Исследование процессов взаимодействия атмосферного пограничного слоя умеренных и высоких широт с деятельным слоем суши и водоёмами: разработка параметризаций для моделей Земной системы.

Проект выполняется при поддержке Российского научного фонда (грант 17-17-01210).

Аннотация

Основной задачей данного проекта является разработка методов математического моделирования и параметризаций взаимодействия атмосферного пограничного слоя умеренных и высоких широт с деятельным слоем суши и водоёмами. Основной акцент предполагается сделать на теоретическом и экспериментальном исследовании следующих процессов:

1. турбулентная динамика и структура атмосферного пограничного слоя над термически и орографически неоднородной подстилающей поверхностью;
2. взаимодействие турбулентности и взвешенных частиц в атмосферном пограничном слое (образование двухфазных стратифицированных турбулентных течений);
3. термический режим, динамика парниковых газов и энерго-массообмена в системе «пограничный слой атмосферы – деятельной слой суши/водоём».

Особое внимание будет обращено на два типа подстилающей поверхности: леса и внутренние водоёмы. Это связано с их важностью в формировании энергомассообмена в высоких широтах, а также недостаточным развитием параметризаций происходящих в них процессов в моделях Земной системы. В частности, будут развиты параметризации тепло-влагообмена и углеродного цикла во внутренних водоёмах и в лесных экосистемах, используемые в модели Института вычислительной математики (ИВМ) РАН. Имеющиеся в распоряжении авторов проекта численные DNS- и LES- модели будут модифицированы для решения вышеизложенных задач. Кроме того, в проекте будет применено недавно предложенное С.С. Зилитинкевичем с коллегами перспективное EFB-замыкание турбулентности при построении одномерной модели пограничного слоя. Численное моделирование трехмерных нестационарных стратифицированных турбулентных течений с высоким пространственным разрешением и натурные наблюдения будут использованы для последующего статистического и теоретического анализа и разработки простых параметризаций, пригодных для включения в климатические и прогностические модели атмосферы. Практическим результатом выполнения проекта будет новый научный инструментарий для моделирования и прогнозирования состояния атмосферы, деятельного слоя суши и водоёмов. Кроме того, часть развитых в проекте моделей будет доведена до состояния продукта: они будут выложены в свободный доступ в сети Интернет, снабжены технической документацией, руководством пользователя и тестовыми входными данными. Разработанные в рамках проекта параметризации будут тестироваться в климатической модели ИВМ РАН и будут рекомендованы для использования в моделях погоды и климата, что улучшит качество климатических и региональных прогнозов.

Участники проекта

• Руководитель НИР: Лыкосов В.Н.
• Ответственные исполнители: Глазунов А.В., Репина И.А., Степаненко В.М.
• Участники НИР: Барсков К.В., Богомолов В.Ю., Дебольский А.В., Дернов А.В., Кудряшов А.С., Мортиков Е.В.

Основные результаты, полученные в 2017 г.

1. Измерения в приземном слое атмосферы

1.1. Создана база данных, включающая в себя как собственно данные, так и прикладное программное обеспечение. Она разработана на основе измерений турбулентной структуры приземного слоя атмосферы, проводимых Институтом физики атмосферы (ИФА) имени А.М. Обухова РАН. База данных содержит информацию о географических характеристиках региона, используемом оборудовании, фоновых метеорологических условиях, характеристиках энерго- и газообмена, структуре атмосферной турбулентности. Данные находятся на сервере ИФА РАН, запросить получение данных можно здесь http://www-new.srcc.msu.ru/ru/user/12/contact. Для статистической обработки данных создан пакет программ универсального характера на языке Matlab, который позволяет производить операции над файлами, выполнять статистический анализ и осуществлять визуализацию данных.

1.2. Проведен анализ микрометеорологических измерений в атмосферном пограничном слое (АПС) над холмистой поверхностью, покрытой лесной растительностью. Вычислен полуэмпирический масштаб длины, зависящий от особенностей топографии местности. На основе спектрального анализа результатов LES-моделирования предложена и проверена на данных измерений полуэмпирическая параметризация потоково-градиентного соотношения, учитывающая влияние рельефа, свойств слоя растительности и высоты АПС. Предложенный подход, помимо его использования в моделях общей циркуляции атмосферы, может быть применен для уточнения методов определения турбулентных потоков тепла, импульса, влаги и углекислого газа по данным профильных измерений над пространственно-неоднородными ландшафтами.

2. Моделирование многофазных турбулентных течений

2.1. LES-модель пограничного слоя атмосферы, разработанная в Институте вычислительной математики (ИВМ) РАН, дополнена блока расчета лагранжева переноса инертных частиц, взаимодействующих с турбулентным течением. В него включены процедуры, позволяющие накапливать статистики, необходимые для диагностики численной модели и анализа результатов численных экспериментов. Реализованы и проверены на данных измерений различные стохастические и детерминистические лагранжевы подсеточные модели, описывающие перенос частиц мелкомасштабной турбулентностью. Реализованы алгоритмы расчета переноса тяжелых частиц и безынерционных трассеров над поверхностями со сложной геометрией.

