Физическое моделирование взаимодействия атмосферы и

Физическое моделирование
взаимодействия атмосферы
и океана при штормовых
условиях
Ю.И.Троицкая
Институт прикладной физики РАН
Нижний Новгород, РФ
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
Содержание
• Изменение климата и штормовая
активность
• Моделирование шторма в
лаборатории
• Пример эксперимента по
моделированию взаимодействия
волн и штормового ветра
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
Изменение климата и
штормовая активность
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
Изменения характеристик экстремальных погодны условий в определеный
период с указанием уровня достоверности (из Climate Change 2007 - The
Physical Science Basis Contribution of Working Group I to the Fourth
Assessment Report of the IPCC)
Тропические Увеличение времени
жизни и увеличение
циклоны
С
Вероятно
1970х >66%
Экстремальные
внетропические шторма
При- Вероятно
мерно >66%
с 1950 вероятность
интенсивности
ураганов без
увеличения частоты
событий
Увеличение
частоты/интенсивности и смещение треков
к северу
вероятность
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
Интенсивность ураганов по шкале Саффира-Симпсона
(категории от 1 до 5).
Шкала ураганов
Саффира-Симпсона
1
2
3
4
5
60
55
50
45
40
35
Средняя скорость ветра, м/с
30
Общее число штормов категории 1 (синяя кривая), сумма категорий 2 и 3 (зеленая
кривая) и сумма категорий 4 и 5 (красная кривая) за 5-летний период. Из Webster,
P.J., et al., 2005: Changes in tropical cyclone number, duration and
intensity in a warming environment. Science, 309, 1844–1846.
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
Изменения характеристик экстремальных погодны условий в определеный
период с указанием уровня достоверности (из Climate Change 2007 - The
Physical Science Basis Contribution of Working Group I to the Fourth
Assessment Report of the IPCC)
Тропические Увеличение времени
жизни и увеличение
циклоны
С
Вероятно
1970х >66%
Экстремальные
внетропические шторма
При- Вероятно
мерно >66%
с 1950 вероятность
интенсивности
ураганов без
увеличения частоты
событий
Увеличение
частоты/интенсивности и смещение треков
к северу
вероятность
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
Полярные
ураганы
Animation 13-16
October 1993.
Infrared images 04+14 UTC
13th, 06+14 UTC 14th, 05+13
UTC 15th and 05+13 UTC 16th
October.
http://www.meteo.uni-bonn.de
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
A "most beautiful" polar low over the Barents Sea
27 February 1987 (wind speeds up to 20 m/s)
http://www.meteo.uni-bonn.de
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
Barents Sea polar low
http://www.sat.dundee.ac.uk/gallery/
Image ID
663
Acquistion date
2007-07-21
Over head time
11:33:00
Sensor
modis
Channel(s)
1,4,3
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
Летний минимум распределения арктического льда
Минимальная площадь ледяного покрова в Арктике с 1979 по 2008 г. cократилась
почти на 20% [Climate Change 2007 - The Physical Science Basis Contribution of
Working Group I to the Fourth Assessment Report of the IPCC]
Аномалия среднегодовой температуры
воздуха в широтной зоне 70–85° с. ш. в XX
веке - начале XXI века и 60 летняя
составляющая ее колебаний (Фролов и др.,
2007). [Оценочный доклад об изменениях
климата и их последствиях на территории
Российской Федерации]
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
Практическая задача:
Развитие долговременной климатологии тропических циклонов,
интенсивных внетропических циклонов, полярных ураганов и т.п. как
одного из важнейших факторов риска морской деятельности.
Проблема:
Недостаток инструментальных наблюдений;
Решение проблемы:
Математическое моделирование ТЦ, ПУ и т.п. в рамках
региональных климатических моделей;
Физические лабораторные модели взаимодействия атмосферы и
океана при экстремальных гидрометеоролигических условиях;
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
Высокоскоростной ветроволновой канал на базе
Большого
термостратифицированного
бассейна ИПФ РАН
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
Большой термостратифицированный Бассейн ИПФ РАН
Размеры: длина 20 м, ширина 4 м, глубина 2 м.
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
Искусственная температурная
стратификация,
моделирующая стратификацию
океана в масштабе 1:251:100
6
8
10
12
Temperature,t C
14 16 18 20
22
24
0
-20
-40
1
две холодильных машины общей
холодопроизводительностью 94000
Kcal/hour используются для создания
стратификации
D e p th z ,c m .
-60
Одна холодильная машина
холодопроизводительностью 33000 Ккал/час
используется для поддержания режима
стратификации
-80
-100
-120
-140
-160
-180
-200
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
2
3
26
Высокоскоростной ветро-волновой канал на базе
Большого термостратифицированного бассейна
Общий вид высокоскоростного ветроволнового канала
Параметры установки:
·длина, ширина и высота рабочей части канала 10 м, 0.4м,
0,4 м;
·рабочие скорости ветра 3-25 м/с (эквивалентные скорости
ветра на высоте 10 м 6-60 м/с).
