![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Климатические изменения, происходящие в средних и высоких широтах в последние десятилетия, относятся к числу наиболее заметных на планете. Значительные изменения наблюдаются в атмосфере, гидросфере, криосфере и наземном покрове. Устойчивое социально-экономическое развитие полярных и субполярных регионов невозможно без учета растущего фактора изменений климата, что требует детального анализа наблюдаемых в настоящее время природных изменений в регионе, а также развития методов диагностики и моделирования современных и будущих изменений климата. Несмотря на существенный прогресс в моделировании климатических изменений с использованием глобальных и региональных климатических моделей, оценки будущих изменений климата в высоких широтах Северного полушария характеризуются большой неопределенностью. Недостаточное развитие параметризаций взаимодействия атмосферного пограничного слоя (АПС) с горизонтально-неоднородной поверхностью при различных условиях стратификации атмосферы является в настоящее время одним из основных препятствий для правильного функционирования оперативных, глобальных и региональных моделей прогноза погоды и экспертных моделей для климата и его изменений. Особенно это касается полярных и приполярных регионов, где практически все современные модели демонстрируют существенную неопределенность в оценках изменений климата, состояния вечной мерзлоты и морского ледяного покрова. Прежде всего, это связано с недостатком знаний о физике процессов в атмосферном пограничном слое и во взаимодействующем с ним деятельном слое суши и водоёмов. Традиционные параметризации АПС основаны на теории подобия и коэффициентах турбулентного переноса, описывающих взаимодействие атмосферы с земной поверхностью и диффузию примесей. Но, по мере совершенствования моделей, отказа от гидростатического приближения и, особенно, по достижении высокого пространственного разрешения, традиционные параметризации атмосферного пограничного слоя перестают быть приемлемыми. Главные их недостатки – неприменимость к экстремальным условиям стратификации и к течениям над сложными поверхностями, – не удаётся устранить, оставаясь в рамках классической теории, т.е. с помощью уточнения функций подобия или введения дальнейших поправок в традиционные турбулентные замыкания уравнений, осредненных по Рейнольдсу. Следовательно, необходимы новые подходы к разработке параметризаций, которые должны опираться как на результаты вихреразрешающего и прямого численного моделирования турбулентных процессов в атмосферном пограничном слое, так и на данные специализированных натурных экспериментов. Важным обстоятельством при этом является то, что атмосферный пограничный слой находится в тесном взаимодействии с деятельным слоем суши (включая внутренние водоёмы). Корректность воспроизведения потоков на границе геосфер (в том числе, на границе АПС и деятельного слоя) считается одной из ключевых проблем в численном прогнозе погоды. В изменениях климата, помимо термодинамического режима суши, значительную роль играет углеродный цикл деятельного слоя, где ключевое значение имеют лесные экосистемы (обмен CO_2) и переувлаженные территории (обмен CH_4). В условиях климата высоких широт, динамика деятельного слоя суши существенно усложняется наличием вечной мерзлоты. Также для высоких широт характерно обилие внутренних водоёмов суши, которые, как показывают последние работы, не только влияют на режим пограничного слоя атмосферы, но и вносят существенный вклад в углеродный баланс материков. При больших скоростях ветра поверхность суши является одним из источников аэрозоля в атмосфере, поскольку при определенных условиях частицы почвы могут выноситься в атмосферу (например, при пыльных бурях или пылевыми смерчами) и находиться в потоке во взвешенном состоянии. Над заснеженными поверхностями возникают низовые метели и бури, происходит поднятие в воздух большого количества снежных частиц и наблюдается значительный горизонтальный перенос снега. В водоёмах развитие поверхностного волнения приводит к тому, что в штормовых условиях не только меняется шероховатость поверхности, но и возникает приповерхностный слой с большим количеством капель воды. Наличие высокой концентрации частиц может вносить заметные изменения в характеристики воздушного потока и, в частности, вести к существенному уменьшению аэродинамического сопротивления и, соответственно, усилению скорости ветра. Из вышесказанного следует вывод, что параметризации атмосферного пограничного слоя и процессов в деятельном слое суши и в водоёмах не должны рассматриваться независимо – без учета обратных связей между этими звеньями климатической системы. В связи с этим, конкретной 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 (ввиду значительности занимаемой ими площади), а также недостаточным развитием параметризаций происходящих в них процессов в моделях Земной системы. В частности, будут развиты и на детальном эмпирическом материале проверены 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. Практическая значимость результатов проекта связана с разработкой основ системы прогностических оценок изменения климата и состояния северных экосистем с целью развития хозяйственной, экономической и природоохранной деятельности в экстремальных условиях высоких широт.
