Численное моделирование взаимодействия конвективных облаков с твердыми грубодисперсными аэрозолями

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 климатообразую-щих 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 климатических условий в значительной части земного шара либо на планете в целом. Процессы переноса и осаждения аэрозолей облаками и осадками способны, посредством тех или иных механизмов, оказывать значительное влияние на характер и масштаб этих изменений.

Особую опасность представляют АЧ, содержащие значительное количество токсичных и (или) радиоактивных веществ, и образующиеся, главным образом, при антропогенных катастрофах. Они оказывают непосредственное негативное воздействие на живые организмы и природную среду даже при сравнительно небольших концентрациях. Закономерности распространения таких аэрозолей от их источника и, как следствие, масштабы экологической катастрофы также во многом определяются процессами переноса АЧ облаками и осадками.

Взрывы, пожары и вулканические извержения, как правило, сопровождаются интенсивным выделением тепловой энергии. Нагрев воздуха вызывает образование восходящих воздушных потоков, которые, при достаточной влажности воздуха, приводят к образованию и бурному росту КО. В связи с интенсивной аэрозольной эмиссией, сопровождающей ЭС, образовавшиеся облака в большинстве случаев содержат значительное количество АЧ. Помимо этого, аэрозоли, поступающие в атмосферу, вступают во взаимодействие с облаками естественного происхождения, находящимися в районе катастрофы. Эти процессы в значительной мере определяют механизмы распространения АЧ от эпицентра ЭС в атмосфере, а также, удаления аэрозолей из атмосферы на подстилающую поверхность [40,76].

Особую роль в этих процессах играют облака конвективных форм (как непосредственно связанные с ЭС, так и образовавшиеся в естественных условиях). Во-первых, КО способны порождать осадки значительной интенсивности (порядка 101 — 102 мм/ч) и тем самым способствовать вымыванию АЧ. Во-вторых, восходящие конвективные потоки воздуха могут осуществлять перенос аэрозольных примесей в верхние слои тропосферы и в стратосферу [65,100]. Распространение аэрозоля в стратосфере способно привести, вследствие большого времени жизни стратосферного аэрозоля, к изменению радиационного баланса и охлаждению земной поверхности [100].

Следует особо подчеркнуть тот факт, что аэрозоли, содержащиеся в облаках, не являются пассивными примесями: в процессе переноса воздушными потоками и вымывания осадками, АЧ активно взаимодействуют с паровоздушной средой, облачными частицами и осадками и оказывают существенное влияние на динамические, микрофизические и электрические процессы, происходящие в КО. АЧ, эмит-тируемые в атмосферу, способны выступать в роли ядер конденсации (ледяных ядер), возрастание числа которых по сравнению с фоновыми значениями может существенно повлиять на спектр распределения облачных капель (кристаллов) по размерам [5,29], а следовательно, и на процессы осадкообразования, что, в свою очередь, в значительной степени определяет динамику конвективных потоков. Взвешенные в облаке частицы оказывают механическое давление на воздушную среду, способствуя ослаблению восходящего потока. Помимо этого, АЧ участвуют в процессе гравитационной коагуляции с каплями, оказывая тем самым влияние на распределение влаги в КО и, как следствие — на фазовые переходы, температурный режим облака и динамику конвективных движений. Следует принимать во внимание, что перераспределение влаги приводит к перераспределению электрического заряда в КО [9,21,67,68]. В условиях интенсивной электризации изменение зарядовой структуры облака и пространственного распределения напряженности электрического поля (НЭП) может привести к существенному изменению динамики конвекции [7,9]. Помимо этого, известно, что электрические факторы существенно влияют на фазовые переходы влаги [41] и коагуляцию [68]. Важную роль в облачных процессах играет, также, химический состав аэрозольных примесейв особенности эта роль велика при конденсации водяного пара на АЧ [61,105].

