Связь энтропии c эволюцией облачности и осадков

Стаття присвячена питанню про знаходження позитивних джерел ентропії, пов'язаних з мезомасштабними процесами в атмосфері, шляхом чисельного моделювання хмарної атмосфери. Як початкова використову ться тривимірна прогностична модель для моделювання фронтальної хмарності, розроблена в УкрН...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2010
Автори:	Белый, Т.А., Пирнач, А.М.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України 2010
Назва видання:	Геофизический журнал
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96500
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Связь энтропии c эволюцией облачности и осадков / Т.А. Белый, А.М. Пирнач // Геофизический журнал. — 2010. — Т. 32, № 6. — С. 159-168. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-96500
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-965002016-03-18T03:02:12Z Связь энтропии c эволюцией облачности и осадков Белый, Т.А. Пирнач, А.М. Стаття присвячена питанню про знаходження позитивних джерел ентропії, пов'язаних з мезомасштабними процесами в атмосфері, шляхом чисельного моделювання хмарної атмосфери. Як початкова використову ться тривимірна прогностична модель для моделювання фронтальної хмарності, розроблена в УкрНДГМI. Проведено чисельні експерименти, метою яких було знаходження розподілу в часі і просторі ентропії, а також її виробництва. Спільне моделювання хмарності і ентропії показало, що ці фізичні об' кти в процесі розвитку добре узгоджуються між собою, а вогнища зниженої ентропії з великою вірогідністю можуть бути добрим предиктором для визначення вогнищ сильних опадів. The paper іs dedіcated to the problem of fіndіng posіtіve sources of entropy, related to meso-scale processes іnto atmosphere wіth the help of numerіcal sіmulatіon of cloudy atmosphere. Three-dіmensіonal prognostіc model, worked out іn UkrNIGMI іs used as іnіtіal one for sіmulatіon of frontal cloudіness. Numerіcal experіments have been conducted, aіmed at fіndіng of entropy temporal and spatіal dіstrіbutіon as well as іts productіon. Joіnt sіmulatіon of cloudіness and entropy demonstrated that these physіcal objects are іn good agreement durіng the process of theіr development and the centers of decreased entropy can be probable good predіctors for determіnіng of centers of strong precіpіtatіons. Статья посвящена вопросу о нахождении положительных источников энтропии, связан-ных с мезомасштабными процессами в атмосфере, путем численного моделирования облачной атмосферы. В качестве исходной используется трехмерная прогностическая модель для моделирования фронтальной облачности, разработанная в УкрНИГМИ. Проведены численные эксперименты, целью которых было нахождение распределения во времени и пространстве энтропии, а также ее производства. Совместное моделирование облачности и энтропии показало, что эти физические объекты в процессе развития хорошо согласуются между собой, а очаги пониженной энтропии с большой вероятностью могут быть хорошим предиктором для определения очагов сильных осадков. 2010 Article Связь энтропии c эволюцией облачности и осадков / Т.А. Белый, А.М. Пирнач // Геофизический журнал. — 2010. — Т. 32, № 6. — С. 159-168. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 0203-3100 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96500 551.576 ru Геофизический журнал Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Стаття присвячена питанню про знаходження позитивних джерел ентропії, пов'язаних з мезомасштабними процесами в атмосфері, шляхом чисельного моделювання хмарної атмосфери. Як початкова використову ться тривимірна прогностична модель для моделювання фронтальної хмарності, розроблена в УкрНДГМI. Проведено чисельні експерименти, метою яких було знаходження розподілу в часі і просторі ентропії, а також її виробництва. Спільне моделювання хмарності і ентропії показало, що ці фізичні об' кти в процесі розвитку добре узгоджуються між собою, а вогнища зниженої ентропії з великою вірогідністю можуть бути добрим предиктором для визначення вогнищ сильних опадів.
format	Article
author	Белый, Т.А. Пирнач, А.М.
spellingShingle	Белый, Т.А. Пирнач, А.М. Связь энтропии c эволюцией облачности и осадков Геофизический журнал
author_facet	Белый, Т.А. Пирнач, А.М.
author_sort	Белый, Т.А.
