![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
Интеллектуальная Система Тематического Исследования НАукометрических данных |
||
Тема выполняется в рамках мероприятия «Усовершенствование глобальной модели Земной системы мирового уровня для исследовательских целей и сценарного прогнозирования климатических изменений». Целью работы является исследование процессов в пограничных слоях (атмосферы, океана и вод суши) и разработка их параметризаций для моделей Земной системы.
The research is carried out within the "Improvement of the global Earth system world-class model for research purposes and scenario projections of climate change" project and includes the following tasks: development of boundary layer models of the atmosphere, ocean and land water bodies, their numerical and software implementation on high-performance computing systems; development of software interfaces for the implementation in Earth system models; improvement of subgrid dynamics parametrizations in climate models for accurate reproduction of exchange processes in the boundary layers.
В 2025 г. будут разработаны новые интерфейсы для подключения блоков пограничного слоя атмосферы и океана к МЗС. Запланированы следующие результаты: 1. Новая версия интерфейса для подключения модели приземного слоя к моделям пограничного слоя атмосферы, океана и деятельного слоя суши. 2. Новая версия интерфейса модуля атмосферного пограничного слоя. Будет выполнено подключение интерфейса к модели МЗС ИВМ РАН и проведено сравнение с оригинальной версией модели. 3. Результаты анализа и тестирования компонент и параметризаций пограничного слоя атмосферы, используемых в модели МЗС ИВМ РАН. Набор перспективных параметризаций для включения в модель МЗС ИВМ РАН. 4. Результаты анализа и тестирования модели пограничного слоя атмосферы на предмет узких мест по вычислительной эффективности, использованию памяти и необходимости подключения внешних программных пакетов и библиотек. 5. Новая версия интерфейса блока приземного слоя атмосферы для подключения к моделям Земной системы. Будет выполнено подключение интерфейса к модели МЗС ИВМ РАН и проведено сравнение с оригинальной версией модели. 6. Результаты анализа и тестирования компонент и параметризаций блока приземного слоя, используемых в модели МЗС ИВМ РАН. Набор перспективных параметризаций для включения в модель МЗС ИВМ РАН. 7. Система тестирования модели пограничного слоя океана, включающая базу данных прямого и вихреразрешающего моделирования, данные лабораторных и натурных измерений. 8. Система поддержки и контроля версий для модели пограничного слоя океана. 9. Результаты анализа возможности внедрения в МЗС ИВМ РАН перспективных параметризаций процессов обмена атмосферы с неоднородной подстилающей поверхностью. Будет составлен набор параметризаций для включения в МЗС ИВМ РАН и определены необходимые модификации в моделях пограничного и приземного слоя. 10. Результаты анализа и тестирования структуры оригинальной версии модели пограничного слоя океана на предмет узких мест по вычислительной эффективности, использованию памяти и необходимости подключения внешних программных пакетов и библиотек. 11. Новая версия интерфейса модуля океанического пограничного слоя. Будет выполнено подключение интерфейса к модели МЗС ИВМ РАН и проведено сравнение с оригинальной версией модели. 12. Результаты анализа возможности внедрения в МЗС ИВМ РАН перспективных параметризаций процессов обмена атмосферы с урбанизированным территориями. Будет составлен набор параметризаций для включения в МЗС ИВМ РАН и определены необходимые модификации в моделях пограничного и приземного слоя.
Коллектив научной группы участвовал в разработке модели Земной системы ИВМ РАН (Володин и др., 2016). Имеет опыт работы с мезомасштабными моделями атмосферы (Varentsov et al., 2018); разработки и внедрения параметризаций для моделей прогноза погоды и климата (Chechin and Lupkes, 2017; Debolskiy et al., 2023); изучения процессов турбулентного обмена в пограничных слоях атмосферы, океана и внутренних водоемов суши, в том числе с помощью методов прямого и вихреразрешающего моделирования течений (Zasko et al., 2019; Zasko et al., 2022); программной реализации численных моделей для современных суперкомпьютерных систем, в частности, гибридной архитектуры (Mortikov and Debolskiy, 2021; Боресков и др., 2012). Научные исследования коллектива регулярно представляются на крупных международных конференциях по тематике работ: Европейского геофизического сообщества (EGU), Европейского метеорологического сообщества (EMS), Американского физического сообщества (APS). Коллектив имеет опыт участия в международных проектах, в том числе в рамках соглашения с МинОбрНауки № 075-15-2021-1399 по проекту «Мегаполис как остров загрязнения и тепла: междисцплинарный гидроклиматический, геохимический и экологический анализ (Megapolis - heat and pollution island: interdisciplinary hydroclimatic, geochemical and ecological analysis)» Коллектив имеет доступ к вычислительным ресурсам Суперкомпьютерного центра МГУ и Межведомственного суперкомпьютерного центра РАН.
Институт вычислительной математики им. Г.И.Марчука РАН | Координатор |
госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию) |
# | 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/). |
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".
№ | Имя | Описание | Имя файла | Размер | Добавлен |
---|---|---|---|---|---|
1. | Полный отчет | FNTP_full_report_2024.pdf | 28,1 МБ | 26 декабря 2024 [takeit8ezi] |