Численное моделирование характеристик пограничного слоя атмосферы крупного промышленного города (на примере г. Челябинска)

Abstract

В статье исследована возможность применения модели WRF (Weather Reseach and Forecasting) для исследования характеристик пограничного слоя атмосферы и его эволюции над крупным промышленным городом в условиях зимнего антициклона. Обсуждается влияние процессов, связанных с антропогенной деятельностью, неоднородностью городского ландшафта на развитие городского острова тепла. Получено, что WRF относительно хорошо описывает наблюдаемую структуру пограничного слоя с его температурной инверсией в нижнем 150-метровом слое и почти изотермическую стратификацию в однородном слое выше 300 м. Однако интенсивность инверсии оказывается значительно заниженной (примерно на 4 °С). Вычислительные эксперименты показывают, что абсолютная разность между наблюдаемой и рассчитанной температурой монотонно убывает во времени и после 18 часов от начала расчета сохраняется в пределах ±1 °С на всех расчетных уровнях в пограничном слое. Обнаруживается некоторая инерция в эволюции смоделированных характеристик пограничного слоя в период восхода – захода солнца, когда происходит быстрое изменение температуры воздуха в нижнем слое (менее 150 м). При низких температурах (ниже −10 °С) и слабых ветрах поля метеохарактеристик изменяются под воздействием городского острова тепла, представляя собой две температурные аномалии до +2÷4 °С, разделенные более холодной областью долины реки. Смоделированное поле ветра на разных уровнях в пограничном слое согласуется с температурным максимумом над обширной промышленной территорией в том, что в приземном слое здесь формируется зона дивергенции ветра, которая связана с нисходящими движениями воздуха, тогда как зона конвергенции вдоль долины реки связана с горизонтальными движениями «туннельного эффекта». Обнаружено, что при взаимодействии городского острова тепла с особенностями орографии города формируется необычно сильная струя на нижних уровнях над возвышенной частью города, занятой металлургическими предприятиями, которая, возможно, ответственна за сдвиги ветра над этой территорией. В целом структура циркуляций городского острова тепла может рассматриваться как стационарный фронт – один из новых объектов будущих мезомасштабных исследований. An applicability of Weather Research Forecasting Model (WRF) with single-layer surface parameterization schema to quantifying urban planetary boundary layer (PBL) structure and evolution is evaluated by comparing model-derived results versus conventional thermal profiler, surface and satellite data obtained in Chelyabinsk metropolitan area during typical winter anticyclon. Influence of detailed description of anthropogenic surface processes and landscape inhomogeneities onto urban heat island patterns is discussed also. WRF relatively well describes the observed vertical PBL structure with temperature inversion in stable surface layer below 150 m, and isothermal well-mixed layer above 300 m, but significantly (more than 4 0C) underestimates subsidence inversion cape intensity. Experiments reveal that an absolute difference between modeling and observed temperatures monotically decrease with time, and, after 18 hours model runs continuing within ±1 0C interval at all levels of PBL. Some inertia in evolution of modeled PBL is observed during sunrise/sunset when rapid temperature change at low levels (less than 150 м) occurs. As was expected for cold weather temperatures below -15 0C and light winds, model fields are perturbed by presence of pronounced urban heat island (UHI) with two surface temperature anomaly up +2÷4 0C separated by cold river valley. Simulated 3D wind flows suggest that highest temperature maxima in industrial park corresponds to surface divergence region and is produced by descending vertical air motion in contrast to valley convergence induced by horizontal “tunnel effects”. The interaction of UHI and complex terrain induced flows resulting unusually strong low level jet. It is assumed that such jet development produces wind shift. Overall circulations structure can be considered in term of UHI stationary frontal boundary – one of new object to future mesoscale studies.