атмосфера-растительность

УДК 502 (06) Охрана окружающей среды и рациональное природопользование
К.В. БАБАЯН
Научный руководитель – К.А. НАДОЛИН, к.ф.-м.н.
Ростовский государственный университет
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ «АТМОСФЕРА-РАСТИТЕЛЬНОСТЬ-ПОЧВА»
В данной работе представлена модель HIRVAC, созданная немецкими
учеными в 2001 году [1], и ее реализация на языке С++. Модель позволяет
рассчитывать энергетический и водный баланс в системе «атмосферарастительность-почва», вычислять значения различных компонент энергетического баланса в любом растительном слое, моделировать газообмен
(водяной пар, CO2 и др.), исследовать механизмы связи между растительностью, атмосферой и почвой [2].
Рис.1. Структура модели
HIRVAC:
HUB – модель атмосферного
граничного
слоя (Humboldt University of Berlin); PSN6 –
модель
фотосинтеза
(University of Bayreuth);
LAI – индекс поверхности листа; LAD – плотность области листа;
VPD – дефицит давления
пара; ABL – атмосферный граничный слой.
С математической точки зрения модель HIRVAC является нестационарной по времени
и одномерной по пространству. Пространственная координата ориентирована по вертикали вверх, причем точка отсчета лежит на поверхности
почвы. Рассматривается интервал от -0.5 м до 2 км, т.е. почва на глубину
эффективного увлажнения осадками и пограничный атмосферный слой.
Структура модели HIRVAC изображена на Рис. 1. Высота разбивается на
120 расчетных слоев, расстояние между которыми возрастает в геометрической прогрессии. Из них 60 слоев лежат над землей до высоты порядка
30 метров, что принято за характерную высоту лесистой подстилающей
поверхности.
________________________________________________________________________________
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 15
134
УДК 502 (06) Охрана окружающей среды и рациональное природопользование
В основу модели легли уравнения движения, изменения температуры,
изменения влажности, баланса турбулентной кинетической энергии [1,4].
На верхней границе пограничного слоя скорость ветра принимает геострофические значения. На нижней выполнены условия прилипания. Чтобы вычислять значения температуры и влажности на нижней границе модели, используются многоуровневая модель для почвенного теплообмена
и однослойная модель влагосодержания. Для температуры на верхнем
слое ставятся граничные условия третьего рода, а для влажности и турбулентного переноса – первого рода [4]. Граничные условия были предложены в работе [3].
На Рис. 2а и 2б приведено сравнение результатов вычислительного
эксперимента с данными, полученными опытным путем. При моделировании рассматривался сосновый лес (высота деревьев 20 м, площадь листа
9,5 см, коэффициент диссипации энергии 0,046, время моделирования –
сутки). На графиках представлено изменение искомых характеристик в
зависимости от высоты. Серой линией изображены результаты расчетов,
черной – экспериментальных измерений. На рис. 2 изображено изменение
скорости ветра в направлении оси Х (рис.2а) и в направлении оси У (рис.
2б)
Рис. 2а
Рис. 2б
Из графиков видно, что результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными.
Список литературы
1. Goldberg V., Bernhofer Ch. Quantifying the coupling degree between land surface and the
atmospheric boundary layer with the coupled vegetation-atmosphere model HIRVAC // Annales
Geophysicae (2001) 19, p. 581–587.
2. Бабаян К.В. «Программная реализация модели HIRVAC». Лиманчик. Экологические
проблемы. Взгляд в будущее. Научно-практическая конференция. Ростов-на-Дону: ЦВВР,
2004.
3. Mix, W., Goldberg, V., and Bernhardt, K.-H., Numerical experiments with different approaches under large-area forest canopy conditions, Meteorol. Zeitschrift (N.F.), 1994.
4. Бабаян К.В. «Реализация математической модели «атмосфера-растительностьпочва». Математическое моделирование, вычислительная механика и геофизика. Труды III
Школы-семинара. Ростов-на-Дону: ЦВВР, 2004.
________________________________________________________________________________
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 15
135
УДК 502 (06) Охрана окружающей среды и рациональное природопользование
________________________________________________________________________________
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 15
136