ИСТИНА

Цели работы: - создание новой версии модели деятельного слоя суши ИВМ РАН – МГУ с усовершенствованным представлением гидрологических, биогеохимических процессов и специфики урбанизированных территорий, с возможностью варьировать пространственное разрешение в широких пределах и с интерфейсом, адаптируемым для национальных систем численного прогноза погоды и климата: модели Земной системы Института вычислительной математики им. Г.И. Марчука (ИВМ) РАН – единственной модели, представляющей Россию в проектах Межправительственной группы экспертов по изменению климата, и оперативной модели прогноза погоды ПЛАВ Гидрометцентра России; - развитие вычислительных технологий, ориентированных на массивно-параллельные гетерогенные вычислительные системы, для изучения турбулентных течений и переноса примесей в пограничных слоях атмосферы; - повышение достоверности и детальности воспроизведения процессов взаимодействия атмосферы с урбанизированными территориями в рамках современных мезомасштабных моделей погоды и климата для российских городов.

Objectives of the study: - creation of a new version of the model of the active layer of the land of the INM RAS - MSU with an improved representation of hydrological, biogeochemical processes and the specifics of urbanized territories, with the ability to vary the spatial resolution within wide limits and with an interface adaptable for national systems of numerical weather and climate prediction: the Earth system model of the G.I. Marchuk Institute of Numerical mathematics (INM) RAS - the only model representing Russia in the projects of the Intergovernmental Group of Experts on Climate Change, and the operational weather forecast model SLAV of the Hydrometeorological Center of Russia. - development of computational technologies focused on massively parallel heterogeneous computing systems for studying turbulent flows and transport of aerosols and gases in the boundary layers of the atmosphere; - increasing the reliability and detail of the reproduction of the processes of interaction of the atmosphere with urbanized territories within the framework of modern mesoscale weather and climate models for Russian cities.

В рамках направления «Математическое моделирование деятельного слоя суши» будут получены следующие результаты: - усовершенствованные параметризации гидрологических процессов в модели деятельного слоя суши ИВМ РАН – МГУ (снегонакопление и таяние в сложных ландшафтах, физическое испарение и транспирация, сопряжённый тепло-, влаго- и пароперенос в почве, термодинамический и водный баланс водоёмов и водотоков); набор параметризаций, внедрённых в модель Земной системы ИВМ РАН и систему численного прогноза погоды ПЛАВ Гидрометцентра России; - усовершенствованные параметризации процессов биогеохимических циклов в модели деятельного слоя суши ИВМ РАН – МГУ (с акцентом на процессы в водных и переувлажнённых экосистемах), оценки чувствительности к внешним параметрам, региональные и глобальные оценки составляющих углеродного баланса; - параметризации физических процессов, происходящих в деятельном слое суши (тепло-, влаго- и парообмен в почве, физическое испарение и транспирация) и приземном слое атмосферы (специфика процессов турбулентного и радиационного обмена над сложной поверхностью) на урбанизированных территориях, для модели суши ИВМ РАН – МГУ; - эффективная реализация модели деятельного слоя суши на современных суперкомпьютерах, включая гетерогенные вычислительные системы. Предполагаются следующие основные результаты по направлению «Математическое моделирование геофизической турбулентности»: - RANS-модель городской среды, учитывающая процессы переноса активных примесей и сопряженная с ГИС-технологиями; программная реализация городской версии RANS- модели для гетерогенных параллельных вычислительных систем; - RANS-модель атмосферного пограничного слоя, учитывающая процессы переноса тепла и влаги в почве, радиационные процессы и перенос аэрозольных частиц; - DNS-модель расчета стратифицированных турбулентных течений для гетерогенных вычислительных систем, в том числе перспективной архитектуры. Теоретическими результатами работ по направлению «Математическое моделирование и натурные исследования городской среды» станут: • систематизированный обзор параметризаций городской среды для мезомасштабных моделей атмосферы; • новые подходы по улучшению физико-математического описания городской среды в мезомасштабных моделях атмосферы; • данные анализа результатов моделирования с параметризациями городской среды разной степени сложности и качественная и количественная оценка «добавочной ценности» (added value) более сложных параметризаций по отношению к сравнительно простым. Практические результаты будут заключаться в повышении точности и детальности воспроизведения метеорологического режима урбанизированных территорий в задачах численного прогноза погоды и регионального моделирования климата. Полученные результаты планируется опубликовать в ведущих российских и зарубежных тематических журналах («Метеорология и гидрология», «Известия РАН. Физика атмосферы и океана», «Вычислительные методы и программирование», «Lobachevskij Journal of Mathematics, Supercomputing Frontiers and Innovations», «Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling», «Geoscientific Model Development», «Urban Climate», «Boundary-Layer Meteorology», «Atmospheric Chemistry and Physics», «Hydrology and Earth System Sciences» и др.). За период с 2021 по 2025 гг. планируется подготовить не менее 15 публикаций в изданиях, индексируемых международными системами WoS/Scopus.

Основной опыт коллектива лежит в области городской климатологии, исследований пограничного слоя атмосферы и мезомасштабного моделирования погоды и климата, включая разработку параметризаций городского полога для атмосферных моделей. Члены коллектива имеют большой опыт работы в области геофизической гидродинамики, атмосферной и океанической турбулентности, численных методов гидродинамики и эффективного использования высокопроизводительных вычислений, разработки моделей деятельного слоя суши с акцентом на гидрологические процессы, а также включают экспертов в области прикладного машинного обучения и методов глубокого обучения в широком спектре наук о Земле.