Файл: Марчук, Г. И. Численное решение задач динамики атмосферы и океана.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 19.10.2024

Просмотров: 87

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Предположим, что из наблюдений нам известны 6F, отличные от нуля только на интервале — оо <( t tL. Тогда приходим к про­ стейшей прогностической формуле

__

1 і

 

 

ЬТтігт/% =

f *

[б/Т *& .

(17.19)

 

-do S.-C

 

Предположение, что 8F = 0 при

tt, является весьма грубым,

поэтому попытаемся найти эту величину расчетным путем. С этой целью прежде всего необходимо рассчитать начальные (при t = tt) поля динамики океана и температуры почвы по заданным во все предыдущие моменты времени величинам бF и полям гидродинами­

ческих элементов в атмосфере.

следующие обозначения:

С этой целью введем

в рассмотрение

тX Z

( -

ди \

I дѵ \

{ ѴР * г ) а ’

Ѵ Р 1 * ) а ’

 

 

 

 

(17.20)

где индекс а указывает на то, что все величины в круглых скобках относятся к атмосфере и берутся при z = 0. Все эти величины счи­ таются известными из наблюдений в интервале — оо sg t ^ tc.

Тогда для вычисления начальных полей в океане и почве тре­ буется решить задачи (17.2)—(17.5) при следующих граничных условиях.

На поверхности океана при ъ — 0

ди

- дѵ

— — т

- дТ

- Q .

(17.21)

Ѵр ~дГ

Ѵр^ -

уг*

v i p Ü T

 

 

На поверхности почвы при z = 0

 

 

 

 

ѵхр дТ

= - Q -

 

 

(17.22)

 

ÖZ

 

 

 

Вкачестве начальных данных при t = — оо возьмем климати­ ческое состояние полей в океане и почве континентов.

Врезультате решения задач (17.2)—(17.5) при условиях (17.21), (17.22) и климатических начальных данных получаем начальные

(при t =

tt) значения полей динамики в океане и температуры

в почве,

после чего решаем совместно задачи взаимодействия атмо­

сферы и океана на основе сформулированной выше модели (17.1)— (17.7). Что касается 8F, то эта величина рассчитывается в процессе интегрирования сформулированной задачи по полю облачности, коррелируемой статистически со знаком вертикальной скорости.

В заключение приведем формулы для более точного расчета бF по балльной шкале облачности.

Пусть N — число случаев, по которому вычисляются климати­ ческие характеристики потока тепла в атмосфере на уровне океана или континента. JV — -f- JV2, где N l — количество лет, по кото­

29â


рым проводились усреднения, а N 2 — число дней, по которому отыскиваются средние климатические значения изучаемой величины. Пусть N (п) — число случаев, при которых была зафиксирована облачность балльности пг. Найдем поток тепла на нижней границе атмосферы за счет излучения в течение N (т) дней, когда облачность была равна т баллам. Очевидно, полный поток равен (см. п. 7.1)

F (т) =

X (m)Sт ------ ^ а (пг) Е0,

где Е0 — среднее климатическое значение величины Е0 (Т). Далее просуммируем потоки тепла F(m) по всем балльностям. Получим

где

Е = XaSоо

аЕ0,

 

 

й = : 2

^ а (т ) ’

* = 2 ^ ^ - х ( т ) .

ш

 

m

Предположим, что величины а (пг), х (пг), а и х нам заранее изве­ стны на основе решения задач теории переноса в стандартных усло­ виях. Тогда рассмотрим некоторый выбранный день и подсчитаем F (пг). Очевидно, будем иметь

F (пг) = X (пг) а (пг) Е0.

Найдем бF = F (пг) F:

bF = [х(иг) — х] 5оо — Іа(пг) а] Е0 а(пг)ЬЕ0.

Это и будет основная формула для вычисления вариаций потока радиации от климатического значения.

