Вычислительно-информационные технологии для математического моделирования естественных и антропогенных изменений климата и природной средыНИР

Computational and informational technologies for mathematical modelling of natural and anthropogenic changes of climate and environment

Соисполнители НИР

Институт вычислительной математики РАН Соисполнитель

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Вычислительно-информационные технологии для математического моделирования естественных и антропогенных изменений климата и природной среды
Результаты этапа: 1.Для совместной модели тропосферы-стратосферы-мезосферы и D-слоя ионосферы (0-90 км) в рамках задачи ее идентификации разработан отдельный блок расчета глобальной двумерной карты частичного и полного ослабления радиосигнала в коротковолновом диапазоне и усовершенствован плазмохимический блок для воспроизведения возмущенного глобального состояния нижней ионосферы (действие рентгеновского излучения от солнечной вспышки). Путем сравнения с радиофизическими данными показано удовлетворительное воспроизведение характеристик нижней ионосферы в спокойных и возмущенных условиях. Разработан программный комплекс новой совместной модели тропосферы-стратосферы-мезосферы-термосферы и нижней ионосферы (для высот 0-130 км), включающей новый радиационный блок для верхних слоев атмосферы, а также модельный блок Е-слоя ионосферы. Построена эффективная численная схема решения системы уравнений для описания фотохимических процессов формирования D- и Е-слоя ионосферы (7-компонентная плазмохимическая модель нижней ионосферы), обладающая законом сохранения заряда. Разработана первая версия одномерной модели химических преобразований нейтральных составляющих в области мезосферы – нижней термосферы (на основе трех долгоживущих химических семейств и циклов преобразований внутри них) и показано удовлетворительное воспроизведение концентраций важных малых составляющих (озона и окиси азота) в этой высотной области. Исследована роль мелкомасштабных волновых процессов различной природы в формировании общей циркуляции в стратосфере и мезосфере. Разработана новая версия параметризации орографического гравитационно-волнового сопротивления для моделей общей циркуляции атмосферы и климата Института вычислительной математики (ИВМ) РАН, учитывающая блокирующий эффект гор, их неоднородность и анизотропию геометрии, а также распределенное обрушение волны при насыщении. 2.С помощью мезомасштабной численной модели WRF проведено 5 экспериментов, направленных на выявление причин появления гравитационных волн c характерным размером в 2-5 шагов сетки при воспроизведении динамики полярного циклона. Найдено, что вблизи границы суша-море одной из причин появления таких возмущений в слое до 3 км послужил крупномасштабный поток воздуха, набегающий на поверхность моря после его взаимодействия с рельефом полуострова Таймыр (высота препятствия до 1 км). Второй причиной является наличие источника тепла, связанного с фазовыми переходами влаги в слое 3-4 км. В этом случае волны распространяются в вертикальном и горизонтальном направлении. Отключив параметризацию микрофизических процессов и пренебрегши рельефом подстилающей поверхности, удалось исключить их из модельного решения. Полученные в результате сглаженные поля метеорологических параметров использованы при расчете поля вертикальной скорости ветра путем обращения квазигеострофического омега-уравнения. Дальнейшее развитие исследования связано с анализом вклада энергии гравитационных волн в динамику полярного мезоциклона. 3.На основе прямого численного моделирования проведено исследование структуры турбулентного течения Куэтта при сильно устойчивой стратификации. Результаты моделирования показывают, что турбулентность при устойчивой стратификации может поддерживаться при числах Ричардсона, превышающих известные ранее оценки. Данный режим характеризуется сильной пространственной перемежаемостью и наличием крупномасштабных вторичных циркуляцией. Проведено численное исследование стратифицированного потока под торошенным льдом при задании формы ледяных килей и их характерного пространственного распределения, согласованного с данными наблюдений. Показано, что структура турбулентного потока в перемешанном слое подо льдом, волновые возмущения и величина волновой компоненты силы сопротивления могу в значительной степени определяться пространственным распределением ледяных торосов. Компактность расположения торосов необходимо учитывать при построении параметризаций коэффициента сопротивления для описания динамики морского льда в стратифицированной среде. 4.