Вычислительно-информационные технологии для математического моделирования естественных и антропогенных изменений климата и природной средыНИР

Computational and informational technologies for mathematical modelling of natural and anthropogenic changes of climate and environment

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Вычислительно-информационные технологии для математического моделирования естественных и антропогенных изменений климата и природной среды
Результаты этапа: В разрабатываемый НИВЦ МГУ программный комплекс DNS-LES-RANS моделей включены методы расчета переноса тепла в почве на основе локально одномерных уравнения диффузии и в более простой формулировке теплопроводящего слоя, протестированные в одномерном режиме. Для численных экспериментов по воспроизведению суточного хода в атмосферном пограничном слое были подготовлены начальные данные и данные внешнего форсинга на основе измерений ИФА РАН в районе Цимлянска, в ближайшее время планируется проведение численных экспериментов с RANS и LES моделью. Проводится работа по систематизации данных наблюдений за метеорологическим режимом приземного и пограничного слоя атмосферы урбанизированных территорий, которые необходимы для дальнейшей работы по усовершенствованию параметризаций взаимодействия атмосферы и городской поверхности. Поддерживается и пополняется база данных наблюдений на метеорологических станциях в Московском регионе. Разработаны программные модули для автоматизированного сбора данных станционных наблюдений из открытых источников (с веб-сайта «Погода и климат», http://www.pogodaiklimat.ru/). Также разработаны и реализованы в качестве программных моделей алгоритмы сбора и контроля качества данных наблюдений персональных метеостанций сети Netatmo (https://www.netatmo.com/). Начата работа по систематизации и данных наблюдений за температурной стратификацией нижней атмосферы над центром Москвы, выполняемых с 2016 г. в квазинепрерывном режиме с использованием микроволнового профилемера МТП-5 в Институте физики атмосферы им. А.М.Обухова РАН. Проведена систематизация данных экспериментальных наблюдений за метеорологическим режимом городов Арктической зоны РФ (Апатиты, Салехард, Воркута, Надым, Новый Уренгой, Норильск), в том числе наблюдений за структурой пограничного слоя атмосферы, выполнявшихся с использованием беспилотных летательных аппаратов (квадрокоптеров) в г. Надым в 2018-2021 гг. Сформированы удобные для дальнейшей работы базы данных, которые планируется выложить в открытый доступ, сопроводив публикацией в профильном зарубежном журнале (предварительно, Earth System Data). Разработан блок переноса пассивных и активных примесей для включения в RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) модели городской среды. Блок включает как эйлеровы методы переноса концентрации примесей, так лагранжевы методы переноса частиц. Проведены численные эксперименты для верификации модели при переносе концентраций в устойчивых и конвективных пограничных слоях. Проведены численные эксперименты по воспроизведению суточного хода в атмосферном пограничном слое и сравнение с данными вихреразрешающего (LES, Large-Eddy Simulation) моделирования. Одномерная модель термогидродинамики и биогеохимии водоёмов LAKE включена в актуальную версию модели Земной системы ИВМ РАН INMCM50. Параметризация озёр реализована с односторонним воздействием, т.е. потоки тепла, радиации и импульса с поверхности водоёмов в модели атмосферы не учитываются. Проведены тестовые численные эксперименты.