title	Связь энтропии c эволюцией облачности и осадков
title_short	Связь энтропии c эволюцией облачности и осадков
title_full	Связь энтропии c эволюцией облачности и осадков
title_fullStr	Связь энтропии c эволюцией облачности и осадков
title_full_unstemmed	Связь энтропии c эволюцией облачности и осадков
title_sort	связь энтропии c эволюцией облачности и осадков
publisher	Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України
publishDate	2010
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96500
citation_txt	Связь энтропии c эволюцией облачности и осадков / Т.А. Белый, А.М. Пирнач // Геофизический журнал. — 2010. — Т. 32, № 6. — С. 159-168. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.
series	Геофизический журнал
work_keys_str_mv	AT belyjta svâzʹéntropiicévolûciejoblačnostiiosadkov AT pirnačam svâzʹéntropiicévolûciejoblačnostiiosadkov
first_indexed	2025-07-07T03:43:14Z
last_indexed	2025-07-07T03:43:14Z
_version_	1836958135924817920
fulltext	Связь энтропии c эволюцией облачноСти и оСадков Геофизический журнал № 6, Т. 32, 2010 159 Введение. Энтропия (от греч. entropía — поворот, превращение) — понятие, впервые введенное в термодинамике для определе- ния меры необратимого рассеяния энергии. Оно было введено Р. Клаузиусом (1865), ко- торый показал, что процесс превращения те- плоты в работу следует согласно общей фи- зической закономерности — второму началу термодинамики. Этому вопросу посвящено множество работ, среди которых работы та- ких выдающихся ученых, как Л. Больцман, Дж. Гиббс, Л. Онзагер и др. С термодинамической точки зрения ат- мосфера является тепловой машиной, пре- вращающей тепло в механическую энер- гию. Последняя в результате турбулент- ной и вязкой диссипации, а также других необратимых процессов, снова превраща- ется в тепло. В среднем по времени сохра- няется баланс, отрицательный и положи- тельный, источники энтропии компенси- руются и Землю можно рассматривать как открытую устойчивую систему. В последнее время зарубежные авто- ры большое внимание уделяют детальному УДК 551.576 Связь энтропии c эволюцией облачности и осадков 1Институт геофизики НАН Украины, Киев, Украина 2Украинский научно-исследовательский гидрометеорологический институт, Киев, Украина Поступила 30 июня 2010 г. Представлено членом редколлегии В. Н. Шуманом Стаття присвячена питанню про знаходження позитивних джерел ентропії, пов'язаних з мезомасштабними процесами в атмосфері, шляхом чисельного моделю- вання хмарної атмосфери. Як початкова використову�ться тривимірна прогностична модель для моделювання фронтальної хмарності, розроблена в УкрНДГМI. Проведено чисельні експерименти, метою яких було знаходження розподілу в часі і просторі ентропії, а також її виробництва. Спільне моделювання хмарності і ентропії показало, що ці фізичні об'�кти в процесі розвитку добре узгоджуються між собою, а вогнища зниженої ентропії з великою вірогідністю можуть бути добрим предиктором для ви- значення вогнищ сильних опадів. The paper іs dedіcated to the problem of fіndіng posіtіve sources of entropy, related to meso-scale processes іnto atmosphere wіth the help of numerіcal sіmulatіon of cloudy atmosphere. Three-dіmensіonal prognostіc model, worked out іn UkrNIGMI іs used as іnі- tіal one for sіmulatіon of frontal cloudіness. Numerіcal experіments have been conducted, aіmed at fіndіng of entropy temporal and spatіal dіstrіbutіon as well as іts productіon. Joіnt sіmulatіon of cloudіness and entropy demonstrated that these physіcal objects are іn good agreement durіng the process of theіr development and the centers of decreased entropy can be probable good predіctors for determіnіng of centers of strong precіpіtatіons. расчету бюджета энтропии при локальном радиационно-конвективном