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 18-77-10072

НазваниеДинамика атмосферного пограничного слоя над морским льдом в Арктике

РуководительЧечин Дмитрий Геннадьевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2018 - 06.2021  , продлен на 07.2021 - 06.2023. Карточка проекта продления (ссылка)

Конкурс№30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

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

Ключевые словаатмосферный пограничный слой, климат Арктики, параметризация турбулентного энергообмена атмосферы и океана, морской лед

Код ГРНТИ37.21.35

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В последние два десятилетия наблюдается стремительное сокращение ледяного покрова в Арктике, а также увеличение приземной температуры воздуха. Изменения климата в Арктике, во-первых, влияют на погоду и климат средних широт, в том числе на повторяемость экстремальных явлений, а во-вторых, создают перспективы активного хозяйственного освоения региона, что включает развитие навигации вдоль Северного Морского Пути, добычу полезных ископаемых. В связи с этим, оценки будущих изменений климата, а также прогноз погоды в Арктике имеют важнейшее значений. Основным инструментом как построения климатических проекций, так и оперативного прогноза погоды является численное моделирование. Проект имеет своей конечной целью развитие численных моделей атмосферы и понимание ключевых процессов в климатической системе Арктики. Решение задач проекта приведет к уменьшению неопределенности оценок изменений климата и повысит точность прогноза погоды в Арктике, сделает численные модели более надежными инструментами исследования климатических и физических процессов в Арктике. Конкретные задачи проекта следующие: 1. Количественная оценка роли различных факторов влияющих на динамику атмосферного пограничного слоя и термический режим над Морским льдом в Арктике, исследование особенностей энергообмена атмосферы, морского льда и океана в Арктике. 2. Получение аналитических и эмпирических зависимостей температуры воздуха и поверхности морского льда, а также стратификации в пограничном слое от таких факторов как: скорость ветра, сплоченность морского льда, балл облачности, адвекция тепла и влаги. 3. Выявление недостатков и развитие параметризаций турбулентного обмена над морским льдом в Арктике. 4. Создание измерительного комплекса на базе беспилотного летательного аппарата для измерений турбулентных пульсаций компонент скорости ветра и температуры воздуха в пограничном слое в Арктике. Решение задач будет опираться на анализ данных наблюдений, аналитическое и численное моделирование, а также разработку новых измерительных средств. Методы и подходы к решению задач: 1. Статистический анализ больших массивов наблюдений на дрейфующих станциях «Северный Полюс-35,37,38,39» (СП), действовавших в период с 2007 по 2012 гг. Корреляционный анализ связи температуры воздуха и разности температур между воздухом и поверхностью и балла облачности, скорости ветра, баланса длинноволновой радиации, адвекции тепла и влаги. Также будут привлечены данные аэростатного, микроволнового и радиозондирования. 2. Разработка аналитической совместной модели атмосферного пограничного слоя и морского льда, описывающей эволюцию атмосферного пограничного слоя при выхолаживании при ясном небе; верификация и уточнение аналитической модели на основе сравнения решений с результатами численного моделирования и данными наблюдений 3. Использование пульсационных измерений, полученных с помощью акустического анемометра, работавшего на станции «СП-39» для оценки адекватности широко используемых в численных моделях атмосферы универсальных функций устойчивости и параметризаций параметра шероховатости; 4. Численное моделирование наблюдавшихся случаев выхолаживания при ясном небе и случаев со сплошным облачным покровом над морским льдом в период полярной ночи с помощью региональной численной модели атмосферы WRF; оценка членов уравнения притока тепла в пограничном слое и уравнения теплового баланса на поверхности; использование данных аэростатного зондирования и самолетных наблюдений для оценки адекватности параметризаций турбулентного обмена. 5. Использование разрабатываемого измерительного комплекса на базе беспилотного летательного аппарата для измерений турбулентных пульсаций в пограничном слое в Арктике и применение данных наблюдений для разработки параметризаций турбулентного обмена. Осуществимость решения задач проекта основана на использовании больших массивов уникальных данных наблюдений в Артике, которые отличаются высоким пространственно-временным разрешением, особенно в пограничном слое, которое ранее было не доступно при использовании стандартных метеонаблюдений и данных радиозондирования. Более того, в исследовании в дополнение к анализу данных наблюдений будет использовано сочетание аналитического и численного моделирования. Такой комплексный подход обеспечивает получение принципиально новых результатов. Научная новизна исследование связана с постановкой задач, ранее практически не решавшихся, таких как исследование влияния разводий на термический режим в пограничном слое, а также систематическое исследование влияния скорости ветра на термический режим. Кроме того, исследование будет опираться на разрабатываемую новую аналитическую модель, которая будет представлена впервые. Также, исследование предусматривает создание комплекса для измерения турбулентных пульсаций на базе беспилотного летательного аппарата, который имеет лишь немного аналогов в мире и позволит получать данные наблюдений с невозможной ранее пространственной детальностью, необходимой для развития параметризаций турбулентного обмена, в особенности над неоднородной подстилающей поверхностью.

