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

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-17-01210

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

Руководитель Лыкосов Василий Николаевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №18 - Конкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-604 - Атмосферный пограничный слой

Ключевые слова моделирование климата, атмосферный пограничный слой, турбулентные замыкания, двухфазные турбулентные течения, неоднородная подстилающая поверхность, деятельный слой суши, водоёмы суши, углеродный цикл

Код ГРНТИ37.21.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Степаненко В.М., Репина И.А., Артамонов А.Ю., Горин С.И., Лыкосов В.Н., Кулямин Д.В. Mid-depth temperature maximum in an estuarine lake Environmental Research Letters, v. 13, p. 035006(1) - 035006(11) (год публикации - 2018)
10.1088/1748-9326/aaad75

2. Глазунов А.В. Численное моделирование турбулентности и переноса мелкодисперсной примеси в городских каньонах Вычислительные методы и программирование. Новые вычислительные технологии, т. 19, вып. 1, с. 17-37 (год публикации - 2018)

3. Чернышев Р.В., Степаненко В.М., Репина И.А. Моделирование катабатического потока на ледниковом склоне на примере ледника Конгсвеген Процессы в геосредах, вып. 3(16), с. 1062-1069. (год публикации - 2018)

4. Мортиков Е.В., Глазунов А.В., Лыкосов В.Н. Numerical study of plane Couette flow: turbulence statistics and the structure of pressure-strain correlations Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling (год публикации - 2019)

5. Дебольский А.В., Степаненко В.М., Глазунов А.В., Зилитинкевич С.С. Интегральные модели проникающей конвекции со сдвигом скорости Известия РАН. Физика атмосферы и океана (год публикации - 2019)

6. Варенцов М.И., Артамонов А.Ю., Пашкин А.Д., Репина И.А. Исследование динамики пограничного слоя атмосферы с использованием беспилотных летательных аппаратов Сборник статей по материалам Международной конференции "Турбулентность, динамика атмосферы и климата" (год публикации - 2018)

7. Степаненко В.М., Репина И.А., Барсков К.В., Артамонов А.Ю., Богомолов В.Ю., Варенцов М.И., Гавриков А.В., Пашкин А.Д. Исследование структуры атмосферной турбулентности над неоднородным ландшафтом Сборник статей по материалам Международной конференции "Турбулентность, динамика атмосферы и климата" (год публикации - 2018)

8. Варенцов М.И., Артамонов А.Ю., Пашкин А.Д., Репина И.А. Experience in the quadcopter-based meteorological observations in the atmospheric boundary layer IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (год публикации - 2018)

9. Барсков К.В.,Степаненко В.М.,Репина И.А.,Артамонов А.Ю., Гавриков А.В. Two Regimes of Turbulent Fluxes Above a Frozen Small Lake Surrounded by Forest Boundary-Layer Meteorology, Volume 173, Issue 3, pp 311–320 (год публикации - 2019)
10.1007/s10546-019-00469-w

10. Глазунов А.В., Засько Г.В., Мортиков Е.В., Нечепуренко Ю.М. Optimal Disturbances of Stably Stratified Turbulent Couette Flow Doklady Physics, Vol. 64, No. 7, pp. 308–312 (год публикации - 2019)
10.1134/S1028335819070097

11. Глазунов А.В., Мортиков Е.В., Барсков К.В., Каданцев Е.В., Зилитинкевич С.С. Layered Structure of Stably Stratified Turbulent Shear Flows Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, Vol. 55, No. 4, pp. 312–323 (год публикации - 2019)
10.1134/S0001433819040042

12. Зилитинкевич С.С., Дружинин О.А., Глазунов А.В., Каданцев Е.В., Мортиков Е.В., Репина И.А., Троицкая Ю.И. Dissipation rate of turbulent kinetic energy in stably stratified sheared flows Atmospheric Chemistry and Physics, Volume 19, issue 4, pp.2489–2496 (год публикации - 2019)
10.5194/acp-19-2489-2019

13. Мортиков Е.В., Глазунов А.В., Дебольский А.В., Лыкосов В.Н., Зилитинкевич С.С. О моделировании скорости диссипации кинетической энергии турбулентности Доклады Академии наук, том 489, № 4, с. 82–86 (год публикации - 2019)

14. Степаненко В.М., Федосов В.Э., Репина И.А., Зилитинкевич С.С., Лыкосов В.Н. К параметризации теплообмена в моховом покрове для моделей Земной системы: обзор Известия РАН. Физика атмосферы и океана (год публикации - 2020)

15. Степаненко В.М., Валерио Ж., Пилотти М. Horizontal Pressure Gradient Parameterization for One-Dimensional LakeModels Journal of Advances in Modeling Earth Systems, v. 12, e2019MS001906 (год публикации - 2020)
10.1029/2019MS001906

16. Гусева С., Бленингер Т., Йонк К., Полли Б.А., Тан З., Тиери В., Жуанг К., Русак Дж.А., Яо Х., Лорке А., Степаненко В. Multimodel simulation of vertical gas transfer in a temperate lake Hydrology and Earth System Sciences, v. 24, no. 2, p. 697-715 (год публикации - 2020)
10.5194/hess-24-697-2020

17. Мортиков Е.В., Глазунов А.В., Дебольский А.В., Лыкосов В.Н., Зилитинкевич С.С. Modeling of the Dissipation Rate of Turbulent Kinetic Energy Doklady Earth Sciences, v. 489, part 2, p. 1440-1443 (год публикации - 2019)
10.1134/S1028334X19120067

18. Пережогин П. Deterministic and stochastic parameterizations of kinetic energy backscatter in the NEMO ocean model in Double-Gyre configuration IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, v. 386, p. 01225 (год публикации - 2019)
10.1088/1755-1315/386/1/012025

19. Барсков К.В., Чернышев Р.В., Степаненко В.М., Репина И.А., Артамонов А.Ю., Гусева С.П., Гавриков А.В. Experimental study of heat and momentum exchange between a forest lake and the atmosphere in winter IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 96 (год публикации - 2017)
10.1088/1755-1315/96/1/012003

20. Степаненко В.М. Параметризация сейш для одномерной модели водоёма ТРУДЫ МФТИ - Труды Московского физико-технического института (университета) (год публикации - 2018)

21. Репина И.А. Взаимодействие морской поверхности и катабатического потока во фьордах Шпицбергена Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса (год публикации - 2018)

22. Барсков К.В., Глазунов А.В., Репина И.А., Степаненко В.М., Лыкосов В.Н., Маммарелла И. О применимости теории подобия для устойчиво-старатифицированного атмосферного пограничного слоя над поверхностями сложной структуры Известия РАН. Физика атмосферы и океана (год публикации - 2018)

23. Глазунов А.В., Мортиков Е.В., Лыкосов В.Н. Суперкомпьютерные технологии математического моделирования геофизической турбулентности Труды Международной конференции по вычислительной и прикладной математике "ВПМ’17" в рамках "Марчуковских научных чтений", Новосибирск, 25 июня – 14 июля 2017 г., [Электрон. ресурс]. http://conf.nsc.ru/cam17/ru/proceedings. Стр. 197-203. (год публикации - 2017)

24. Богомолов В.Ю., Степаненко В.М. Сравнение турбулентных замыканий в одномерной модели водоема ТРУДЫ МФТИ - Труды Московского физико-технического института (университета) (год публикации - 2017)

Публикации