2 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Вычислительно-информационные технологии для математического моделирования естественных и антропогенных изменений климата и природной среды
Результаты этапа: В трехмерной RANS модели атмосферного пограничного слоя реализована модель переноса тепла и влаги в почве. В одномерной (по вертикали) модели почвы описываются процессы переноса, учитываются процессы замерзания и таяния, а также испарения и конденсации. Для параметризации процессов турбулентного обмена в RANS модели используются двухпараметрические замыкания, что позволяет верно воспроизвести вертикальную структуру квазистационарных стратифицированных пограничных слоев. Разработана DNS модель расчета турбулентных стратифицированных течений, которая включает блоки лагранжева и эйлерова переноса примеси. В модели реализован блок статистической обработки результатов для расчета первых, вторых и третьих моментов; совместных функций распределения гидродинамических полей. Численная модель позволяет проводить расчеты на гетерогенных вычислительных системах, в том числе суперкомпьютерах, использующих графические процессоры или ускорители. Проведено тестирование возможности эффективного использования GPU в задачах переноса примеси на суперкомпьютере «Ломоносов-2». Показано, что использование GPU позволяет существенно ускорить расчеты переноса примеси, по сравнению с выполнением вычислений на центральном процессоре. Проведена оценка влияния архитектуры центрального процессора на множестве архитектур, обычно используемых в высокопроизводительных системах вычислений, на эффективность реализации алгоритмов, используемых для прямого численного моделирования (DNS) турбулентных течений. В модели деятельного слоя суши ИВМ РАН-МГУ проведён комплекс усовершенствований представления процессов водного и углеродного циклов. В частности, реализованы параметризации частичного покрытия площади поверхности снежным покровом. Показано, что коэффициент вариации эффективно контролирует общей объём и максимум весеннего половодья на реках бореальной зоны России. Выполнен обзор параметризаций городской среды, используемых в современных численных моделях атмосферы. Проведено сравнение подходов к описанию различных физических процессов в рамках данных параметризаций: радиационного энергообмена, турбулентности в городском пологе, баланса влаги запечатанной поверхности, городской растительности, антропогенного потока тепла. Показано, что наиболее сбалансированной по детальности описания этих процессов является параметризация TEB. Начата работа по имплементации параметризации городской среды TEB в модель атмосферы и деятельного слоя суши COSMO. Продолжено развитие подходов для получения внешних параметров, необходимых для описания городской среды в моделях атмосферы. Выполнен обзор глобальных баз данных, содержащих информацию о пространственном распределении городской поверхности. Разработана новая версия методики получения внешних параметров городской среды на масштабе отдельных городов и агломераций. Новая версия методики апробирована на примере модели COSMO с параметризацией TERRA_URB для Московского мегаполиса. При использовании новой методики достигнуто более реалистичное воспроизведение термического режима города по сравнению с ранее использованными подходами.
3 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Вычислительно-информационные технологии для математического моделирования естественных и антропогенных изменений климата и природной среды
Результаты этапа: 1) Одномерная модель термогидродинамических и биогеохимических процессов в водоёмах LAKE включена в систему численного прогноза погоды ПЛАВ. На широтно-долготной сетке ПЛАВ представлены крупнейшие водоёмы планеты. Считается, что каждая ячейка либо полностью занята водоёмом, либо водоёмов не содержит. На этапе турбулентной диффузии/теплопроводности с пограничном слое атмосферы схемы расщепления по времени атмосферного блока ПЛАВ решается линеаризованное уравнение теплового баланса подстилающей поверхности; если ячейка подстилается водоёмом, то турбулентный поток тепла и поток коротковолновой радиации на нижней границе верхнего расчётного слоя LAKE (слой воды, льда или снежного покрова) в уравнении теплового баланса используется с предыдущего шага по времени. Проведена калибровка модели LAKE в автономном режиме с привлечением в качестве атмосферного воздействия данных реанализа ERA5 для девяти крупнейших озёр планеты за период 2002-2022 гг. результатов восстановления температуры поверхности по спутниковым измерениям MODIS. Аддитивное постоянное значение коэффициента фоновой теплопроводности и коэффициент ослабления фотосинтетически-активной радиации в водной толще находилось методом ROPE (Robust Parameter Estimation) для минимизации среднеквадратической ошибки воспроизведения моделью наблюдённого временного ряда. После калибровки параметров модель водоёма LAKE удовлетворительно воспроизводит временной ход средней по поверхности месячной температуры поверхности, с СКО в диапазоне 1–2 °C. 2) Рассмотрена и протестирована возможность использования данных ГИС-систем в программном комплексе суперкомпьютерного моделирования геофизических пограничных слоёв на основе DNS-, LES- и RANS-подходов. Для воспроизведения обтекания жилой застройки и рельефа в LES/RANS модели, необходимо знание о топографии и высоте зданий. В самой модели возможно два формата их представления: растровый (для задания границ напрямую в граничных условиях) и в виде полигонов (для метода погруженной границы). На данном этапе рассматривался только первый вариант. Данные о топографии и высоте зданий (если таковая отсутствует для ее оценки используется этажность зданий) получаются из OpenStreetMap (https://www.openstreetmap.org/) которые затем с помощью qgis сервера и python-скриптов конвертируется в shapefile с высотами, и затем растеризуются на нужную сетку. Также была рассмотрена возможность получения из OSM данных о растительности для моделирования их квадратичным сопротивлением внутри городской застройки. В RANS-модели атмосферного пограничного слоя разработан блок переноса облачной влаги. В численной модели используются консервативные (для первых и вторых моментов) конечно-разностные схемы. В качестве замыкания рассматривается двухпараметрическое замыкание на основе определения коэффициентов турбулентной диффузии из соотношений подобия и решения прогностических уравнений для кинетической энергии турбулентности и скорости ее диссипации. Проведены численные эксперименты для верификации программной реализации блока переноса облачной влаги. 