Вихревые структуры и турбулентность в атмосферном пограничном слое: теоретические подходы, натурные эксперименты и численное моделирование

Современные климатические изменения ведут к изменениям общей картины атмосферной циркуляции, усилению интенсивности и увеличению частоты экстремальных погодных явлений. В сочетании с развитием мегаполисов в центральных регионах РФ возрастает высокая уязвимость нашего общества к опасным явлениям погоды и предъявляет повышенные требования к системам атмосферного моделирования. Эффективное противодействие подобным угрозам необходимо для повышения комфортности и безопасности общества, экономики и государства, и для обеспечения устойчивого развития страны в целом. Увеличение мощности вычислительных ресурсов тем не менее не ведет к повышению качества как самого моделирования, так и его прогнозных возможностей. Одной из основных причин является недостаточное знание и понимание субмезомасштабных процессов в атмосферном пограничном слое, происходящих в «серой зоне» атмосферных моделей и средств измерения и, плохо параметризуемых. Другая причина связана со структурой самих модельных уравнений, неполной ортогональности систем их собственных функций и интенсификации при определенных условиях быстро растущих т.н. оптимальных возмущений (сингулярных векторов), увеличивающих уровень ошибок. Учет структур небольших масштабов при моделировании АПС для нелинейных нестационарных параметризаций является принципиально новым моментом данного исследования. Исходя из вышеизложенных соображений, сформулирована цель проекта – комплексное системное исследование структуры и динамики вихревых движений и турбулентности и связанных с ними субмезомасштабных и мезомасштабных циркуляционных движений, представляющих собой элементы турбулентного каскада, объединяющее экспериментальные, модельные и теоретические подходы, с целью дальнейшего использования полученных знаний и эмпирических данных для развития фундаментальных методов и подходов в региональном атмосферном моделировании и развития систем диагностики опасных явлений. Принципиально новым элементом проекта является исследование свойств турбулентного потенциального вихря, величины, непосредственно связанной с воспроизводством и балансом спиральности в АПС. Будет выполнено численное и теоретическое исследование формирования, развития и взаимодействия мезомасштабных и субмезомасштабных структур в АПС, анализ их статистики. Предложены методики поиска событий вихревой природы в потоке данных трехкомпонентных анемометров; поиска конвективных структур с использованием нейронных сетей по данным пульсационных измерений температуры и скорости ветра, полученных проволочными датчиками, специально разработанными в ИФА им. А.М. Обухова РАН. Итоги выполнения проекта входят в создание теоретических основ современной системы комплексного мониторинга структуры и пространственно-временных вариаций состояния атмосферы на различных высотных уровнях с использованием интегрированных дистанционных методов и новейших технологий зондирования для последующих прогнозных оценок состояния атмосферы и её климатических изменений.