Создание вычислительной технологии для исследования геофизических пограничных слоев и их параметризации в моделях атмосферы, океана и внутренних водоемов.

Настоящий проект посвящен совершенствованию описания геофизических пограничных слоев в современных моделях прогноза погоды и климата. На сегодняшний день представляется, что описание турбулентных процессов в моделях атмосферы, океана и внутренних водоемов является недостаточно точным, а применимость ряда параметризаций требует более тщательного изучения, в особенности, при увеличении сеточного разрешения в глобальных моделях (Beare, 2013; Wyngaard, 2004). К наиболее значимым проблемам, которые будут рассматриваться в ходе выполнения проекта, можно, в частности, отнести необходимость уточнения описания пограничных слоев при сильно устойчивой стратификации (Holtslag et al., 2013), воспроизведения нестационарной динамики и суточного хода (Svensson et al., 2011), параметризации пространственной неоднородности в моделях пограничных слоев (Giorgi and Avissar, 1997), оценку точности воспроизведения сезонной динамики внутренних водоемов в рамках одномерных (по вертикали) приближений. Оценка качества моделей пограничных слоев, являющихся одним из основных элементов в моделях прогноза погоды и климата, обычно проводится с помощью двух подходов: индивидуально – каждой из групп разработчиков глобальных моделей путем сравнения результатов крупномасштабного моделирования с данными наблюдений; коллективно – в рамках международных экспериментов по сравнению и калибровки моделей пограничных слоев, выделенных из кода глобальных моделей. Оба подхода обладают рядом недостатков, не позволяющим отличить неверную или недостаточно точную работу турбулентных замыканий от вторичных погрешностей описания крупномасштабной динамики и/или ошибок аппроксимации численных схем. Результатом ложной интерпретации ошибок могут быть чрезмерное усложнение замыканий и эмпирический подбор их коэффициентов, не обоснованный физикой параметризуемых процессов. С точки зрения авторов проекта, существует объективная необходимость разработки новой вычислительной технологии, ориентированной на проверку существующих и разработку новых одномерных моделей турбулентности. Эта вычислительная технология должна обладать следующими свойствами: простота и универсальность реализации наиболее распространенных моделей и замыканий; возможность объективной оценки численных эффектов и их отделения от ошибок математических моделей в их дифференциальной постановке; возможность простого сравнения результатов моделирования с надежными данными натурных измерений и с результатами расчетов турбулентных течений трехмерными нестационарными моделями высокого пространственного разрешения; возможность расширения набора турбулентных замыканий и баз данных для сравнения как разработчиками технологии, так и ее сторонними пользователями. По мнению авторов, предлагаемая технология существенно ускорит разработку новых моделей, упростит постановку и решение новых исследовательских задач о динамике пограничных слоев, а также, будет востребована сообществом разработчиков глобальных океанских и атмосферных моделей для независимой проверки процедур турбулентного переноса.