ИСТИНА

Схемы параметризации деятельного слоя суши являются неотъемлемой частью моделей климата и прогноза погоды. В рамках общей тенденции сближения технологий моделирования погоды и климата (National Research Council, 2012), породившей понятие “бесшовного прогноза”, к схемам деятельного слоя суши начинают предъявляться новые требования, в частности, необходимость учёта физических и биогеохимических процессов с характерными временами в широком диапазоне масштабов. Данное требование естественно удовлетворяется в унифицированных моделях термодинамики и гидрологии суши, пригодных для использования как в прогнозе погоды, так и в расчётах состояния Земной системы на климатических масштабах времени. В России единственной такой моделью является схема суши ИВМ РАН-МГУ, модификации которой внедрены в модель Земной системы ИВМ РАН (Volodin et al., 2018) и в полулагранжеву модель прогноза погоды ПЛАВ (Fadeev et al., 2016). Гидрологический цикл суши играет важнейшую роль в формировании погоды и климата (см. раздел “Акуальность исследования”), и его представление в упомянутых выше моделях требует непрерывного совершенствования в процессе их развития, связанного с постоянным ростом доступных вычислительных ресурсов. Схема суши ИВМ РАН МГУ, с одной стороны, содержит уникальные для подобного рода моделей компоненты (например, параметризации озёр и рек), а с другой – уступает ведущим моделям в представлении таких важных процессов гидрологического цикла как, в частности, стокообразование. В то же время, ряд параметризаций процессов энергообмена на подстилающей поверхности, используемых в современных мировых ведущих моделях, также могут быть пересмотрены в свете новых экспериментальных и теоретических результатов (см. “Анализ современного состояния”). Целью предлагаемого проекта является создание новой, более детальной, схемы параметризации ключевых процессов гидрологического цикла суши для моделей Земной системы и технологий прогноза погоды, отвечающей и в ряде отношений превосходящей современный уровень ведущих подобных моделей.

The hydrological cycle of land contributes significantly to the formation of weather and climate. Its representation in Earth system models and weather forecast systems requires continuous improvement, given the rapid growth of available computing resources. This project aims for development of a new version of the INM RAS-MSU land surface scheme, bringing it to the level of leading models in terms of representation of the physical mechanisms of water budget of river basins in mid and high latitudes. The model is currently used to represent atmosphere/land surface interactions in the framework of the INM RAS Earth system model and the weather forecast system PLAV. Improvement of the land model will be an important part in preparation of INM RAS Earth System model consortium for the next stage of the CMIP project. The development of the model will base both on the results achieved recently in land hydrology and soil physics, and on original parameterizations of physical processes. During the project, the model will be supplemented by the following new parameterization blocks: - advanced parameterizations of vertical heat and moisture transfer in soil, using new knowledge of molecular diffusion and thermal conductivity mechanisms in porous media and the relationship between the moisture potential and moisture content; - a new parameterization of heat and moisture transfer in the moss cover; - a block describing the processes of snow accumulation in high vegetation, taking into account the partitioning of precipitation between the canopy and subcanopy surface, modification of the radiation and turbulent exchange of snow-covered forests with the atmosphere; - a new physically based scheme for calculating the dynamic and thermal roughness coefficients for land surface, taking into account the dependence of these parameters on the surface layer state, phenophases of vegetation, the state of snow cover, and the fractions of the surface types. Verification and calibration of the model will be carried out both basing on targeted in-situ measurements of thermal and moisture conditions in soil at the Meteorological Observatory of Moscow State University, as well as using the data on components of the hydrological cycle averaged over various spatial scales. The latter includes the runoff of plain rivers in Russia, measured at gauging stations, as well as satellite data on the land moisture content trends of the GRACE project. At the final stage of the project, the first simulations will be performed using the updated version of the model following the protocol of the international project for the comparison of river basin models ISIMIP-Water (https://www.isimip.org).

