Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Задача 1. Подготовлены в стандартизованном формате обработанные данные измерений характеристик энергообмена подстилающей поверхности с атмосферой для экспериментальных площадок Проекта – метеорологической обсерватории МГУ имени М.В. Ломоносова в Москве, пунктов наблюдений сети Tomskfluxnet в Томске, а также полигонов ИФА КАН в Пекине и его пригороде Сяньхе. Данные с российских экспериментальных площадок размещены в открытом доступе в репозитории на платформе GitHub (https://github.com/mvarentsov/UrbanFluxesNE.git). Для всех экспериментальных площадок показано, что потоки явного тепла и импульса, а также значения коэффициента обмена для городских точек измерений существенно (в разы летом, на порядки зимой) превышают фоновые значения при осреднении за месяц и более. Показана существенная внутригородская изменчивость характеристик турбулентного энергообмена. Аналогичные результаты получилены и по данным для Пекина – в городе по сравнению с пригородом наблюдались большие потоки явного тепла и импульса, меньшие потоки скрытого тепла. Задача 2. В вихреразрешающей модели НИВЦ МГУ реализована возможность расчета третьих и четвертых моментов над термически неоднородной поверхностью. Результаты численных экспериментов с вихреразрешающей моделью показывают, что для случая однородной поверхности связь третьих и вторых моментов подтверждается как для развитого конвективного пограничного слоя, так и для периода “быстрого затухания” в вечернем переходном периоде, и постоянство константы пропорциональности наблюдается практически во всем перемешанном слое. Для случаев с неоднородной поверхностью, значения данных констант слабо отличаются в большей части перемешанного слоя, но значительно меняются в приземном слое, причем изменения увеличиваются с приближением размера неоднородности к масштабу высоты КПС. Задача 3. Разработана конфигурация вихреразрешающей (LES, Large-Eddy Simulation) модели для воспроизведения внутрисуточной динамики над термически неоднородной поверхностью. Конфигурация LES модели поддерживает задание начальных условий и атмосферного форсинга по данным реанализа и мезомасштабного моделирования, в частности, геострофического ветра, тенденций, описывающих горизонтальную адвекцию и крупномасштабное оседание для скалярных величин и поля скорости. Проведены тестовые численные эксперименты по воспроизведению конвективного пограничного слоя и суточного хода над термически неоднородной поверхностью и сравнение в распределениях скорости ветра, температуры, потоков импульса и тепла с однородным случаем. Максимальная высота КПС в экспериментах согласуется с оценками характерного отношения высоты пограничного слоя к наибольшему масштабу неоднородности поверхности (100 метров) для проведенных измерительных кампаний. Для случая неоднородной поверхности значительно выше развивается дневной КПС, что приводит к фазовому сдвигу инерционных колебаний скорости ветра относительно геострофической над пограничным слоем (более низкий пограничный слой приводит к отрицательной аномалии вместо положительной). Задача 4. В рамках проекта были проведены LES расчеты для идеализированных и реалистичных конфигураций городской застройки. В постановках с идеализированной застройкой задавался постоянный внешний градиент давления для периодической области в условиях нейтральной стратификации. В расчетах наблюдается подобие в оценках распределения скорости ветра и кинетической энергии турбулентности для разных конфигураций застройки в рамках одного типа поверхности. Наибольшие отличия наблюдается для дисперсии продольной компоненты скорости внутри городского полога. В численных экспериментах с реалистичной застройкой совместные функции распределения, рассчитанные по данным измерений и моделирования, показывают качественное согласие модели и эксперимента. Задача 5. Проведен анализ турбулентных потоков тепла для нескольких точек в Балтийском море (платформа Д-6, станции Аркона и Дарский порог) с применением различных методов расчета. На основе гармонического анализа рядов потоков тепла получены оценки доли сезонной и синоптической изменчивости, оценки амплитуды и фазы регулярного суточного хода, а