20 мая 2016г.
Разработана математическая и компьютерная модель, предназначенная для анализа и прогнозирования влияния локальных атмосферных циркуляций на динамику процессов увеличения интенсивности лесного пожара. Для моделирования локальных циркуляций использованы неоднородные температурные граничные условия на поверхности. Модель может быть применена для моделирования локальных циркуляций при трех вариантах температурной неоднородности на подстилающей поверхности: градиент температуры в направлении ветра; антиградиент температуры в направлении ветра; элемент рельефа прямоугольной формы.
Известно, что локальные атмосферные циркуляции играют важную роль во многих атмосферных процессах. В работе [1] показано, что локальная атмосферная циркуляция, возникающая по причине температурной неоднородности в районе автомагистрали, защищает нижние ярусы расположенных рядом с автодорогой лесных массивов за счет эффекта всасывания свежего воздуха из глубины леса. В случае аварийной ситуации на автодороге (взрыв или пожар автотранспорта и пр.) локальная атмосферная циркуляция с одной стороны вызывает усиление аварийного пожара за счет притока свежего воздуха, а с другой стороны противодействует распространению аварийных газовых выбросов на большие расстояния. Это явление полностью согласуется с принципом, известным как принцип Ле Шателье, а также с современной формулировкой второго закона термодинамики [5]: "Система, в которую втекает внешний поток эксергии, удаляется от положения равновесия. При этом результирующая реакция системы заключается в такой ее реорганизации, при которой возникающие в ней диссипативные структуры рассеивают внешние градиенты наиболее эффективным способом и, таким образом, противодействуют причине, вызвавшей смещение системы из положения ее термодинамического равновесия".
Следует отметить, что двухмерные (2D) и трехмерные (3D) локальные атмосферные циркуляции существенно различаются. Двухмерные циркуляции возникают, как правило, при наличии трансляционной инвариантности вдоль одного из направлений или в относительно тонких двухмерных слоях. Примером могут служить циркуляции океанских течений или двухмерные локальные атмосферные циркуляции вблизи автодороги или зоны интенсивного горения. Такие циркуляции получили название квазидвухмерных локальных циркуляций или 2DК циркуляций.
Во время лесного пожара над зоной активного горения образуются мощные восходящие потоки. В то же время горизонтальные низовые течения переносят в направлении лесного пожара свежие массы атмосферного воздуха, насыщенного кислородом, которые расходуются на поддержание процессов горения.
Явление образования локальных атмосферных циркуляций в основном обусловлено силами Архимеда, действующими на воздушные объемы, плотность которых отличается от плотностей окружающей среды. Поэтому в уравнениях гидродинамики необходимо учитывать дополнительные члены, описывающие влияние сил Архимеда:
В результате происходит усиление лесного пожара. Отмеченные особенности формирования лесного пожара необходимо учитывать при моделировании и прогнозировании распространения лесных пожаров.
Список литературы
1. Бутусов О.Б.,
Мешалкин В.П. Редикульцева Н.И. Математическое моделирование загрязнения лесов в районе Московской кольцевой автодороги // Известия вузов: Химия и химические технологии. - 2004. – т.47. – Вып.8. - с.54-60.
2. Гришин А.М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними. — Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1992. — 408с.
3.
Chorin A.J. Numerical solution of the Navier-Stokes equations // Mathimatical computation. - 1968. - v.22. - p.745-762.
4.
Patrinos A.N., Kistler A.L. A numerical study of the Chicago lake breeze. // Boundary-Layer Meteorology. – 1977. – v.12. - p.93-123.
5.
Schneider E.D., Kay J.J. Life as a manifestation of the second law of thermodynamics // Mathematical
and computer modeling. – 1994. – v.19. – N6-8.
6.
Schilling V.K. A parameterization for modelling
the meteorological effects of tall forests – a case study of a large clearing // Boundary-Layer Meteorology. – 1991. – v.55. - p.283-304.