Вышеперечисленные процессы, в свою очередь, оказывают существенное влияние на распространение АЧ в облаке и вымывание аэрозоля на подстилающую поверхность. Таким образом, влияние облаков на перенос АЧ в атмосфере может рассматриваться только с учетом многочисленных обратных связей между аэрозольными и облачными процессами [21].

К настоящему времени на базе результатов фундаментальных исследований в области физики облаков [61,66 — 68,79,88] разработан целый ряд средств и методов искусственного изменения физических характеристик КО (скорости конвективных потоков, характера и интенсивности осадков, водности, фазового состава, электрической активности и т. д.) путем активных воздействий (АВ) [32,48,53,82,83]. Эти методы могут быть использованы для искусственного управления процессом переноса аэрозольных примесей облаками и осадками с целью локализации последствий ЭС [40].

В связи с вышесказанным, всестороннее изучение закономерностей взаимодействия КО с аэрозолями имеет важное значение для прогноза изменения экологической обстановки и климатических условий как в окрестности эпицентра ЭС, так и в глобальном масштабе, а также, для разработки и совершенствования методов АВ на КО с целью искусственного регулирования процесса распространения аэрозольных примесей. Помимо этого, на основе данных о влиянии аэрозолей на эволюцию облаков могут быть разработаны методы АВ на те или иные характеристики КО путем искусственного засева облаков аэрозольными реагентами.

Проведение натурных исследований КО, а также, интерпретация полученных результатов сильно затруднены вследствие целого ряда факторов. В первую очередь, к данным факторам относятся:

1) существенная нестационарность облачных процессов;

2) опасность, которую представляют облака для экспериментаторов и используемых ими приборов;

3) невоспроизводимость экспериментов.

Из сказанного следует, что несмотря на существенную и важную роль, которую играют натурные и лабораторные исследования в процессе изучения облаков и аэрозолей, для получения полной картины эволюции КО необходимо применение теоретических моделей облаков. Адекватные модели КО любого вида и происхождения, как правило, содержат сложные системы уравнений, решение которых требует применения численных методов.

Цель работы:

1. Построить численную модель конвективного облака, содержащую учет влияния аэрозольной фракции на динамику конвективного облака, имеющего трехфазную микроструктуру (пар, вода, лед), а также, электрических процессов.

2. С использованием численной модели исследовать особенности пространственно-временного изменения динамических, микрофизических и электрических характеристик конвективного облака при наличии в нем аэрозольных примесей с заданными физическими свойствами, а также, зависимость указанных характеристик от концентрации АЧ.

3. Изучить возможность искусственного усиления очищения атмосферы от аэрозольных примесей путем активного воздействия на облака.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1) построена усовершенствованная численная нестационарная по-луторамерная модель КО на базе семейства созданных к настоящему времени моделей аналогичного класса, не содержавших аэрозольного блока;

2) исследовано влияние взвешенных АЧ на динамику сухой конвективной струи с целью оценить эффект подавления восходящего потока вследствие механического давления АЧ на среду;

3) изучены процессы переноса и осаждения грубодисперсных аэрозолей в КО и в подоблачном слое при различных условиях;

4) выполнено сравнение динамических и микрофизических характеристик КО при разном содержании аэрозоля без учета электрических процессов;

5) исследована роль электрических эффектов в процессах эволюции облака и осадкообразования, а также, переноса и осаждения АЧ;

6) проведено моделирование активных воздействий на КО с целью увеличения интенсивности очищения атмосферы от аэрозольных примесей путем искусственного регулирования осадков.

Научная новизна работы. Автором впервые получены следующие новые результаты.

1. Построена усовершенствованная численная нестационарная модель КО, содержащая учет аэрозольной фракции и электричества, позволяющая при достаточной полноте осуществлять не только исследования, но и оперативные расчеты на ПЭВМ.

2. С помощью модели исследовано взаимодействие конвективных облаков с негигроскопичными, гидрофобными грубодисперсными аэрозолями с учетом электрических процессов.

3. Впервые показано, что увеличение концентрации аэрозоля с указанными свойствами не всегда приводит к ослаблению облачной конвекции, но может приводить к ее некоторому усилению.