также оценки параметров гармоники годового хода. Анализ измерений, проведенных на морском побережье при переходе воздушного потока с берега на морскую поверхность и наоборот, показал, что его коэффициент сопротивления и суточная изменчивость зависят от направления ветра и характеристик подстилающей поверхности. При ветре со стороны моря структура внутреннего пограничного слоя в прибрежной зоне резко изменялась над береговой линией. Данные использовались для верификации вихреразрешающей модели. Поле напряжения ветра (потока импульса), рассчитанное для реально заданного рельефа, показывает изменчивость поля потока при переходе с моря на берег и возникновение мезомасштабных вихревых циркуляций. Задача 6. Для расчета параметров ветрового волнения в Балтийском море была использована и модифицирована спектральная волновая модель третьего поколения WAVEWATCH III (WW3) версии 6.07. Проанализированы 2 случая сильного ветра: На основе этих ситуаций анализировались ветро-волновые условия при ветре с моря и ветре с берега. На основе данных ультразвукового волнографа, расположенного на платформе Д-6 выполнена валидация волновой модели с форсингом из реанализа NCEP/CFSv2 за январь 2024 года. Коэффициент корреляции составляет 0.82, систематическая ошибка -0.14 м, среднеквадратическое отклонение. В модели присутствует небольшое систематическое занижение, что указывает на необходимость усвоения данных измерений скорости ветра для улучшения качества моделирования. В рамках решения задачи статистическому моделированию эффекта городского острова показана важность использования в качестве предикторов дополнительных признаков, порождаемых путем агрегирования свойств поверхности с использованием динамических направленных сверточных фильтров, конфигурация которых определяется скоростью и направлением ветра. Использование таких фильтров значительно улучшает качество статистической модели, позволяет воспроизводить в рамках нее так называемые тепловые шлейфы, а также говорить о применимости концепции футпринта на мезомасштабе. Впервые на русском языке составлен детальный обзор моделей и концепций для расчета футпринта (области формирования потока) над неоднородной поверхностью. Дана оценка современного состояния моделирования футпринта, а также представлен список проблем и предложений развития существующих методов. Подготовлено руководство по выбору модели футпринта.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Продолжена работа по сбору и систематизации данных мониторинга турбулентного обмена для городских ландшафтов Северной Евразии. Существующая база данных, включающая информацию с мачт МГУ, сети TomskFluxNet и пекинских станций, была существенно расширена. В неё интегрированы обработанные ряды пульсационных измерений с фоновой Звенигородской научной станции и Калининградской метеорологической мачты БФУ. Для обеспечения качества данных разработан и опубликован двухэтапный алгоритм контроля, основанный на проверке допустимых диапазонов и статистической фильтрации выбросов с использованием адаптивных скользящих окон. Параллельно выполнена детальная характеристика подстилающей поверхности: на основе глобальной базы Overture Maps рассчитаны ключевые морфометрические параметры застройки (доля застройки, высота зданий, ширина каньонов), а для восстановления отсутствующих высот зданий создана и применена модель машинного обучения CatBoost. Анализ обновлённых данных подтвердил значительные различия в режиме энергообмена между городскими и фоновыми точками, проявляющиеся в повышенных потоках тепла и коэффициентах обмена в урбанизированных районах Москвы и Томска. 2. Проведено тестирование автономной конфигурации однослойной модели городского полога TEB на данных измерений в Томске и Пекине. Модель, форсируемая данными реанализа ERA5 и настроенная по классам локальных климатических зон, в целом воспроизводит суточную динамику потоков явного и скрытого тепла. При этом выявлено систематическое завышение ночных потоков явного тепла, особенно при активации модели теплового баланса зданий (BEM). Включение параметризации городской растительности улучшает моделирование потока скрытого тепла. Полученные результаты указывают на необходимость уточнения параметризаций турбулентного обмена в условиях городской застройки. 