Ожидаемые результаты
Ожидаемые результаты: 1. По результатам наблюдений на дрейфующих станциях «Северный Полюс» будет сделана количественная эмпирическая оценка влияния балла облачности и скорости ветра на температуру воздуха и поверхности морского льда в зимний период. С привлечением данных атмосферных реанализов будут выделены характерные синоптические ситуации, которые обуславливают наиболее теплые и холодные эпизоды на станциях «СП», эпизоды со сплошной облачностью и ее отсутствием, а также эпизоды с высокой и низкой скоростью ветра. 2. Будет предложена новая аналитическая модель, описывающая термический режим в системе морской лед — пограничный слой атмосферы во время выхолаживания при ясном небе во время полярной ночи. В частности, модель будет описывать влияние скорости ветра и разводий на приземную температуру воздуха и стратификацию в приземном слое. Будет проведено сравнение аналитических решений с результатами численной одномерной модели атмосферы и морского льда, а также с результатами наблюдений на дрейфующих станциях «Северный Полюс». 3. Оценка характеристик вертикальных профилей температуры в нижних слоях тропосферы (до высоты 1 км) в районе станций «Северный Полюс», и в частности, таких параметров инверсий температуры, как сила, толщина и высота слоя инверсии по данным аэростатного зондирования в пограничном слое и результатам моделирования с помощью региональной модели атмосферы WRF. Оценка влияния на характеристики инверсии таких факторов как: интенсивность турбулентного перемешивания, радиационные притоки тепла, наличие/отсутствие облачности, крупномасштабная адвекция тепла и влаги. 4. Оценка качества воспроизведения вертикальных профилей температуры и скорости ветра и оценка чувствительности результатов моделирования к параметризациям турбулентного обмена, а также задаваемым в модели параметрам подстилающей поверхности, таких как параметр шероховатости, сплоченность морского льда. Выявление оптимальных параметризаций турбулентного обмена и параметров поверхности морского льда, использование которых в модели ведет к наилучшему согласию результатов моделирования с данными наблюдений. 5. Расчет турбулентных потоков тепла и импульса методом турбулентных ковариаций по измерениям с помощью акустического анемометра на станции «Северный Полюс 39», сравнение с расчетами согласно теории подобия Монина-Обухова, оценки предложенных в литературе универсальных функций устойчивости и параметризаций параметра шероховатости; выводы о наиболее оптимальной параметризации турбулентного обмена для условий, наблюдавшихся на станции «Северный Полюс 39». 6. Создание измерительного комплекса на базе беспилотного летательного аппарата (БПЛА) для проведения высокочастотных измерений ( с частотой до 100 Гц) пульсаций трех компонент скорости ветра и температуры воздуха в Арктике, а также независимых низкочастотных измерений (с частотой менее 1 Гц) температуры и влажности воздуха, его тестирование, сравнение наблюдений с измерениями акустического анемометра. Результаты исследования, касающиеся оценки роли различных факторов в формировании термического режима над морским льдом, существенно дополнят результаты опубликованные ранее. Это касается прежде всего оценки зависимости температуры воздуха и, в особенности, стратификации в пограничном слое от скорости ветра и концентрации морского льда. Впервые будет представлена аналитическая модель, описывающая эволюцию температуры воздуха над морским льдом во время выхолаживания при ясном небе и учитывающая много различных факторов: влияние стратификации на коэффициент турбулентного обмена теплом, скорости ветра и концентрации морского льда. Исследование формирования приземных инверсий над морским льдом впервые будет опираться на детальные данные аэростатного зондирования и результаты численного моделирования с использованием различных параметризаций турбулентного обмена. Измерительный комплекс на базе БПЛА имеет всего несколько мировых аналогов. Можно выделить следующие направления использования результатов исследования: 1. Установленные аналитические и эмпирические зависимости температуры воздуха и стратификации от различных факторов могут быть использованы для диагностики адекватности численных моделей атмосферы, атмосферных реанализов. В основе такой диагностики будет находится вопрос: воспроизводят ли модели установленные зависимости, а если нет, то почему? 