Sarkadi Noémi, Geresdi István PTE TTK, Szentágothati Kutatóközpont, Budapest, 2012. november 22-23. 38. Meteorológiai Tudományos Napok
A szilárd halmazállapotú csapadékelemek olvadásának számítógépes modellezése
Az előadás vázlata • Bevezetés • Az olvadás folyamata, modellezési lehetőségei • A modell – részletes mikrofizika • Érzékenységi vizsgálatok • hó olvadás • graupel olvadás • ónos eső képződés
• Összegzés • További tervek 2012.11.27.
38. Meteorológiai Tudományos Napok, MTA Budapest
2
Bevezetés – Motiváció
2012.11.27.
38. Meteorológiai Tudományos Napok, MTA Budapest
3
Az olvadás folyamata, modellezési lehetőségei • 0°C izoterma → olvadás. Labor vizsgálatok: 4°C. • A jégfázis olvadásának idealizált modellje (Mason, 1956): nincs lesodródás, nincs cirkuláció • Laboratóriumi megfigyelések (Rasmussen et al, 1984): lesodródás mérettől függően • Radar megfigyelések (Battan-Bohren, 1952): „bright band”
Forrás: Mason, Q.J.R. Meteorol. Soc., 1956
Forrás: https://www.meted.ucar.edu 2012.11.27.
4 Forrás: http://www.biral.com/content/mrr_brightband
Az olvadás folyamata, modellezési lehetőségei
• Modellezés: – Idealizált esetben a 0°C izoterma elérése után azonnali olvadás. – Időtől és esési sebességtől függő modellek – Különböző parametrizációs eljárások: • „Bulk” modellek (bulk parameterization) • Részletes mikrofizika (bin schemes, detailed microphysics)
2012.11.27.
38. Meteorológiai Tudományos Napok, MTA Budapest
5
Részletes mikrofizikai modell • Levegőoszlop, 1D, Δz = 50 m, Δt = 1 s. • Dinamika elhanyagolása; környezettel való kölcsönhatás: vízgőz, hőmérséklet • Részletes mikrofizika: – 36 méretintervallum (vízcseppek, hópelyhek, graupel) – Prognosztikai változók: • vízcseppekre: koncentráció, keverési arány • hópelyhekre: koncentráció, keverési arány, olvadt víz keverési aránya • hódara részecskékre: koncentráció, keverési arány, olvadt víz keverési aránya qmegolvadt_ víz • származtatott paraméter: olvadási arány 2012.11.27.
38. Meteorológiai Tudományos Napok, MTA Budapest
qhó/ hódara
6
Részletes mikrofizikai modell • Figyelembe vett folyamatok: – – – –
diffúziós növekedés ütközések, összeolvadás fagyás/újrafagyás olvadás: nincs lesodródás! – ónos eső (visszafagyó hópelyhek jégmaggal → nincs ónos eső)
∕ Forrás: R. Michael – A.L. Stuart, Environ. Res. Lett. 4, 2009
2012.11.27.
38. Meteorológiai Tudományos Napok, MTA Budapest
7
Érzékenységi vizsgálatok • Olvadási folyamatok hatásai: a) hőmérsékleti profil b) relatív nedvesség
• Kezdeti feltételekre való érzékenység: a) nedves adiabatikus hőmérsékleti rétegződés b) inverziós helyzet c) eltérő keverési arányok
2012.11.27.
38. Meteorológiai Tudományos Napok, MTA Budapest
8
Eredmények (1) – Hópelyhek olvadása
Vízcseppek méret szerinti eloszlása logaritmikus skálán 2000 m magasságban
Vízcseppek méret szerinti eloszlása logaritmikus skálán a felszínen
3
10
t = 10 perc t = 20 perc t = 30 perc t = 40 perc t = 50 perc t = 60 perc
3
10
2
2
10
-4
logN [ m ]
-4
logN [ m ]
10
t = 10 perc t = 20 perc t = 30 perc t = 40 perc t = 50 perc t = 60 perc
1
10
1
10
0
10
0
10
-5
-4
-3
10
10
10
-3
10
log(r) [ m ]
log(r) [ m ]
2012.11.27.
-4
10
38. Meteorológiai Tudományos Napok, MTA Budapest
9
Eredmények (2) – Hódara/graupel olvadása
3x10 0 10 5
0,4 -1
5
log(r) [ m ] r[m]
10 9,0x10
0,0 -2 1,2x10
3,0x10
4x10
3x10
-3
-5
6,0x10
10
-3
-4
9,0x10
10
-3
0,0 -2 1,2x10
-3
5
1,0
h = 1000 m
t = 60 min
1
0,8
5
0,6
0
105 2x10
0,4 5
-1 1x10 10
2012.11.27.
