Разработка методов параметризации потоков импульса, тепла и влаги у поверхности океана

Объектом исследования является взаимодействие атмосферы и океана на различных масштабах.Цель НИР – разработка параметризаций обменных процессов в системе океан-атмосфера для региональных и климатических моделей и исследование закономерностей взаимодействия при различных фоновых условиях. Цель этапа 2017 года – мезомасштабное моделирование атмосферных процессов в прибрежных зонах и прогнозирование опасных атмосферных явлений в прибрежной зоне и в Арктике.Основным методом исследования является использование данных специализированных морских и прибрежных экспериментов, аналитических и мезомасштбных моделей, а также спутниковых данных для всестороннего анализа процессов обмена в системе океан-атмосфера.Основными результатами проекта за все этапы были следующие: По этапу 2013 года: Проведен анализ существующих методов расчета характеристик турбулентного энергообмена атмосферы и морской поверхности. Особое внимание уделено энергообмену при штормовых и слабых ветрах. Установлена зависимость коэффициентов обмена и параметра шероховатости от стратификации. Экспериментально подтверждено уменьшение коэффициента сопротивления при сильных ветрах. На основании теории двухфазного потока предложен механизм объяснения этого явления. По этапу 2014 года: На основании сравнения данных натурных экспериментов, спутниковой информации и реанализов исследованы причины занижения значений турбулентных потоков тепла в Арктике современными реанализами. Полученные расхождения связаны с температурной и структурной неоднородностью поверхности и развитием пространственно-организованных полей конвекции. Предложена простая аналитическая модель, описывающая скорость ветра, осредненную по высоте Атмосферного пограничного слоя (АПС), как функцию расстояния от кромки льда во время холодных вторжений в Арктике. По этапу 2015 года: На основании данных прибрежных экспериментов и аналитического моделирования разработаны параметризации для расчета потоков импульса, тепла и влаги при береговых ветрах. Проанализирована турбулентная структура катабатического потока над ледниковым склоном. Получены зависимости коэффициента аэродинамического сопротивления и параметра шероховатости ледовой поверхности от формы, геометрических размеров и расположения на ней различных неровностей и от состояния снежного покрова и стратификации приземного воздуха. Построена теоретическая модель движения воздушного потока над всторошенным полем и получено расчетное значение коэффициентов обмена над торосами. Получены результаты моделирования динамики атмосферного пограничного слоя над неоднородными поверхностями и при холодных вторжениях с использованием трехмерной негидростатической модели и региональной атмосферной модели. Обнаружено явления усиления скорости ветра над морем при холодных вторжениях. Получены результаты исследования вариаций концентрации сажевого и субмикронного аэрозоля в приводном слое атмосферы и процессов переноса над океаном.По этапу 2016 года: Сформулирована аналитическая модель роста и прогрева конвективного пограничного слоя во время холодных вторжений над океаном в Арктике. Проведено сравнение результатов модели с самолетными наблюдениями для шести случаев холодных вторжений в Арктике. С использованием спутниковых данных в различных спектральных диапазонах проведена оценка качества воспроизведения структуры и динамики полярных мезоциклонов современными реанализами и региональными климатическими моделями. Получены результаты анализа сезонных и долговременных изменений в процессах переноса воздушных масс и антропогенных примесей на поверхность арктических морей России с 1986 г.По этапу 2017 года: Были получены результаты исследования наиболее сильных подветренных прибрежных бурь в различных регионах России, а именно новороссийской, новоземельской боры и певекского южака, на основе данных наблюдений и результатов мезомасштабного моделирования с помощью модели WRF-ARW. Для новороссийской боры обнаружено значительное количество случаев, когда изменение интенсивности явления не воспроизводится волновой моделью. С помощью одномерной модели пограничного слоя атмосферы, совмещенной с моделью морского льда, воспроизведено выхолаживание пограничного слоя и поверхности морского льда при ясном небе в холодное время года в Арктике. Показано, что разводья существенно влияют на термический режим надо льдом. Также установлено, что годовой атмосферный поток антропогенных тяжелых металлов на поверхность Российских арктических морей сравним с вкладом крупнейших впадающих рек и должен учитываться при изучении состава морских вод, льдов, живых организмов и растений, донных осадков этих морей и природных объектов прибрежных территорий.Важнейшим результатом по проекту в целом является разработка аппарата для усовершенствования региональных климатических и прогностических моделей и прогноза опасных погодных явлений в прибрежных зонах и в Арктике.