Основным результатом проекта будет новая версия модели деятельного слоя суши ИВМ РАН-МГУ, соответствующая уровню ведущих моделей в части описания ключевых физических механизмов формирования составляющих гидрологического цикла речных бассейнов в умеренных и высоких широтах. Модель предназначена для описания взаимодействия атмосферы с подстилающей поверхностью в рамках модели Земной системы ИВМ РАН и системы прогноза погоды ПЛАВ. Усовершенствование модели деятельного слоя суши будет важной составляющей подготовки консорциума модели Земной системы ИВМ РАН к следующему этапу проекта CMIP. Развитие модели будет происходить с привлечением как результатов, достигнутых за последнее время в смежных областях (в гидрологии суши и физике почв), так и с использованием оригинальных параметризаций физических процессов. В ходе проекта в модель будут включены следующие блоки параметризаций: – усовершенствованные параметризации вертикального тепло- и влагопереноса в почве, использующие новые знания в физике почв о механизмах молекулярной диффузии в пористых средах и связи потенциала влаги с влагосодержанием; -- новая параметризация тепло- и влагопереноса в моховом покрове; – блок описания процессов снегонакопления в высокой растительности, с учётом разделения твёрдых осадков между кронами и пологом, модификации радиационного и турбулентного обмена снежного покрова с атмосферой; – новая физически обоснованная схема расчёта коэффициентов динамической и термической шероховатости суши, учитывающая зависимость этих параметров от состояния приземного слоя, фенофаз растительности, долей типов подстилающей поверхности. Проверка и калибровка модели будет осуществлена как на данных специально организованных in-situ измерений термического и влажностного режима почвы, так и по осреднённым на различных пространственных масштабах составляющим гидрологического цикла. В качестве последних будет использован сток равнинных рек России, измеренный на гидрометрических постах, а также спутниковые данные о тенденции влагосодержания суши проекта GRACE. На заключительном этапе проекта будут осуществлены первые расчёты по обновлённой версии модели в соответствии с протоколом международного проекта сравнения моделей речного стока ISIMIP-Water (https://www.isimip.org).

Гидрологический цикл суши играет важнейшую роль в формировании погоды и климата. Его представление в моделях Земной системы и системах прогноза погоды требует непрерывного совершенствования, связанного с постоянным ростом доступных вычислительных ресурсов. Настоящий проект направлен на создание новой версии модели деятельного слоя суши ИВМ РАН-МГУ, соответствующей уровню ведущих моделей в части описания физических механизмов формирования водного баланса речных бассейнов в умеренных и высоких широтах. Модель в настоящее время используется для описания взаимодействия атмосферы с подстилающей поверхностью в рамках модели Земной системы ИВМ РАН и системы прогноза погоды ПЛАВ. В ходе проекта в модели были внедрены следующие блоки параметризаций: – усовершенствованные параметризации вертикального теплопереноса (4 параметризации) и влагопереноса в почве, включающие эффекты криовсасывания, задержки гравитационного переноса воды при наличии льда, переноса жидкой влаги за счёт градиента температуры, диффузии водяного пара в поровом пространстве согласно обобщённой степенной зависимости коэффициента диффузии от полной пористости и объёмного содержания газа; – блок описания процессов снегонакопления в высокой растительности, учитывающий разделение твёрдых осадков между кронами и пологом, специфику радиационного режима лесного полога; – новая схема подготовки данных о маршрутизации речных потоков на пространственных разрешениях, характерных для моделей погоды и климата (с шагом сетки >0.1 град.). Кроме того, в модели усовершенствованы схемы расчёта устьичного и аэродинамического сопротивления, применяемые для параметризации потоков явного и скрытого тепла. Уточнены глобальные карты по входным параметрам модели: листовому индексу (в новой версии модели используются данные MODIS) и площади типов растительности (по карте ИКИ РАН). Проверка и калибровка модели осуществлена как с привлечением данных специально организованных in-situ измерений термического и влажностного режима почвы в Метеорологической обсерватории МГУ, так и по осреднённым на различных пространственных масштабах составляющим гидрологического цикла. В качестве последних использован сток равнинных рек России (Северная Двина, Печора, Онега, Мезень), наблюдаемый на гидрометрических постах, а также спутниковые данные о тенденции влагосодержания деятельного слоя проекта GRACE. Продемонстрировано качественное улучшение метрик ошибки модели по составляющим водного баланса бассейнов этих рек и аномалиям влагосодержания деятельного слоя. Подготовлена конфигурация модели для массовых расчётов по протоколу международного проекта сравнения моделей речного стока ISIMIP-Water (https://www.isimip.org).