Regional climate change, which is taking place in the middle- and high latitudes in recent decades, is among the most significant ones on the planet. Significant changes are observed in the atmosphere, hydrosphere, cryosphere and land cover. Sustainable socio-economic development of polar and sub-polar regions is impossible without taking into account the growing factor of climate change, which requires a detailed analysis of the currently observed environmental changes in the region, as well as the development of diagnostic methods and modeling of current and future climate change. Despite significant advances in the modeling of climate change using global and regional climate models, estimates of future climate change in the high latitudes of the Northern Hemisphere are characterized by great uncertainties. Insufficient development of parameterizations of the atmospheric boundary layer (ABL) interaction with a horizontally inhomogeneous surface under different conditions of atmospheric stratification is currently one of the major obstacles to the proper functioning of operative global and regional weather prediction models and expert models for climate and its change. This is especially true for the polar and subpolar regions, where almost all current models show considerable uncertainty in the estimates of climate change, the state of permafrost and sea ice cover. First of all, this is due to lack of knowledge about the physics of the processes in the atmospheric boundary layer and in the associated land active layer and inland water bodies. Traditional ABL parameterizations are based on similarity theory and turbulent transport coefficients describing the interaction of the atmosphere with the Earth's surface and the tracers diffusion. However, with the improvement of models, adopting non-hydrostatic approximation and, particularly, by achieving a higher spatial resolution, conventional parameterizations of the atmospheric boundary layer are no longer acceptable. Their main disadvantages - the inapplicability to extreme stratification conditions and flows on complex surfaces - is not possible to eliminate, staying within the classical theory, i.e., using more accurate similarity functions or the introduction of further amendments to the traditional turbulent closures of Reynolds averaged equations. Therefore, new approaches to the development of parameterizations, which should be based both on the results of large-eddy and direct numerical simulation of turbulent processes in the atmospheric boundary layer, and the data of specialized field experiments, are needed. An important circumstance here is that the atmospheric boundary layer functions in close interaction with the land active layer (including inland waters). Correctness of the reproduction of fluxes on the geospheres’ interfaces (including, the interface of the ABL and the active layer) is considered as one of the key problems in numerical weather prediction. In climate change, additionally to the land thermodynamic regime, a significant role is played by the carbon cycle of the active layer, where of the key importance are forest ecosystems (CO_2 exchange) and wetland territories (CH_4 exchange). Under the climate conditions at high latitudes, the dynamics of the land active layer is considerably complicated by the presence of permafrost. Also the high-latitude land is characterized by an abundance of internal water bodies, which, as recent publications show, not only affect the atmospheric boundary layer, but also make a significant contribution to the carbon balance of the continents. At high wind speeds, the land surface becomes a source of aerosols to the atmosphere, since under certain conditions soil particles may be imposed in the atmosphere (for example, when dust storms or dust devils are developing) and stay in the flow in the suspension form. Above the snow-covered surfaces, snow storms and blizzards may arise, where there are the lifting of large amounts of snow particles into the air and a significant horizontal transfer of snow. The development of surface waves on water objects leads to the situations when in storm conditions not only the surface roughness is changed, but the surface layer with a large number of water droplets is formed. The presence of high concentrations of particles can make a noticeable change in the air flow characteristics and, in particular, lead to a significant aerodynamic drag reduction and thus enhancing the wind velocity. From the said above, it can be concluded that parameterizations of the atmospheric boundary layer and processes in the land active layer and inland water bodies should not be considered independently - without taking into account feedbacks between these components of the climate system. In this connection, the specific objective of this project is to develop methods of mathematical modeling and parameterization of the atmospheric boundary layer interaction with the land active layer and inland water bodies in the middle- and high latitudes. The main emphasis is suggested to make on a theoretical and experimental study of the following processes: 1. turbulent dynamics and structure of the atmospheric boundary layer over the thermally and topographically non-homogeneous underlying surface; 2. interaction of turbulence and particles in the atmospheric boundary layer (formation of two-phase stratified turbulent flows); 3. thermal regime, dynamics of greenhouse gases, and energy and mass transfer in the system "boundary layer of the atmosphere - the land active layer / inland water body". Particular attention will be paid to two types of underlying surface: forests and inland waters. This is due to their importance in the formation of energy and mass exchange in the high latitudes (given the significance of the area occupied), as well as insufficient development of parameterizations of processes occurring in them in the Earth System models. In particular, the parameterizations of the heat and moisture exchange and the carbon cycle in inland waters and forest ecosystems that are used in the climate model of the Institute of Numerical Mathematics (INM) RAS, will be developed and tested using comprehensive empirical material. The models based on the large-eddy simulation and direct numerical simulation approaches, developed previously inside the team of the project, will be modified to address the above mentioned problems. In addition, the project will apply the promising EFB turbulence closure, recently proposed by S. Zilitinkevich and colleagues, in the construction of a one-dimensional model of the atmospheric boundary layer. The results of numerical simulation of three-dimensional non-stationary stratified turbulent flows with high spatial resolution and the data of field observations will be used for statistical and theoretical analysis and the development of simple parameterizations, suitable for implementation in climate and weather forecasting models. The practical result of the project will be new scientific tools for the modeling and prediction of atmospheric conditions, state of the land active layer and inland water bodies. In addition, some models developed in the project will be brought to the state of the product; they will be uploaded to the server in free access through the Internet being provided with technical documentation, user guide and sample input data. The parameterizations developed within the framework of the project will be tested in the INM RAS climate model and recommended for use in weather and climate models, potentially improving the quality of climatic and regional forecasts. The practical significance of the project is related to the development of fundamental grounds for the system of the climate change projections and assessment of the future state of northern ecosystems, accompanied with the business, economic and environmental implications.