2. Будут рекомендованы к использованию в численных моделях атмосферы определенные параметризации турбулентного обмена над морским льдом в Арктике, а также указаны недостатки существующих параметризаций; кроме того, будет рекомендовано необходимое для адвекватого воспроизведение динамики атмосферного пограничного слоя вертикальное разрешение. 3. Разрабатываемый измерительный комплекс на базе БПЛА может быть использован в любых других исследования атмосферного пограничного слоя и атмосферной турбулентности, а также в задачах мониторинга состояния атмосферы.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В ходе работ по проекту были обработаны сырые ряды наблюдений на дрейфующих станциях «Северный Полюс — 35-40» за период с 2007 по 2013 гг. Наблюдения на этих станциях представляют собой уникальный массив данных, который отличается от наблюдений на советских станциях «Северный Полюс» лучшим качеством данных, более высокой временной дискретностью и большим количеством уровней наблюдений. Это позволило получить лучшее представление о процессах в атмосферном пограничном слое и о зависимости термического режима надо льдом от различных факторов. В частности, наблюдения показали что балл облачности, а также скорость ветра являются важнейшими факторами влияющими на температуру воздуха и температуру поверхности льда, а также стратификацию в приземном слое. Показано, что на многих станциях во время полярной ночи примерно в половине случаев наблюдается сплошная облачность и в половине случаев ясное небо. Для случаев ясного неба характерные гораздо более низкие температуры, чем при сплошной облачности, и сильная зависимость температуры воздуха от скорости ветра. Для выявления физических механизмов, определяющих эти зависимости, была сформулирована новая аналитическая совместная модель выхолаживания атмосферного пограничного слоя и морского льда при ясном небе, а также развита одномерная численная модель атмосферы и морского льда. С численной моделью было проведено свыше тысячи численных экспериментов в широкой области параметров. Аналитическое и численное моделирование позволило впервые описать ряд процессов в совместной системе пограничного слоя и морского льда, которые нашли отражение в наблюдениях на дрейфующих станциях. В частности, мы показали что даже небольшое увеличение площади разводий (узких разломов и трещин в поле льда) приводит существенному увеличению температуры воздуха. Также удалось показать, что нагрев атмосферы над разводьями приводит к более устойчивой стратификации надо льдом и ослаблению турбулентного энергообмена надо льдом. Таким образом, наличие разводий вносит вклад в существование двух режимов устойчивости надо льдом: слабой устойчивости при сильном ветре и сильной устойчивости при слабом ветре. Эти два контрастных режима существуют также и в данных наблюдений. Современные численные модели атмосферы и климатической системы должны адекватно воспроизводить существование этих режимов. Однако, мы показали, что переход от одного режима к другому существенно зависит от параметризаций турбулентного обмена и значений многих других параметров, используемых в численных моделях. Воспользовавшись одной из лучших современных моделей атмосферы WRF, мы показали, что результаты моделирования чувствительны к выбору параметризаций турбулентного обмена, и что использование простых параметризаций может приводить к лучшим результатам, нежели более сложных. Таким образом, наши результаты позволяют сделать вывод, что для того, чтобы объяснить сильное потепление, наблюдающееся в Арктике в последние десятилетия, необходимо помимо прочих факторов учитывать повторяемость ясных и облачных дней, а также долю площади, занятую разводьями. Кроме того, мы показали, что изменчивость скорости ветра в существенной мере влияет на изменчивость температуры и может маскировать климатический сигнал. Несмотря на достигнутые успехи в понимании процессов взаимодействия атмосферы и морского льда в Арктике и использование уникальных данных наблюдений на дрейфующих станциях, необходимы дальнейшие и более детальные наблюдения структуры атмосферного пограничного слоя и характеристик турбулентного обмена надо льдом. Для этих целей создан проект измерительного комплекса на базе беспилотного летательного аппарата, способный проводить измерения турбулентных пульсаций ветра и температуры. В дальнейшем в ходе проекта планируется завершить создание комплекса и провести измерения в пограничном слое над морским льдом в Арктике.