Параметризация входных данных задачи долгосрочного прогноза погоды на основе информации о поле облачности является первым приближением к достижению цели. Более точный расчет может быть произведен на основе непосредственных измерений потока ра­ диации на метеорологических спутниках. Простейший подход к та­ кому расчету основан на измерении потока приходящей от Солнца суммарной (по всем длинам волн) радиации на уровне спутника {который будем ради простоты считать уровнем верхней границы атмосферы) и регистрируемым потоком приходящей на спутник ра­ диации со стороны атмосферы, проинтегрированной по всем длинам волн и полусфере. Поскольку атмосфера находится в локальном термодинамическом равновесии, то можно предположить, что каж­ дый элемент атмосферы излучает длинноволновой радиации столько, сколько поглощает. Это значит, что в данном предположении можно считать, что атмосфера является пассивной радиационной средой. Активными средами будут, следовательно, только океан и почва. При этом нужно заметить, что облачные системы в основном будут отражать солнечную радиацию, одновременно защищая ниже­ лежащие слои от радиационного выхолаживания, но не поглощать ее. В этом состоит их пассивная роль в радиационном режиме. Что

294


касается океана и почвы континентов, то они являются излучателями и поглотителями радиации.

Таким образом, разность между приходящим от Солнца и от атмо­ сферы потоков излучения (которую будем называть полным потоком радиации на верхней границе атмосферы) является мерой активной радиационной деятельности океана и континентов. Поэтому можно считать, что полный радиационный поток на нижней границе атмо­ сферы F0 можно выразить через разность солнечного излучения

на верхней границе атмосферы и выходящего из атмосферы потока

F+j, т. е.

F F

н

Систематические измерения на спутниках позволяют определить

средние климатические значения F0 и, следовательно, мы приходим к вариациям

6 F „

где Fg — поток радиации, рассчитываемый в любой заданный мо­ мент времени по формуле, указанной выше.

Более точные модели расчета величин бF0будут получены при бо­ лее детальном описании радиационного режима атмосферы в отказе от предположения квазиравновесного термодинамического состоя­ ния атмосферы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

А р а к а в а

(A rakaw a

А .).

C om putational design

for long-term num erical

integ ­

ratio n

of

equations

of

atm ospheric

m otion . —

J.

Comp.

Phys.

1966.

v. 1,

No 1,

pp .

119— 143.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А тлас теплового

баланса

земного ш ара. Под

ред. М. И. Б у д ы

к о. М ., Меж­

ведомственный геофизический комитет, 1963-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б а г р и н о в

 

с к п й

К. А. ,

Г о д у н о в

 

С. К. Разностные схемы

для

мно­

гомерных

задач. — ДА Н СССР,

1957, т. 115,

3, с.

431—433.

 

 

 

Б е л о у с о в

 

С. Л . О предвычислении давления

на разны х

уровнях

атмо­

сферы. — М етеорология

и

гидрология,

1957,

9,

с.

15— 19.

 

 

 

 

Б л и н о в а

Е . Н . Гидродинамическая теория волн

давления

и

центров

действия

атмосферы. — ДА Н СССР, 1943, т. 39, №

7, с. 284—287.

 

 

Б л и н о в а ,

 

К и б е л ь

 

 

(Blinova

Е .,

K ibel I.).

H ydrodynam ical

m ethods

of th e

short-

and

long-range w eather

forecasting

in

th e

U SSR . — T ellus,

1957,

 

V .

9, No

4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б л и н о в а

E. H. Гидродинамическое исследование нестационарны х

атмо­

сферных

процессов планетарного масштаба. — ДАН

СССР,

1961,

т.

140,

№ 2, с. 3 5 4 -3 5 7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б л и н о в а

 

(B linova

Е .)

H ydrodynam ical

long-range

w eather

forecasting

in the

USSR. — WMO,

B oulder, Colo,

1964.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б л и н о в а

E . H . Общая

 

ц и ркуляц и я

атмосферы и

гидродинамический

дол­

госрочный прогноз погоды. — В кн .: Гидрология и метеорология за 50 лет

Советской власти . Л ., Гидрометеоиздат, 1967.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б о л и н

 

(B olin

В.)

N um erical forecasting

w ith the

barotropic

m odel. — T ellus,

1955,

 

V .

7, No 1, pp . 27—49.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б р а й е н

(B ryan

K .). A

 

schem e

for

num erical

integ ratio n

of the

equations

of m otion

on

an

irregular

grid

free

 

of

nonlinear

in sta b ility . — Mon.

W ea.

R ev .,

 

1966, V . 94, No

l , p p . 3 9 —40.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б у л e e в

H . И .,

М а р ч у к

Г. И.

О

динамике

крупномасш табны х

атмо­

сферных процессов. — Труды ИФА АН СССР, 1958, вып. 2, с. 66— 104.

Б ы к о в

 

В. В .,

К у р б а т к и н

Г. П.