В рамках заявленного проекта будут получены следующие результаты: 1) Будет создана доступная база экспериментальных данных о турбулентной структуре атмосферного пограничного слоя при различных фоновых условиях. База данных будет содержать информацию о географических характеристиках региона, используемом оборудовании, фоновых метеорологических условиях, характеристиках энерго- и газообмена, структуре атмосферной турбулентности (спектры, дисперсии, кинетическая энергия турбулентности). Для создания базы данных будут использоваться как результаты экспериментов, проведенных участниками проекта, так литературные и архивные данные, а также ссылки на результаты международных экспериментов, доступных в сети Интернет. База данных может быть использована как для физической интерпретации различных природных явлений, так и для валидации моделей Земной системы. База данных будет зарегестрирована как результат интеллектуальной деятельности. 2) На основе вихреразрешающего моделирования и анализа данных наблюдений будут уточнены универсальные функции теории подобия для стратифицированной турбулентности над однородной и неоднородной лесной растительностью и скорректированы методы вычисления турбулентных потоков тепла, импульса, влаги и углекислого газа над лесом, в том числе и при наличии неоднородностей типа «лес-поле», «лес-озеро». Будут разработаны параметризации для расчета характеристик тепло-массо-энергообмена между атмосферой и неоднородной лесной подстилающей поверхностью и предложены рекомендации по учету крупных неоднородностей в моделях атмосферного пограничного слоя. Поскольку лесные массивы с большим количеством озёр являются важной составляющей северных экосистем, то адекватное воспроизведение процессов их взаимодействия с атмосферой позволит улучшить точность прогностических моделей, в том числе и в области оценки возможных эмиссий парниковых газов из болотных, озёрных и лесных экосистем. Результаты исследований будут опубликованы в изданиях, цитируемых в WoS, Scopus и РИНЦ. 3) На основе вихреразрешающего и прямого численного моделирования, а также анализа экспериментальных данных, будут разработаны параметризации обмена теплом и импульсом между атмосферой и подстилающей поверхностью при наличии взвешенных частиц в приземном слое для климатических моделей и моделей прогноза погоды. Решение данной задачи позволит разработать основы физической теории взаимодействия турбулентности в пограничном слое атмосферы со взвешенными частицами в двухфазном потоке и улучшить качество прогнозов опасных метеорологических явлений, таких как метель, пыльные и песчаные бури. Результаты исследований будут опубликованы в изданиях, цитируемых в WoS, Scopus и РИНЦ. 4) Будет разработана одномерная модель атмосферного пограничного слоя на основе EFB-замыкания для устойчивой стратификации и модели конвективного АПС для неустойчивой. Будет предусмотрена возможность вычислений на грубом вертикальном разрешении для включения в климатические модели. В модель будут добавлены блоки расчета концентрации взвешенных частиц и новые универсальные функции для сильно шероховатой и неоднородной поверхности. Результаты исследований будут опубликованы в изданиях, цитируемых в WoS, Scopus и РИНЦ. Будет подана заявка на регистрацию результата интеллектуальной деятельности. 5) Будет реализована трехмерная модель катабатических течений со взвешенными снежными частицами, базирующаяся на осредненных по Рейнольдсу уравнениях, и исследованы эффекты влияния взвеси на катабатические циркуляции. Решение данной задачи важно для прогноза опасных метеорологических явлений в полярных районах. Результаты исследований будут опубликованы в изданиях, цитируемых в WoS, Scopus и РИНЦ. 6) Модель водоёма LAKE, разработанная в НИВЦ МГУ, будет модифицирована путём разработки нового биогеохимического блока, описывающего динамику и распределение растворенного и взвешенного органического углерода с учётом выноса органического материала с водосбора и его расхода в вытекающем водотоке. Будет произведена проверка и калибровка существующих моделей газообмена на поверхности водоёма с помощью прямого численного моделирования. На основе этих результатов будет усовершенствована параметризация газообмена между водоёмом и приводным слоем в модели LAKE. В модель будет включена новая параметризация внутренних сейш для одномерных моделей. Результаты исследований будут опубликованы в изданиях, цитируемых в WoS, Scopus и РИНЦ. 7) На основе сопряжения одномерной модели АПС с блоком деятельного слоя суши климатической модели ИВМ РАН будет построена новая совместная модель АПС и деятельного слоя, включающая параметризации эффектов, связанных со взвешенными частицами, и новые методы расчета стратифицированных турбулентных потоков над лесными ландшафтами. Модель будет верифицирована в расчётах суточного хода системы «АПС – деятельный слой», с привлечением эмпирических данных доступных в сети Интернет, и результатов специально поставленных натурных экспериментов. Будут исследованы собственные свойства этой модели при длительном интегрировании (наличие обратных связей, трендов, собственных колебаний, характерных времен отклика и т.д.). Результаты исследований будут опубликованы в изданиях, цитируемых в WoS, Scopus и РИНЦ. 8) Будет проведено интегрирование совместной модели, базирующейся на сопряжении блока деятельного слоя суши климатической модели ИВМ РАН с усовершенствованной моделью LAKE, в автономном режиме на глобальной сетке климатической модели на масштабе нескольких десятилетий с данными реанализа в качестве метеорологического «форсинга». Будут получены результаты сравнения пространственно-осредненных распределений потоков метана и углекислого газа с известными глобальными и региональными оценками. Результаты исследований будут опубликованы в изданиях, цитируемых в WoS, Scopus и РИНЦ. 9) Одномерная модель АПС с учетом взвешенных частиц в пограничном слое и эффектов сильно шероховатой и неоднородной поверхности будет включена в климатическую модель ИВМ РАН. Будет выполнена оценка влияния новых параметризаций физических процессов в АПС на региональную и глобальную циркуляцию в умеренных и высоких широтах. 10) В открытый доступ в Интернет будет помещен программный комплекс, включающий: одномерную модель атмосферного пограничного слоя, основанную на EFB-замыкании, с блоком расчета концентрации взвешенных частиц и новыми универсальными функциями для сильно шероховатой и неоднородной поверхности; усовершенствованную модель ИВМ РАН деятельного слоя суши; одномерную модель водоёма LAKE. Все модели будут снабжены тестовыми входными данными, техническим описанием и руководством пользователя.
