласады. Соңғыластырылған схемалар қораптың кейбір бөліктері ғана конвекцияға ұшырауы мүмкін екенін және сүйрелу және басқа да процестер орын алатынын мойындай отырып, жақсартуларды қосады. Ауа райы модельдері арасында және арасында қабырғалары бар торлы қораптар бар, олар әлі де бұлттың микрофизикасын параметрлеуді қажет етсе де, конвективті бұлттарды анық бейнелей алады. Үлкен масштабтағы (стратус типіндегі) бұлттардың пайда болуы физикалық тұрғыдан көбірек негізделген, олар салыстырмалы ылғалдылық белгілі бір белгіленген мәнге жеткенде пайда болады. Дегенмен, субсеткалық масштабтағы процестерді ескеру қажет. Бұлттар 100% салыстырмалы ылғалдылықпен қалыптасады деп ойлаудың орнына бұлт фракциясы 70% -ға дейінгі стратегиялық типтегі бұлттар үшін және 80% -дан жоғары немесе одан жоғары кумулиформды бұлттар үшін, бұл нақты әлемде болатын суб тор масштабтарының өзгеруін көрсетеді. Қатты жер бедерінде немесе өзгермелі бұлттылықтан жер деңгейіне жететін күн сәулесінің мөлшері параметрленеді, өйткені бұл процесс молекулалық масштабта жүреді. Сонымен қатар, модельдердің тор өлшемі бұлттар мен топографияның нақты өлшемі мен дөрекілігімен салыстырғанда үлкен. Күн бұрышы мен бірнеше бұлт қабаттарының әсері ескеріледі. Топырақтың түрі, өсімдіктер түрі және топырақтың ылғалдылығы жылуға қанша радиация түсетінін және атмосфераға қанша ылғалдың тартылатынын анықтайды. Сондықтан оларды параметрлеу маңызды.

Домендер

Модельдің көлденең домені бүкіл Жерді қамтитын жаһандық немесе жердің бір бөлігін ғана қамтитын аймақтық болып табылады. Аймақтық модельдер сондай-ақ шектеулі аймақ модельдері немесе LAM ретінде белгілі. Аймақтық модельдер метеорологиялық құбылыстарды нақты түрде кіші масштабта шешу үшін ұсақ тор аралығын қолданады, өйткені олардың кішігірім домені есептеу талаптарын азайтады. Аймақтық модельдер өздерінің доменінің шетіндегі бастапқы шарттар үшін үйлесімді жаһандық модельді қолданады. Шектілік пен қателік аймақтық модельдің шегінің шекаралық жағдайлары үшін пайдаланылатын жаһандық модельмен, сондай-ақ Шектілік шарттарының өзі үшін шекаралық жағдайларды құру кезінде енгізіледі. Вертикаль координата әр түрлі тәсілдермен қолданылады. Кейбір модельдер, мысалы Ричардсонның 1922 жылғы моделі, геометриялық биіктікті тік координаты ретінде қолданады. Кейінгі модельдер геометриялық координаттарды қысымдық координаттар жүйесімен алмастырды, онда тұрақты қысымды беттердің геопотенциалдық биіктіктері тәуелді айнымалыларға айналады, бұл бастапқы теңдеулерді айтарлықтай жеңілдетеді. Бұл Жер атмосферасының биіктігімен қысымның төмендеуінен туындайды. Операциялық болжамдар үшін пайдаланылған бірінші модель, бір қабатты баротроптық модель, бір деңгейдегі бір қысым координатын қолданды,

Үлгілік шығыс статистикасы

Атмосфералық динамика теңдеулеріне негізделген болжау модельдері жер астындағы ауа райы жағдайларын мүлдем анықтай алмайтындықтан, осы мәселені шешу үшін статистикалық түзетулер жасалды. Статистикалық модельдер сандық ауа райы модельдері, жер бетіндегі бақылаулар және белгілі бір жерлерде климаттық жағдайлардың нәтижесінде пайда болған үш өлшемді өрістер негізінде жасалды. Бұл статистикалық модельдер жиынтық түрде модельдік шығыс статистикасы (MOS) деп аталады және оларды Ұлттық ауа райы қызметі ауа райын болжау модельдерінің жиынтығы үшін әзірледі. 1983 жылы АҚШ Әуе күштері өздерінің динамикалық ауа райы моделіне негізделген MOS жиынтығын жасады. MOS жеткіліксіз желілік ажыратылымдыққа байланысты модельмен шешілмейтін жергілікті әсерлерді, сондай-ақ модельді бұрмалауды түзете алады. МОС-тағы болжамды параметрлерге ең жоғары және ең төменгі температуралар, бірнеше сағаттық мерзімде жаңбыр жауудың пайыздық мүмкіндігі, күтілетін жауын-шашын мөлшері, жауын-шашынның табиғатта тоңазып қалу мүмкіндігі, найзағай, бұлт және жер бетіндегі желдің болуы мүмкіндігі кіреді.

Климатты модельдеу

1956 жылы Норман Филлипс тропосферадағы айлық және маусымдық үлгілерді нақты бейнелейтін математикалық модель жасады. Бұл климаттың алғашқы сәтті моделі болды. Кейін бірнеше топтар жалпы айналым үлгілерін жасау үшін жұмыс істей бастады. 1975 жылы Манабе мен Ветэральд қазіргі климатты шамамен дәл көрсететін үш өлшемді жаһандық климаттық модель жасады. Модельдің атмосферасындағы CO2 екі еселенгені жаһандық температураның шамамен 2 °C-ға көтерілуін берді. Басқа да компьютерлік модельдер ұқсас нәтиже берді: нақты климатқа ұқсас модель жасау мүмкін емес және CO2 концентрациясы өскенде температура көтерілмейді. 1980 жылдардың басында АҚШ-тың Атмосфералық зерттеулер ұлттық орталығы өздігінен немесе Қоғамдық климаттық жүйе моделінің атмосфералық компоненті ретінде жұмыс істейтін Қоғамдық атмосфералық модельді (CAM) әзірледі. Дербес КАМ- ның соңғы жаңартуы (3. 1 нұсқасы) 2006 жылдың 1 ақпанында шығарылды. 1986 жылы топырақ пен өсімдік түрлерін модельдеу және модельдеу жұмыстары басталды, нәтижесінде нақты болжаулар жасалды. Климаттың өзгеруін зерттеу үшін климатты болжау мен зерттеудің Хэдли орталығы мен HadCM3 моделі сияқты жұптастырылған мұхит атмосферасы климаттық модельдері пайдаланылады.

Шектелген аумақты модельдеу

Ауаның ластануын болжау атмосфералық модельдерге байланысты, олар ластаушы заттардың қозғалысын бақылау үшін сұйықтық ағыны туралы ақпарат береді. 1970 жылы АҚШ-тағы жеке компания ауаның ластануы мен қышқыл жаңбырдың әсерін болжау үшін пайдаланылған өңірлік қалалық ауа бөлу моделін (UAM) әзірледі. 1970 жылдардың ортасынан аяғына дейін АҚШ-тың қоршаған ортаны қорғау агенттігі UAM-ті әзірлеуді өз мойнына алды, содан кейін оны жақсарту үшін өңірлік ауа ластануы зерттеуінің нәтижелерін қолданды. UAM Калифорния үшін жасалса да, 1980 жылдары Солтүстік Америка, Еуропа және Азияның басқа жерлерінде қолданылды. NWP-ны пайдалану арқылы тропикалық циклонның қарқындылығын болжау да қиын болды. 2009 жылдан бастап динамикалық бағыттау статистикалық әдістерге қарағанда нашар болды.