равновесии с использованием реалистичных моделей об- лачности. Так, например, в работах [Pau luіs, Held., 2002а, б; Roms, 2008] показано, что дифференциальный нагрев атмосферы, про- исходящий в результате конвергенции тур- булентных потоков тепла в нижних слоях и при радиационном выхолаживании тропо- сферы в верхних слоях, приводит к умень- шению энтропии. Этот процесс уравнове- шивается производством энтропии благо- даря таким необратимым процессам, как вязкая диссипация, диффузия тепла, водя- ного пара, а также необратимыми фазовы- ми переходами воды в атмосфере. Если отрицательный источник энтропии можно достаточно надежно определить с помощью современных моделей циркуля- ции атмосферы (например [Белый, 2006; 2007], где устойчивость атмосферных дви- жений и циркуляция атмосферы исследуют- ся совместно с полной энергией энтропии и предлагается математическая форма соотно- шений между энтропией и движением), то Т. А. Белый, А. М. ПирНАч 160 Геофизический журнал № 6, Т. 32, 2010 положительные источники недостаточно до- стоверны, поскольку в моделях общей цир- куляции атмосферы мелкомасштабные про- цессы, связанные с диссипацией, параме- тризируются, а не описываются явно. Настоящая статья посвящена нахожде- нию положительных источников энтропии, связанных с мезомасштабными процесами в атмосфере, а именно с облачностью. Поэто- му мы ограничимся рассмотрением энтро- пии, связанной с адиабатическими и псев- доадиабатическими процессами. Постановка задачи. Для численного мо де- ли рования были использованы диагностиче- ские и прогностические модели с учетом оро- гра фии, теоретические основы которых были заложены в работах [Pіrnach, 1998; Пірнач, 2007; 2008; Белый, Пирнач, 2009; Белый и др., 2009;]. Для учета орографии использована Z-сигма система координат (x, h, z) [Пир- нач, 2008], которая позволила учесть фор- му рельефа и хранить постоянной высоту плоскости, ограничивающую сверху об- ласть интегрирования. В диагностических моделях учет орографии осуществлялся следующим образом: сначала строились поля метеорологических элементов в де- кар товой системе координат без учета орографии, как в работе [Белокобыльский и др., 2004; Пирнач, 2008]. Затем путем ин- терполяции проводилось перераспределе- ние значений неизвестных величин в точ- ки сетки Z-сигма системы координат. Для моделирования эволюции мезомас- штабных облачных образований во времени и пространстве была использована система интегродифференциальных уравнений, кото- рые описывают динамику и термодинамику атмосферы, а также распределение облач- ных частиц по размерам. Система уравне- ний включала уравнения движения воздуха, неразрывности, уравнения для температуры и влажности, кинетические уравнения для функций распределения облачных частиц и частиц осадков по размерам [Белокобыльский и др., 2004; Пирнач, 2008]. Облачная микрофи- зика формировалась путем нуклеации пара на ядрах конденсации и льдообразования с по- следующим ростом (испарением) частиц пу- тем конденсации. Включались также процес- сы замерзания капель, обзернения кристал- лов, коагуляции крупных капель с мелкими и т. д. По полученным из системы уравнений характеристикам с помощью соотношений, заимствованных из работы [Хргиан, 1969], вычислялись значения энтропии с ее произ- водной в заданные моменты времени. Система решалась методом расщепления на отдельные подсистемы [Пирнач, 2008]. Первоначальная система уравнений была разбита на несколько подсистем, которые отображали отдельные физические процес- сы. Численная схема, которая применялась для интегрирования уравнений в частных производных, состояла из цепочки конечно- разностных схем, для каждой из которых разрабатывался свой метод решения. Поскольку конвективные образования, которые