 

Публикации

1. Махотина И.А., Макштас А.П., Чечин Д.Г. Meteorological winter conditons in the Central Arctic according to the drifting stations "North Pole 35-40" IOP Conference Series: Earth and Environmental Sciences, - (год публикации - 2018)

2. Чечин Д.Г., Махотина И.А., Люпкес К., Макштас А.П. Effect of wind speed and leads on clear-sky cooling over Arctic sea ice during polar night Journal of Atmospheric Sciences, - (год публикации - 2019)

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
На основе обработки и анализа наблюдений на четырех российских дрейфующих станциях «Северный Полюс» получен уникальный массив наблюдений составляющих теплового баланса поверхности морского льда. Его анализ выявил новые закономерности, определяющие изменчивость составляющих теплового баланса, а значит и особенностей взаимодействия атмосферы и морского льда, в частности, недооцененную ранее роль скорости ветра и важную роль балла облачности. Для объяснения этих зависимостей сформулирована и применена иерархия оригинальных аналитических моделей атмосферного пограничного слоя надо льдом, описывающих термический режим надо льдом. Модели также продемонстрировали, что уменьшение сплоченности морского льда приводит к интенсификации энергообмена атмосферы и морского льда. На основе сравнения модельных расчетов с наблюдениями на дрейфующих станциях, а также сбрасываемых с самолета зондов рекомендован набор параметризаций турбулентного обмена в приземном и пограничном слоях для применения в численных моделях прогноза погоды и климата для повышения адекватности воспроизведения атмосферного пограничного слоя в Арктике. На основе анализа самолетных наблюдений впервые получены детальные данные о турбулентной структуре пограничного слоя надо льдом при наличии в нем слоисто-кучевой облачности, что поможет лучше понять роль слоисто-кучевой облачности во взаимодействии атмосферы и морского льда в Арктике. В ходе создания измерительного комплекса на базе беспилотного летательного аппарата для исследования турбулентности в пограничном слое разработаны и созданы уникальные миниатюрные датчики скорости воздушного потока и температуры воздуха, которые обладают малыми габаритами и весом и могут быть использованы на легких беспилотниках. Разрабатываемый измерительный комплекс не имеет аналогов в России и позволит с беспрецедентным пространственно-временным разрешением получать уникальные данные о турбулентной структуре атмосферного пограничного слоя над различными природными поверхностями, в том числе над морским льдом в Арктике.

 

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Были совершены первые полеты нового беспилотного летательного аппарата (БПЛА) «Цимлянин» с измерительным комплексом на борту и получены первые измерения средних и турбулентных пульсаций трех компонент скорости ветра, температуры и влажности воздуха в атмосферном пограничном слое. Разработанный в ходе проекта измерительный комплекс на базе БПЛА является первым и единственным таким комплексом в России и соответствует современным мировым аналогам. Полеты проводились над степным ландшафтом в районе полевой научной станции Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН в Цимлянске в августе 2020 года и надо льдом и полыньей Ладожского озера при температуре до -17оС в марте 2021 года. Было получено хорошее согласие измерений БПЛА с данными других измерительных комплексов. Таким образом, БПЛА «Цимлянин» и его измерительный комплекс продемонстрировали свою применимость для задач исследования атмосферного пограничного слоя в различных условиях, в том числе наиболее приближенных к Арктическим. Границы применимости теории подобия Монина-Обухова, используемой для описания приземного слоя в большинстве численных моделей атмосферы, были расширены для случаев низких устойчиво-стратифицированных пограничных слоев, которые часто формируются над морским льдом в Арктике. Анализ данных наблюдений с дрейфующей станции и результатов выполненного численного моделирования продемонстрировало адекватность расширенной теории подобия Монина-Обухова. Предложенный подход заключается в переходе к локальному скейлингу и может быть особенно актуален для климатических моделей, так как в них используется более грубое вертикальное разрешение. Использование расширенной теории подобия может улучшить воспроизведение ими приземного слоя и энергообмена атмосферы с морским льдом. Результаты численного моделирования и их сравнения с данными наблюдений на дрейфующих станциях показали, что грубое вертикальное разрешение моделей приводит к ошибкам в воспроизведении характеристик устойчиво-стратифицированного пограничного слоя над морским льдом. Кроме того, выявлены недостатки в воспроизведении в численной модели облачности. Неспособность используемой модели (WRF) воспроизвести наблюдавшиеся эпизоды наличия облачности в период полярной ночи приводит к сильно заниженной температуре воздуха и поверхности морского льда. Сильный отепляющий эффект облачности во время полярной ночи, связанный в большой степени с влиянием облачности на величину встречного длинноволнового излучения атмосферы, был продемонстрирован и оценен количественно на основе обработанных и проанализированных в рамках отчетного этапа данных облакомера, работавшего на дрейфующих станциях СП-37, СП-39 и СП-40. В результате обработки эти данных появился новый более подробный массив данных наблюдений высоты нижней границы и балла облачности, что особенно ценно в период полярной ночи, когда визуальные наблюдения балла облачности могут иметь довольно большую неопределенность. Сильное потепление, наблюдавшееся 30-31 мая 2017 года в западной части Шпицбергена, объяснено феном – явлением повышения температуры на подветренных склонах при натекании воздушного потока на горный хребет. Сделано наиболее детальное на сегодняшний день описание и анализ трехмерной структуры фенового эффекта на Шпицбергене, а также связанных с ним опасных орографических усилений ветра, которое позволило выявить несколько важных и прежде недостаточно изученных особенностей поля ветра и температуры и модификации атмосферного пограничного слоя. Для этого совместно проанализированы данные станционных, судовых и самолетных наблюдений, данные радиозондирования и результаты численного моделирования. Более того, сделана количественная оценка влияния фена на скорость таяния снежного покрова. Эти результаты позволяют предположить, что фены могут играть существенную роль в балансе массы ледников Шпицбергена. На основе анализа самолетных наблюдений в Арктике получены количественные оценки влияния типичной для Арктики слоисто-кучевой облачности на генерацию турбулентности в атмосферном пограничном слое. Показано, что за счет радиационного выхолаживания на верхней границе облачности развивается так называемая «перевернутая конвекция». Показано, что это один из основных процессов генерации турбулентности в пограничных слоях с кучево-слоистой облачностью в Арктике. Для нескольких случаев получены наиболее подробные на сегодняшний день данные наблюдений о вертикальном турбулентном строении пограничного слоя надо льдом при наличии облачности.