3. Создана уникальная база данных для изучения взаимодействия термически неоднородной поверхности Арктики с атмосферным пограничным слоем. Она включает 1156 высокодетальных термоснимков с БПЛА и синхронные профили метеопараметров, полученные на полигонах: болото «Мухрино», полигональная тундра (о. Самойловский), лесотундра (п. Черский) и горная тундра (Полярный Урал). Данные фиксируют суточный и сезонный ход температурных полей. Усовершенствован алгоритм обработки термоснимков. Проведённое вихреразрешающее моделирование (LES) показало, что влияние пространственной термической неоднородности на динамику пограничного слоя максимально в условиях свободной конвекции (слабый ветер) и существенно ослабевает с увеличением скорости геострофического ветра. 4. Выполнен обзор и практические работы по усовершенствованию параметризаций для городских моделей. На основе LES-моделирования создана и проанализирована база данных метеорологических полей для 21 конфигурации городской застройки, охватывающей идеализированные и реалистичные варианты трёх классов локальных климатических зон. Установлено, что для рандомизированных (реалистичных) конфигураций осреднённые характеристики потока определяются крупномасштабными параметрами класса ЛКЗ, что методологически обосновывает использование данной классификации в мезомасштабных моделях. 5. На основе данных 57-метровой мачты в Калининграде проведён анализ структуры приземного слоя в прибрежной зоне. Показано, что потоково-градиентный метод на основе теории Монина-Обухова даёт значительные ошибки в условиях неоднородной береговой линии; для достоверной оценки потоков рекомендуется метод турбулентных пульсаций. Выявлены чёткие различия статистик турбулентности и коэффициента сопротивления между морскими и береговыми ветрами. Разработана и протестирована вычислительная схема для вихреразрешающего моделирования прибрежной зоны, позволяющая изучать внутренние пограничные слои. Первые тесты подтвердили работоспособность схемы и визуализировали формирование внутреннего конвективного слоя. Было визуализировано формирование внутреннего конвективного пограничного слоя при переходе воздушной массы на сушу и чёткое выделение береговой линии в поле поверхностного потока импульса. 6. Для акватории Балтийского моря выполнено моделирование ветрового волнения с помощью спектральной модели WAVEWATCH III. Валидация результатов по спутниковым данным показала высокое качество (коэффициент корреляции 0.94). Проведён эксперимент по усвоению данных мачты в модель атмосферы WRF, что существенно улучшило воспроизведение поля ветра. Использование этого уточнённого ветра в волновой модели позволило получить наиболее точные оценки высоты волн по сравнению с использованием данных реанализа. 7. Разработана методика оценки футпринта для концентрации скаляра. В результате серии численных экспериментов со стохастической моделью была установлена связь между функциями кумулятивного вклада, интегрированными поперек воздушного потока, для концентрации и для вертикального потока концентрации. В рамках прикладных задач для измерительного комплекса на о. Самойловский проводилась оценка области футпринта. Предварительные расчёты с учётом реальной топографии показали, что обрывистые берега острова и близлежащие термокарстовые озёра создают значительные возмущения потока. Вследствие этого лишь около 70% сигнала при некоторых направлениях ветра формируется непосредственно поверхностью острова. 8. Предложена модификация теории подобия Монина-Обухова для неоднородной поверхности. Разработан алгоритм, который для участка заданного типа внутри мозаичного ландшафта учитывает не только его локальные параметры, но и фоновую (осреднённую по ландшафту) стратификацию. Тестовые расчёты для арктических условий показали, что такое учёт может существенно менять оценку коэффициентов обмена, в отличие от стандартного "мозаичного" подхода, где каждый участок рассчитывается изолированно. Алгоритм подготовлен для возможной интеграции в параметризации приземного слоя численных моделей погоды и климата. Были разработаны следующие ресурсы: https://github.com/mvarentsov/pyUrbanFluxes