3) Начата работа по апробации новых подходов к улучшению физико-математического описания городской среды на примере параметризаций городской поверхности в моделях COSMO и/или ICON. На текущем этапе работы использована мезомасштабная негидростатическая модель атмосферы COSMO, являющая основной моделью для региональных краткосрочных прогнозов погоды Гидрометцентра России, а также широко используемая для региональных климатических исследований. В основной оперативной версии модели COSMO доступна только одна городская параметризация TERRA_URB, являющаяся к категории наиболее простых балк-параметризацией. Учет особенностей городской поверхности в ней обеспечивается за счет коррекции стандартных параметров поверхности, используемых в модели деятельного слоя суши (альбедо, теплоемкость, теплопроводности, шероховатость и т.д.). В рамках работы за текущий год выполнено внедрение более сложной параметризации городской поверхности (модели городского подслоя) TEB (Town Energy Balance), разрабатываемой в метеослужбе Франции и имеющей открытый исходный код, в актуальную оперативную версию модели атмосферы COSMO 6.0. Параметризация TEB относится к классу однослойных моделей городского полога, в которых явно моделируется тепловой баланс так называемых «городских каньонов». Это позволяет значительно более детально описывать особенности энергообмена городской поверхности с атмосферой по сравнению с балк-параметризацией TERRA_URB. Кроме того, в схеме TEB учитывается множество физических процессов, включая наличие городской растительности, зеленых крыш и солнечных панелей, а также систем отопления, вентиляции и кондиционирования внутри зданий. Для включения параметризации TEB в модель COSMO адаптирован интерфейс для обмена входными и выходными полями между моделью атмосферы и новой городской параметризацией, а также для учета дополнительных параметров, рассчитываемых параметризацией моделью TEB. Для первичной проверки корректности имплементации параметризации TEB в модель COSMO проведен набор численных экспериментов для Московской агломерации, включающих эксперименты с параметризацией TEB, TERRA_URB и без городской параметризации. Показано, что отклик модели на включение обеих параметризаций оказался близок, как вблизи поверхности, так и на вышележащих модельных уровнях в пограничном слое атмосферы. Это говорит об отсутствии технических ошибок при подключении новой параметризации. Параллельно начата работа по улучшению самой городской параметризации TEB, а именно уточнение описания вертикального профиля ветра внутри городского каньона. Сейчас в параметризации TEB для определения скорости ветра внутри каньона используется простая эмпирическая зависимость. Планируется заменить ее на более физически обоснованную параметризацию, которая также учитывает плотность застройки относительно преобладающего направления ветра. На основе обзора литературы выбраны две потенциально подходящие параметризации профиля скорости ветра в городском пологе, начата работа по их включению в исходный код параметризации TEB.
4 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Вычислительно-информационные технологии для математического моделирования естественных и антропогенных изменений климата и природной среды
Результаты этапа: Подготовлена версия модели деятельного слоя суши ИВМ РАН-МГУ TerM с усовершенствованным представлением процессов, ответственных за формирование речного стока, для внедрения в модель Земной системы (МЗС) ИВМ РАН (INMCM) с возможностью реализации на гибридных (MPI+OpenMP) высокопроизводительных платформах. Разработана общая формулировка и частная численная реализация задачи сквозного решения задачи тепловлагопереноса в почве c явным выделением уровня грунтовых вод и с параметризацией горизонтального течения грунтовых вод. Проведён согласованный рефакторинг программного кода TerM и модели Земной системы INMCM для прямого сопряжения через интерфейс блока деятельного слоя, произведён перенос отдельных блоков из TerM в МЗС INMCM (влияние содержания почвенного льда на гидравлическую проводимость и капиллярно-сорбционный потенциал, зависимость потенциала от влажности по усовершенствованной формуле ван Генухтена и др.). Выполнено подключение блока радиационного переноса на основе программного кода RRTMG (Rapid Radiation Transfer Model for GCMs) в трехмерную негидростатическую RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) модель атмосферного пограничного слоя НИВЦ МГУ. Программный код RRTMG предназначен для расчета радиационного переноса в коротковолновом и длинноволновом интервалах спектра, многократно верифицирован и используется в передовых моделях прогноза погоды и климата. Для апробации подключенного блока радиационного переноса были проведены исследования по анализу влияния турбулентного переноса аэрозольных частиц на суточную динамику атмосферного пограничного слоя (АПС) в безоблачных условиях. Для согласования аэрозольного блока с моделью радиационного переноса RRTM в RANS модели также реализован блок расчета оптических характеристик аэрозолей, основанный на пакете EcRad, имеющем ту же категоризацию аэрозолей. Были предложены постановки численных экспериментов, допускающие сравнение с данными измерений коротковолнового излучения, оптической толщины атмосферы, а также приземных термодинамических характеристик на территории Метеорологической Обсерватории МГУ. Выполнена апробация и верификация новой версии мезомасштабной модели атмосферы COSMO с имплементированной в нее однослойной моделью городского полога TEB (Town Energy Balance) на примере Московской агломерации. Схема TEB позволяет описывать физические процессы в городском подслое значительно более детально по сравнению с используемой в COSMO по умолчанию балк-параметризацией TERRA_URB.