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 2 мая 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Исследование процессов взаимодействия атмосферного пограничного слоя умеренных и высоких широт с деятельным слоем суши и водоёмами: разработка параметризаций для моделей Земной системы |
Результаты этапа: 1. Создана база данных, состоящая из набора данных и прикладного программного обеспечения. Она разработана на основе измерений турбулентной структуры приземного слоя атмосферы, проводимых в Институте 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 (спектры, дисперсии, кинетическая энергия турбулентности). Она представляет собой набор каталогов и подкаталогов, в которых находятся: 1) текстовые файлы с описанием географических характеристик региона, используемого оборудования и методов обработки данных, 2) файлы в формате matlab и exсel, содержащие метеорологическую информацию, результаты расчета характеристик атмосферной турбулентности, прочую сопутствующую информацию, зависящую от условий проведения конкретного эксперимента, 3) записи первичных измерений атмосферной турбулентности, используемые для построения спектров и расчета турбулентных характеристик приземного слоя. Данные находятся на сервере ИФА РАН и доступны для пользователей после заполнения специальной формы. Ее описание можно найти по адресу http://www-new.srcc.msu.ru/ru/rsf171701210. Подготовлена заявка на регистрацию базы данных. Для статистической обработки данных создан пакет программ универсального характера на языке Matlab, который позволяет: преобразовывать файлы исходных данных различных форматов, объединять и сохранять файлы; строить графики физических величин; рассчитывать статистические критерии и строить гистограммы; рассчитывать и строить спектры; использовать вейвлет-анализ и рассчитывать основанные на нем различные характеристики процесса, а также ряд других полезных для анализа процедур. 2. Проведен анализ микрометеорологических измерений в атмосферном пограничном слое (АПС) над холмистой поверхностью, покрытой лесной растительностью. Вычислен полуэмпирический масштаб длины, зависящий от особенностей местной топографии и типа подстилающей поверхности в районе измерений. На основе спектрального анализа результатов LES-моделирования предложена и проверена на данных измерений полуэмпирическая параметризация потоково-градиентного соотношения, учитывающая влияние топографии, 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 топографически сложными или пространственно-неоднородными ландшафтами. Основные результаты изложены в статье: Барсков К.В., Глазунов А.В., Репина И.А, Степаненко В.М., Лыкосов В.Н., Мамарелла И. "О применимости теории подобия в устойчиво-стратифицированном атмосферном пограничном слое над поверхностями сложной структуры" (принята к печати в журнале "Известия РАН. Физика атмосферы и океана"). 3. Блок деятельного слоя суши в модели Земной системы Института вычислительной математики РАН выделен в отдельный программный код. В качестве форсинга модели и данных для валидации кода привлекались результаты измерений на станции SMEAR II (Финляндия). Ряды наблюдений покрывали период с 00:00 1 января 2015 г. по 23:59 26 декабря 2015 г. Модельный поток влаги в атмосферу оказался значительно больше измеренных значений (в среднем за 2015 г. на 25 Вт/м^2), поток явного тепла существенно занижается (в среднем на 29 Вт/м^2). Таким образом, 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 и не позволяет детально описывать процессы обмена и превращения вещества и энергии в лесных экосистемах. Поэтому, в настоящее время в коллективе проекта разрабатывается концепция новой модели лесной экосистемы, предназначенной в перспективе заменить действующую параметризацию. 4. LES- модель ИВМ РАН дополнена новыми процедурами лагранжева переноса инертных частиц, взаимодействующих с течением. В блок расчета частиц 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 (городского типа и орографически поверхностями). Подготовлена статья: Глазунов А.В. "Численное моделирование турбулентности и переноса мелкодисперсной примеси в городских каньонах" для журнала "Вычислительные методы и программирование" 5. В DNS-модели НИВЦ МГУ 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. 6. Биогеохимический блок модели водоема LAKE дополнен уравнениями для массовой плотности растворенного и взвешенного органического углерода. Взвешенный органический углерод разделяется на “живые частицы” (фито- и зоопланктон) и “мертвые” (остатки организмов). Вместо концентрации CO_2 теперь в модели используется переменная “растворенный неорганический углерод”, что позволяет учитывать карбонатное равновесие. В результате, биогеохимический блок включает 6 неизвестных и 6 уравнений диффузии-реакции, в которых слагаемые источников учитывают: растворение/выделение газов на границе пузырек-раствор, фотосинтез, дыхание, биохимическое потребление кислорода в водной толще, биохимическое 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 (при высоких числах Рейнольдса) в верхнем перемешанном слое. С новой версией модели рассчитано содержание углекислого газа в оз. Куйваярви (Финляндия), за период июнь 2012 г. – декабрь 2013 г. В качестве атмосферного форсинга привлекались стандартные измерения на заякоренной платформе, осуществляемые Университетом Хельсинки. Сопоставление измеренной концентрации CO_2 с рассчитанными кривыми (см. прикреплённый к отчету файл) показывает, что при включении в систему уравнений взвешенного и растворенного органического вещества заметно улучшилось качество результатов моделирования, особенно в период открытой воды. 7. Предложен метод замыкания горизонтально осредненных одномерных уравнений гидродинамики замкнутого водоема по отношению к ускорению за счет горизонтального градиента давления. Замыкание достигается привлечением модели многослойной жидкости в предположении, что горизонтальная структура поля скорости и давления задана только первой горизонтальной Фурье-модой. В результате, в одномерной модели появляются сейшевые колебания с первым горизонтальным волновым числом, а множество "разрешенных" моделью вертикальных волновых чисел определяется текущей стратификацией озера. Данная параметризация включена в модель водоёма LAKE. Дополнительное