 

Публикации

1. Махотина И.А., Чечин Д.Г., Макштас А.П. Радиационный эффект облачности над морским льдом в Арктике во время полярной ночи по данным дрейфующих станций «Северный Полюс»-37, 39, 40. Известия РАН. Физика атмосферы и океана, - (год публикации - 2021)

2. Мысленков С.А., Шестакова А.А., Чечин Д.Г. The impact of sea waves on turbulent heat fluxes in the Barents Sea according to numerical modeling Atmospheric Chemistry and Physics, Т. 21, С. 5575–5595 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.5194/acp-21-5575-2021

3. Репина И.А., Варенцов М.И., Чечин Д.Г., Артамонов А.Ю., Бодунков Н.Е., Калягин М.Ю., Живоглотов Д.Н., Шевченко А.М., Варенцов А.И., Куксова Н.Е., Степаненко В.М., Шестакова А.А. Использование беспилотных летательных аппаратов для исследования атмосферного пограничного слоя Инноватика и экспертиза: научные труды, 2 (30), 20-39 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.35264/1996-2274-2020-2-20-39

4. Чечин Д.Г. On the u⋆ − U Relationship in the Stable Atmospheric Boundary Layer over Arctic Sea Ice Atmosphere, Т. 12, С. 591 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/atmos12050591

5. Чечин Д.Г., Артамонов А.Ю., Бодунков Н.Е., Живоглотов Д.Н., Зайцева Д.В., Калягин М.Ю., Кузнецов Д.Д., Кунашук А.А., Шевченко М.А., Шестакова А.А. Измерение средних значений и турбулентных пульсаций скорости ветра и температуры воздуха в конвективном пограничном слое с помощью беспилотного летательного аппарата Известия РАН. Физика атмосферы и океана, - (год публикации - 2021)

6. Чечин Д.Г., Артамонов А.Ю., Бодунков Н.Е., Калягин М.Ю., Шевченко А.М., Живоглотов Д.Н. Development of an unmanned aerial vehicle to study atmospheric boundary-layer turbulent structure Journal of Physics: Conference Series, - (год публикации - 2021)

7. Шевченко А.М., Афанасьев Л.В., Чечин Д.Г., Шмаков А.С. On-Board Eight-Hole Pressure Probe System to Measure Wind Speed with UAVs AIP Conference Proceedings, - (год публикации - 2021)

8. - РНФ принял участие во Всероссийском фестивале науки, мероприятия которого онлайн посетили 15 миллионов человек Пресс-служба РНФ, - (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
Полученные результаты могут быть использованы для развития технологий численного прогноза погоды и климатического моделирования в Арктике с целью повысить точность прогноза погоды и адекватность оценок климатических изменений. Разработанный беспилотный летательный аппарат и бортовой измерительный комплекс могут быть использованы для оценки скорости и направления ветра, интенсивности атмосферной турбулентности на различных высотах, что требуется в различных сферах хозяйственной, производственной и проектной деятельности, а также могут применяться для различных задач гидрометеорологического мониторинга.