Численное моделирование взаимодействия конвективных облаков с твердыми грубодисперсными аэрозолями

• Автор: Веремей, Николай Евгеньевич
• Шифр специальности: 04.00.23
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 171 с.

Оглавление
Введение
Глава 1. Современное состояние исследований конвективных
облаков с повышенным содержанием аэрозоля
1.1. Данные натурных исследований о конвективных облаках
с повышенным содержанием аэрозоля
1.2. Численное моделирование взаимодействия конвективных
облаков и аэрозолей
Глава 2. Численная нестационарная полуторамерная модель
конвективного облака, содержащего твердые грубодисперсные аэрозоли
2.1. Обоснование выбора модели
2.2. Общая характеристика модели
2.3. Система уравнений гидротермодинамики и баланса масс
2.4. Микрофизические процессы в облаке
2.5. Система уравнений электрогидродинамики и баланса зарядов
2.6. Микрофизические процессы электризации облачных элементов
2.7. Начальные и граничные условия
Г лава 3. Результаты численного моделирования
аэрозолесодержащих конвективных струй,
развивающихся над источником тепла
Г лава 4. Результаты численного моделирования эволюции
конвективных облаков, содержащих грубодисперсные аэрозоли
4.1. Пространственно-временное изменение динамических и микрофизических характеристик конвективного облака на разных стадиях его жизни при отсутствии аэрозольного выброса
4.2. Влияние аэрозольного выброса на динамику и

микрофизическую структуру облака
4.3. Распространение аэрозоля в конвективном облаке и в подоблачном слое и его осаждение на подстилающую поверхность
4.4. Моделирование активного воздействия на конвективные облака с целью усиления вымывания аэрозольных примесей
4.5. Формирование электрической структуры конвективного облака и влияние электрических процессов на его динамику при фоновых значениях концентрации аэрозоля
4.6. Моделирование влияния аэрозоля на эволюцию конвективного облака при учете электрических
процессов
4.7. Влияние электрических процессов на распространение
и осаждение аэрозольных частиц
Заключение
Библиографический список использованной литературы
Приложение 1. Список обозначений
Приложение 2. Численный алгоритм модели
Приложение 3. Рисунки и таблицы
Приложение 4. Параметрические выражения для расчета скоростей протекания фазовых переходов и
коагуляционных процессов
Приложение 5. Параметрические выражения для описания
микрофизических процессов электризации

Введение
Актуальность проблемы. Настоящая работа посвящена исследованию взаимодействия конвективных облаков (КО) с аэрозолями. Облака ответственны за перенос аэрозольных частиц (АЧ), попадающих в атмосферу из различных источников, а также вымывание аэрозоля из атмосферы на подстилающую поверхность. Эти процессы требуют особого внимания в ситуациях, когда концентрация АЧ принимает аномально высокие значения в достаточно большой области пространства.
Значительное увеличение концентрации аэрозоля в атмосфере в большинстве случаев связано с экстремальными ситуациями (ЭС) природного (извержения вулканов, пыльные бури, землетрясения) либо антропогенного происхождения (пожары, взрывы, выбросы промышленных предприятий). Следует отметить, что число ЭС, связанных с деятельностью человека, в последние годы неуклонно растет. При этом значительное число аварий связано с испытанием и эксплуатацией атомных энергетических систем [18,19], что представляет большую опасность для человека и окружающей среды.
Известно, что аэрозоли являются одним из важнейших факторов, определяющих тепловой и радиационный режим атмосферы. Объясняется это, в первую очередь, участием АЧ в поглощении и рассеянии излучения в различных областях спектра [2,3,5,38], существенным влиянием аэрозольного состава атмосферы на образование облаков [3,5,38,45], также являющихся одним из важнейших климатообразующих факторов [38,61,72], а также, изменением альбедо подстилающей поверхности в результате осаждения АЧ [42]. Аномальное увеличение содержания аэрозолей в воздушной среде может оказать существенное влияние на атмосферные процессы разного пространственно-временного масштаба и, тем самым, вызвать изменения климатиче-

ГЛАВА 2.
ЧИСЛЕННАЯ НЕСТАЦИОНАРНАЯ ПОЛУТОРАМЕРНАЯ МОДЕЛЬ КОНВЕКТИВНОГО ОБЛАКА, СОДЕРЖАЩЕГО ТВЕРДЫЕ ГРУБОДИСПЕРСНЫЕ АЭРОЗОЛИ
2.1. Обоснование выбора модели
Как уже отмечалось выше, возможности натурных исследований КО сильно ограничены. Основными факторами, затрудняющими натурные исследования, являются существенная нестационарность облачных процессов, затрудняющая измерения, а также, многочисленные опасные явления, угрожающие здоровью и жизни экспериментаторов либо сохранности аппаратуры. Следует, также, принимать во внимание, что натурное изучение дисперсной среды является весьма сложным и трудоемким процессом. В связи с этим важным инструментом исследования физики облачных процессов, происходящих в КО, являются теоретические модели. В большинстве случаев система уравнений, описывающих пространственно-временные изменения характеристик облака, исключает аналитический подход и требует численных методов решения. По этой причине для решения задач, связанных с описанием конвективных систем (облаков и струй), разрабатываются численные модели.
Численные модели КО могут быть классифицированы по целому ряду признаков. По наличию учета зависимости характеристик облака от времени модели можно подразделить на стационарные [14] и нестационарные [60]; по размерности пространства — на нульмерные [91,114,138], одномерные [14,106], полуторамерные [7,93], двумерные [98,119,125,133], трехмерные [60,97,125,126]. Модели различаются по способу описания микрофизических процессов в облаке (существуют модели как с детальной [60,131], так и с параметризованной [109,128,137] микрофизикой). Помимо этого, между разными мо-