время на расчёт параметризации оказалось очень малым по сравнением с общим временем интегрирования модели. Впервые получено также выражение для доступной потенциальной энергии многослойной модели. В численных экспериментах с новой версией модели LAKE, воспроизводящих свободные колебания в водоеме, частоты баротропных и бароклинных колебаний хорошо согласуются с теоретическими оценками на основе линейных моделей. В расчетах заглубления сдвигового перемешанного слоя в нижележащий термоклин показано следующее: сила Кориолиса в неограниченном горизонтальном слое жидкости и горизонтальный градиент давления в ограниченном водоеме подавляют скорость заглубления сдвигового перемешанного слоя по сравнению со случаем неограниченного горизонтального слоя без вращения и горизонтального градиента давления; при горизонтальном размере водоёма L порядка внутренного радиуса деформации Россби L_R (для средних широт и не очень глубоких озёр L_R ∼2-3 км) влияние сейш и вращения на глубину перемешанного слоя сравнимо, при L ≫ L_R вращение значительно сильнее подавляет заглубление эпилимниона, а при L ≪ L_R значительно больше ограничивают его развитие сейши. Из этих выводов можно сделать следующее заключение о применимости классических одномерных моделей водоёма (без учёта горизонтального градиента давления, но с силой Кориолиса) к вычислению летней стратификации озёр. При L >= L_R эти модели применимы, но при L ≪ L R они должны завышать глубину летнего перемешанного слоя. Ещё одним важным результатом включения параметризации сейш в одномерную модель стало появление придонного сейшевого течения и соответствующего ему турбулентного пограничного слоя, хорошо известного из данных наблюдений. 8. Для выбора методов построения локально-одномерной RANS-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 атмосферной турбулентности: растущий сдвигово-конвективный пограничный слой; устойчиво-стратифицированное течение Куэтта при больших значениях чисел Рейнольдса и Ричардсона; 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 коде климатической модели ИВМ РАН при расчете конвективного АПС. Проведены тестовые расчеты новой одномерной модели в режиме суточного хода. По результатам этой работы готовятся следующие публикации: Дебольский А.В., Степаненко В.М., Глазунов А.В., Зилитинкевич С.С. "Интегральные модели проникающей конвекции со сдвигом" (для журнала "Известия РАН. Физика атмосферы и океана); Zilitinkevich S., Druzhinin O., Glazunov A., Kadantsev E., Mortikov E, Troitskaya Yu. "Dissipation rate of turbulent kinetic energy in stably stratified flows" (для журнала "Atmospheric chemistry and Physics"). | ||
2 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Исследование процессов взаимодействия атмосферного пограничного слоя умеренных и высоких широт с деятельным слоем суши и водоёмами: разработка параметризаций для моделей Земной системы |
Результаты этапа: 1. Получены результаты экспериментальных исследований структуры и динамики атмосферной турбулентности над неоднородной подстилающей поверхностью типа «лес-озеро» в зимний период. Анализ результатов измерений подтвердил теоретический вывод о генерации кинетической энергии турбулентности сдвигом скорости ветра на вершинах деревьев на переходе «лес-озеро» и позволил установить, что во всех случаях наибольшее расхождение измеренного потока тепла с рассчитанным по теории подобия Монина-Обухова (ТПМО) наблюдается при наличии инверсии с выраженным вертикальным градиентом температуры в потоке над ландшафтом на высоте около 100 м. При этом в уравнениях баланса турбулентных моментов слагаемые, обусловленные горизонтальной неоднородностью, дают вклад того же порядка, что и слагаемые, присутствующие в уравнениях для однородного пограничного слоя. Установлено, что затруднения применимости ТПМО над неоднородными ландшафтами связано, прежде всего, с тем, что к локальному турбулентному перемешиванию, вызванному высокочастотной турбулентностью, здесь добавляются нелокальные процессы, обусловленные неоднородностью генерации турбулентных движений и различными мезомасштабными циркуляциями. При определенных условиях ТПМО применима и над неоднородной поверхностью, но для расчета характеристик атмосферной турбулентности в этом случае необходим более общий подход, который может содержать, в том числе, и классическую ТПМО как частный случай. Реализация этого подхода возможна с включением в функции подобия новых независимых безразмерных групп или введением новых эмпирических масштабов. 2. Разработана и реализована новая технология расчетов с использованием вихреразрешающей (LES) модели стратифицированных турбулентных течений над неоднородными поверхностями. Эта технология направлена на исследование характеристик турбулентного теплообмена в тех случаях, когда аэродинамическое сопротивление потоку создают объекты, размер которых сравним с масштабом длины Обухова. Примером таких подстилающих поверхностей могут быть неоднородные лесные ландшафты с чередованием типов поверхности («лес-поляна», «лес-озеро») или поверхности с крупными объектами шероховатости, например, городская застройка. В модели воспроизводятся существенные различия как между значениями аэродинамической и термической шероховатостей, так и связанные с топологией поверхности. Было найдено, что для конфигураций поверхностей, допускающих формирование крупных квазистационарных организованных структур, обмен теплом значительно интенсифицируется и происходит в слое шероховатостей вследствие переноса тепла средним течением, более эффективным, чем турбулентный обмен теплом по вертикали. Данный вывод подтверждается результатами экспериментальных наблюдений, где над озером при определенных условиях наблюдается более интенсивный перенос тепла, чем прогнозируемый ТПМО. 3. По данным специализированных экспериментов над заснеженной и песчаной поверхностями (Шпицберген и Калмыкия) исследовано влияние стратификации, создаваемой взвесью, на статистические характеристики турбулентности в приземном слое. Установлено, что при определенной скорости ветра происходит уменьшение потока импульса через поверхность и уменьшение коэффициента турбулентного обмена (коэффициента сопротивления) в приземном слое. Скорость ветра, при которой влияние стратификации, создаваемой взвесью, становится существенной, зависит от распределения частиц по размерам. 