ИСТИНА

решение проблемы выявления основных механизмов формирования концентраций и потоков климатически значимых газов из водоемов суши за счет получения новых теоретических зависимостей и модификации существующих физико-математических моделей (в т.ч. предлагаемой руководителем проекта) в целях уточнения оценок возможных изменений региональной и глобальной климатической обстановки

This project is related to the study of the mechanisms of formation of concentrations and flows of climatically significant gases from land water bodies. The scientific significance and relevance of the project are due, on the one hand, to the crucial role of inland water bodies as an integral element of many natural landscapes, which determines their unique features, and on the other hand, to the fact that the current level of technology for global numerical modeling of processes does not allow the environment to fully take into account the whole set of factors influencing climate-forming processes in lakes and reservoirs. This, among other things, is associated with an insufficiently complete and accurate description in models of land water bodies of the processes that form horizontal variability and are not so clearly involved in determining the fluxes of heat, moisture, and biogeochemical substances, compared with, for example, vertical transport by turbulent eddies. It is also important to note that the processes occurring in lakes and reservoirs are, on the one hand, of independent interest for problems of hydrology and ecology, and, on the other hand, they are an important aspect in global problems of meteorology and climatology, such as studying the Earth’s climate and assessing its changes. In addition to thermohydrodynamic characteristics, such as heat and moisture fluxes, global models require parametrization of the fluxes of biochemical substances into the atmosphere, among which greenhouse gases play a special role: methane and carbon dioxide. In mesoscale models, it is critically important to correctly reproduce the thermohydrodynamics of lakes and reservoirs due to the fact that such objects are a special type of underlying surface. Finally, since lakes and reservoirs play an important role in the life of the population in the regions where they are located, the characteristics of such objects and, in particular, the monitoring of water quality and bioproductivity are of interest within the framework of local environmental problems. The specific objectives of the project are related to the study of the role of processes associated with the effects of three-dimensionality and circulation, which are not explicitly taken into account in the one-dimensional approximation, which is widely used in models of physical processes in inland water bodies, including for describing exchange processes with the atmosphere and estimating greenhouse gas emissions. . Accordingly, the project describes the objects of study that have either not been studied by the previously declared methods, or have not been studied sufficiently. These include the study of the spatial heterogeneity of turbulent mixing processes in the presence of relief in water bodies, the identification of the role of effects associated with horizontal transport and the contribution of the horizontal pressure gradient in the formation of concentrations and fluxes of climatically significant gases. The results are supposed to be obtained using an integrated approach based on the combined use of the three-dimensional model of the biogeochemistry of the inland water body proposed earlier by the head with representative verification of the calculation results based on comparison with the results of field measurements and remote sensing data. The existing experience in the development of numerical models allows us to quickly configure and carry out numerical calculations in new formulations that have not been considered before. The novelty of the proposed step-by-step approach also lies in the fact that, as part of its implementation, fundamentally new or deeply modified program codes will be used, including codes for a three-dimensional biogeochemical model of an inland water body and a thermohydrodynamic model with an improved description of turbulence at values of the Richardson number above the critical one. It should be noted that the new numerical model of biogeochemistry proposed earlier by the head of the team, as part of the work on the project, will be adapted for the first time to specific water bodies. The developed computing technology will be sufficiently universal, which will allow us to consider productions with other lakes and reservoirs even after the completion of the project.

1 год выполнения проекта Будут систематизированы данные натурных измерений и дистанционного зондирования термического режима, скорости течений, концентраций примесей, а также потоков тепла, влаги и климатических значимых газов для водных объектов различной морфологии и морфометрии. По обработанным и систематизированным данным будут определены параметры для постановки численных экспериментов. Будет разработана вспомогательная конфигурация трехмерной модели термогидродинамики и биогеохимии для оценки эффектов параметризуемых в "осредненных" одномерных моделях. Будут проведены численные эксперименты в близкой к идеализированной постановке для исследования роли перераспределения массы и горизонтального градиента давления в формировании термической и биогеохимической структуры водоема. Трехмерная модель будет адаптирована для учета источников и стоков и ледового режима и протестирована на корректность учета батиметрии. По результатам проведенных исследований будет опубликовано не менее 1 работы в изданиях, индексируемых WoS, Scopus и/или RSCI 2 год выполнения проекта Будет проведена вторая серия численных экспериментов, направленная на исследование роли горизонтального переноса, в т.ч. связанного с особенностями рельефа дна, на температурный режим, концентрации и потоки биогеохимических веществ, включая климатически значимые газы. Будут проанализированы результаты численных экспериментов и сделаны выводы о вкладе конкретных механизмов в формирование пространственно-временной изменчивости и структуры внутреннего водоема. Будет разработана усовершенствованная модель термогидродинамики и биогеохимии проточного водоема, адаптированная для воспроизведения особенностей (источников, стоков, батиметрии, ледового режима и т.д.) конкретных объектов. По результатам проведенных исследований будет опубликовано не менее 2 работ в изданиях, индексируемых WoS, Scopus и/или RSCI

Руководитель проекта имеет существенный задел, связанный как с разработкой моделей, так и с теоретическими и экспериментальными исследованиями внутренних водоемов. Предложена, разработана и программно реализована модификация k-ε-схемы перемешивания, позволяющая уточнить влияние плотностной стратификации и сдвига скорости на турбулентный перенос импульса и скалярных субстанций в толще воды, в частности, через термоклин. Модифицированная схема включена в единый гидродинамический код, разрабатываемый в НИВЦ МГУ и объединяющий как RANS, так и DNS (Direct Numerical Simulation, прямое численное моделирование), LES (Large-Eddy Simulation, вихреразрешающее моделирование) подходы для расчета геофизических турбулентных течений при высоком пространственном и временном разрешении. Использование предложенной руководителем проекта модификации позволило разработать модель турбулентного переноса, допускающую существование турбулентности при значениях градиентного числа Ричардсона выше критического. Подтверждена принципиальная роль предложенной модификации замыкания при расчете термодинамики водоема в условиях сформировавшегося термоклина. Предложена, разработана и реализована трехмерная модель генерации, переноса и стока биогеохимических примесей (растворенных газов и твердого углерода) в водоемах суши, дополняющая модель термогидродинамики замкнутого водного объекта. Численные эксперименты с применением разработанной модели продемонстрировали, что она позволяет получить полные трехмерные поля концентраций растворенных в воде веществ, а также дать оценки как вертикальной, так и горизонтальной изменчивости потоков парниковых газов, что необходимо для параметризаций водоемов суши в глобальных моделях, направленных на исследование климата Земли и механизмов его формирования.

Основным результатом выполнения настоящего проекта станет расширение существующих в настоящее время представлений о физических механизмах и биогеохимических процессах , определяющих как формирование термогидродинамической структуры внутренних водоемов, так и турбулентный обмен между ними и атмосферой (включая парниковые газы). Исследования, запланированные в рамках проекта, позволят дать не только качественные, но и количественные оценки вклада эффектов, связанных с перераспределением массы и горизонтального градиента давления, обусловленных ветровым нагоном, а также с особенностями рельефа дна, в формирование структуры термогидродинамических и биогеохимических полей, потоков парниковых газов атмосферу в озерах и водохранилищах.