4. Показано, что возможна интенсификация очищения атмосферы осадками за счет искусственного увеличения их интенсивности.

Практическая ценность работы. Модель использована для выполнения НИР Росгидромета «Исследовать возможность очищения атмосферы методом активных воздействий на облака» (тема 1.5.3.5), «Исследовать процессы эволюции характеристик туманов, облаков и осадков при наличии загрязняющих веществ применительно к задачам очищения атмосферы» (тема 1.5.3.8) и «Исследовать взаимосвязь градовых и грозовых явлений и разработать оперативный метод контроля результатов активных воздействий по электрическим характеристикам» (тема 1.5.2.10), а также, работы по научной школе РФФИ «Разработка технологии радиолокационного мониторинга радиоактивных облаков при аварийных ситуациях на атомных электростанциях с оценкой заражения местности радионуклидами, вымываемыми атмосферными осадками» (грант 96−15−98 275).

Результаты, полученные автором, использованы при разработке аван-проекта системы активной защиты населения от радиоактивных выбросов атомных объектов применительно к АЭС в Сосновом Бору. С использованием численной модели разработана одна из подсистем активной защиты, задачей которой является управление распространением радиоактивных аэрозолей путем создания искусственных конвективных облаков в районе аварии с помощью мощного теплового источника.

Одна из версий разработанной автором численной модели КО (информационная система «Облако-2»), описывающая эволюцию облака при фоновом содержании аэрозоля, предложена к использованию метеослужбой аэропорта «Пулково» для прогноза развития КО и формирования гроз на основании данных радиозонда. Модель прошла предварительные испытания и показала высокую оправдыва-емость.

На защиту выносятся:

1) Численная нестационарная полуторамерная модель трехфазного КО, содержащего грубо дисперсные аэрозоли;

2) результаты численного моделирования влияния АЧ на динамику сухой конвективной струи;

3) результаты численного моделирования влияния A4 на динамические, микрофизические и электрические характеристики КО;

4) результаты численного моделирования распространения A4 в облаке и подоблачном слое при учете и без учета электрических процессов;

5) результаты численного моделирования влияния искусственного регулирования осадков из КО на очищение атмосферы от аэрозольных примесей.

Личный вклад автора. В диссертацию вошли результаты построения и реализации на ПЭВМ численной модели конвективного облака, в основном полученные автором лично. Вклад автора являлся определяющим при получении в составе соавторов результатов, вошедших в диссертацию. Автором лично произведен общий анализ и интерпретация результатов, вошедших в диссертационную работу, получены выводы и дано обоснование для практического применения.

По теме диссертации автором опубликовано: 11 статей, из них лично — 3 [20 — 22], с соавторами — 8 [8,9,23,24,40,101,108,134]- 2 тезисов докладов [25,81].

Апробация работы. Основное содержание работы было представлено и докладывалось на семинарах ГГО им. А. И. Воейкова и НИИФ СПбГУна 3-м Международном аэрозольном симпозиуме (Москва,.

1996) — на 1-м Научно-техническом семинаре «Обнаружение электрически активных облаков, потенциально молниеопасных для летательных аппаратов» (Санкт-Петербург, 1996 и 1997) — на Международной конференции «Естественные и антропогенные аэрозоли» (Санкт-Петербург,.

1997) — на Международной конференции «Aerosols. Science, Devises, Software and Technologies of the Former USSR» (Санкт-Петербург, 1998) — на Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы (Нальчик, 1997) — на.

Международной выставке «Гидрометеорология — человеку» (Санкт-Петербург, 1997).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 113 страниц основного текста.

Список литературы

содержит 140 наименований, из них 90 на русском и 50 на английском языках.

Заключение

.

В данной работе проведено изучение взаимодействия конвективных облаков (КО) с твердыми грубодисперсными нерастворимыми гидрофобными аэрозольными примесями. Данное исследование весьма актуально как в фундаментальном аспекте, так и в связи с обострением экологических проблем, связанных с аэрозольными катастрофами природного и антропогенного происхождения. Облака и связанные с ними осадки являются эффективным механизмом очищения атмосферы от загрязняющих примесей.