5 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Вычислительно-информационные технологии для математического моделирования естественных и антропогенных изменений климата и природной среды
Результаты этапа: Работы на этапе 2025 г. завершены следующими результатами. Разработан и протестирован комплекс параметризаций процессов влия- ния продуктивности озера на генерацию метана в донных осадках. В новой версии модели явно воспроизводятся резервуары углерода в донных отло- жениях, пополняемые оседающим детритом и скорость разложения кото- рых задаёт величину суммарной генерации метана донными осадками. Но- вая версия модели качественно проверена на данных измерений в пределах Можайского водохранилища. Насколько известно авторам, предложенные параметризации реализуют функционал, отсутствующий в других опубли- кованных моделях. В программном комплексе модели LAKE реализована внешняя «оболочка» для автоматического исследования чувствительности целевых переменных модели к вариации параметров биохимического блока, а также для оптимизации этих параметров. В модели LAKE разработана па- раметризация процессов образования снежного («белого») льда; снежный лёд реализован в модели не как слой с прогностической толщиной (обще- принятый подход), а как часть слоя снега с повышенной плотностью вслед- ствие затопления снега и замерзания затопленной зоны; это позволяет бо- лее явно воспроизводить реальный физический процесс. Выполнена работа по включению в модель деятельного слоя суши ИВМ РАН – МГУ TerM (Terrestrial Model) базового набора физических парамет- ризаций для описания взаимодействия атмосферы с урбанизированной по- верхностью в рамках балк-подхода, подразумевающего учет особенностей городской поверхности путем коррекции стандартных параметров модели деятельного слоя суши. Проверка модели с привлечением данных Метео- рологической обсерватории (МО) МГУ имени М.В.Ломоносова показывает качественно верный отклик модели на добавление городской поверхности. Для валидации и идентификации математических моделей городского пограничного слоя атмосферы собраны, систематизированы и приведены к единому формату данные о характеристиках турбулентного обмена меж- ду атмосферой и городской поверхностью (турбулентных потоков тепла и импульса) на экспериментальных площадках в Москве (МО МГУ) и Томске (сеть станций TomskFluxNet). Разработана трехмерная негидростатическая модель городской среды, позволяющая проводить расчеты в том числе и на графических ускорите- лях. Проведена модификация схемы радиационного переноса для возмож- ности учета взаимодействия с городской поверхностью. В блок радиацион- ного переноса в модели НИВЦ МГУ были добавлены возможность расчета алгоритмом RRTMG в части расчётной области выше слоя со сложной гео- метрией и в свободной атмосфере над расчётной области RANS модели, для того, чтобы подготовить программный код к возможности его использова- ния для областей со сложной геометрией. При этом предполагается, что внутри городского полога для расчета переноса лучистой энергии будет ис- пользоваться более простая модель геометрической оптики, учитывающая отражения на сложной границе, при этом доля приходящей прямой сол- нечной радиации рассчитывается с помощью метода быстрой трассировки лучей 3D DAA. Тестирование блоков расчета эффективного альбедо город- ской поверхности проводилось для случаев идеализированной застройки. Модель воспроизводит основную тень, а также затенение за счет блокиро- вания рассеянной радиации, однако не воспроизводит полутени, формиру- ющиеся за счет многократного отражения.
6 1 января 2026 г.-31 декабря 2026 г. Вычислительно-информационные технологии для математического моделирования естественных и антропогенных изменений климата и природной среды
Результаты этапа: -

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".