А нализ

метеорологических и

аэро ­

логических

данных с

помощью

электронной

вычислительной

машины. —

Д А Н СССР,

1960,

т.

134, № 5, с.

1065— 1068.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В а з о в,

 

Ф о р с а й т

 

(W asow W . Р .,

Forsythe

G. Е .). Разностные

методы

реш ения

дифференциальных уравнений в частных производных. М ., Изд.

иностр. л и т .,

1963,

с.

487.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В е л а н д е р

 

(W elander

Р .).

W ind -driven

circulation

in

one

and

tw o

layer

oceans

of

v ariab le depth . — T ellus,

 

1968,

v.

20,

No

1,

pp .

1— 16.

 

 

В e p о и и c

(Veronis G .). W ind-drivei)

ocean

 

circulation . — Deep-Sea

Research,

1966, v. 13, No 1,

pp .

 

1 7 - 2 9 .

 

 

 

 

 

 

 

ветра

на

стратиф ицирован­

В е р о н и с ,

С T о M M e л.

 

Действие переменного

ный океан. — В кн .: Проблемы океанической циркуляц и и . М ., «Мир»,

1965,

с. 110— 144.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Г а н д и

я

Л. С. ,

Д у б о в

А. С.

Численные

методы

краткосрочного

про­

гноза погоды. Л ., Гидрометеоиздат,

 

1968,

с.

427.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Г о д у н о в

С. К. ,

Р я б е н ь к и й

В. С.

 

Введение

в

теорию

разностны х

схем.

 

М .,

Ф пзматгиз,

1962.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

296


Г у б и н

В . И . К гидродинамической теории фронтогенеза. Изд. АН УзССР,

Таш кент,

1960, с.

143.

 

Г у т м а н

Л . Н . О

крупномасш табных течениях в бароклинном

океане. —

И зв.

АН

СССР.

Ф изика атмосферы и океана. 1970, т.

6, № 9

с. 9 0 9 -9 2 2 .

Гу т м а н Л . Н . Введение в нелинейную теорию мезометеорологических про­ цессов. Л ., Гидрометеоиздат, 1969, с. 295.

Де м и д о в Г. В . Исследование корректности одной задачи метеорологии.

Автореф. дисс.

Н овосибирск,

1966, с. 10.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Д м и т р и е в

А. А.

О ртогональные

экспоненциальные

функции

в

гидро­

метеорологии. Л ., Гидрометеоиздат, 1973, с. 150.

 

 

 

 

 

 

 

 

Д о б р ы ш м а н

Е . М . Н екоторы е вопросы , связанны е с объективным ан али ­

зом метеорологической информации по существующей сети станций. М .,

Изд. АН СССР, 1963.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Д о б р ы ш м а н

Е . М . У чет переменности параметра Кориолиса при исследо­

вании

 

атмосферных процессов. — Труды

ВНМ С,

1963, т. 4.

 

 

 

 

 

Д о р о д н и ц ы н

А . А. К теории

суточного

хода

 

в

слое

перемеш ивания. —

ДА Н

СССР, 1940, т. 30, № 5, с. 410—413.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Д о р о д н и ц ы н

А. А. В лияние рельефа земной поверхности на

воздуш ные

течения. — Т руды Ц И П , 1950, вып. 21,

48, с. 3 —25.

 

 

 

 

 

 

 

Д о р о д н и ц ы н

А. А. Об одном численном методе реш ения некоторы х нели ­

нейных

задач

аэрогидродинамики. — Труды

III

Всесоюзного

математи­

ческого

съезда, 1956,

т. 3, с.

447— 453.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Д ь я к о н о в

Е . Г.

Итерационные

методы

реш ения

разностны х

аналогов

краевы х

задач

для уравнений

эллиптического

 

типа.

К иев,

Ин-т

кибер­

нетики ,

1970.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Д у г л а с ,

 

Р э ч ф о р д

(D ouglas

J .,

B achford

R .).

On

the

num erical

solu­

tio n of h eat

conduction

problem s

in

tw o and

three

space

variables. — T rans.

Am. M ath. Soc., 1956, v. 82, No

2, pp . 421—439.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

И л ь и н

 

A. M. Разностная схема для дифференциального уравнения с малым

параметром при старш ей производной. — Матем. заметки, 1969, т.