На основе метода Галеркина-Канторовича построена динамическая система, описывающая нелинейные колебания в стратифицированном замкнутом двумерном бассейне. Сформулированы условия, при которых выполняются конечномерные аналоги законов сохранения кинетической энергии и импульса. Проведены тестовые расчеты, демонстрирующие нелинейные эффекты, не воспроизводимые методом нормальных мод. С помощью разработанной в НИВЦ МГУ одномерной модели водоема LAKE успешно воспроизведен заглубленный максимум температуры, наблюдавшийся на оз. Большой Вилюй (Камчатка), и проведена диагностика вклада всех действующих в модели механизмов в его величину. Выявлен новый, ранее не упоминавшийся в литературе, механизм увеличения средней величины максимума за счет сдвига по фазе между суточным ходом толщины зоны, в которой он формируется, и самой величины максимума (названный «эффектом накачивания»). Для одномерных моделей водоема построена параметризация сейшевых мод с горизонтальным волновым числом 1. Показано, что дисперсионное соотношение для данной параметризации хорошо согласуется с классическими точными решениями для случаев баротропного и двуслойного бароклинного течений в прямоугольной и круговой области. Включение параметризации в модель LAKE показало, что сейшевые течения существенно ослабляют вертикальное перемешивание в водоемах в отличие от приближения горизонтально однородного пограничного слоя, до сих пор принятого во многих моделях водоемов. 5.Подготовлены обзоры литературы по параметризации неоднородностей подстилающей поверхности типа "лед – открытая вода" (полыньи, разводья, разреженная кромка льда) и по параметризации конвективного пограничного слоя атмосферы (ПСА). Разработана одномерная модель ПСА (в качестве основы использован блока его расчета в климатической модели ИВМ РАН) с целью дальнейшего развития параметризаций процессов взаимодействия атмосферы и подстилающей поверхности. Произведен тестовый запуск сервера "IPython Notebook" (среда разработки для Python 2 и Python 3) для образовательных целей лаборатории.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Вычислительно-информационные технологии для математического моделирования естественных и антропогенных изменений климата и природной среды
Результаты этапа: 1. Выполнено исследование долгопериодных мод изменчивости циркуляции атмосферы и их связей в нижних и верхних слоях по данным расчета климата на 500 лет, проведенного с помощью модели Института вычислительной математики РАН (версия INMCM5) для доиндустриальных условий. Выделены ключевые моды структурной изменчивости приповерхностной температуры и давления, а также циркуляции тропосферы-стратосферы: квазидвухлетние колебания скорости ветра на экваторе и изменчивость циркумполярного вихря (в том числе, внезапные потепления); показана близость их характеристик к наблюдаемым параметрам. Проанализированы связи между различными структурами изменчивости; показана связь изменчивости приполярной стратосферы с тихоокеанскими долгопериодными колебаниями приповерхностной температуры и давления в Северном полушарии. 2.Разработан динамический блок для расчета двух- и трехмерных течений вязкой несжимаемой жидкости на основе численного решения системы уравнений Навье-Стокса (DNS-моделирование) на вложенных иерархических сетках. Для верификации динамического блока рассматривалось турбулентное течение Куэтта при нейтральной стратификации. Получено хорошее соответствие среднего профиля скорости с результатами DNS-моделирования без использования вложенных сеток и с сопоставимым разрешением в пристеночных областях. Для двумерных задач динамический блок на вложенных сетках совмещен с методом погруженной границы, который позволяет рассматривать задачи в областях со сложной криволинейной геометрией. Разработан модуль расчета лагранжевой динамики частиц для параллельных вычислительных систем на основе использования технологий MPI и OpenMP. 3.По данным спутниковых мозаик для Южного полушария, предоставленных университетом Висконсин-Мэдисон, Висконсин, США, создана база траекторий полярных мезоциклонов для зимы 2004 г. (www.sail.msk.ru/antarctica), которая содержит информацию о положении центров мезоциклонов, диаметре, типе облачной спирали, условиях формирования, а также максимальной и средней в области циклона скорости ветра по данным наблюдений скаттерометра QuikSCAT спутника Seawinds. Данные базы траекторий мезоциклонов и спутниковые мозаики использованы для создания и обучения глубокой сверточной нейронной сети для решения задачи бинарной классификации. Такой подход позволяет установить факт присутствия мезоциклона на изображении спутниковой мозаики (1 – да, 0 – нет). 4. Выполнены эксперименты по моделированию развития конвективного пограничного слоя (КПС) атмосферы в условиях наличия фонового сдвига скорости ветра. Проведен анализ роли процессов в слое вовлечения КПС в регуляции скорости его роста, проверены применимость и качество воспроизведения динамики КПС современными параметризациями на основе интегрального уравнения турбулентной кинетической энергии. 