ИСТИНА

Климатические проблемы не допускают прямого физического эксперимента. Более того, в силу ее специфических особенностей адекватные лабораторные эксперименты также представляются весьма проблематичными. Поэтому центральным методом исследования климатических и связанных с ними экологических проблем в рамках заявляемой темы будет метод математического (численного) моделирования с помощью как глобальных климатических моделей, так и моделей конкретных физических процессов, и с использованием современных высокопроизводительных вычислительных систем параллельной архитектуры. При этом потребуется пересмотр многих параметризаций «подсеточных» процессов, использующихся в современных глобальных и мезомасштабных моделях атмосферы. В первую очередь, это касается параметризации конвекции, поскольку конвекция начинает воспроизводиться явно при разрешениях несколько километров и менее. Не менее важным является также модификация параметризаций турбулентных процессов в пограничном слое атмосферы. Таким образом, переход на более детальное разрешение не может быть осуществлен «механически», без существенной переработки существующих вычислительных технологий и, в некоторых случаях, переформулировки параметризаций и систем уравнений, использующихся в настоящее время для приближенного описания гидротермодинамики климатической системы. Ключевым моментом дальнейшего развития климатических моделей является разработка многомасштабных моделирующих систем, одним из критериев качества которых может служить их способность воспроизводить особенности атмосферной турбулентности, в частности наблюдаемого пространственного спектра кинетической и доступной потенциальной энергии. В рамках темы запланировано выполнение следующих работ: 1.создание на основе современных вычислительных технологий математических моделей климатической системы и отдельных ее процессов; 2.исследование естественных и антропогенных изменений климата, в том числе, при различных сценариях выбросов парниковых газов в XXI веке; 3.разработка методов оценки региональных последствий глобального потепления для природной среды (в том числе, экологического характера); 4.исследование взаимосвязей между глобальными и региональными изменениями климата и их роли в формировании экстремальных гидрометеорологических условий России. В настоящее время требуются высококвалифицированные специалисты не только в конкретных областях, скажем, физики атмосферы и океана или географии, но и специалисты по комплексному анализу климатической системы с целью приложения результатов такого анализа к решению задач, связанных с охраной природной среды и рациональным размещением хозяйственных объектов. Для того, чтобы научные результаты были наиболее эффективно востребованы в практических приложениях (оценка риска, экономические решения, социальное планирование и т.д), в ходе выполнения темы будет использовано подходящее программное обеспечение, которое связало бы научные выводы с их практическим применением и сделало бы результаты такого подхода доступными как специалистам в конкретной предметной области, так широкому кругу других заинтересованных лиц. Запланировано в связи с этим развивать созданные в лаборатории информационные технологии, уделив значительное внимание визуализации динамических процессов и разработке картографических описаний для целей образования.

1. Модель водоема LAKE тестирована на уникальных данных по термическому режиму и концентрациям растворенных газов оз. Куйваярви (Финляндия). Модель является, по-видимому, наиболее полной из существующих аналогов в рамках одномерного подхода в части сопряженного описания термодинамики водоема, концентрации метана, углекислого газа и кислорода. На основе этой модели впервые количественно продемонстрирована важность генерации кинетической энергии турбулентности (КЭТ) под термоклином для развития аноксии (недостатка кислорода) и накопления анаэробно производимых газов (метана). Показано также, что существующие параметризации механизмов генерации КЭТ в термоклине за счет обрушения внутренних волн и развития сейш не способны существенно увеличить стационарное число Ричардсона в k-ε модели, так что в летнем термоклине озера умеренных широт коэффициент турбулентной диффузии падает до нуля. Последнее противоречит ряду данных наблюдений. В то же время, эксперименты по чувствительности показали, что даже очень слабая турбулентность (с турбулентным коэффициентом диффузии, лишь на порядок превышающим молекулярный) способна кардинально изменить условия аноксии и накопления метана у дна. В связи с этим, начата разработка новой параметризации сейш, призванной частично явно воспроизвести в одномерной модели их первую (наиболее энергосодержащую) горизонтальную моду. Подобных параметризаций в настоящее время не существует (в.н.с., к.ф.-м.н. В.М. Степаненко). 2. С помощью численной модели WRF (Weather Research and Forecasting model) проведены численные эксперименты, направленные на изучение структуры и динамики полярного мезомасштабного циклона в Карском море. Получено, что в отсутствие таких «классических» причин возникновения полярных мезоциклонов, как бароклинная неустойчивость в нижней тропосфере, конвективная неустойчивость, в том числе, вызванная обменом теплом атмосферы с поверхностью моря под воздействием ветра, важную роль играют направленный вниз вертикальный перенос потенциального вихря (ПВ) и условная неустойчивость второго рода. Для оценки влияния последнего фактора были проведены два численных эксперимента, с включенной и выключенной («сухой» эксперимент) параметризацией процессов перехода влаги из одного агрегатного состояния в другое. Показано, что в «сухом» эксперименте интенсивность циклона уменьшается (на 7-20%), а время развития увеличивается (на 4 часа). Вклад высотного форсинга в формирование циклона оценен с помощью функции влияния (функции Грина) для области внутри аномалии ПВ, связанной с циклонической циркуляцией. Установлено, что с течением времени вклад аномалии ПВ на поверхности 300 гПа в развитие приземного циклона увеличивается. Вид функции Грина был получен путем модификации квазигеострофического омега-уравнения, применимость которого для данного циклона показана высокой корреляцией (с коэффициентом 0.69 – 0.82) полей реального ветра и геострофического. На основе результатов проведенного исследования подготовлена (под руководством к.