ИСТИНА

Целью проекта является изучение и параметризация многомасштабных физических процессов в пограничных слоях атмосферы, океана и внутренних водоемов, которые значимым образом влияют на механизмы турбулентного обмена, но не в полной мере учитываются в турбулентных замыканиях, используемых в современных моделях прогноза погоды и климата. Задачами проекта являются: 1) выявление и исследование механизмов поддержания турбулентности при сильно устойчивой стратификации; 2) исследование механизмов возникновения и поддержания организованных крупномасштабных структур в стратифицированных турбулентных течениях; определение вклада этих структур в процессы переноса импульса и скаляров; 3) исследование геофизических турбулентных течений в условиях сильной нестационарности внешнего воздействия (суточный ход, резкие изменения фоновых метеорологических полей); 4) численное моделирование и исследование пространственно-неоднородных турбулентных течений в атмосферном пограничном слое при существенном воздействии рельефа поверхности, в верхнем перемешанном слое и термоклине небольших внутренних водоемов; 5) разработка и уточнение параметризаций для RANS-моделей различного уровня сложности. Использование разработанной авторами ранее вычислительной технологии, объединяющей три подхода к моделированию турбулентности (DNS - Direct Numerical Simulation, LES -Large Eddy Simulation, RANS - Reynolds Averaged Navier-Stokes), позволяет в рамках одного проекта рассматривать задачи в широком диапазоне пространственно-временных масштабов и проводить полный цикл работ от выявления и детального исследования физических механизмов с помощью анализа данных DNS- и LES-расчетов до их параметризации и проверки предложенных замыканий с помощью RANS-моделей. В результате выполнения проекта будут объяснены особенности динамики геофизических пограничных слоев в условиях сильной временной изменчивости, пространственной неоднородности и экстремальной устойчивости, а также будут протестированы и уточнены соответствующие турбулентные замыкания, предназначенные для крупномасштабных численных моделей прогноза погоды и климата.

The goal of the project is to study and parameterize multiscale physical processes in the turbulent boundary layers of atmosphere, ocean and inland water bodies, which can significantly influence the mechanisms of turbulent exchange, but are not fully taken into account in turbulent closures used in modern weather forecast and climate models. The objectives of the project are: 1) identification and study of the mechanisms of maintaining turbulence in strongly stratified flows; 2) study of the mechanisms of emergence and maintenance of organized large-scale structures in stratified turbulent flows. Determination of the contribution of these structures in the momentum and scalar transfer; 3) study of geophysical turbulent flows under conditions of strong non-stationary external influences (diurnal cycle, rapid changes in in background meteorological conditions); 4) numerical modeling and investigation of spatially inhomogeneous turbulent flows in the atmospheric boundary layer with a significant effect of the surface topography, in the upper mixed layer and thermocline of small inland water bodies; 5) construction and refinement of the parameterizations for RANS-models of various levels of complexity. The use of a unique computing technology developed by project authors that combines three approaches to turbulence modeling (DNS – Direct Numerical Simulation, LES – Large-Eddy Simulation, RANS – Reynolds Averaged Navier-Stokes) allows one to consider tasks for a large range of spatial and temporal scales within a single project and complete research cycle – from identification and detailed investigation of physical mechanisms by analyzing DNS- and LES-data to their parameterization and verification of proposed closures using RANS-models. As a result of the project, the characteristics of the dynamics of geophysical boundary layers under conditions of strong temporal variability, spatial heterogeneity and extreme stability will be explained, and the corresponding turbulent closures designed for large-scale numerical models of weather and climate forecasting will be tested and refined.

Результатом выполнения проекта станет выявление особенностей динамики геофизических пограничных слоев в условиях сильной временной изменчивости, пространственной неоднородности и экстремально устойчивой стратификации. Анализ данных расчетов трехмерных численных моделей высокого пространственного разрешения (LES и DNS) позволит определить физические механизмы поддержания и эволюции турбулентности в указанных условиях. При этом, особое внимание будет уделено динамике крупномасштабных организованных структур и их взаимодействию с мелкомасштабной турбулентной компонентой течений. Помимо стандартного статистического анализа данных, будет применена новая технология вычисления оптимальных возмущений. На основе этой технологии авторы проекта надеются объяснить механизмы образования слоистых структур при устойчивой стратификации и определить характерные временные и пространственные масштабы данного явления. На основе выполненного анализа результатов LES и DNS будут проверены и уточнены замыкания для одномерных и трехмерных RANS-моделей. В частности, будет построена и протестирована гидростатическая модель внутренних водоемов, включающая трехмерную RANS-модель стратифицированной турбулентности в верхнем перемешанном слое водоема и термоклине. В ходе выполнения настоящего проекта получит дальнейшее развитие унифицированная вычислительная технология, разработанная авторами при поддержке РФФИ (проект 16-05-01094) и включающая модели различного уровня детализации: DNS, LES и RANS. Участники проекта участвуют в разработке климатической модели Института вычислительной математики им. Г.И. Марчука РАН (INMCM, Institute of Numerical Mathematic Climate Model, (Volodin et al., 2017; Volodin et al., 2018)). Предполагается, что результаты проекта будут в дальнейшем использованы для уточнения блоков расчета турбулентного обмена в пограничных слоях атмосферы и океана, реализованных в данной глобальной климатической модели. Поскольку существенная часть ожидаемых результатов проекта касается турбулентности при сильной устойчивости, то наибольший эффект от их использования следует ожидать при моделировании атмосферы в Арктике и Антарктике. В частности, авторы надеются, что уточненные одномерные модели атмосферного пограничного слоя будут востребованы при решении проблемы систематических ошибок приземной температуры воздуха в моделях прогноза погоды во время экстремальных ночных и зимних инверсий (Atlaskin and Vihma, 2012; Esau et al., 2018).