5.Проведено сравнение результатов расчетов по новой версии модели водоема LAKE, включающей параметризацию сейшевых колебаний, с данными измерений температуры воды на разных глубинах в озере Изео (Северная Италия). Модель успешно воспроизводит период колебаний температуры и, при подходящем выборе значения коэффициента линейного трения потока о наклонное дно, также их амплитуду. Это первая подобного рода параметризация сейш в одномерных моделях термогидродинамики водоема, причем добавление параметризации сейш лишь незначительно увеличивает вычислительную сложность модели.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Вычислительно-информационные технологии для математического моделирования естественных и антропогенных изменений климата и природной среды
Результаты этапа: 1. Построена одномерная численная модель диффузии газа в пористой среде в присутствии твёрдой, жидкой и газообразной фаз. Считается, что диффузия происходит одновременно в захваченных почвенным скелетом пузырьках и в растворённом состоянии. Концентрации газа в воде и пузырьках находятся в равновесии по закону Генри. Коэффициенты диффузии в газовой и водной среде учитывают извилистость диффузионных путей и эффект разъединения "проводящих" объёмов при малой пористости. Давление в почве (донных отложениях) рассчитывается как сумма атмосферного давления, гидростатического давления вышележащего водного столба и донных отложений. Плотность донных отложений меняется со временем и с глубиной в зависимости от объёмных долей трёх фаз. Объём находящихся в почве пузырьков вычисляется исходя из текущего давления и интегральной концентрации газа в отложениях. При превышении критического объёма, сверхкритической объём газа мгновенно высвобождается из почвы (донных отложений). Источники и стоки газа в донных отложениях считаются заданными. С моделью проведены тестовые идеализированные расчёты. Планируется сопоставление результатов расчётов по модели с данными лабораторных экспериментов с кернами озёрных отложений, осуществляемых в Университете Кобленц (Ландау, Германия). 2. Проведен диагноз и изучен ряд мезомасштабных аномалий метеорологического режима нижней тропосферы, создаваемых влиянием урбанизированной поверхности: положительная аномалия температуры («остров тепла») и отрицательная аномалия влажности («остров сухости») в пограничном слое атмосферы, формирование тепловых шлейфов с подветренной стороны города, замедление средней скорости ветра над городом, усиление его конвергенции и циклонической завихренности, а также увеличение сумм летних осадков над городом. Результаты проведенной работы вошли в диссертацию м.н.с. М.И. Варенцова на соискание ученой степени кандидата географических наук по теме «Анализ и моделирование мезоклиматических особенностей Московской агломерации», успешно им защищенной 17.05.2018 на географическом факультете МГУ (https://istina.msu.ru/dissertations/102223970/). Выполнен анализ данных экспериментальных измерений в городах Российской Арктики (Надым, Сахелард, Новый Уренгой и Воркута). Установлено, что зимой, в условиях полярной ночи, несмотря на отсутствие притока солнечной радиации, формируются ярко выраженные городские «острова тепла». 3. Выполнено прямое численное моделирование турбулентного течения Экмана при нейтральной и устойчивой стратификации. В численных экспериментах при нейтральной стратификации получено хорошее согласие с известными данными прямого и вихреразрешающего моделирования. Для проверки применимости полуэмпирических замыканий турбулентных процессов, используемых в крупномасштабных моделях, реализован блок расчета статистических характеристик течения, включающий в том числе расчет слагаемых, входящих в балансовые уравнения для вторых моментов гидродинамический полей. 4. Проведены численные эксперименты с вихреразрешающей моделью ИВМ РАН (LES INM RAS), для оценки влияния термической неоднородности поверхности на характеристики турбулентного обмена в пограничном слое атмосферы. В целом, постановка численных экспериментов следовала принятой в эксперименте GEWEX/GABLS1. Разрешение модели во всех экспериментах соответствовало 3.125 м по всем координатам, при размере расчетной области, составляющим 128x128x128 узлов. Термическая неоднородность поверхности задавалась следующим образом: расчетная область была разделана на 4 одинаковых квадрата, для одной из двух диагональных пар температура поверхности задавалась постоянной, для другой задавалось постоянное охлаждение, но так чтобы средняя тенденция по расчетной области оставалось постоянной. Для оценки влияния схемы расчета потоков на поверхности, были проведены эксперименты с использованием пристеночных безразмерных функций, учитывающих стратификацию, а также логарифмического закона.