ф.-м.н. В.М. Степаненко) и защищена на «отлично» дипломная работа (программист П.С. Вереземская). 3. Вихреразрешающая модель ИВМ РАН – НИВЦ МГУ использована для верификации параметризации конвективного пограничного слоя (КПС) атмосферы, предложенной в 2012 г. проф. С.С. Зилитинкевичем (Финский метеорологический институт) с соавторами. С этой целью проведены расчеты проникающей конвекции в устойчиво стратифицированной атмосфере, с помощью которых изучены закономерности эволюции КПС (его высоты) и коэффициента вовлечения (отношения минимума потока плавучести к потоку на поверхности). Показано, что вихреразрешающая модель неплохо воспроизводит эти характеристики КПС. Установлено также, что механизм «выноса» энергии из слоя вовлечения инерционными гравитационными волнами в вышележащий устойчиво стратифицированный слой играет меньшую роль, чем предполагалось ранее по данным лабораторных экспериментов. Для случая свободной конвекции рассчитаны свободные параметры рассматриваемой параметризации и показано неплохое соответствие их значений с известными из литературы лабораторными данными. Для случая конвекции со сдвигом эти параметры были получены (по результатам экспериментов с вихреразрешающей моделью) впервые, что позволяет расширить область применения параметризации. Эта параметризация была также обобщена на случай горизонтально неоднородного потока плавучести на поверхности, что позволило провести сравнение с данными самолетных наблюдений в районе пролива Фрама и получить их хорошее соответствие. На основе полученных результатов была подготовлена (под руководством к.ф.-м.н. В.М. Степаненко) и защищена на «отлично» магистерская диссертация (программист А.В. Дебольский). 4. С помощью локальной фотохимической модели и глобальной совместной модели общей циркуляции атмосферы (ОЦА) с D-слоем ионосферы (для высот от поверхности Земли до 90 км) выполнены оценки чувствительности модельного решения к параметрам, определяемым нейтральной атмосферой. Установлено сравнимое по величине определяющее значение температуры и скорости ионизации на величину электронной концентрации в D-слое. Проведено исследование ее изменчивости на основе данных мониторинга СДВ-ДВ радиосигнала и показано, что вариации электронной концентрации по существу определяются изменчивостью оксида азота в мезосфере, связанной с выбросами высокоэнергичных частиц в полярных областях. На основе рассмотрения диффузионных процессов и учета потока оксида азота из термосферы построена простая параметризация влияния вариаций оксида азота на формирование D-слоя в совместной модели. Проведен анализ воспроизведения моделью ОЦА климатических характеристик средней атмосферы (термические приливы, распространение волн) и на основе сравнения с данными наблюдений показано достаточно хорошее их согласие, что свидетельствует о корректном описании основных физических процессов, определяющих общую циркуляцию средней атмосферы. Для расчета процессов переноса излучения в верхних слоях атмосферы разработан новый вычислительный блок радиационных притоков и стоков тепла и проведен количественный анализ воспроизведения различных составляющих процесса переноса излучения. Для высот мезосферы и нижних слоев термосферы показана определяющая роль в балансе нагрева за счет поглощения ультрафиолетового излучения кислородом и озоном и выхолаживания за счет инфракрасного излучения углекислого газа, а также выделена ключевая роль процессов турбулентного перемешивания. Установлена определяющая роль нагрева за счет поглощения экстремального ультрафиолетового излучения в верхних слоях термосферы. Полученные результаты по моделированию основных особенностей радиационного баланса хорошо соответствуют общепринятым оценкам. Разработана новая версия глобальной трехмерной модели общей циркуляции термосферы Земли (для высот 90 - 500 км) с высоким пространственным разрешением (2х2.5х80), включающая согласованный расчет радиационных процессов на основе описанной выше схемы. Показано, что формирование глобального состояния термосферы (в рамках данной модели) по существу определяется балансом радиационного нагрева и стока тепла за счет молекулярной диффузии, а также условиями на нижней границе с мезосферой. На основе первичной идентификации модели по эмпирическим данным установлено, что построенная модель с удовлетворительной точностью воспроизводит термический баланс и особенности общей циркуляции термосферы (с.н.с., к.ф.-м.н. Д.В. Кулямин). 5. Разработаны и реализованы итерационные алгоритмы решения уравнений эллиптического типа, возникающие в задачах моделирования климата и прогноза погоды, учитывающие массивно-параллельную архитектуру перспективных суперкомпьютеров, использующих графические ускорители («Ломоносов», «Ломоносов-2») и систем на основе многоядерных сопроцессоров Intel Xeon Phi (МВС-10П, RSC PetaStream). На основе прямого численного моделирования проведено исследование структуры турбулентного течения при сильно устойчивой стратификации в интервале параметров, превосходящих известные из литературы результаты (н.с., к.ф.-м.н. Е.В. Мортиков).