0 0,0 10-5 3,0x10-3
0,2
-4
6,0x10 10
-3
log(r) r [m][m]
-3 9,0x10 10
-3
0,0 -2 1,2x10 10
Olvadási arány
-3 10 6,0x10
-3 -3
0,2
10 10
-4
0,6
0 -2 10 0,0
0,2
5
1x10-1 10 0 -5 0,0 10 3,0x10-3
0
5
10 1x10
-4
2x10
2x10
[m ] N log(N) [m]
-4
N [m ] [m] log(N)
5
-4
5
5x10 1 10 5 4x10
1,0 0,8
5
10 N [m ]
h = 3000 m
3x10
log(N) [m]
5
t = 30 min
h = 2000 m
Olvadási arány
6x10
t = 5 min 1,0 30 min t =t 5= min t = 60 min Nfelszín 0,8 Nh = 2000 m Nh = 3000 m 0,6 Frfelszín Frh = 2000 m Frh = 3000 m 0,4
5
Olvadási arány
4x10
Eredmények (3) – Inverziós helyzet (1) Hópelyhek méret szerinti eloszlása és olvadási aránya 1500 m magasságban az 5. percben
Hópelyhek méret szerinti eloszlása és olvadási aránya 1000 m magasságban a 30. percben
1,0
1,0
konc. olv. arány
10
konc. olv. arány
5
10
0,8
-4
t = 5 perc t = 10 perc t = 15 perc t = 20 perc t = 25 perc t = 30 perc
2
1
10
0,0
-3
3,0x10
-3
-3
6,0x10
3
0,0 -2
9,0x10
0,4
0,2
10
0,2
1,2x10
r[m] Hópelyhek méret szerinti eloszlása és olvadási aránya 1500 m magasságban a 15. percben
10
konc. olv. arány 5
-3
-3
6,0x10
-2
9,0x10
1,2x10
Hópelyhek méret szerinti eloszlása és az olvadási arány 1500 m magasságban a 30. percben 0
1,0
konc. olv. arány
10 0,8
0,8 5
0,4
-4
-3
10
10
log(r) [ m ]
4
10
0,4
0,2 3
10
Olvadási arány
-4
log(r) [ m ]
4
10
0,6 -5
10
-4
-3
10
logN [ m ]
-4
10
Olvadási arány
10
0,6 -5
-3
3,0x10
r[m]
10
10
t = 5 perc t = 10 perc t = 15 perc t = 20 perc t = 25 perc t = 30 perc
0,0
1
100,0
1,0
0
logN [ m ]
-4
logN [ m ]
10
0,4
2
10
-4
10
4
10
logN [ m ]
logN [ m ]
2
Vízcseppek méret szerinti eloszlása különbözõ idõpontokban 1500 0,6 m magasságban -4
0,6
3
10
logN [ m ]
Vízcseppek méret szerinti eloszlása a felszínen különbözõ idõpontokban
Olvadási arány
0,8
Olvadási arány
4
0,2 3
10 0,0 0,0
-3
3,0x10
-3
6,0x10
r[m]
-3
9,0x10
-2
1,2x10
0,0 0,0
-3
3,0x10
-3
6,0x10
r[m]
-3
9,0x10
-2
1,2x10
11
Hópelyhek méret szerinti eloszlása és Vízcseppek méret szerinti eloszlása az olvadási arány különbözõ idõpontokban Eredmények (3) – Inverziós helyzet (2) különbözõ magasságokban, eltérõ magassági eltérõ szintekenidõpontokban konc. olv.arلny
5
10
2
logN
10
4
0,8
0
10
0,8
5
10
0,6
logN
10
h = 1500 m t = 15 perc
2
h = 1500 m t = 5 perc
1
10
1,0
h = 500 m 10
logN
felszín
6
10
1
10
0,6
0
10
0,4
0,4 4
-5
-4
10
10
-3
10
10
-4
10
10
-3
10
logr
3
10
logr
0,2
0,2
0,0
h = 1000 m
-5
-4
0,0
5,0x10
-3
-3
1,0x10
1,5x10
3
10
0,0
3
10
0,0
-3
2,0x10
5,0x10 m h = 1250 -4
-3
-3
1,0x10
1,5x10
-3
2,0x10
r (m)
r (m)
2
10
Olvadلsi arلny
1,0
2
logN
logN
10 6
10 1
10
h = 1500 m t = 30 perc
1,0
h = 1250 m t = 30 perc
1
10 2
10
0
10
0,8
0
10 5 -4
-3
10
-5
10
1
logN
10
4
10
h = 1500 m 0
10 2
logN
10
3
10
-4
0,0
1
10
5,0x10
-3
-3
1,0x10
1,5x10
r (m)
-3
2,0x10
-3
10
10
0,6
logr
10
3
-4
10
logr
0,0
t = 5 perc t = 10 perc t = 15 perc t = 20 perc 5,0x10 1,0x10 t = 25 perc r (m) t = 30 perc -4
-3
0,4
Olvadلsi arلny
10
-5
10
0,2
0,0 -3
1,5x10
-3
2,0x10
0
10
10 2012.11.27. -5
-4
-3
10
10
logr
12
Következtetések, eredmények összefoglalása, további tervek • Az eredmények összefoglalása/következtetések: (i) az olvadás jelentősen befolyásolja a hőmérsékleti rétegződést; (ii) érzékenység a relatív páratartalomra; (iii) a lesodródás elhanyagolása miatt jóval kevesebb eső; (iv) ónos eső: a) kezdeti keverési arány, méret szerinti eloszlás b) újrafagyás kezelése (hódara-hó átmenetek)
• További kutatási tervek: – az ónos eső képződésének részletesebb vizsgálata – radar képek → a modelleredmények verifikálása – 2D modell → dinamikai hatások 2012.11.27.
13
Köszönöm megtisztelő figyelmüket!