давали сильные осадки, были доста- точно мощными и часто проникали в тро- попаузу и выше, то область интегрирования была продлена к высоте 15 км. Это создало дополнительные проблемы при вычислении процессов в районе тропопаузы. Для их ре- шения был разработан алгоритм, в котором область интегрирования по высоте разбива- лась на отдельные слои с разными гранич- ными условиями. Критерии, по которым выбирались границы слоя, определялись по месту его положения либо по величине вер- тикальной проекции скорости. Граничные условия в слое задавались разными способа- ми. На нижней и верхней границах общей области проекция скорости вертикальных движений равнялась нулю. На границах тро- попаузы в большинстве расчетов w = 0 (w — вертикальная составляющая скорости ветра в Z-сигма системе координат). Поскольку схемы вычисления вертикаль- ных движений, описанные в работе [Пир- нач, 2008], меняются в зависимости от по- ставленных задач, опишем кратко алгоритм их вычисления при решении данной задачи, а именно: на разных этапах решения общей системы использовались различные комби- нации уравнения для вертикальной скоро- сти и уравнения неразрывности. На этапе вычисления процессов уравнение для вер- тикальных движений переноса воз душных масс имело вид w td wd D= . (1) В этом случае турбулентные вертикальные движения определялись горизонтальной и вер- тикальной адвекциями, которые рассчитыва- лись на первом этапе общей вычислительной схемы (t — время, Dw — лапласиан от состав- ляющей, которая описывает турбулентность). Связь энтропии c эволюцией облачноСти и оСадков Геофизический журнал № 6, Т. 32, 2010 161 Следующим этапом в вычислении вер- тикальных движений был этап, где верти- кальные движения рассчитывались с по- мощью уравнения неразрывности. Как и в работе [Пирнач, 2008], использовалось уравнение 0 1 = ∂ ρ∂ + ∂ ρ∂ + ∂ ρ∂ + z w y v x u jjjjjj (2) в виде 1j j j j j j j ju v w u v x y z x y + ∂ ∂ ∂ ∂ρ ∂ρ + + ρ + + +  ∂ ∂ ∂ ∂ ∂  1 0 j jw z + ∂ρ + = ∂ . (3) Продиференцировав уравнение (3) по высоте, получим 2 1 1 2 1 2 2 j j j jw w Fw z z zz z + + +∂ ∂ρ ∂ ∂ ρ ∂ + + = ∂ ∂ ∂∂ ∂ , (4) j j j j j j ju vF u v x y x y    ∂ ∂ ∂ρ ∂ρ = - + ρ - +      ∂ ∂ ∂ ∂    . (5) Выражения (4)—(5) использовались до тропопаузы. Выше тропопаузы уравнение неразрывности в упрощенном виде было представлено в приближении несжимае- мости воздуха: 1 0 j j j z u v w x y z + ∂ ∂ ∂ + + =  ∂ ∂ ∂  , (6) где j и j + 1 — значения неизвестных величин, полученных на предыдущем этапе расще- пления и на заданном этапе соответствен- но; x, y, z — оси, направленные к востоку, на север и перпендикулярно к земной по- верхности соответственно; u, v — проекции скорости ветра на оси x и y со ответственно. Уравнения (4)—(6) решались методом прогонки с использованием конечных раз- ностей, направленных по течению. Шаг по высоте соответствовал 200 м, высота верх- ней границы — 15 км. В горизонтальных координатах применялись сжатые (вло- женные) и растянутые (внешние) сетки. Шаг сетки варьировал в зависимости от задач, которые ставились перед исследо- ваниями. Система уравнений, отвечающая за мик- рофизические процессы в облаках, задава- лась следующим образом: ( )1 1 1 1 1 0 d f v fr f d t r G z ∂∂ = - + + ∂ ∂  ( )1 21 31 1 1a fI I c c f f+ - - + + D , ( )2 2 1 2 2 0 d f v fr f d t r G z ∂∂ = - + - ∂ ∂  ( )212 2 2f cI r f f r ∂ - - + D ∂  , (7) ( ) ( )31 3 3 3 3 3 3 0 c d f v f r f r f dt r G z r ∂∂ ∂ = - + - + ∂ ∂ ∂   1 2 2s f fI I I f+ + + + D , где t — время; fi — функция распределения облачных капель по размерам; (i=1) — мел- кие капли, (i=2) — дождевые капли и (i=3) — кристаллы; r — радиус частицы; ir — скорость роста отдельной частицы путем конденсации; ikcr — скорости роста отдельной частицы пу- тем присоединения (коагуляции) облачных частиц частицами осадков (i=2, 3; k=1); cnl — количество облачных частиц, захваченных ча- стицами осадков (n=2, 3); vi — скорость паде- ния частицы; Ia, Is, Ifi — скорости образования капель на ядрах конденсации, кристаллов на ядрах льдообразования и замерзания капель соответственно [Pіrnach, 1998; Пірнач, 2008]. Операторы dfi / dt и Dfi описывают процессы линейного и турбулентного переносов соот- ветственно; G0 — орографический множитель перехода от прямоугольной вертикальной ко- ординаты к орографической [Пірнач, 2004]. Удельную энтропию сухого воздуха, рас- сматриваемого как идеальный газ, запишем в следующем виде [Хргиан, 1969]: 1 1 0 0 ln lnp T PS C AR T P = - , (8) где 00 , pT — начальные значения темпера- туры и давления, от которых ведется от- счет энтропии, Ср — теплоемкость воздуха при постоянном давлении, А — термиче- ский (тепловой) эквивалент работы. В виду того, что потенциальная тем- пература воздуха (пропорциональная его энтропии) и отношение смеси (удельная влажность) при адиабатических процес- сах являются консервативными свойства- ми воздушной массы, запишем уравнение энтропии с учетом адиабатических про- цессов в виде Т. А. Белый, А. М. ПирНАч 162 Геофизический журнал № 6, Т. 32, 2010 ln constpS C= q+ , (9) где q — потенциальная температура. Производство энтропии вычислим с по- мощью соотношений pCdS d dt dt q = q , (10) d u v w dt t x y q ∂q ∂q ∂q ∂q = + + + ∂ ∂ ∂ ∂ . Псевдоадиабатические процессы рас- считывались путем замены в расчетных формулах потенциальной температуры на псевдопотенциальную (выражение для по- тенциальной и псевдопотенциальной тем- ператур взято из работы [Матвеев, 1976]): 1 1000= iT p κ- κ  q     , 1 1000 p pT p κ- κ  q =     , 2,50pT T s= + , где p — атмосферное давление, s — влаж- ность, г/кг. Анализ синоптической ситуации 26 ию ля 2008 г. Остановимся кратко на синопти- ческих процессах, наблюдавшихся 26 июля 2008 г. и обусловивших катастрофические осадки, которые вызвали значительные на- воднения в Западной Украине. Весь период ливневых осадков с 21 по 27 июля 2008 г. детально рассмотрен в работах [Белый, Пир- нач, 2009; Белый и др., 2009; Пирнач, 2009]. Как видно из рис. 1, а, (см. вклейку на с. 165) над центральной и западной частью Украины находился фронт окклюзии, ко- торый протянулся от Черного до Среди- земного моря, пересекая перпендикуляр- но Карпаты. Такое расположение фронта создавало хорошие условия для столкнове- ния различных воздушных масс. Наиболее сильная осадко образующая активность наблюдалась тогда, когда несколько тече- ний сливались в одно. Это способствова- ло интенсивному образованию вихрей и мощных конвективных облаков, что резко увеличивало вероятность выпадения силь- ных осадков. Анализ спутникового снимка (рис. 1, б) выявил ярко выраженный облачный вихрь, занимающий центральную и юго-западную часть Украины. Центр облачного вихря рас- полагался над Ивано-Франковской обла- стью. На рис. 2 (см. вклейку на с. 165) пред- ставлено начальное состояние атмосферы во вложенной сетке, рассчитанное с помо- щью диагностической модели [Белый и др. 2009], с шагами сетки по горизонтали, рав- ными sx=sy=5 км, и по вертикали z=200 м. Как видно на рис. 2, по распределению температуры теплый фронт над Карпатскими горами, вытянувшись по перпендикуляру к хребту, разделил исследуемую зону на две части. С юго-запада и северо-востока проис- ходил заток теплого воздуха, а с юго-востока — холодного воздуха. Такое поведение воз- душных масс отразилось на распределении всех приведенных характеристик. Особенно это заметно на распределении вертикаль- ных движений и производстве энтропии. На рисунке явно выражены полосы, соот- ветствующие восточному и юго-западному вторжениям воздушных масс. Отдельные