Исследование проводилось методом численного моделирования. На ПЭВМ IBM PENTIUM реализована нестационарная полуторамер-ная модель конвективного облака, разработанная в лаборатории физики облаков ГГО им. Воейкова и усовершенствованная диссертантом. Система уравнений модели включает основные уравнения гидротермодинамики и выражения, описывающие микрофизические процессы в параметризованном виде. Система дополнена уравнениями для описания переноса аэрозольных частиц, а также, параметрическими выражениями для описания их взаимодействия с облачными элементами. В качестве исходных данных задается состояние невозмущенной атмосферы, включая ее электрические характеристики.

Отдельно рассмотрен процесс развития сухой конвективной струи, развивающейся над стационарным тепловым источником, в атмосфере, содержащей слой, загрязненный грубодисперсными аэрозольными частицами (ГАЧ). Получены следующие результаты:

1. При постоянно действующем тепловом источнике профили скорости восходящего потока и концентрации аэрозоля в струе стацио-нируются по истечении промежутка времени порядка 15 — 20 мин.

2. Под воздействием восходящего потока массовая концентрация ГАЧ в загрязненном слое уменьшается на величину порядка нескольких десятков процентов.

3. Скорость восходящего потока в струе уменьшается с ростом отношения смеси ГАЧ <�ЗаР в загрязненном слое вследствие давления взвешенных частиц на среду. По достижении некоторого критического значения <5ар образование восходящего потока не происходитобразуется слабая нисходящая струя. При этом зависимость скорости вертикального движения воздуха от фар испытывает скачкообразный спад.

Изучено влияние ГАЧ на динамику КО и процесс формирования в нем осадков. Получено, что при отношении смеси аэрозоля в пределах загрязненного слоя атмосферы (^ар порядка Ю-1 -г- 10° г/кг аэрозольные примеси оказывают существенное влияние на динамику КО. В целом, увеличение фар приводит к уменьшению скорости восходящего потока, водности, ледности, высоты верхней границы КО и интенсивности осадков. Однако, в некотором, сравнительно небольшом диапазоне значений £}ар прослеживается противоположная тенденция. Данный эффект обусловлен постепенным осаждением дождевых капель при их коагуляции с аэрозольными частицами и уменьшением веса воды в облаке, что способствует усилению облачной конвекции. При дальнейшем увеличении количества аэрозоля, начиная с некоторого значения С}ар порядка 10° г/кг, восходящий поток не развивается и облако либо не образуется, либо существует в течение короткого времени (2 — 3 мин).

Исследовалось влияние облака и образующихся в нем осадков на распространение аэрозоля и его осаждение на подстилающую поверхность. На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1. Значения концентрации ГАЧ испытывают заметные пространственно-временные изменения, которые при заданных свойствах аэрозольного источника определяются полем вертикальных движений, а также, интенсивностью осадкообразования.

2. Для случая стационарного источника аэрозоля во временном ходе максимального по высоте значения массовой концентрации аэрозоля наблюдются два минимума. Первый обусловлен переносом аэрозоля восходящим потоком, второй — вымыванием ГАЧ на подстилающую поверхность осадками. При отсутствии осадкообразования второй минимум не наблюдается. Максимальное по высоте значение массовой концентрации аэрозоля наблюдается на уровне верхней границы загрязненного аэрозолями слояположение данного максимума слабо меняется во времени.

3. Выполнены оценки значения коэффициента вымывания ГАЧизучена его пространственно-временная изменчивость. Получено, что его значения при выпадении осадков имеют порядок Ю-4 -г Ю-3 с-1, что согласуется с данными натурных измерений.

