Математическое моделирование многомасштабного взаимодействия атмосферы с неоднородной подстилающей поверхностью

Краткое описание проекта 

В рамках проекта в 2020 г. выполнены следующие работы. Проведено трехмерное численное моделирование динамики атмосферного пограничного слоя над идеализированной городской застройкой. Реализован блок переноса частиц для RANS- замыканий, позволяющий рассматривать взаимодействие сферических частиц с воздушным потоком и твердыми поверхностями с возможностью отслеживания их траекторий, концентраций, скорости оса­ждения и накопления на поверхностях. Выполнены эксперименты по воспроизведению переноса частиц в условиях типичной геометрии застройки при неустойчивой и устойчивой стратификации.

Проведен обзор и выполнена систематизация параметров, используемых для описания городской среды в моделях прогноза погоды и климата, а также пространственных баз данных, из которых эти параметры могут быть извлечены. Обзор литературы выявил отсутствие стандартизованных вычислительных подходов к определению необходимых параметров. Кроме того, показана существенная неопределенность задания наиболее важного параметра, характеризующего занимаемую городской средой долю площади территории (и, соответственно, долю площади ячеек расчетной сетки моделей, для которых необходимо применение специальных параметризаций городской поверхности). Такая территория может определяться либо как запечатанная поверхность, т. е. лишенная растительности и перекрытая искусственными материалами, либо как урбанизированная (застроенная поверхность, вмещающая себя зданий и пространство между ними. В контексте физической интерпретации последнюю можно трактовать как территорию, в пределах которой геометрия зданий оказывают значимое влияние на взаимодействие атмосферы с поверхностью.

Исследованы характеристики атмосферной турбулентности в условиях неоднородного ландшафта с целью определения физических механизмов формирования ее структуры и динамики в условиях неоднородной поверхности (в частности, городского ландшафта) и разработки параметризаций для расчета характеристик энерго- и массообмена между атмосферой и неоднородной поверхностью. В качестве источника экспериментальных данных использованы измерительные площадки на базе ИМКЭС СО РАН, на которой осуществляется мониторинг пространственного распределения атмосферной турбулентности в городских условиях, а также материалы «Базы экспериментальных данных о турбулентной структуре атмосферного пограничного слоя при различных фоновых условиях» НИВЦ МГУ (свидетельство о регистрации 2019620643). Разработан экспериментальный комплекс для измерения пространственной структуры атмосферной турбулентности в неоднородном ландшафте, проведен анализ данных о структуре атмосферной турбулентности над различными типами ландшафтов:  озеро, окруженное лесом, прибрежная зона и городской каньон. Установлены непостоянство потоков по высоте, влияние вертикальной и горизонтальной адвекции тепла и значительная роль когерентных структур в турбулентном переносе над неоднородным ландшафтом.

Выполнено численное исследование влияния крупномасштабной циркуляции в верхнем перемешанном слое водоема и сейшевых колебаний на вертикальный перенос биохимических веществ. Проведены численные эксперименты с одномерной моделью LAKE и трехмерной гидростатической моделью. Результаты расчетов показывают, что одномерная модель водоема с параметризацией горизонтального градиента давления корректно описывает стационарное состояние распределения примесей, которое устанавливается при постоянном потоке импульса на свободной поверхности. При этом нестационарная динамика до установления стационарного режима в одномерной и трехмерной моделях описывается по-разному.

Разработан вычислительный подход на основе адаптивных сеток для воспроизведения турбулентного перемешивания в одномерных (по вертикали) моделях пограничного слоя океана и внутренних водоемов суши. Возможность динамической подстройки сеточного разрешения, учитывающая локальные характеристики пограничного слоя, суточную и межсезонную динамику позволили уменьшить число узлов расчетной сетки, арифметических операций и, как следствие, время счета в несколько раз.

Проведено прямое численное моделирование нейтрально стратифицированного турбулентного течения Пуазейля-Куэтта при характерных для речных потоков значений потока импульса. В расчетах получены первые и вторые статистические моменты гидродинамических полей, а также члены баланса компонент кинетической энергии турбулентных пульсаций. Результаты расчетов показывают, что средний профиль скорости течения для обеих стенок согласуется с логарифмической зависимостью, а основной вклад крупномасштабных структур в вертикальные турбулентные потоки импульса ограничен преимущественно пристеночными областями.

Предложено вычислительно эффективное турбулентное замыкание для безразлично стратифицированных потоков типа Куэтта-Пуазейля, предназначенное в перспективе для использования в блоках термогидродинамики рек в моделях Земной системы. Модель основывается на использовании масштаба длины Обухова и предположении локального баланса генерации и диссипации турбулентной кинетической энергии. Сравнение результатами стандартной модели турбулентности  демонстрирует близкое соответствие в среднем, с разбросом, увеличивающемся в области малых значений диссипации ТКЭ. Подход можно считать перспективным с возможностью доработки на данных прямого численного моделирования турбулентности. 

Выполнен сравнительный анализ конечно-разностных схем решения уравнений термогидродинамики речного потока, с целью выбора оптимальной схемы для последующего применения в блоках речных сетей моделей Земной системы. Показано, что классическая консервативная неявная схема Прейсмана генерирует ложные осцилляции на больших градиентах, в то время как монотонная схема MUSCL дает гладкое решение, но неустойчивое при больших шагах по времени. Таким образом, монотонные явные схемы предпочтительны при исследовании коротких быстрых процессов с высоким пространственным разрешением, а для климатических расчетов можно использовать неявные схемы с большим шагом по времени в сочетании с консервативным фильтром.