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
Схема установки и измерительный комплекс
6
Ux,Uz
Ux,Uy
8
9
8
3
5
7
2
( 6-36 )
-(11-41)
4
Z
|U|, t
Z
..
.......
......
..
........
.......
6
1
40
30
3
U(x,z,t)
5
100
1
Z
1
4
7
150
40
Vx,Vy,Vz
120
4 000 cm
10 000 cm
1 - хонейкомб, 2 – термоанемометр для контроля скорости и температуры входного
потока, 3 – акустический анемометр 2D WindSonic Gill Instruments, UK и 4 –
доплеровский акустический измеритель скорости течения ADVlab на сканирующем
устройстве, 5 – волнограф, 6 – лазер с длиной волны 532 нм и выходной мощностью 0.5
Вт, 7 – high speed video camera Videoscan VS-FAST, 8 - волногаситель
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
Установка позволяет проводить моделирование
взаимодействия океана и атмосферы в широком
диапазоне скоростей ветра от слабых до
ураганных, включая
·особенности тепло-массо-энергообмена в атмосферном
пограничном слое при ураганном ветре;
·образование пены и брызг;
·формирование коротковолновой части спектра
поверхностных волн при ураганном ветре;
·воздействие штормовых волн на суда и береговые
сооружения;
·динамику верхнего слоя стратифицированного океана под
действием ураганного ветра;
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
Ветровое волнение в канале (вид сбоку, U10=60 м/с)
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
Wind over wavemaker
generated wave (U0=4
m/s, f=2.5Hz,
a0=14 mm).
video taken at the rate
1000 frames/sec and
reproduces at the rate 25
frames/sec
Experiment was repeated
35 times to provide an
ensemble for averaging.
A duration of each run
varies from 200 to 600
msec
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
Мгновенное поле скорости
z(mm)
150
100
50
0
50
100
150
200
250
300
x(mm)
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
Пример эксперимента по
моделированию
взаимодействия волн и
штормового ветра
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
Возможные механизмы снижения
аэродинамического сопротивления
поверхности моря при экстремальных ветрах
Влияние брызг
(Andreas, 2004; Makin, 2005;
Kudruavtsev, 2006)
Отрыв воздушного пограничного
слоя от обрушающихся волн
(Makin, Kudruavtsev, 2007)
Нелинейный эффект ослабления
взаимодействия ветра с волнами
(Hara, Belcher, 2004, Troitskaya,
2008)
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
Аэродинамическое сопротивление поверхности океана
(лабораторная модель)
0.005
Черные символы- измерения Donelan et
al, 2004
CD10N
Красные символы измерения на
ветроволновом канале ИПФ РАН
0.004
0.003
0.002
2
*
2
10
u
CD =
U
0.001
0
0
10
20
30
U10N(m/s)
40
50
60
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
Частотные спектры волнения при различных
скоростях ветра
10
S(f)Δf(cm)
1
Скорость ветра (m/s)
6.03
13.9
19.2
24.2
29.7
40.5
41.4
47.3
56.7
0.1
0.01
0.001
0.0001
1E-005
1
f(Hz)
10
Насыщение спектра волнения
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
Зависимость параметров волнения от скорости ветра
Насыщение уклона энергонесущей волны
0.2
Slope
Возможные причины
«выглаживания»
поверхности воды при
ураганном ветре
0.18
0.16
•увеличение диссипации
•усиление дрейфового
течения
0.14
0.12
0.1
0
20
U10N(m/s)
40
60
Существенная высота волн пропорциональна длине энергонесущей
волны
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
Аэродинамическое сопротивление поверхности океана
(лабораторная модель и теория)
0.005
CD10N
0.004
Черные символы- измерения Donelan et
al, 2004
Красные символы измерения на
ветроволновом канале ИПФ РАН
Расчет в рамках модели ветра над
морем ИПФ РАН
0.003
0.002
0.001
0
0
10
20
30
U10N(m/s)
40
50
60
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
Аэродинамическое сопротивление поверхности океана
(лабораторная модель и теория)
0.005
CD10N
0.004
Черные символы- измерения Donelan et
al, 2004
Красные символы измерения на
ветроволновом канале ИПФ РАН
Расчет в рамках модели ветра над
морем ИПФ РАН с учетом брызг (зел)
0.003
0.002
0.001
0
0
10
20
30
U10N(m/s)
40
50
60
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва
Выводы
В ИПФ РАН действует современная установка,
позволяющая проводить физическое моделирование
взаимодействия атмосферы и океана.
Круг научных и практических задач:
• Тестирование региональных моделей взаимодействия
океан –атмосфера
• Параметризация процессов обмена
• Моделирование воздействия штормовых волн на суда
и береговые сооружения
Научно-практическая конференция «Глобальное изменение климата и механизмы
адаптации к ним»
10-11 ноября 2009 г Москва