6, № 2,

с. 2 3 7 -2 4 8 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К а г а н

Б.

А. Взаимодействие океана

и атмосферы. — В

кн .:

Итоги

н ауки .

Изд.

В И Н И Т И ,

сер.

геофиз., 1971, М.

A .,

W ashington W .

М .).

NCAR

К а с а х а р а ,

В а ш и н г т о н

(K asahara

global

 

general

circulation m odel

of the

atm osphere. — Mon.

W ea.

R ev .,

1967, V . 95, No

7, pp . 389—402.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К e л л о г

 

(K ellogg

В .).

A nother

altern atin g -d irectio n

im p licit

 

m ethod . —

SIAM

 

J ., 1963,

V. 11, No 4, pp .

9 7 6 -9 7 9 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К и б е л ь

 

 

И . А . П рилож ение к метеорологии уравнений механики

бароклин-

ной ж идкости . —

И зв. А Н СССР, сер. геогр. и

геофиз,

1940,

Л» 5,

с.

628.

К и б е л ь

 

 

И .

А.

Распределение

температуры

в

земной

атмосфере. — Д А Н

СССР, 1943, т. 39, №

1, с. 18—22.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К п б е л ь

 

И . А . Применение метода длинных волн в сжимаемой ж идкости. —

ПММ ,

1944, т. 8, с. 413—416.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К и б е л ь

 

 

И. А. К вопросу о переваливании циклона через горный хребет. —

Труды

Н И У ГУГМ С,

1947, сер. 1, вып.

30.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К и б е л ь

 

 

И.

А.

П ространственная

задача

обтекания

неровностей

поверх­

ности

 

Земли воздушным потоком. — Д А Н СССР. 1955, т. 100, №

2, с.247 —

250.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К и б е л ь

 

И . А . О приспособлении движ ения воздуха к геострофическому. —

Д А Н

СССР, 1955, т. 104, №

1,

с. 60—63.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К и б е л ь

 

 

И. А. Введение в гидродинамические методы краткосрочного про­

гноза

 

погоды. М ., Гостехиздат, 1957, с. 375.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К и б е л ь

 

 

И . А. Способ краткосрочного

прогноза

метеорологических эле­

ментов. — Д А Н СССР, 1958,

т. 118, №

4,

с. 687— 690.

 

 

 

 

 

 

К и б е л ь

 

 

И. А. К онечно-разностная

схема реш ения полной системы

уравн е­

ний краткосрочного прогноза погоды и соотношения квазигеострофич­

ности. — Д А Н

СССР,

1960, т. 132, № 2, с.

319—322.

 

 

 

 

 

 

 

К и б е л ь И. А. Н екоторые новые задачи гидродинамического краткосроч­ ного прогноза погоды. — Труды ММЦ, 1964, вып. 3, с. 3 — 18.

297


К и б е л ь

И. А. Гидродинамический (численный) краткосрочный прогноз по­

годы.

В кн .: «М еханика в СССР за 50 лет». М ., «Н аука», т. 2 ,1970, М .,

с. 561—585.

Ки б е л ь И. А. Гидродинамический краткосрочный прогноз в задачах мезо-

метеорологіш . — Труды ГМЦ, вып. 48,

Л ., 1970, с. 3 —33.

 

К и б е л ь И. А. ,

С а д о к о в В.

П. О

краткосрочном прогнозе

погоды

в неадиабатических случаях. —

В кн .:

«Некоторые проблемы метеороло­

гии». М ., Изд. АН СССР, 1960, с. 141.

 

 

К о н д р а т ь е в

К. Я. М етеорологические исследования с помощью

ракет

испутников. Л ., Гидрометеоиздат, 1962, с. 252.

Ко ч е р г и н В. П. Введение в теорию и методы расчета океанических тече­

ний. — Н Г У ,

ВЦ СО АН СССР, Н овосибирск,

1971, с.

101.

 

 

 

К р а в ч е н к о ,

 

Л е

П р о в о

(K ravtchenko

G ., Le P rovost С.). U né m éthode

approchée de calcul

des

com posantes de

la

m arée litto rale . — Com ptes-Ren-

dus

de

I ’A cadém ie

des

Sciences,

1970,

v. 270, pp . 1451— 1454.

 

 

 

К p и cc,

О л и д ж е р

(K reiss

H .-O .,

Ö liger

J.). M ethods for th e

approxim ate

so­

lution

of tim e

dependent

problem s. G A R P

P u blications

series, 1973,

No

10.