4. С использованием LES-модели ИВМ РАН детального пространственного разрешения получены результаты расчетов переноса частиц взвеси льда и снега над заснеженной поверхностью при сильном ветре. Проведен анализ энергетического баланса турбулентной кинетической энергии течений, который показал, что, наряду с вкладом сил плавучести, существенное влияние на поток оказывают силы инерции частиц. Генерация продольных пульсаций скорости частицами сравнима с потреблением энергии силами плавучести и инерции в вертикальном направлении. Проведена серия расчетов с различными наклонами поверхности при заданном постоянном внешнем воздействии на поток. Реализованная численная модель позволяет получать гистограммы распределения взвеси частиц по размерам и массе на различном удалении от поверхности. Было выявлено, что на удалении от поверхности распределение взвеси по размерам не чувствительно к наклону поверхности. Установлено, что взвесь оказывает влияние на среднюю скорость течения: на высотах более 8-ми метров во всех расчетах скорость потока с частицами превышает скорость чистого потока, что означает уменьшение аэродинамической шероховатости поверхности при наличии взвеси. 5. Модель подсеточной лагранжевой стохастики протестирована и откалибрована отдельно от LES-модели в рамках RANS-подхода с целью проверки ее способности правильно воспроизводить автомодельную степенную зависимость концентрации взвеси частиц от высоты в приземном слое постоянных потоков. При расчетах с LES-моделью найдено, что отрицательный энергетический вклад плавучести взвеси в генерацию турбулентности частично компенсируется передачей доступной потенциальной энергии в кинетическую энергию, связанную с продольной компонентой скорости. Этот эффект необходимо учитывать при расчетах процесса переноса взвеси в упрощенных RANS-моделях и параметризациях. 6. Реализована новая одномерная модель атмосферного пограничного слоя на основе EFB-замыкания. Проведены численные эксперименты по воспроизведению устойчиво стратифицированных пограничных слоев и сравнение с результатами LES- и DNS-расчетов, а также данными натурного эксперимента GABLS. Выполнены эксперименты по воспроизведению суточного хода метеорологических характеристик. Рассчитана эволюция профиля температуры по времени и определена модельная высота пограничного слоя. Модель удовлетворительно воспроизводит суточный ход температуры и высоту АПС, но при этом показывает высокую чувствительность к представлению диссипации кинетической энергии турбулентности в режиме перехода от конвективного к устойчиво стратифицированному АПС. 7. Точность расчета потоков тепла и импульса в параметризации приземных потоков, используемой в модели Земной системы ИВМ РАН, оценена с привлечением результатов измерений на станциях Мирный, Беллинсгаузен (Антарктида) и Ню-Олесунн (Шпицберген). Для всех станций использование формулы Андреаса для коэффициента динамической шероховатости z_0 позволило удалить двукратное завышение потока импульса исходным вариантом параметризации. Удовлетворительное воспроизведение потока явного тепла получено после подбора коэффициента термической шероховатости для станций Беллинсгаузен и Ню-Олесунн. Отношение z_0/z_0t оказалось при этом значительно больше (~200 для ст. Ню-Олесунн), чем прогнозируемое известными эмпирическими зависимостями от числа Рейнольдса шероховатости Re_z0 (~1-10), что ставит вопрос о применимости этих зависимостей для заснеженной поверхности. Получено обобщение теории Монина-Обухова, полностью учитывающее эффекты стратификации по температуре и содержанию частиц. 8. Построена одномерная термогидродинамическая модель ледникового ветра. Коэффициенты вязкости и температуропроводности заданы калибруемыми возрастающими функциями высоты. Для верификации и калибровки модели использовались данные наблюдений скорости и температуры в приземном слое и результаты содарных измерений на леднике Конгсвеген (Шпицберген) весной 2009 года. Асимптотические на больших высотах значения коэффициентов вязкости и температуропроводности подобраны для совпадения расчетов с данными скорости и температуры в приземном слое. С привлечением турбулентной кинетической энергии по данным содарных измерений и предложенного А. Блэкадаром масштаба длины получены значения турбулентной вязкости, согласующиеся с калиброванным профилем вязкости. Это согласие свидетельствует о применимости уравнений модели к расчету ветра над ледником и возможности приложений модели, в частности, для диагностики катабатических течений в моделях климата. 9. Предложено обобщение развитого в 2017 г. метода замыкания горизонтально осредненных одномерных уравнений гидродинамики замкнутого водоема на случай неоднородного распределения глубины. Замыкание достигается привлечением модели многослойной жидкости в предположении, что поля скорости и давления в каждом слое постоянной плотности заданы первой горизонтальной Фурье-модой. В результате использования редуцированной многослойной модели для замыкания одномерных уравнений движения в модели LAKE появляются сейшевые колебания с первым горизонтальным волновым числом. С дополненной таким образом моделью проведен расчет сейшевых колебаний в итальянском оз. Изео (длина 25 км, ширина 2-5 км). В качестве единственного калибруемого параметра, контролирующего амплитуду сейшевых колебаний, использован коэффициент донного трения. При задании трения линейной функцией скорости его значение совпало с величиной этого коэффициента в многослойной модели, явно воспроизводящей горизонтальные моды H1-H5. В термоклине результаты модели LAKE удовлетворительно согласуются с данными измерений колебаний температуры, максимумы в спектре температуры (24.9 ч, 11.6 ч, 8.3 ч) практически совпадают. 10. С трехмерной конечно-разностной RANS моделью озера проведен идеализированный численный эксперимент в прямоугольной области, с заданным потоком импульса на поверхности. В начальном распределении температуры задавался перемешанный слой, термоклин и гиполимнион. Расчеты проводились при различных соотношениях горизонтального и вертикального размеров области. В модели развивается перемешанный слой, занятый поверхностным течением, направленным вдоль потока импульса из атмосферы, и противотечением в нижней части слоя. Качественно такая же структура скорости воспроизводится в модели LAKE с параметризацией горизонтального градиента давления. 