2.2. В DNS-модели Научно-исследовательского вычислительного центра (НИВЦ) МГУ имени М.В.Ломоносова реализован блок расчета лагранжевой динамики частиц и траекторий их движения в турбулентных потоках. Реализованы параллельные алгоритмы хранения в оперативной памяти и записи на жесткий диск большого количества траекторий частиц. Технология позволяет проводить расчет динамики частиц как на центральных, так и на графических процессорах; не требует дополнительной обработки выходных данных, а длина траекторий не накладывает ограничений на объем оперативной памяти.

2.3. Для выбора методов построения локально-одномерной модели АПС и уточнения ее параметров проведены специализированные расчеты стратифицированных турбулентных течений при помощи трехмерных моделей высокого пространственного разрешения (LES и DNS). Рассматривались следующие течения, являющиеся аналогами атмосферных: растущий сдвигово-конвективный пограничный слой; устойчиво-стратифицированное течение Куэтта; нейтрально-стратифицированный АПС, ограниченный по высоте устойчивой стратификацией в свободной атмосфере. Одномерная EFB-модель устойчивого пограничного слоя уточнена с учетом результатов этих расчетов. Эта модель реализована на сетке модели общей циркуляции атмосферы ИВМ РАН и совмещена с параметризациями, применяющимися в стандартном программном коде климатической модели ИВМ РАН при расчете конвективного АПС. Проведены тестовые расчеты новой одномерной модели в режиме суточного хода.

3. Параметризация деятельного слоя суши и водоемов

3.1. Блок деятельного слоя суши в модели Земной системы ИВМ РАН выделен в отдельный программный код. В качестве форсинга модели и данных для валидации кода привлекались результаты измерений на станции SMEAR II (Финляндия) за 2015 г. Модельный поток влаги в атмосферу оказался значительно больше измеренных значений (в среднем за 2015 г. на 25 Вт/м²), поток явного тепла существенно занижается (в среднем на 29 Вт/м²). Вместе с тем, суммарный поток тепла в атмосферу в средних значениях воспроизводится удовлетворительно. Cхема расчета турбулентного обмена теплом, влагой и импульсом леса с атмосферой, используемая в модели ИВМ РАН, является интегральной, что не соответствует современному уровню ведущих моделей. Поэтому, в настоящее время в коллективе проекта разрабатывается концепция новой модели лесной экосистемы, предназначенной в перспективе заменить действующую параметризацию.

3.2. Биогеохимический блок разработанной в НИВЦ МГУ модели водоема LAKE дополнен уравнениями для массовой плотности растворенного и взвешенного органического углерода. Взвешенный органический углерод разделяется на фито- и зоопланктон и остатки организмов. В результате, биогеохимический блок теперь учитывает: растворение/выделение газов на границе пузырек-раствор, фотосинтез, дыхание, биохимическое потребление кислорода в водной толще, потребление кислорода в донных отложениях, аэробное окисление метана в водной толще, отмирание фито- и зоопланктона. Полагается также, что остатки организмов оседают со скоростью Стокса в термоклине и со скоростью осаждения в турбулентных потоках в верхнем перемешанном слое. С новой версией модели рассчитано содержание углекислого газа в оз. Куйваярви (Финляндия) за период июнь 2012 г. – декабрь 2013 г. Сопоставление измеренной концентрации CO₂ с рассчитанными кривыми показывает, что внесенные в модель изменения позволили существенно улучшить качество результатов моделирования, особенно в период открытой воды.

3.3. Предложен метод замыкания одномерных уравнений гидродинамики водоема в части ускорения за счет горизонтального градиента давления. Замыкание достигается в предположении, что горизонтальная структура поля скорости и давления задана первой Фурье-модой. В версии модели LAKE, дополненной данной параметризацией, частоты баротропных и бароклинных колебаний хорошо согласуются с теоретическими оценками на основе линейных моделей. В расчетах заглубления сдвигового перемешанного слоя в нижележащий термоклин показано, что сила Кориолиса и горизонтальный градиент давления в водоеме подавляют развитие перемешанного слоя. При горизонтальном размере водоема L порядка внутреннего радиуса деформации Россби L_R влияние сейш и вращения на глубину перемешанного слоя сравнимо. При L >> L_R вращение более существенно, а при L << L_R значительно сильнее ограничивают развитие эпилимниона сейши. Отсюда следует, что при L >= L_R классические одномерные модели водоема (без учета горизонтального градиента давления, но с силой Кориолиса) должны успешно рассчитывать летнюю стратификацию, но при L << L_R они должны завышать глубину перемешанного слоя.

Развёрнутый научный отчёт доступен по ссылке: https://istina.msu.ru/download/89990696/1eOJQD:dkIXhoCVPDQh8VS7Pm3UFHcx5pY/

Публикации, поддержанные грантом в 2017 г.

• K. V. Barskov, R. V. Chernyshev, V. M. Stepanenko, I. A. Repina, A. Yu Artamonov, S. P. Guseva, and A. V. Gavrikov. Experimental study of heat and momentum exchange between a forest lake and the atmosphere in winter. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 96(1):012003, 2017, doi:10.1088/1755-1315/96/1/012003. 
• А. В. Глазунов, Е. В. Мортиков, В. Н. Лыкосов. Суперкомпьютерные технологии математического моделирования геофизической турбулентности. Труды Международной конференции по вычислительной и прикладной математике "ВПМ’17" в рамках "Марчуковских научных чтений", Новосибирск, 25 июня – 14 июля 2017 г,  С.197–203. Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН Новосибирск, 2017.
• 4 статьи в рецензируемых журналах приняты к печати