Многомасштабное моделирование турбулентных атмосферных течений над поверхностью океана с неоднородным ледовым покровомНИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2012 г.-31 декабря 2012 г. 1 год
Результаты этапа: В мезомасштабную атмосферную модель NH3D были включены два нелокальных замыкания турбулентности, для использования в условиях неустойчивой стратификации. Для случая устойчивой стратификации включено локальное замыкание, в котором коэффициент турбулентного обмена задается в соответствии с характерной длиной пути смешения. Проведена верификация этого замыкания на основе сравнения с результатами вихреразрешающих моделей для идеализированного случая устойчивого АПС надо льдом в Арктике, рассмотренного в эксперименте GABLS I. Проведена верификация модели NH3D с включенными в нее параметризациями турбулентного обмена на основе сравнения результатов воспроизведения случая холодного вторжения в проливе Фрама 4-го марта 1993 года с данными наблюдений. Модель хорошо воспроизвела прогрев и рост конвективного АПС. Для обобщения существующей в NH3D параметризации микрофизических процессов на случай отрицательных температур были использованы соответствующие параметризации из работы Лина и соавт. (Lin et al., 1983). Эти переходы включены также в версию модели для многопроцессорных систем с распределенной памятью NH3D_MPI. Первые результаты модели с учетом микрофизических процессов при отрицательной температуре заключаются в следующем. Локальное турбулентное замыкание без учета микрофизики не позволяет воспроизвести характерной вертикальной структуры конвективного АПС в высоких широтах. В частности, не удалось получить слабо устойчивую стратификацию в верхнем слое АПС, толщиной примерно 2/3 толщины АПС. В то же время, учет выделения тепла при конденсации атмосферной влаги привел к тому, что результаты моделирования даже с использованием локального замыкания оказываются близки к наблюдениям. В численных экспериментах вихреразрешающей модели воспроизводился устойчиво стратифицированный поток воздуха, натекающий с покрытого льдом участка на открытую, значительно более теплую (разница температуры поверхностей 22°С), воду. В качестве начальных профилей скорости ветра и потенциальной температуры, а также условий на нижней границе (параметр шероховатости, температура) для экспериментов заимствовались данные одномерной версии модели METRAS. Проводились две серии экспериментов с пространственным разрешением 20 м и 10 м по всем координатам и с шагом по времени равным 0.1 с. Время интегрирования - 1.5 часа. Эксперименты выходят на стационарный режим примерно за 40 минут модельного времени. В обоих случаях начальный профиль температуры в устойчиво стратифицированной части области оказался неустойчивым, так как начальный перемешенный приземный слой в ходе эксперимента увеличивался на несколько десятков метров, причем большее увеличение наблюдалось в эксперименте с более грубым пространственным разрешением. Наиболее вероятно, что это связано с тем, что для расчёта приземных потоков тепла и импульса в вихреразрешающей модели и одномерной версии METRAS используются различные виды универсальных функций, а также с различным турбулентным замыканием и разрешением по вертикали. Что касается развития конвективного пограничного слоя, то к моменту выхода решения на стационарный режим зависимость его высоты от расстояния до границы «лед/открытая вода» в первом приближении совпадает с аналитическим решением (h~x**(0.5)). При этом, высота КПС вырастает до 180 м на расстоянии 7 км от кромки льда по параллельной потоку оси. В вихреразрешающую модель включена удельная влажность в качестве пассивной примеси. В дальнейшем планируется включить процессы конденсации. В январе-феврале 2013 г. проведены натурные измерения основных метеорологических величин в приземном слое, а также пульсаций скорости и температуры (акустическим анемометром) в условиях очень устойчивой стратификации на п-ве Киндо (Белое море). Была зафиксирована аномальная инверсия в нижней части пограничного слоя. Измерялась также толщина конвективного пограничного слоя над полыньей в проливе Большая Салма (Белое море). Предложена интегральная модель толщины конвективного АПС над полыньей конечных размеров, учитывающая прогрев конвективного АПС и боковое вовлечение воздуха из фонового устойчивого АПС. Модель калибрована на данных измерений.