замкнутые ячейки пониженной энтропии и циклонических вихрей могут рассматриваться как предшественники кучевой облачности. Характерно наличие мелких вихрей цикло- нического и антициклонического вращений, которые иногда организовывались в полосы соответствующего характера. Начальное состояние энтропии харак- теризуется максимальными ее значениями в холодной массе фронта, очевидно харак- теризуя ее более устойчивое состояние. Начальное состояние производной эн- тропии по времени хорошо согласуется с температурой и также подчеркивает раз- деление исследуемой области по физиче- ским характеристикам. Ее положитель- ные значения соответствуют укреплению устойчивого состояния системы, а отрица- тельные — неустойчивого. Как видно на рис. 2, теплая масса фронта стремится к устойчивому состоянию, а холодная раз- дроблена на отдельные довольно актив- ные неустойчивые очаги. Если учесть, что производство энтропии отображает изме- нение энтропии со временем и характе- ризует состояние системы на следующем временном шаге (т.е. по производству эн- тропии можно предопределять поведение системы на следующем временом шаге), то наиболее активные процессы ожидают- ся в холодной массе воздуха. Связь энтропии с эволюцией облачно сти и осадков. Эволюция облачной атмо- Связь энтропии c эволюцией облачноСти и оСадков Геофизический журнал № 6, Т. 32, 2010 163 сферы моделировалась с помощью систе- мы названных выше интегродифферен- циальных уравнений и различного вида соотношений, характеризующих распре- деление энтропии во взаимосвязи с облач- ностью и осадками. На рис. 3 (см. вклейку на с. 166) пред- ставлена эволюция энтропии с учетом адиабатических и псевдоадиабатических (с учетом влажности) процессов. Здесь можно заметить, что энтропия, связанная с псев- доадиабатическими процессами, отличается от энтропии сухого воздуха как по величи- не, так и по распределению. Такое различие связано с тем, что учет влажности позволил выделить в системе области наиболее спо- собствующие влажной конвекции, т.е. раз- витию облачности. Как показали дальней- шие расчеты, адиабатическая энтропия хо- рошо согласуется с очагами осадков, а псев- доадиабатическая — с облачностью. На рис. 4 (см. вклейку на с. 166) представ- лены вертикальные разрезы облачности при y=25 и 30 км. Разрезы атмосферы выяви- ли две области, соответствующие мощным кон вективным облакам, которые пробивали тро попаузу. Энтропия сигнализировала об этой облачности резкими изгибами изоли- ний в ее расперделении для сухого воздуха и замкнутыми областями или резкими изги- бами для влажного воздуха. Облака были смешанными, с кристалличе- скими вершинами, концентрация кристаллов в них достигала 106/г. Засевая нижние, бога- тые влагой слои, эти кристаллы были мощ- ным средством для производства сильных и катастрофических осадков. Судя по водности и пересыщению по отношению ко льду, на- личие свободной для сублимации и конденса- ции влаги имело место практически во всей области. Но поскольку нулевая изотерма на- ходилась высоко, а пересыщение по отноше- нию ко льду было отрицательным до высоты 2—3 км, то до земли могли долететь только ча- стицы достаточно больших размеров. Как вид- но из рисунка, очаги сильных осадков дости- гали земли только в отдельных узких ячейках, куда долетали растаявшие ледяные частицы. Следует отметить, что ниже нулевой изо- термы находится капельная фаза, которая образуется после таяния льда. Выше изотер- мы -40 °С все частицы превращаются в ледя- ную фракцию. Изотермы представлены на рис. 4, а. Водность в заданной области распо- ложена внутри облачных образований и раз- мещена на различных высотах. Это говорит о том, что облака имеют зрелую форму раз- вития. Наличие пересыщения по отношению ко льду указывает на то, что