Параллельная реализация математической модели атмосферного пограничного слоя над поверхностью с неоднородными свойствами

• Автор: Есаулов, Алексей Олегович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 140 с. : ил.

Введение.

Глава 1. Моделирование локальных атмосферных процессов.

1.1. Развитие мезомасштабных моделей в исследовании атмосферных процессов.

1.2. Структура атмосферного пограничного слоя и проблемы его исследования.

1.3. Основные уравнения мезомасштабных метеорологических моделей

1.4. Выбор системы координат

1.5. Начальные и граничные условия. Параметризация взаимодействия атмосферы с подстилающей поверхностью

1.6. Моделирование турбулентного переноса.

1.7. Параметризация влагообмена и радиационного переноса

в атмосферном пограничном слое

1.8. Численные схемы, применяемые в моделях атмосферы.

1.9. Выводы.
Глава 2. Мезомасштабная модель атмосферных процессов над поверхностью
с неоднородными свойствами
2.1. Основные уравнения модели
2.2. Моделирование турбулентного переноса.
2.3. Начальные и граничные условия
2.4. Параметризация радиационного переноса тепла
2.5. Параметризация влагообмена.
2.6. Выводы.
Глава 3. Метод решения
3.1. Преобразование координат.
3.2. Построение вычислительной сетки
3.3. Получение конечноразностных уравнений методом конечного объема.
3.4. Аппроксимация нестационарного уравнения переноса.
3.5. Устойчивость численных схем.
3.6. Алгоритм расчета давления, согласованного со скоростью ветра
3.7. Решение сеточных уравнений
3.8. Тестирование расчетной схемы
3.9. Выводы
Глава 4. Параллельная реализация метода решения
4.1. Различные способы параллельной реализации мезомасштабных моделей атмосферы
4.2. Декомпозиция расчетной области
4.3. Обеспечение коммуникационных обменов
4.4. Параллельное решение сеточных уравнений методом Булеева.
4.5. Оценки эффективности параллельной реализации вычислительного алгоритма
4.6. Выводы
Глава 5. Результаты расчетов атмосферных процессов.
5.1. Вангараэкспсримент.
5.2. Эризундэксперимент.
5.3. Бризовая циркуляция
5.4. Формирование горных подветренных волн
5.5. Численное исследование горнодолинных и бризовых циркуляций
5.6. Численное исследование динамики атмосферного пограничного
слоя для условий г. Томска
5.7. Выбор схемы аппроксимации нестационарных уравнений
динамики АПС.
5.8. Выводы.
Заключение.
Библиографический список использованной литературы
Приложение 1. Список сокращений и обозначений.
Введение


Макромасштабные, или, иными словами, глобальные, модели ориегггированы на изучение процессов с характерными горизонтальными масштабами от нескольких сот километров до десятков тысяч и временными масштабами от нескольких дней до нескольких недель. К таким процессам относят глобальную циркуляцию, синоптические циклоны и антициклоны, атмосферные фронты и пр. Моделируемая область, как правило, покрывает либо всю поверхность Земного шара, либо его полусферу. Примером такой модели может служить глобальная атмосферная модель Гидрометеоцентра России ТЬ , ориентированная на прогноз метеорологических полей с дискретностью по времени 6 часов и заблаговременностью 0 часов. Горизонтальное разрешение модели приблизительно соответствует разрешению 1,4е широтнодолготной сетки, по вертикали толща атмосферы до высоты около км разделена на слой имеет место сгущение узлов сетки к поверхности Земли. Мезомасштабными, или локальными, называют модели, описывающие процессы с пространственным масштабом от единиц до сотен километров и характерным временем от часа до нескольких дней , , , , , , , , , , , , , , 0, 6, 9, , 9, 1, , , 0, 2, 6, 7, 1, 2, 4, 5. Это крупномасштабная турбулентность, динамика кучевых облаков, грозы, бризовые и горнодолинные циркуляции. В масштабах города или региона именно локальные атмосферные процессы представляют наибольший интерес, а они не могут быть эффективно описаны глобальными моделями. Под микромасштабными понимают модели, предназначсшплс для исследования процессов с характерными размерами, не превышающими нескольких километров , 3. Моделируемыми объектами могут выступать улицы и площади с отдельно стоящими зданиями, трубами предприятий, деревьями и др. Как правило, такие модели призваны решать задачи определения воздействия источников загрязнений промышленные объекты, транспорт в элементах городской застройки с целью снижения техногенной нагрузки. Диапазон явлений, происходящих в атмосфере, весьма широк кроме того, ни одно из явлений не существует отдельно, а является частью совокупности феноменов. Поэтому, приведенная выше классификация является весьма условной, так как четко определенных разделений по масштабам процессов не существует. Более полная классификация должна учитывать не только характерные временные и горизонтальные, но и вертикальные масштабы 3. Появившиеся в х годах XX века мсзомасштабные модели атмосферы активно развивались последние четыре десятилетия, и в настоящее время успешно применяются для решения различных прикладных задач локальный прогноз погоды, изучение формирования атмосферных циркуляций, образования туманов и облачности, распространения примесей и их трансформации. Хотя используемых в настоящее время мезомасштабных моделей достаточно много, существуют особенности, характерные практически для всех моделей. Практически все современные мезомасштабные модели, в силу трудоемкости решаемой задачи, ориентированы на применение компьютеров с параллельной архитектурой. В связи с продолжающимся развитием компьютерной техники, в перспективе, как представляется, будет происходить как усложнение самих моделей например, применение схем турбулентного замыкания более высоких порядков и ввсдсшс новых схем микрофизики влажности, так и повышение их разрешающей способности. Среди используемых в настоящее время выделяется ряд наиболее распространенных моделей. ММ5 , . Государствсшьш университетом Пенсильвании и Национальным центром атмосферных исследований США . Данная негидростатическая модель использует с р вертикальную координату и предоставляет широкий выбор различных параметризаций и микрофизических схем 8 схем параметризации для конвективных процессов, 6 схем взаимодействия с подстилающей поверхностью, 5 схем параметризации лучистых потоков, 8 схем параметризации микрофизичсских процессов. Модель имеет параллельную реализацию и может быть использована на машинах как с разделяемой, так и с распределенной памятью. Национальных центров атмосферных исследований и предсказания состояний окружающей среды , а также целого ряда научноисследовательских и образовательных учреждений США.