объединение моделей верхней и нижней атмосферы

Объединение моделей верхней и нижней атмосферы
К.Е. Белоушко
Мурманский государственный технический университет, кафедра физики
Beloushko@mail.ru
На данный момент существует необходимость создания единой численной модели
газовой оболочки Земли, которая позволила бы продвинуться в изучении глобальной
электрической цепи, метеорологического влияния на нижнюю ионосферу, атмосферных
приливов, акустико-гравитационных волн, стратосферной аномалии и других геофизических
явлений. Своевременность и актуальность объединения моделей подтверждается тем, что на
данный момент такая работа ведётся в нескольких научных центрах (например, в США
разрабатываются метамодели WACCM-X, WAM и SWMF, в Канаде - CMAM, в Германии –
HAMMONIA, в Японии - Kyushu GCM).
Поэтому представляется необходимым вывести и отечественные атмосферные
модельные исследования на современный мировой уровень, на котором наметилась главная
тенденция – стремление к построению метамоделей.
Для построения объединённой модели за основу взята модель верхней атмосферы
UAM (Upper Atmosphere Model), изначально созданная в Западном Отделении ИЗМИРАН (г.
Калининград), а затем развивавшаяся в ПГИ КНЦ РАН и МГТУ (г. Мурманск). UAM
является на сегодняшний день наиболее продвинутой и перспективной отечественной
моделью верхней атмосферы.
В модели UAM численно интегрируется система квази-гидродинамических
уравнений, описывающих законы сохранения частиц, импульса и энергии (уравнения
непрерывности, движения и теплового баланса). В совокупности с ними в модели решается
уравнение для потенциала электрического поля магнитосферного и термосферного динамопроисхождения. В зависимости от характера описываемых процессов используются
геомагнитные сферическая и дипольная системы координат.
В качестве модели нижней атмосферы выбрана модель общей циркуляции атмосферы
и океана ИВМ РАН (г. Москва), находящаяся по своему качеству на уровне лучших
современных моделей прогноза погоды и климата. Она основана на решении системы
полных нелинейных уравнений гидротермодинамики атмосферы в криволинейной сигмасистеме координат (т.е. высотной координатой является отношение давлений на данном
уровне к приповерхностному).
Объединение моделей UAM и ИВМ РАН позволит не только получить единую
модель атмосферы Земли, но и при этом устранить неопределённости, связанные с заданием
верхних граничных условий при моделировании погодной области и с заданием нижних
граничных условий при моделировании процессов в верхней атмосфере.
В ходе проведенного анализа проблемы предложен следующий алгоритм
объединения моделей: на перекрываемом обеими моделями интервале высот (60-90 км)
осуществляется итерационный обмен граничными условиями, в котором решения из модели
1 используются в качестве нижних граничных условий для модели 2, а полученные после
этого решения модели 2 используются в качестве верхних граничных условий для модели 1,
после чего процедура повторяется до получения заданной сходимости решения к единому в
перекрывающейся области.
Реализация описанного алгоритма потребует решения ряда вспомогательных задач и,
прежде всего, унификации объединяемых моделей на перекрывающемся интервале высот в
части пространственных сеток, временных шагов интегрирования и рассчитываемых в узлах
сеток параметров. Для этих целей разрабатывается программная процедура «переходник», в
задачи которой входит интерполяция параметров моделей из вертикальной сигма-
координаты в метрическую и из географической в геомагнитную и соответственно обратно,
вычисление таких параметров как давление и концентрации малых газовых компонент.
Автор благодарит за полезные дискуссии и предоставленные модельные данные А.А.
Намгаладзе и Е.М. Володина.