облака в дальней- шем будут усиливаться и возможно выпаде- ние осадков. Также на рисунке представлены вертикальные разрезы удельной энтропии, зависящей от адиабатических и псевдоадиа- батических процессов, которые хорошо со- гласуются с фазовыми состояниями системы. Псевдоадиабатическая энтропия отличается от адиабатической более обширными и сгла- жеными областями. Как можно видеть, мак- симально развитые процессы соответствуют зонам с минимальным значением энтропии, а зоны, где процесс стремится к равновесному состоянию, соответствуют повышенным зна- чениям энтропии. На рис. 5 (см. вклейку на с. 167) представ- лены поля удельной энтропии сухого воз- духа и интенсивность осадков для области, соответствующей осадкам, выпавшими над г. Ивано-Франковском. Как видно из рисун- ка, зоны выпавших осадков хорошо согласу- ются с очагами пониженых значений удель- ной энтропии сухого воздуха. На рис. 6 (см. вклейку на с. 167) показа- но взаимодействие энтропии с облачностью и осадками при t = 9 ч в период зрелого со- стояния облачной системы. Особенно за- метна зависимость между энтропией сухо- го воздуха и осадками. Очаги пониженной энтропии практически совпадают с очагами осадков. Редкие несовпадения этих очагов можно объяснить только временным несо- ответствием, наиболее вероятно, некото- рым запаздыванием выпадения осадков или недостаточной активностью механизмов осадкообразования. Это подтверждает рас- пределения облачности, где в области с от- сутствующими осадками находятся облака с отдельными ядрами повышенного влагосо- держания. Временное и пространственное развитие энтропии хорошо согласуется с распределе- нием облачности и осадков. Энтропия влаж- ного воздуха по пространственному распре- делению лучше согласуется с облачностью, энтропия сухого воздуха — с осадками. Эпицентры осадков практически совпада- ют с эпицентрами пониженных значений энтропии сухого воздуха. Судя по совмест- ным расчетам энтропии и облачности, эн- тропия сухого воздуха может быть хорошим предиктором для определения эпицентров Т. А. Белый, А. М. ПирНАч 164 Геофизический журнал № 6, Т. 32, 2010 сильных осадков. Области с по ниженными значениями энтропии влажного воздуха за- нимают более широкие площади также, как облачность и осадки. Выводы. Проведена серия численных экс- периментов по исследованию взаимного влия- ния облачности и энтропии с целью поиска ключевых параметров, которые могли бы слу- жить достоверными предикторами для вре- менного и пространственного распределений сильных осадков. Совместное моделирование облачности и энтропии показало, что эти физические объекты в процессе эволюции хорошо со- гласуются между собой. Области пониженной энтропии хорошо согласуются с облачностью и осадками, об- ласти повышенной энтропии — с безоблач- ной атмосферой. Очаги пониженной энтропии могут слу- жить хорошим предиктором для определения очагов сильных осадков в облачных системах. Белый Т. А. Локальное уравнение баланса эн- тропии и трансформация энергии внутри термодинамического континуума на при- мере скорости перестройки тензора дефор- мации // Наук. пр. УкрНДГМI. — 2006. — Вип. 255. — С. 57—69. Белый Т. А. Энтропия климатических эпох // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использова- ние ресурсов шельфа. — 2006. — Вып. 14. — С. 487—493. Белый Т. А., Пирнач А.