4. Определяющий вклад в осаждение аэрозоля из атмосферы на подстилающую поверхность вносит процесс вымывания ГАЧ жидкими осадками (порядка 90-г 95% суммы аэрозольных осадков) — соответственно, сухое осаждение составляет примерно 5 10%. Максимум интенсивности аэрозольных осадков близок во времени к максимуму интенсивности дождя. Вымывание ГАЧ кристаллическими осадками не играют существенной роли в процессе очищения атмосферы.

5. Развитие осадкообразующих облаков приводит к увеличению интенсивности осаждения аэрозоля на подстилающую поверхность на 1 — 2 порядка по сравнению со случаем безоблачной атмосферы.

6. Количество аэрозоля, выпавшего на подстилающую поверхность, линейно убывает с ростом плотности ГАЧ и незначительно возрастает с увеличением их размера.

Выполнен ряд численных экспериментов по активному воздействию на облака с целью искусственной интенсификации очищения атмосферы от аэрозольных примесей путем создания искусственного перегрева воздуха на уровне подстилающей поверхности. На основании результатов численных экспериментов можно сделать вывод, что искусственное влажное осаждение аэрозоля из атмосферы может быть осуществлено путем создания осадкообразующих облаков в результате локального перегрева воздуха.

Изучен процесс электризации КО при отсутствии аэрозольного загрязнения. Оценена роль различных механизмов разделения зарядов на разных стадиях развития облака. Исследовано влияние электрических процессов на динамику изменения скорости вертикальных движений, водности и ледности КО. На основании полученных результатов сделаны следующие выводы:

1. Наиболее важную роль в процессе генерации некомпенсированных объемных зарядов в облаке играет процесс разделения зарядов при соударениях и отскоках дождевых и облачных капель, а также, при обзернении кристаллических осадков. Ионные механизмы не играют существенной роли в формировании реально наблюдаемых в мощных КО электрических зарядов и полей.

2. При значениях напряженности электрического поля более 5,0 • 104 В/м наблюдается заметное влияние электрических сил на динамику конвективных потоков. Знак и величина возмущения, создаваемого электрическим полем, значительно меняются в пространстве и во времени. В целом, электрические поля способствуют некоторому ускорению диссипации облака (на время порядка нескольких минут).

Исследовано влияние аэрозольного загрязнения на динамику изменения напряженности электрического поля в облаке, а также, влияние электрических процессов на эволюцию КО при разных значениях отношения смеси ГАЧ в загрязненном слое. Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. При увеличении количества аэрозоля в облаке наблюдается задержка первого грозового разряда на время порядка 1-^-35 мин.

2. При любых значениях содержания аэрозоля в облаке электрическое поле способствует некоторому ускорению диссипации КО (на время порядка нескольких минут). При этом не исключены случаи кратковременного локального усиления скорости восходящего потока и интенсивности осадков в момент разряда.

Исследовано осаждение аэрозоля из атмосферы при учете электрических процессов. Получено, что количество аэрозоля, выпавшего на подстилающую поверхность, при прочих равных условиях, несколько уменьшается по сравнению со случаем отсутствия учета электрических сил.

Полученные в результате расчетов данные сопоставлены с имеющимися к настоящему времени результатами натурных измерений. В результате установлено, что модель может успешно применяться для изучения процесса эволюции КО как в естественных условиях, так и в экстремальных ситуациях. Она пригодна как для диагностических исследований свойств конвективных облаков с учетом электрических эффектов и присутствия ГАЧ, так и для прогноза их развития. Данная модель может быть использована для решения задачи дистанционного обнаружения КО средствами радиолокации, когда радиолокационный сигнал формируется гидрометеорами и аэрозольными частицами с учетом их заряжения и ионизации облачной среды, а также, для оценки эффекта активного воздействия на КО и оптимизации методики проведения воздействия.

Намечены перспективы по дальнейшему усовершенствованию модели. Основными направлениями дальнейшей ее доработки являются более подробное описание взаимодействия облака с окружающей атмосферой, учет дополнительных механизмов электризации облачных элементов, а также, распространение модели на другие диапазоны размеров аэрозольных частиц.