К р и ч а к

 

С. О. ,

 

Ф у к с - Р а б и н о в и ч

 

M.

С. Б арокли н ная

модель

прогноза

по

полным уравнениям гидротермодинамики для внетропиче-

ской

части

северного полуш ария с учетом

процессов

влагообмена. — Ме­

теорология

и

гидрология,

1972, № 1, с. 26—36.

 

 

 

 

 

К р о у л и

 

(Crowley

W . Р .).

Second

order

num erical advection . — J.

Comp.

P hys.,

1967,

V .

1,

No 4, pp . 471—484.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К у p б a

T к и II

Г.

П.

П рогноз барического

поля,

температуры п верти каль­

ных скоростей для полусферы на срок до 5 суток. — И зв.

А Н

СССР, сер.

геофиз.,

1962,

12, с. 1825— 1836.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К у р б а т к и н

 

Г.

 

П. Н екоторые особенности

поведения

ультрадлинны х

волн в атмосфере. — Д А Н

СССР, 1967, т. 177,

№ 4, с. 824—827.

 

 

К у р б а т к и н

 

Г. П. Исследование динамики планетарны х волн для целей

долгосрочного прогноза. Автореф. дисс. М ., 1970, с. 27.

 

 

 

 

К у р и X а р а ,

Х о л л о в э й

(K urihara

Y .,

H ollow ay

J.

L .).

N um erical

integration of

a

 

nine-level

global

p rim itiv e

equations

m odel,

form ulated

by the

box

m ethod. — Mon. W ea.

R ev .,

1967,

v. 95, No 8, pp . 509—530.

Л а в р е н т ь е в

M. M. О некоторых некорректны х задачах математической

физики.

М .,

«Н аука», 1962, с. 92.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Л а н д а у

Л. Д. ,

М е й м а н

Н. Н. ,

Х а л а т н и к о в

И.

М.

Численные

методы

интегрирования

 

уравнений

в

частных

производных методом

се­

т о к . —

Труды

III

 

Всесоюзного математического съезда, т.

П .,

М .,

1956,

с. 16.

Л е б е д е в В. И. О методе сеток для одной системы уравнений в частных

производных. — И зв. А Н СССР,

сер. матем .,

1958,

т.

22,

с. 717— 734.

Л е й с

(L eith

С. Е .). N um erical sim ulation

of th e

E a rth ’s

atm osphere. M ethods

in Comp. Physics, 1965, v. 4, Ac. Press,

N.

Y.

 

 

 

 

Л и н е й к и н

П.

С. Основные вопросы динамической теории бароклинного

слоя моря. Л ., Гидрометеоиздат, 1957,

с. 139.

 

 

 

 

Л о р е н ц

(Lorentz Е . N .). A vailable

p o ten tial

energy

an d

th e m ain tain an ce

of

th e general

circulation . — T ellus,

1955, v. 7, No

2,

pp .

157— 167.

 

Л о р е н ц

(Lorentz E N .).

П рирода

и

теория

общей ц иркуляц и и атмосферы.

Л ., Гидрометеоиздат, 1970, с. 259.

 

 

 

 

 

 

 

 

JM а н а б е

и

др.

(M anabe

S ., Sm agorinsky

J .,

H ollow ay

J. L ., Stone H . M.).

S im ulated clim atology of a general circulation

m odel w ith a

hydrologic

cycle:

III

Effects

of

increased

h o rizo n tal

co m p u tatio n al resolution . — Mon.

W ea.

R ev ., 1970,

V .

96, No 3, pp . 1 7 5 -2 1 2 .

 

 

 

 

 

 

 

М а т в е е в

Л . T.

Основы общей метеорологии.

Ф изика атмосферы. Л ., Гпдро-

метеоиздат, 1965, с. 876.

Я.

М.

К теории долгосрочного прогноза

М а ш к о в и ч С .

А. , Х е й ф е ц

с учетом вертикальной

стратификации и турбулентного перемеш ивания. —

Труды

Ц И П , вып. 93,

1960, с. 3 — 15.

 

 

 

 

 

 

 

Ма ш к о в и ч С. А. О численных методах прогноза малой заблаговремен­ ности на основе спектральной модели атмосферы. — М етеорология п гид­

рологи я, 1972, № 1, с. 11— 18.

298