М. Численное модели- рование сильных осадков в Прикарпатье // Доп. НАН України. — 2009. — №10. — С. 115–121. Белый Т. А., Дударь С. Н., Пирнач А. М. Числен- ные исследования влияния различных ме- ханизмов осадкообразования на эволюцию мезомасштабных облачных образований, обусловивших сильные осадки в Карпатах 21—29 июля 2008 г. // Геофиз. журн. — 2009. — 31, № 6. — С. 107—123. Белокобыльский А. В., Паламарчук л. В., Пир- нач А. М. Исследование процессов образо- вания и развития летних фронтальных осад- ков над Украиной // Вопросы физики обла- ков. — Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 2004. — С. 24—50. Матвеев л. Т. Курс общей метеорологии. Фи- зика атмосферы. — Ленинград: Гидрометео- издат, 1976. — 641 с. Пірнач Г. М. Моделювання фронтальних хмар Список литературы із сильними опадами // Наук. пр. УкрНДГМI. — 2004. — Вип. 253. — С. 37—50. Пірнач Г. М. Моделювання еволюції мезомасш- табних хмарних утворень над Карпатами // Наук. пр. УкрНДГМI. — 2007. — Вип. 256. — С. 19—43. Пірнач Г. М. Чисельне моделювання хмар та опадів у системах атмосферних фронтів. — Київ: Ніка-Центр, 2008. — 296 с. Пірнач Г. М. Моделювання вза�много впли- ву крапельної та кристалічної фракції на інтенсивність сильних опадів // Наук. пр. УкрНДГМI. — 2007. — Вип. 258. — С. 5—29. Хргиан А. Х. Физика атмосферы. — Ленинград: Изд. Гидрометеоролог. ин-та, 1969. — 647 с. Pauluіs O., Held I. M. Entropy Budget of an Radі- atіve-convectіve equіlіbrіum. Part I: Maxіmum work and frіctіonal dіssіpatіon // J. Atmos. Scі. — 2002а. — 59. — Р. 125—139. Pauluіs O., Held I. M. Entropy Budget of an Ra- dіatіve-convectіve equіlіbrіum. Part II: Latent heat transport and moіst processes // J. Atmos. Scі. — 2002б. — 59. — Р. 140—149. Pіrnach A. Constructіon and applіcatіon of the varіous numerіcal models for study the cloud dynamіcs and structure of the frontal raіn- bands // J. Atmos. Res. — 1998. — 45—47. — P. 356—376. Roms D. M. The Dry-Entropy budget of moіst at- mosphere // J. Atmos. Scі. — 2008. — 65. — Р. 3779—3799. Связь энтропии c эволюцией облачноСти и оСадков Геофизический журнал № 6, Т. 32, 2010 165 Рис. 1. Фрагмент приземной синоптической карты за 26 июля 2008 г. 00.00 UTC (а) и спутниковый снимок облач- ности 26 июля 2008 г. (б). Рис. 2. Начальное состояние атмосферы (23:30 UTC 26.07.08): а — приземное давление, гПа; б — максимальные по z вертикальные движения, см/с; в — приземная температура, °С; г — вертикальная составляющая вихря на земле, 10-3⋅с-1; д — энтропия; е — производство энтропии,1/с. Т. А. Белый, А. М. ПирНАч 166 Геофизический журнал № 6, Т. 32, 2010 Рис. 3. Временное и пространственное распределения удельной энтропии сухого и влажного воздуха при z=3 км. Цифры у вершин рисунков — время развития облачности в часах: 1-й ряд — энтропия, рассчитанная для сухого воздуха, 2-й — для влажного. Рис. 4. Вертикальные разрезы облачных характеристик при t=1 ч: a — y=15 км, б — y=25 км (1 — концентрация кристаллов, 1/г, водность облака, г/кг; 2 — ледность облака, г/кг; удельная энтропия сухого и влажного воздуха; 5 — пресыщение по отношению ко льду, г/кг и температура, °С (цифры на кривых). Связь энтропии c эволюцией облачноСти и оСадков Геофизический журнал № 6, Т. 32, 2010 167 Рис. 6. Взаимодействие энтропии, облачности и осадков при t = 9 ч: a — облачность (интегральные по высоте суммы водности и льодности, приведенные к размерности сумм осадков,10-3 мм), б — энтропия влажного воздуха, в — энтропия сухого воздуха, г — интенсивность осадков, мм/ч. Рис. 5. Удельная энтропия сухого воздуха и интенсивность осадков: 1-й ряд — удельная энтропия сухого воздуха, 2-й ряд — интенсивность осадков, мм/ч; 3-й ряд — совмещенные 1-й и 2-й ряды. Т. А. Белый, А. М. ПирНАч 168 Геофизический журнал № 6, Т. 32, 2010 Рисунок к статье Зилитинкевич С. С. Самоорганизация и нелокальная природа геофизической турбулент ности и планетарных пограничных слоев Взаимодействие геосфер через планетарные пограничные слои (ППС), показанные как зеленые «линзы»на границах раздела. В ППС сосредоточено почти 100 % антропосферы и более 90 % биосферы Земли.

Связь энтропии c эволюцией облачности и осадков

Репозитарії

Схожі ресурси