11. Одномерная модель водоема LAKE была успешно применена для расчета заглубленного максимума температуры в стратифицированном по солености озере Большой Вилюй (п-ов Камчатка). Показано, что необходимым условием развития феномена является увеличение солености под пресным перемешанным слоем. Величина максимума температуры определяется поглощением радиации под перемешанным слоем, динамикой температуры перемешанного слоя, вертикальной теплопроводностью, обменом теплом с донными отложениями и механизмом “накачки” максимума температуры. Установлены условия, благоприятные для развития явления: небольшая глубина перемешанного слоя (< 2 м), высокая прозрачность воды, максимум скорости ветра в дневное время суток и малооблачная погода. 12. Исполнителем проекта В.Ю. Богомоловым подготовлена и успешно защищена 16 октября 2018 г. в совете Д 003.061.02 (Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, г. Новосибирск) диссертация «Параметризация внутренних водоемов суши в модели Земной системы» на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 05.13.18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ. | ||
3 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Исследование процессов взаимодействия атмосферного пограничного слоя умеренных и высоких широт с деятельным слоем суши и водоёмами: разработка параметризаций для моделей Земной системы |
Результаты этапа: В 2019 году получены новые результаты, в основном, связанные с использованием разработанных на предыдущих этапах выполнения проекта подходов и параметризаций моделях различного разрешения. 1. В штормовых условиях проведен специализированный эксперимент по исследованию динамики ветрового потока при наличии частиц (слоя брызг). Результаты подтверждают уменьшение коэффициента сопротивления при большой скорости ветра. С использованием теории двухфазного потока и данных о концентрациях и размерах частиц различных примесей были рассчитаны характерные значения скорости ветра, при превышении которых возможно уменьшение коэффициента сопротивления, а также вычислен вклад брызг в изменение параметра динамической шероховатости поверхности. Получено, что увеличение потока плавучести приводит к уменьшению параметра шероховатости и, соответственно, коэффициента сопротивления. По данным измерений, проведённых на опустыненных территориях, показано, что c ростом динамической скорости и увеличением интенсивности переноса песка роль температурной стратификации в формировании двухфазного потока уменьшается. Экспериментально обнаружены зависимость параметра динамической шероховатости от скорости течения при наличии в воздухе частиц и ускорение воздушного потока. 2. Завершена проверка на данных наблюдений новой версии одномерной модели водоёма LAKE, для которой предложена оригинальная параметризация горизонтального градиента давления. С её помощью произведены расчёты термодинамического режима озера Изео (Италия) и полученные временные ряды температуры в верхней, средней и нижней частях термоклина в северной и южной частях озера сопоставлены с данными измерений. Синоптическая изменчивость амплитуды колебаний температуры в термоклине, вызванная сильным ветром, удовлетворительно воспроизведена моделью. Близкий с суточному максимум в спектре температуры в термоклине, имеющий место по данным наблюдений, был также получен и в модели. Использование параметризации градиента давления расширяет область применимости одномерной модели на множество озёр, размер которых много меньше внутреннего радиуса деформации Россби. В новой версии модели также явно воспроизводятся моды с горизонтальным волновым номером 1, что позволяет применять параметризации генерации кинетической энергии турбулентности при обрушении малых внутренних волн. Проведено исследование влияния горизонтальных размеров внутренних водоёмов (озёр и водохранилищ) на протекающие в них процессы перемешивания. В качестве инструментов для проведения расчетов были выбраны трёхмерная гидростатическая модель и одномерная модель LAKE с параметризацией горизонтального градиента давления. Проведена серия численных экспериментов, демонстрирующая эффект горизонтального размера водного объекта на глубину перемешанного слоя. Получено удовлетворительное согласие по глубине перемешанного слоя, рассчитанной в одномерной и трёхмерной моделях. Подтверждена необходимость учёта горизонтальных размеров водного объекта при моделировании вертикального распределения температуры в озёрах и водохранилищах с размерами много меньше внутреннего радиуса деформации Россби. 3. В трёхмерную модель озера, развиваемую в НИВЦ МГУ на основе DNS-, LES-, RANS- программного кода, включён блок биогеохимических процессов, в том числе связанных с эмиссией парниковых газов CH4 и CO2. Разработанная численная модель включает уравнения переноса-диффузии и реакции для растворённых газов (кислород, углекислый газ, метан) и органического углерода, фито- и зоопланктона, отмерших органических частиц, растворённого неорганического фосфора. Таким образом, создан инструментарий для проверки одномерных физико-биогеохимических моделей. Для сравнения качества воспроизведения ключевых физических механизмов, контролирующих газообмен водоёма с атмосферой в одномерных (по вертикали) моделях, произведён мультимодельный численный эксперимент для озера Харп (Канада). Проведены расчёты по пяти моделям (ALBM, FLake, LAKE, LAKEoneD, MTCR-1) для периода 2011-2015 гг. Даты установления и схода ледяного покрова существенно различаются между моделями, что приводит к расхождению в коэффициенте турбулентной диффузии и потоке растворённых газов в атмосферу. Во всех моделях весеннее перемешивание оказалось менее интенсивным по сравнению с периодом осенней гомотермии. В некоторых моделях глубина перемешанного слоя не достигает в сезонном ходе дна, что приводит к накоплению примеси в придонном слое. 4. Проведены численные эксперименты с моделью деятельного слоя суши ИВМ РАН–МГУ в рамках сектора моделирования озёр международного проекта ISIMIP (www.isimip.org). В качестве атмосферного воздействия использованы результаты моделей Земной системы для различных сценариев изменения климата. Результатами расчётов являются осреднённые по суткам, месяцам и годам термодинамические переменные: значения температуры, потоков тепла и радиации на поверхности, толщины ледяного и снежного покровов, вертикальное распределение температуры в водной толще. В настоящее время эти данные загружены на сервер DKRZ (Deutsches KlimaRechnung Zentrum) для анализа участниками проекта. Для валидации моделей подготовлен массив данных по долговременной изменчивости температуры поверхности и ледовых условий 15 озёр в различных климатических областях Земли. Для определения состояния ледяного покрова и температуры поверхности озёр разработан алгоритм с использованием мультиспектральных спутниковых данных. 