Развитие методов описания физических процессов при моделировании состояния атмосферы, океана и морской поверхности в экстремальных условиях

Научная проблема, на решение которой направлен настоящий проект, связана с необходимостью совершенствования численных методов и физических основ моделирования экстремальных погодных условий (штормы, ураганы, ветровое волнение, развивающееся под их действием), поскольку существующие подходы демонстрируют большие ошибки в прогнозах таких явлений. Это связано с рядом факторов, среди которых один из наиболее важных - некорректное описание обмена потоками тепла, импульса и энергией между Земными системами. Так, задание граничных условий в волновой модели при помощи данных атмосферного реанализа, оказывается недостаточным для описания процессов турбулентного обмена между океаном и атмосферой в экстремальных условиях. Отчасти эта проблема решается при использовании комплекса объединенных численных моделей («бесшовные модели»), имитирующих реальный природный обмен и взаимодействие на каждом итерационном шаге. Основным ожидаемым результатом представленного проекта является создание корректных физических параметризаций процессов турбулентного обмена между Земными системами и их тестирование в современной объединенной численной модели прогноза состояния атмосферы, поверхностного волнения и океана COAWST. Научная новизна и актуальность предлагаемого в проекте исследования связана в первую очередь с анализом мало изученной области высоких скоростей ветра в экстремальных погодных условиях. За последние десятилетия такие экстремальные погодные явления как тропические циклоны, внетропическое проникновение тропических циклонов, полярные депрессии, штормы и возникающие вследствие них экстремальные морские волны стали происходить все чаще, что связывают с глобальным изменением климата, изменением средней температуры океана. Поэтому для моделирования экстремальных погодных условий будут разработаны параметризации, учитывающее физические процессы на поверхности океана при высоких скоростях ветра - это и ветроволновое взаимодействие с учетом мелкомасштабных турбулентных флюктуаций, и нелинейные волновые взаимодействия в условиях сильно нелинейных поверхностных волн. При высоких скоростях ветра приповерхностный слой атмосферы насыщен брызгами и каплями дождя, на поверхности воды присутствуют зоны пенообразования, а поверхностный слой воды насыщается пузырьками воздуха, что также радикально меняет процессы обмена импульсом, теплом, влагой на границе океана и атмосферы. Кроме того, на сегодняшний день существует несоответствие между реальными характеристиками верхнего перемешанного слоя Мирового океана (в частности, его температурой) в различных его точках и результатами, полученными с помощью глобальных численных моделей. Это может быть связано с недооценкой роли широкого класса мелкомасштабных волновых процессов, участвующих в перемешивании по сравнению, например, с обрушающимися внутренними и поверхностными волнами. В настоящем проекте предполагается провести лабораторные исследования взаимодействия поверхностных волн, турбулентности и сдвигового ветрового дрейфового течения. Результаты экспериментов будут обобщены с помощью теоретических и эмпирических моделей и параметризаций коэффициентов турбулентного обмена, учитывающих вклад «волновой турбулентности» в процесс перемешивания в верхнем перемешанном слое океана. Создание новых параметризаций, учитывающих особенности явлений, наблюдаемых при высоких скоростях ветра и их использование при объединенном моделировании состояния атмосферы, океана и поверхностного волнения, а также применение полученных результатов для корректировки данных реанализа в совокупности представляют собой актуальную фундаментальную и практически важную задачу. Решение этой задачи будет востребовано в краткосрочных и среднесрочных оперативных прогнозах состояния окружающей среды. Таким образом, они имеет высокую значимость сразу для нескольких дисциплин: морской метеорологии, оперативной физической океанографии, численных методов моделирования гео- и гидрофизических процессов.