Исследование процессов в геофизических пограничных слоях и создание новых подходов для их параметризации в моделях Земной системыНИР

Research of geophysical boundary layer processes and the development of novel approaches in their parameterizations for Earth system models

Соисполнители НИР

Институт вычислительной математики им. Г.И.Марчука РАН Координатор

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 июня 2024 г.-31 декабря 2024 г. Разработка новых интерфейсов для подключения блоков пограничного слоя атмосферы и океана к моделям Земной системы
Результаты этапа: Блок приземного слоя дополнен новыми параметризациями и схемами расчета турбулентных потоков: усовершенствовано описание механизма подъема и переноса снежных частиц над поверхностью и влияние этого процесса на степень устойчивости атмосферы; внедрен безытерационный алгоритм нахождения параметра устойчивости при устойчивой стратификации. Рассмотрена возможность использования алгоритмов расчета турбулентных потоков, основанных на методах машинного обучения, созданы интерфейсы и адаптирована программная реализация для подключения их к блоку приземного слоя. Созданы интерфейсы для подключения блока приземного слоя к МЗС ИВМ РАН и модели деятельного слоя суши ТerM. Проведена проверка корректности работы модуля и интерфейсов путем сравнения с оригинальными версиями МЗС ИВМ РАН и моделью TerM. Проведено тестирование блока приземного слоя в различных конфигурациях как в ''оффлайн'' режиме, так и при внедрении его в МЗС ИВМ РАН и модель деятельного слоя суши ТerM. Численные эксперименты с различными функциями устойчивости в климатической модели ИВМ РАН выявили значимую чувствительность модели к их определению как на региональном, так и на планетарном масштабе. Показано, что модельный климат демонстрирует наибольшую чувствительность к виду универсальных функций для неустойчивой стратификации. Существенные региональные эффекты отмечены в наиболее ''проблемных'' для климатических моделей районах -- областях со слоисто-кучевой облачностью в тропиках и субтропиках, в экваториальной зоне, в Арктике и Антарктиде. На основе сравнения с реанализами подобран оптимальный вариант алгоритма вертикальной интерполяции в приземном слое, который наилучшим образом воспроизводит приземные скорость ветра, температуру и влажность, обязательные для выдачи климатической модели. Показано, что использование ''конструктора'' приземного слоя, позволяющего специализировать параметризации передачи тепла и импульса для каждого из типов поверхности, приближает рассчитываемые значения температуры и скорости ветра к референсным значениям (реанализу). Блок приземного слоя подключен к модели TerM с возможностью выбора функций устойчивости и параметризаций шероховатости, реализованы алгоритмы подсеточного осреденения параметров динамической и термической шероховатости по ячейке (расчет эффективных значений). Проведены тестовые расчеты с разными вариантами конфигурации блока приземного слоя длительностью до 30 лет с предписанным воздействием атмосферы, показавшие корректность работы всех используемых конфигураций. Также усовершенствование параметризаций и алгоритмов осреднения шероховатости позволило заметно уменьшить ошибку модели в воспроизведении максимальных годовых снегозапасов в Европейской части России. В дальнейшем планируется реализация в блоке приземного слоя возможности учета нескольких типов подстилающей поверхности внутри одной ячейки. Для этого будет использован метод агрегирования потоков в нескольких вариантах, в разной степени учитывающих влияние неоднородностей на приземный слой. Реализация этого метода будет оптимально соответствовать использованию плиточного подхода к учету неоднородностей в модели деятельного слоя TerM. Также планируется добавление методов, позволяющих обобщить теорию подобия Монина-Обухова применительно к слою шероховатости, что представляется важным для описания типов поверхности ''лес'' и ''город''. Разработана новая версия интерфейсов модуля пограничного слоя атмосферы. Произведено подключение модуля к МЗС ИВМ РАН и проведено тестирование корректности работы модели. Результаты численных экспериментов по воспроизведению современного климата показывают незначительные отличия от оригинальной версии МЗС при использовании аналогичных параметров параметризаций АПС. Система конфигурирования и сборки выделенного модуля АПС адаптирована для сопряжения с системой автоматического тестирования МЗС. Проведен анализ параметризаций в одноколоночной версии блока пограничного слоя атмосферы с использованием системы тестирования. По результатам исправлены наиболее грубые допущения в численной реализации модуля в оригинальной версии модели АПС. Показано, что основные ошибки расчетов связаны с низким вертикальным разрешением сетки атмосферной модели, которые значимы и при использовании замыканий более высокого порядка. Другим недостатком является неудовлетворительное воспроизведение динамики слоисто-кучевой облачности и несогласованность оригинальной параметризации мелкой конвекции с параметризациями перемешивания в сухом конвективном пограничном слое, а также несогласованность описания испарения облачной влаги и связанного с ним уменьшения доли облачности. Обособленный модуль АПС был дополнен турбулентным замыканием с прогностическим уравнением для КЭТ и диагностическим соотношением для расчета турбулентного масштаба длины, параметризацией противоградиентного переноса в сухом КПС. Параметризация противоградиентного переноса была реализована в формализме ''mass-flux'', что позволило добиться согласованного описания