ИСТИНА

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.

1. Будет создана вычислительная технология на основе одномерного (по вертикали) приближения для исследования геофизических пограничных слоев и их параметризации в моделях прогноза погоды и климата. 2. Будет проведено исследование применимости замыканий турбулентных процессов, используемых в моделях прогноза погоды и климата, для воспроизведения нейтрально стратифицированных, устойчиво стратифицированных и сдвигово-конвективных пограничных слоев. Будут определены предположения, использующиеся в замыканиях первого и второго порядка, требующие уточнения. Исследование будет проведено с привлечением данных прямого и вихреразрешающего моделирования в идеализированных постановках. 3. Будет разработана модель пограничного слоя с численной реализацией на динамических адаптивных и/или вложенных сетках, позволяющая воспроизвести тонкие устойчиво-стратифицированные пограничные слои в глобальных моделях атмосферы. 4. Будет проведено численное моделирование суточного хода в атмосферном пограничном слое при различных метеоусловиях (как при предписанной температуре подстилающей поверхности, так и при использовании радиационной модели и модели тепловлагопереноса почвы для ее расчета) и изучена точность воспроизведения вертикального распределения температуры и скорости ветра при сопоставлении с данными вихреразрешающего моделирования и данными измерений. 5. Будет изучена чувствительность моделей пограничного слоя к эмпирическим параметризациям турбулентного масштаба длины или скорости диссипации кинетической энергии турбулентности, в особенности, в режиме нестационарной динамики, характерной для суточного хода. 6. Будет проведено сравнение турбулентных замыканий первого и второго порядка при воспроизведение склоновых течений и изучено влияние пространственной неоднородности на динамику пограничного слоя. 7. Будет проведено численное моделирование сезонной циркуляции внутреннего водоема суши и изучена возможность уточнения воспроизведения переноса импульса, тепла и примесей за счет использования замыканий, учитывающих взаимные переходы кинетической и доступной потенциальной энергии турбулентных пульсаций. Для верификации расчетов и постановки экспериментов будут привлекаться данные измерений для финского озера Куйваярви. 8. Будет разработан программный интерфейс для внедрения одномерных параметризаций пограничного слоя в трехмерные модели атмосферы, океана и внутренних водоемов. С помощью трехмерной гидростатической модели внутреннего водоема будет изучена возможность эффективного переноса на архитектуру графических процессоров программного кода расчетов различной сложности процесса вертикального перемешивания. Исследования позволят рассмотреть существующие замыкания турбулентных процессов, предложить и проверить новые параметризации и численные подходы. Авторы проекта предполагают, что результаты проекта будут востребованы для уточнения описания пограничного слоя в моделях прогноза погоды и климата, и в том числе позволят выявить причины систематических ошибок при воспроизведении вертикального распределения температуры и скорости ветра в высоких широтах (Atlaskin and Vihma, 2012; Esau et al., 2018).