4 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Вычислительно-информационные технологии для математического моделирования естественных и антропогенных изменений климата и природной среды
Результаты этапа: 1. Подготовлена обновленная версия модели термогидродинамики суши ИВМ РАН–МГУ. Основные усовершенствования включают параметризацию динамики жидкой влаги в снежном покрове и блок термогидродинамики рек. Насколько известно авторам, детальность описания термогидродинамических процессов в реках превышает все существующие аналогичные параметризации в других моделях Земной системы. Важно также отметить, что созданные структуры данных и методы в программном коде модели позволяют реализовывать произвольные решатели одномерных задач речной динамики, например, уравнений Сен-Венана. Модификация модели снежного покрова (включение просачивания и повторного промерзания жидкой воды) и включение модели термогидродинамики рек по отдельности приводят к смещению максимума весеннего половодья р. Северной Двины на одну неделю (при совместном использовании - на две недели), что позволяет существенно улучшить расчет весеннего половодья и в целом удовлетворительно описать годовой ход расхода и температуры воды в низовьях реки. В параллельной реализации модели суши с использованием технологии MPI используется широтно-долготное разбиение данных. Модель речной сети, в свою очередь, содержит как минимум два уровня параллелизма: уровень речных бассейнов (бассейны обрабатываются независимо) и реки одинакового порядка в пределах каждого бассейна. Поскольку речные бассейны в общем случае пересекают несколько подобластей данных модели суши, то в будущем потребуется разработка и оптимизация обменов между MPI-разбиениями данных блока суши и модели речной сети. 2. В одномерную модель для тестирования RANS-замыканий добавлены коды переноса коротковолновой и длинноволновой радиации. Использовалась упрощенная версия модели LBLRTM ( Line-by-Line Radiative Transfer Model), широко применяемая в моделях прогноза погоды и климата (ECMWF, Meteo-France). Для совмещения с моделью атмосферного пограничного слоя, написаны соответствующие интерфейсы (Fortan-to-C), которые также позволят использовать радиационную модель в объединенном трехмерном DNS-LES-RANS-коде, разрабатываемом в лаборатории. Обновлены скрипты автоматической сборки Cmake для компиляции и сборки дополненной модели на системах с различной архитектурой. Дополненная модель проверена на тестовых экспериментах для условий безоблачной атмосферы, предоставляемых исследовательской группой AER RTW. 3. Проведены численные эксперименты по воспроизведению пограничного слоя атмосферы при взаимодействии турбулентного потока с активной примесью на основе вихреразрешающей LES (Large-Eddy Simulation)-модели, разрабатываемой в НИВЦ МГУ и ИВМ РАН. Влияние примеси на турбулентное течение учитывалось за счет включения поправочного слагаемого в уравнение движения. Реализован блок лагранжева переноса частиц, включающий набор стохастических параметризаций для LES- и RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes)-моделей, подпрограммы расчета статистических характеристик и траекторий движения частиц. Разработанный блок переноса частиц позволяет проводить расчеты с сотнями миллионов частиц на параллельных вычислительных системах, в том числе гетерогенной архитектуры. Выполнены эксперименты с RANS-замыканиями турбулентной динамики по воспроизведению течений при наличии активной примеси. Для верификации RANS-подходов проведено сравнение результатов моделирования нейтрального и устойчиво стратифицированного пограничных слоев атмосферы с данными LES-расчетов. 4. Выполнена систематизация и предварительный анализ данных, полученных в ходе ранее проведенных экспериментальных кампаний по изучению термического и ветрового режима внутри городской застройки Москвы, а именно в ходе экспериментов UrbEx-2011 и UrbEx-2013, организованных коллективом ученых из МГУ имени М.В. Ломоносова и ИФА РАН. В рамках эксперимента UrbEx-2011 наблюдения проводились 26-27 апреля 2011 г. внутри «городского каньона» на территории кампуса МГУ, образованного корпусом Нелинейной оптики и зданием НИИ Физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, и включали в себя пульсационные измерения с использованием трехкомпонентного акустического анемометра, стандартные метеорологические наблюдения с использованием автоматической метеостанций и измерения температуры поверхности дороги и стен зданий. Для анализа были также привлечены данные наблюдений, выполняющихся в расположенной рядом метеорологической обсерватории МГУ, в том числе данные пульсационных измерений, проводимые над естественной поверхностью (наблюдательной площадкой обсерватории) с