Перечень публикаций, подготовленных при поддержке проекта (2020 г.):

1. Самсонов Т.Е., Варенцов М.И. Определение параметров городской среды Московского мегаполиса для детализированного численного прогноза погоды в рамках модели COSMO // Метеорология и гидрология. 2020. № 7. С. 112–119 (РИНЦ). Англоязычная версия: Samsonov T.E., Varentsov M.I. Computation of City-Descriptive Parameters for High-Resolution Numerical Weather Prediction in Moscow Megacity in the Framework of the COSMO Model // Russian Meteorology and Hydrology. 2020. V. 45. N 7. P. 515–521. DOI: 10.3103/s1068373920070079 (Q2).

2. Соустова И.А., Троицкая Ю.И., Гладских Д.С., Мортиков Е.В., Сергеев Д.А. Простое описание турбулентного переноса в стратифицированном сдвиговом потоке применительно к описанию термогидродинамики внутренних водоемов // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2020. Т.56, № 6. С. 689–699 (РИНЦ). Англоязычная версия: Soustova I.A., Troitskaya Yu.I., Gladskikh D.S., Mortikov E.V., Sergeev D.A. A Simple Description of Turbulent Transport in a Stratified Shear Flow Devoted to the Description of Thermohydrodynamics of Inland Water Bodies // Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics.  2020. V. 56, N 6. DOI: 10.31857/S0002351520060103 (WoS, SCOPUS).

3. Степаненко В.М., Гречушникова М.Г., Репина И.А. Численное моделирование эмиссии метана из водохранилища // Фундаментальная и прикладная климатология. 2020. Т. 2. С. 76–99. DOI: 10.21513/2410-8758-2020-2-76-99 (РИНЦ).

4. Степаненко В.М., Репина И.А., Федосов В.Э., Зилитинкевич С.С., Лыкосов В.Н. Обзор методов параметризации теплообмена в моховом покрове для моделей Земной системы // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2020. Т. 56, № 2. С. 127–138 (РИНЦ).Переводная версия: Stepanenko V.M., Repina I.A., Fedosov V.E., Zilitinkevich S.S., Lykossov V.N. An Overview of Parameterezations of Heat Transfer over Moss-Covered Surfaces in the Earth System Models // Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics.  2020. V. 56, N 2. P. 101–111. DOI: 10.1134/S0001433820020139(WoS, SCOPUS).

5. Guseva S., Bleninger T., Jöhnk K., Polli B.A., Tan Z., Thiery W., Zhuang Q., Rusak J.A., Yao H., Lorke A., Stepanenko V.. Multimodel simulation of vertical gas transfer in a temperate lake //  Hydrology and Earth System Sciences. 2020. V. 24. P. 697–715, 2020. (Q1)

6.  Iakunin M., Stepanenko V., Salgado R., Potes M., Penha A., Novais M.H., Rodrigues G. Numerical study of the seasonal thermal and gas regimes of the largest artificial reservoir in western Europe using the LAKE 2.0 model // Geoscientific Model Development. 2020. V. 13, N 8. P. 3475–3488. DOI: 10.5194/gmd-13-3475-2020(Q1).

7. Stepanenko V.M., Valerio G., Pilotti M. Horizontal pressure gradient parameterization for one-dimensional lake models // Journal of Advances in Modeling Earth Systems. 2020. V. 12, N 2. P. e2019MS001906. DOI: 10.1029/2019ms001906 (Q1).

8. Zemtsov S., Shartova N., Varentsov M., Konstantinov P., Kidyaeva V., Shchur A., Timonin S., Grishchenko M. Intraurban social risk and mortality patterns during extreme heat events: A case study of Moscow, 2010-2017 // Health and Place. 2020. V. 66. P. 102429. DOI: 10.1016/j.healthplace.2020.102429 (Q1).

9. Vanderkelen I., Lipzig N.P.M., Lawrence D.M., Droppers B., Golub M., Gosling S.N., Janssen A.B.G., Marce R., Müller Schmied H., Perroud M., Pierson D., Pokhrel Y., Satoh Y., Schewe J., Seneviratne S.I., Stepanenko V.M., Tan Z., Woolway R.I., Thiery W. Global heat uptake by inland waters // Geophysical Research Letters. 2020. V. 47, N 12. e2020GL087867. (Q1)

10. Репина И.А., Артамонов  А.Ю. Морфометрические неоднородности морского льда по данным дистанционного зондирования и наземных измерений // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса (SCOPUS, принята в печать).
11. Repina I.A., Debolskiy A.V., Artamonov A.A., Pashkin A.D. Parameterization of turbulent exchange in the polar region // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020 (SCOPUS, принята в печать).
12. Repina I.A., Shestakova A.A., Bedanokov M.R., Berzegova R.B., Lebedev S.A. Dynamics of the Atmospheric Boundary Layer in the Mountain-Valley Relief of Adygea / In: The Handbook of Environmental Chemistry. Springer, Berlin, Heidelberg. 2020 (SCOPUS, принята в печать).   
13.  Gladskikh D.S., Mortikov E.V., Stepanenko V.M. Numerical simulation of turbulent mixing and transport of biochemical substances in inland waters // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020 (SCOPUS, подана в печать).
14.  Tkachenko E.V., Debolskiy A.V., Mortikov E.V. The analysis of the turbulent kinetic energy decay power law in atmospheric boundary layer models // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020 (SCOPUS, подана в печать).
15.  Zilitinkevich S., Repina I., Kadantsev E. Order out of chaos: Shifting paradigm of convective turbulence // Atmospheric Chemistry and Physics (Q1, подана в печать).