Основные концепции конвективной параметризации
Конвекция в атмосфере играет ключевую роль в вертикальной передаче тепла, влаги и импульса. Однако из-за ограниченного пространственного разрешения численных моделей атмосферы (как глобальных, так и региональных), большая часть конвективных процессов не может быть напрямую разрешена. Это требует внедрения параметризаций — аппроксимаций, позволяющих учесть влияние неразрешаемых мелкомасштабных процессов на крупномасштабное состояние атмосферы.
Необходимость параметризации конвекции
Типичный горизонтальный шаг расчётной сетки в современных глобальных моделях порядка 10–50 км, что не позволяет разрешить отдельно стоящие кучево-дождевые облака или мезомасштабные конвективные системы. Однако именно они играют важнейшую роль в формировании осадков, вертикальной рекомбинации тепла и влаги, а также в генерации волн и турбулентности. Поэтому необходимо параметризовать:
Классификация конвективных параметризаций
Существуют два основных класса параметризаций:
Параметризации типа “массовый поток” (mass-flux schemes) Основываются на представлении о потоке воздуха, восходящем в пределах конвективной ячейки и компенсирующем нисходящем потоке вне её. Главные компоненты:
Параметризации на основе регулирования (adjustment schemes) Предполагают, что при наличии конвективной неустойчивости (например, положительной конвективной доступной потенциальной энергии, CAPE), атмосфера за короткое время возвращается к нейтральному состоянию. Такие схемы быстро “выравнивают” стратификацию, снижая CAPE.
Основные элементы массово-потоковых схем
Массово-потоковые схемы стали доминирующими в современной численной метеорологии. Они включают:
Источник инициирования (trigger function) Определяет, когда и где начинается конвекция. Обычно основывается на наличии положительной CAPE, величине вертикального градиента влажности, или на условиях, связанных с поверхностной неустойчивостью.
Условия запуска (cloud base) Задаётся уровень, с которого начинается восходящий поток. Часто определяется по уровню конденсации без перемешивания (LCL), или по уровню, где достигается конвективная нестабильность.
Структура восходящего потока Представляется с использованием уравнений сохранения массы, тепла и влаги. Учитываются энтреймент и детреймент, часто параметризуемые как функции высоты и состояния окружающей среды.
Осадки и фазовые переходы Включаются схемы микрофизики — преобразование водяного пара в жидкую и твёрдую фазу, образование осадков, их испарение и перераспределение.
Нисходящие потоки (downdrafts) Некоторые схемы учитывают нисходящий поток, вызванный охлаждением за счёт испарения осадков. Это важно для формирования шквалов и холодных выносов.
Известные реализации конвективных параметризаций
Схема Arakawa-Schubert Основана на концепции ансамбля конвективных облаков разной глубины, взаимодействующих с окружающей атмосферой. Производит квазинепрерывную адаптацию стратификации.
Схема Kain-Fritsch Широко используется в региональных моделях. Обеспечивает реалистичную инициацию и завершение конвекции, эффективно взаимодействует с микрофизикой.
Схема Tiedtke (и модификация ECMWF) Учитывает как глубокую, так и мелкую конвекцию, а также влияние нисходящих потоков. Активно применяется в операционных глобальных моделях.
Схема Betts-Miller Основана на концепции “релаксации” профиля температуры и влажности к квазисостоянию, соответствующему состоянию после конвекции. Простая в реализации.
Физика, заложенная в параметризации
Любая параметризация должна обеспечивать выполнение основных физических принципов:
Одним из критически важных аспектов является энтреймент — процесс втягивания окружающего воздуха в восходящий поток. Его интенсивность определяет, насколько восходящий поток охлаждается и осушается по мере подъёма, и, следовательно, влияет на высоту облака, его мощность и осадки.
Проблемы и ограничения
Современные параметризации не лишены недостатков:
Развитие и альтернативные подходы
В последние годы развитие суперкомпьютеров и уменьшение расчётного шага позволяет переходить к моделированию с разрешением конвекции (convection-permitting models), где параметризация конвекции либо упрощается, либо вовсе отключается.
Тем не менее, для глобальных моделей параметризация остаётся необходимой. Ведутся разработки более универсальных схем:
Универсальные схемы многофизичного типа (scale-aware convection schemes) Адаптируются к пространственному разрешению модели, что важно при переходе от глобальных к региональным расчётам.
Прогностические схемы (prognostic mass-flux) Вместо диагноза параметров (энтреймент, CAPE) — решаются уравнения на их эволюцию во времени.
Машинное обучение и гибридные методы На основе больших массивов данных наблюдений и LES (Large Eddy Simulation) строятся новые аппроксимации конвективных процессов.
Влияние параметризации на климатические и прогнозные расчёты
Ошибка в параметризации конвекции может привести к значительным отклонениям в прогнозах:
Таким образом, разработка и валидация конвективных параметризаций — одна из важнейших задач численного моделирования атмосферы. Каждая схема должна быть адаптирована под конкретную задачу, регион, модель и масштаб расчёта.