использованием трехкомпонентного акустического анемометра. Предварительный анализ данных показал существенные различия суточной динамики потока явного тепла в «городском каньоне» и над естественной поверхностью (наблюдательной площадкой метеорологической обсерватории). Днем над естественной поверхностью поток явного достигал более 200 Вт/м2, а в «городском каньоне» не превышал 100 Вт/м2. Ночью в «городском каньоне» поток тепла был близок к нулю, а над естественной поверхностью наблюлись отрицательные значения до -50 Вт/м2. Эксперимент UrbEx-2013 проводился 27-28 июля 2013 г. в центре Москвы. Синхронные наблюдения проводились в двух перпендикулярных «городских каньонах», а именно в Пыжевском переулке рядом со зданием ИФА РАН и в Старомонетном переулке. В каждой из точек проводились измерения с использованием установленных на крыше легковых автомобилей трехкомпонентных акустических анемометров и автоматических метеостанций. Также для анализа использовались данные о вертикальном профиле скорости ветра над городом по измерениям содара (ветрового акустического локатора) в ИФА РАН, показавшие, что в течение эксперимента над Москвой наблюдался северо-северо-западный ветер. Предварительный анализ данных показал, что в «городском каньоне», перпендикулярном набегающему воздушному потоку (в Пыжевском переулке) скорость трения и порывистость ветра значительно больше, чем в параллельном набегающему потоку «городском каньоне» (в Старомонетном переулке). Дополнительно решению задач по систематизации и анализу данных экспериментальных микрометеорологических наблюдений в городской застройке, продолжена работа по формированию и поддержанию базы данных регулярных метеорологических наблюдений в Московском регионе, которые могут быть использованы для верификации региональных моделей атмосферы и параметризаций городской поверхности. В базу данных, включающую в себя наблюдения на метеостанциях Росгидромета, автоматических станциях контроля загрязнения атмосферы Мосэкомониторинга и данные измерений на сети микроволновых температурных профилемеров МТП-5 в Московском регионе, добавленные данные за 2019 г., проведен их предварительный анализ и контроль качества.
5 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Вычислительно-информационные технологии для математического моделирования естественных и антропогенных изменений климата и природной среды
Результаты этапа: 1. Выполнен обзор и критический анализ подходов к методам определения внешних параметров городской среды, необходимых для параметризаций городской поверхности в мезомасштабных моделях атмосферы (на примере схемы TERRA_URB в модели COSMO), в том числе проведены численные эксперименты по оценке чувствительности модели к изменению этих параметров. Продолжена работа по сбору и систематизации данных о микроклимате урбанизированных территорий России, включая данные наблюдений на сетевых метеостанциях, различные экспериментальные наблюдения, данные краудсорсинга и дистанционного зондирования. 2. Разработана трехмерная LES-модель, основанная на лагранжевом осреднении, для расчета турбулентных течений в городской среде, учитывающая сложную геометрию подстилающей поверхности. Проведены эксперименты по верификации LES-замыкания при расчете устойчиво-стратифицированных пограничных слоев при различном пространственном и временном разрешении. В DNS-модели реализован блок расчета переноса частиц и их траекторий, адаптированный для проведения экспериментов на параллельных вычислительных системах. 3. В качестве предварительного этапа, климатическая модель ИВМ РАН исследовалась на чувствительность к вертикальному разрешению в пограничном слое атмосферы. В одномерной постановке были включены схемы переноса длинноволновой и коротковолновой радиации, проведено их предварительное тестирование. 4. В рамках исследования проблемы диффузии газов в системе «донные отложения – водный объект (озеро/река)» получены аналитические решения стационарной нелинейной задачи о вертикальном распределении содержания газовой фазы для некоторых заданных функций, описывающих генерацию метана в результате разложения органики. Такого рода решения полезны с точки зрения выбора и тестирования подходящих методов численного решения соответствующей начально-краевой задачи Коши. Анализ результатов аналитического решения нестационарной линейной задачи о чувствительности стационарного решения к малым возмущениям в граничном условии показал, что исходная задача Коши в определенных случаях может принадлежать классу жестких, требующих применения специальных методов ее численного решения. В частности, полезным в этом случае оказался метод Рунге-Кутты-Фельберга с автоматическим выбором шага.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".