перемешивания в подоблачном слое и мелкой конвекции. В диагностическом блоке АПС был реализован набор алгоритмов определения высоты пограничного слоя как для возможности более корректного сравнения с данными реанализа, так и для уточнения турбулентных замыканий, в которых высота ПС входит как интегральный масштаб. Также в новом блоке АПС был расширен подмодуль диагностики. Проведенное ''онлайн'' тестирование показало перспективность использования в МЗС ИВМ РАН нового определения высоты пограничного слоя по интегральному числу Ричардсона и новых параметризаций противоградиентного переноса. Предложен набор перспективных параметризаций для внедрения в блок пограничного слоя, в том числе для учета влияния подсеточной неоднородности поверхности и урбанизированных территорий на процессы обмена, уточнения описания турбулентного перемешивания для моделей с грубой вертикальной сеткой. Архитектура и программная реализация блока АПС была адаптирована под их внедрение на следующих этапах проекта. Создан автономный блок пограничного слоя океана (ОПС) на основе параметризаций МЗС ИВМ РАН. Блок переработан с точки зрения как архитектуры, так и модификации описания вертикального турбулентного перемешивания. Программный код реализован на основе модульной архитектуры и допускает возможность сопряжения с компонентами МЗС с помощью разработанных в ходе выполнения проекта специализированных интерфейсов. В одноколоночной модели ОПС представлен расширенный набор турбулентных замыканий различной вычислительной сложности и детальности описания процессов перемешивания в верхнем слое океана. Подготовлены отдельные модули, содержащие прототипы функций для описания вклада в перемешивание физических эффектов, ранее не учитываемых в МЗС ИВМ РАН: обрушающихся и необрушающихся волн, ленгмюровских циркуляций, двойной диффузии, схемы потока массы для параметризации нелокального переноса. Создана и поддерживается система контроля версий для разработки и сопровождения программного кода модели пограничного слоя океана. Разработана система тестирования для оценки качества работы блока пограничного слоя океана и отдельных его компонент. Система тестирования для независимой версии состоит из широкого набора постановок численных экспериментов и базы данных, объединяющей наборы референсных значений для представленных случаев. База данных включает в себя результаты прямого и вихреразрешающего моделирования, данные специализированных натурных наблюдений и лабораторного эксперимента. Для проведения численных экспериментов с предписанным атмосферным воздействием и расчета потоков на поверхности океана подключена модель приземного слоя. Система тестирования для блока ОПС в рамках МСЗ подразумевает сравнение результатов расчетов климатической модели с описанием турбулентного перемешивания в исходной версии и в модифицированной, а также сравнение с данными глобальных метеорологических реанализов. Выполнено подключение обновленного блока к МЗС ИВМ РАН с помощью разработанного в рамках проекта интерфейса и проведены предварительные тесты, направленные на сравнение нового блока с оригинальной версией модели. По результатам тестирования определены основные направления дальнейшего развития модели океанического пограничного слоя. Проведено исследование вычислительной эффективности разработанных программных кодов блока приземного слоя и моделей пограничного слоя атмосферы и океана. По результатам профилирования показано, что основные узкие места программной реализации связаны с большим числом обращений к оперативной памяти, низкой степенью использования кэш-памяти и недостаточной векторизацией инструкций. Возможные способы дальнейшей оптимизации программного кода моделей -- сокращение количества условных операторов и улучшение взаимодействия с памятью, что может существенно повысить вычислительную эффективность как на CPU, так и на GPU. Проведен обзор возможных к подключению сторонних пакетов и библиотек для поддержки параллельных вычислений и реализации численных методов с учетом выполнения расчетов на суперкомпьютерах гибридной архитектуры, включающих центральные процессоры и графические процессоры. По результатам работы опубликованы или приняты к печати 5 статей (WoS/Scopus) в ведущих рецензируемых журналах, из них 2 статьи в Q1/Q2; 3 статьи в сборниках конференций (Scopus); зарегистрированы 3 РИД программы для ЭВМ; 1 статья (WoS/Scopus) находится на этапе рецензирования. Результаты текущего этапа работы были представлены: на конференции ''Национальная модель Земной системы: теория, технологии и результаты'' (20-22 февраля 2024, г. Сочи); на международной конференции по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды ENVIROMIS-2024 (1-6 июля 2024, г. Томск); на конференции ``Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах'' (23-25 октября 2024, г. Москва); на V всероссийской конференции с международным участием ''Турбулентность, динамика атмосферы и климата'' посвященной памяти академика Александра Михайловича Обухова (19–21 ноября 2024, г. Москва); на международных конференциях ''Frontiers of Nonlinear Physics'' (1-6 сентября 2024) и ''International Radiation Symposium 2024'' (17-21 июня 2024, г. Ханчжоу, Китай), ''Mediterranean Geosciences Union 4th Annual Meeting (MedGU-2024)'' (25-28 ноября 2024, г. Барселона, Испания), а также в виде пресс-релизов на портале Научная Россия (https://scientificrussia.ru/).

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".

Прикрепленные файлы


Имя Описание Имя файла Размер Добавлен
1. Полный отчет FNTP_full_report_2024.pdf 28,1 МБ 26 декабря 2024 [takeit8ezi]