2 1 января 2013 г.-31 декабря 2013 г. 2 год
Результаты этапа: Проведено тестирование параметризаций микрофизических процессов в мезомасштабной атмосферной модели ReMeDy (Research Mesoscale Dynamics, основана на программном коде модели NH3D). В численных экспериментах воспроизведено холодное вторжение в прикромочной зоне морского льда, наблюдавшееся в проливе Фрама к северо-западу от Шпицбергена. Дождя в данном эксперименте не образуется. Наибольших значений осредненные по высоте конвективного пограничного слоя (КПС) массовые концентрации облачного льда и облачной воды достигают вблизи кромки льда, а затем убывают и на расстоянии порядка 150 км от кромки льда практически перестают меняться. Суммарная массовая концентрация твердой фазы существенно превышает содержание жидкой фазы. Однако, важным является сам факт наличия переохлажденной влаги в облаках в КПС при температуре воздуха порядка -20 ... -30 С, что согласуется с данными наблюдений (Моррисон и др., 2013). Оказалось также, что прогрев КПС за счет конденсации мал по сравнению с прогревом за счет потока явного тепла на поверхности и составляет около 0.5 С. Высота нижней границы облачности в модели составляет порядка 0.6*z_i, где z_i - высота КПС. Полученная вертикальная структура, а также абсолютные значения массовых концентраций хорошо согласуются с опубликованными результатами наблюдений и моделирования. В вихреразрешающую (LES) модель ИВМ РАН включены уравнения переноса-диффузии с фазовыми переходами для пяти категорий влаги и использованием параметризаций фазовых переходов из мезомасштабной модели. Постановка численных экспериментов с вихреразрешающей моделью в части начальных условий и граничных условий на подстилающей поверхности совпадает с постановкой экспериментов с мезомасштабной моделью. Разрешение модели по всем координатам - 10 м, шаг по времени - 0.1 с. Длина расчетной области по направлению север-юг составила 10240 м. Оказалось, что учет микрофизических процессов вызывает небольшое нагревание конвективного пограничного слоя (КПС) - на 0.2 К на расстоянии 10 км от кромки полыньи, а также повышение его верхней границы на 20-30 м (5-15% от высоты КПС). Этот результат согласуется с другими исследованиями. Несмотря на то, что влияние микрофизических процессов на динамику КПС оказалось в наших экспериментах малым, явное воспроизведение содержания гидрометеоров в воздухе позволит в будущем рассматривать в модели LES поглощение и излучение радиации в туманах над полыньями. В ходе экспедиции на Белое море (Беломорская биологическая станция МГУ имени М.В.Ломоносова) в конце января - начале февраля 2013 г. были выполнены следующие измерения: компоненты скорости ветра и температура (акустический анемометр Gill), нисходящая и восходящая коротковолновая и длинноволновая радиация (пиранометры Kipp & Zonnen), влажность воздуха и давление (автоматическая метеорологическая станция Davis Instruments II), температура на разных глубинах в снежном покрове (почвенная станция Davis Instruments). Были вычислены и сопоставлены между собой потоки явного и скрытого тепла по методу теплового баланса, по методу ковариации пульсаций и по теории подобия Монина-Обухова. В ходе экспедиции на Кроноцкое озеро 2013 г. в юго-восточной части озера был установлен (заякорен) катамаран с оборудованием, необходимым для исследования взаимодействия водоема с атмосферой и вертикального распределения температуры в водоеме. Были установлены следующие приборы: автоматическая метеорологическая станция Davis Instruments, акустический анемометр Gill WindMaster, датчики температуры воды StarOddi и измерители фотосинтетически активной радиации на трех глубинах. Измерения проводились с середины июля по середину сентября. Данные акустического анемометра были обработаны с помощью инерционно-диссипационного метода - в результате были получены потоки тепла и импульса в приводном слое воздуха. Кроме того, эти потоки были рассчитаны по теории Монина-Обухова с учетом изменчивости коэффициента шероховатости и влияния брызг на стратификацию. Проведено первое сопоставление натурных и теоретических данных, однако выводы о применимости обобщенной указанным образом теории Монина-Обухова к условиям измерений пока делать рано. Кроме того, датчики StarOddi были размещены в приповерхностном слое воды в северной, центральной и юго-западной частях водоема. Датчики фиксировали температуру воды, начиная с середины июля по середину сентября. Результаты этих измерений подтверждают наличие существенного горизонтального градиента температуры перемешанного слоя в пределах водоема.
3 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. 3 год
Результаты этапа: Настоящий проект посвящен многомасштабному моделированию атмосферного пограничного слоя над неоднородным ледовым покровом. В проекте осуществлена валидация развиваемой коллективом проекта мезомасштабной атмосферной модели ReMeDy (Research Mesoscale Dynamics) на данных наблюдений реального холодного вторжения с поверхности льда в проливе Фрама. Показано, что разработанная модель удачно воспроизводит основные характеристики конвективного пограничного слоя (КПС) такие как вертикальный профиль температуры, высоту КПС и др. В модель включены параметризации процессов фазовых переходов влаги в т.ч. при отрицательных значениях температуры и показано, что фазовые переходы играют незначительную роль в развитии КПС. Аналогичные численные эксперименты по воспроизведению сухого и влажного КПС при натекании холодного воздуха со льда на воду были проведены и с вихреразрешающей (LES - Large Eddy Simulation) моделью ИВМ РАН - НИВЦ МГУ. Для этого в эту модель также было включено описание фазовых переходов влаги при отрицательных значениях температуры. Результаты расчетов также оказались в согласии с имеющимися теоретическими и натурными данными о развитии КПС и также показали малую роль фазовых переходов в энергетике КПС. Помимо влияния фазовых переходов на КПС в окрестности кромки льда была также оценена роль неоднородности кромки льда: на основе расчетов с моделью ReMeDy был подтвержден недавно установленный в LES-расчетах эффект (Gryshka et al., 2014): наличие выступов и "заливов" вдоль кромки льда инициирует развитие валиковой конвекции внутри КПС. В проекте также уделено внимание проблеме развития параметризации КПС для климатических моделей: с помощью модели LES ИВМ РАН - НИВЦ МГУ оценена точность параметризации роста однородного КПС Зилитинкевича (Zilitinkevich et al., 2012), обнаружена область параметров, где эта параметризация неприменима. Кроме модельных исследований, в рамках проекта осуществлены экспедиции на Белое море и п-ов Камчатку, в которых исследовался ряд аспектов формирования потоков тепла и импульса надо льдом и открытой водой.

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".