Развитие параметризаций взаимодействия атмосферы с неоднородными ландшафтами для моделей Земной системы по данным измерений и вихреразрешающего моделирования

Важным направлением дальнейшего развития моделей Земной системы является разработка многомасштабных моделирующих систем, одним из критериев качества которых может служить их способность воспроизводить сложную картину атмосферных движений над реальной подстилающей поверхностью. Но учет поверхностных неоднородностей различного масштаба до сих пор является лишь частично решенной задачей. Основная научная проблема, на решение которой направлен данный проект: оценка применимости параметризаций, используемых в моделях Земной системы, для расчета потоков над поверхностями с различными типами неоднородности и усовершенствование представлений процессов взаимодействия атмосферы и подстилающей поверхности в моделях. Основное внимание предполагается уделить теоретическому и экспериментальному исследованию следующих процессов: 1) Турбулентный обмен над термически-неоднородной поверхностью 2) Трансформация характеристик атмосферного пограничного слоя и морского волнения в прибрежной зоне 3) Динамика атмосферного пограничного слоя над городской поверхностью. Отличительной особенностью проекта является синтез подходов, основанных на экспериментальных измерениях, численном моделирования атмосферных процессов и теоретических обобщениях. В качестве источника экспериментальных данных будет использована ранее организованная участниками проекта уникальная сеть обсерваторий: Геофизическая обсерватория ИМКЭС СО РАН, Метеорологическая обсерватория МГУ имени М.В. Ломоносова, измерительный комплекс на базе Звенигородской научной станции ИФА им. А.М. Обухова, прибрежный комплекс на полигоне БФУ им. Канта в пос. Пионерский Калининградской обл. Также будут использованы методы микромасштабного моделирования атмосферных процессов, позволяющие воспроизводить структуру турбулентных течений при явном задании таких элементов неоднородности (здания, деревья, участки различной температуры и пр.) и разработанные ранее подходы к модификации теории подобия Монина-Обухова для неоднородных ландшафтов. Для решения задач микромасштабного моделирования в проекте будет использоваться численная DNS/LES/RANS модель, разрабатываемая в НИВЦ МГУ и ИВМ РАН. Модель позволяет проводить расчеты с различной степенью детализации описания турбулентных течений. Данная вычислительная технология позволяет унифицировать постановку численных экспериментов, упростить сопоставление результатов расчетов, отделить ошибки параметризаций подсеточных процессов и замыканий от погрешностей, связанных с дискретизацией систем уравнений. Решение поставленной проблемы будет иметь приложения во многих задачах, включая прогнозирование опасных погодных явлений, ветрового климата городских, горных и прибрежных территорий, ветроэнергетику, распространения загрязнений и решения задач городского и сельскохозяйственного планирования. 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 Земной системы. Практическим результатом выполнения проекта будет новый научный инструментарий для моделирования и прогнозирования состояния атмосферы, деятельного слоя суши и водоёмов. Разработанные в рамках проекта параметризации будут тестироваться в модели деятельного слоя суши ИВМ РАН – НИВЦ МГУ и будут рекомендованы для использования в моделях погоды и климата, и будут рекомендованы для использования в моделях погоды и климата, что в перспективе позволит улучшить качество прогнозов. Сочетание традиционных и новаторских методов исследования, натурных наблюдений и численного моделирования позволит получить новые и более полные научные результаты и существенно продвинуться в решении задач проекта, относительно текущего состояния исследований по данной тематике в мире.