5. В климатической модели ИВМ РАН (INMCM) была изменена параметризация турбулентной вертикальной диффузии в пограничном слое атмосферы (АПС) с универсальными функциями для случая устойчивой стратификации. Тестовые расчеты продолжительностью 5 лет, с горизонтальным разрешением 2x1.5 по долготе и широте и 21 вертикальным уровнем, показали, что включение новой параметризации не внесло значительных изменений в воспроизведение моделью интегральных климатических характеристик. Включение новой параметризации также слабо отразилось на средней модельной облачности, при этом максимальные локальные различия в среднегодовой доле облачного покрытия между двумя версиями моделей составили 0.15. Однако, оказалось, что в версии модели с новой параметризацией атмосфера над побережьем Антарктиды стала значительно более пасмурной. Новая версия в среднем воспроизводит более низкий АПС, преимущественно в средних и высоких широтах, за исключением, акватории моря Амундсена, северно-восточного побережья Австралии, бассейна реки Замбези и архипелага Северной Земли. Здесь завышение высоты пограничного слоя пространственно коррелирует с более высокой приземной температурой, полученной в расчётах с новой версией климатической модели. 6. Для учёта эффектов сильно шероховатой и неоднородной поверхности в модели деятельного слоя суши ИВМ РАН–МГУ было пересмотрено задание коэффициентов шероховатости. В новой схеме расчёта коэффициента динамической шероховатости z0 используется осреднение между значениями, установленными для всех типов растительности с весами, равными долям площади этих типов внутри ячейки модели. Коэффициент термической шероховатости z0t при этом связан с z0 через полуэмпирическую зависимость от числа Рейнольдса шероховатости. Для коэффициента динамической шероховатости введена также возможность учёта его зависимости от величины h/L (h – высота элементов шероховатости, L – масштаб Монина-Обухова). Введение нового представления пространственного распределения z0 и z0t в числе других усовершенствований модели позволило удовлетворительно воспроизвести внутригодовое распределение стока р. Северной Двины. Для использования в моделях подготовлен обзор существующих представлений зависимости натурального логарифма отношения z0 к z0t от числа Рейнольдса шероховатости. Показано, что высота элементов шероховатости является важным фактором при формировании отношения z0 к z0t. 7. Получено свидетельство о регистрации разработанной в рамках проекта базы данных, которая доступна по запросу на сайте проекта. Исходный программный код модели деятельного слоя суши ИВМ РАН–МГУ выложен в открытый доступ на странице http://tesla.parallel.ru/vbogomolov/INMCM37B_lake/wikis/INM-RAS-MSU-land-surface-model. Исходный программный код модели водоёма LAKE, вместе с технической документацией и руководством пользователя, выложен в открытый доступ на странице http://tesla.parallel.ru/Viktor/LAKE/wikis/LAKE-model. 8. Предложен новый подход к моделированию скорости диссипации кинетической энергии турбулентности (КЭТ), основанный на использовании релаксационного уравнения для турбулентного масштаба волнового числа. Установлена связь между четырьмя эмпирическими константами в стандартном уравнении для диссипации и релаксационной константой в уравнении для волнового числа. С использованием результатов DNS- и LES-расчётов показано, что при задании равновесного состояния системы, согласованного с теорией подобия Монина-Обухова, предложенный подход позволяет воспроизводить основные характеристики нестационарных устойчиво-стратифицированных пограничных слоёв с высокой точностью. Для тестирования модифицированной одномерной модели были проведены дополнительные расчёты по LES- и DNS-моделям турбулентных течений в условиях нейтральной и устойчивой стратификации. Новая локально-одномерная модель АПС была дополнена параметризацией низовой метели, влияющей на характеристики турбулентного обмена в приземном слое. Реализован итерационный алгоритм вычисления параметров устойчиво-стратифицированного приземного слоя при наличии взвеси и протестирована его сходимость в большом диапазоне параметров. Проведены сравнительные численные эксперименты с локально-одномерными моделями АПС при наличии параметризации низовой метели и без неё. На основании расчётов выявлена чувствительность турбулентных потоков на поверхности и характеристик всего устойчивого АПС к воздействию, обусловленному наличием приповерхностного переноса снега. Построены универсальные функции для скорости диссипации турбулентной кинетической энергии в условиях устойчивой стратификации для широкого диапазона чисел Ричардсона. Полученное теоретическое решение было проверено с помощью прямого численного моделирования, непосредственно определяющего скорость диссипации КЭТ, и косвенных оценок с использованием данных специализированных измерений. Предложенные универсальные функции могут быть использованы в любых моделях турбулентного замыкания, использующих уравнение баланса KЭТ, и в задачах, требующих точного знания высокочастотной части турбулентных спектров. |
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".
№ | Имя | Описание | Имя файла | Размер | Добавлен |
---|---|---|---|---|---|
1. | K_otchetu_za_2017_god.pdf | K_otchetu_za_2017_god.pdf | 1,2 МБ | 11 декабря 2017 [Vittorio1981] | |
2. | Prilozhenie_k_otchetu-2018-VL.pdf | Prilozhenie_k_otchetu-2018-VL.pdf | 2,1 МБ | 8 декабря 2019 [lykossov] | |
3. | Prilozhenie_k_otchetu-2019.pdf | Prilozhenie_k_otchetu-2019.pdf | 1,4 МБ | 9 декабря 2019 [lykossov] |