Углеродный цикл в системе "озеро-атмосфера": наблюдения и моделирование/Суперкомпьютерное моделирование многомасштабного взаимодействия турбулентного пограничного слоя атмосферы с гидрологически неднородной поверхностью ЗемлиНИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 июля 2014 г.-31 декабря 2014 г. Углеродный цикл в системе "озеро-атмосфера": наблюдения и моделирование/Суперкомпьютерное моделирование многомасштабного взаимодействия турбулентного пограничного слоя атмосферы с гидрологически неднородной поверхностью Земли
Результаты этапа: 1.Выполнена серия расчетов турбулентных течений над неоднородными поверхностями, имитирующими лесные озера. Расчеты проводились путем совместного интегрирования двух LES-моделей. Первая из них предназначена для генерации согласованного с модельной динамикой нестационарного граничного условия для второй модели, в расчетной области которой расположен изучаемый объект - «озеро», имеющее форму эллипса с полуосями 200 м и 60 м. Геометрия моделируемого объекта выбрана близкой к геометрии финского озера Валькеа-Котинен, для которого имеются подробные пульсационные измерения атмосферной турбулентности в приводном слое. Поверхность, имитирующая лес, задавалась массивом объектов простой формы, создающих аэродинамическую шероховатость с параметрами, характерными для лесной растительности. Пространственный шаг сетки моделей равен 0.5 метра, а максимальный сеточный размер расчетной области в численных экспериментах составлял около 134 млн. узлов. Расчеты проводились с шагом 0.025 сек на срок около одного часа модельного времени, достаточного для установления квазистационарного состояния и вычисления статистических характеристик турбулентности. Серия экспериментов выполнена для устойчивой и неустойчивой стратификации над озером, при различной высоте «деревьев» и при разных направлениях ветра. Исследованы закономерности турбулентного обмена теплом и импульсом между атмосферой и поверхностью озера. Наиболее важный обнаруженный эффект заключается в слабой чувствительности статистических характеристик турбулентного течения к термической стратификации. Это обусловлено тем, что значительная часть генерации кинетической энергии турбулентности связана со сдвигом ветра, расположенным на высоте деревьев. Этот механизм обеспечивает более интенсивное турбулентное перемешивание над поверхностью озера, чем перемешивание над однородной поверхностью с теми же аэродинамическими характеристиками. В первом приближении можно рассматривать турбулентный перенос тепла и влаги над поверхностями небольших по размеру водоемов, окруженных лесом, как процесс близкий к переносу пассивных скаляров. Выявлено, что неоднородность подстилающей поверхности может приводить к значительной интенсификации турбулентного перемешивания при устойчивой стратификации. Это в равной степени касается и любой другой неоднородной поверхности с чередованием типов растительности и может быть одной из причин занижения интенсивности турбулентного обмена при устойчивой стратификации в современных прогностических и климатических атмосферных моделях. Еще один вывод, следующий из результатов расчетов, касается интерпретации результатов натурных пульсационных измерений над поверхностью водоемов. Было обнаружено, что турбулентные потоки импульса, даже на сравнительно небольшом удалении от поверхности, существенно отличаются от потоков через поверхность раздела. Применение стандартных методик оценки поверхностных потоков импульса, подразумевающих расположение датчиков на высоте ~1.5 м, может привести к большому завышению их значений. Систематическая погрешность измерения (завышающая значение напряжения трения на поверхности в 1.6-1.7 раза) будет присутствовать даже на значительном расстоянии от берега, в 25-30 раз превышающем высоту деревьев. Вблизи берега (на расстояниях менее 15-20 высот деревьев) потоки, измеренные по ковариации пульсаций, в большей степени отражают процесс перемешивания, вызванного наличием сдвига скорости в набегающем потоке на высоте деревьев, и могут принципиально отличаться от напряжений трения на поверхности, в том числе и по пространственному распределению по горизонтали. 2. В вихреразрешающую модель пограничного слоя атмосферы ИВМ РАН – НИВЦ МГУ включен блок расчета лагранжева переноса трассеров. Алгоритм реализован на вычислительных системах с распределенной памятью. Исследовались параметризации «подсеточного» переноса лагранжевых частиц. Предложен простой алгоритм, требующий значительно меньших вычислительных затрат по сравнению с известными стохастическими моделями «подсеточного» переноса и позволяющий переносить до 10 млрд частиц одновременно с вычислением турбулентной динамики. Проведена серия тестовых расчетов с различным пространственным разрешением устойчиво-стратифицированного пограничного слоя атмосферы с одновременным вычислением лагранжева переноса частиц, эмитируемых с поверхности. На основе этих расчетов сравнивались и выбирались оптимальные методы переноса частиц при существенном влиянии «подсеточной» составляющей на динамику моделируемого турбулентного течения. Модифицированная LES-модель была использована для определения следа потоков скаляров с неоднородной поверхности на примере моделирования турбулентных течений над неоднородными природными ландшафтами (мелкомасштабных озер, окруженных лесом). Такое моделирование позволяет уточнить методики проведения натурных измерений над водной поверхностью вблизи берега.
2 29 апреля 2015 г.-31 декабря 2015 г. Углеродный цикл в системе "озеро-атмосфера": наблюдения и моделирование/Суперкомпьютерное моделирование многомасштабного взаимодействия турбулентного пограничного слоя атмосферы с гидрологически неднородной поверхностью Земли
Результаты этапа: В одномерную модель водоема включены параметризации биохимических процессов, связанные с потреблением/выделением кислорода и углекислого газа (фотосинтез, дыхание, аэробное разложение отмершей органики в толще водоема и на его дне), предложенные в работе (Stefan and Fang, 1994). Модель протестирована на данных наблюдений, собранных Университетом Восточной Финляндии на озере в местности Сеида (север Европейской территории России). Достигнуто удовлетворительное согласие с измерениями при минимальном наборе калибруемых параметров. Полученное значение константы генерации метана хорошо согласуется с результатами, полученными для других озер (оз.Куйваярви (Финляндия), оз.Щучье (Северо-Восточная Сибирь) ). На основе результатов идеализированного численного моделирования с помощью негидростатической модели ReMeDy было исследовано формирование струйного течения низкого уровня, возникающего при натекании прогретого воздуха с суши на более холодный водоем. Показано, что струйное течение представляет собой проявление инерционных колебаний, возникающих в результате уменьшения турбулентного трения над поверхностью водоема. Трение над водоемом уменьшается вследствие: 1) меньшей шероховатости и 2) устойчивой стратификации. Эти факторы приводят к формированию низкого устойчивого пограничного слоя над водоемом. Показано, что амплитуда струйного течения зависит от величины агеострофической составляющей скорости ветра над сушей, возникающей вследствие трения. Показано, что величина агеострофической составляющей ветра в пограничном слое над сушей определяется геострофическим числом Экмана. В вихреразрешающую модель пограничного слоя атмосферы ИВМ РАН был включен блок, описывающий взаимодействие турбулентного течения со слоем лесной растительности. Влияние деревьев учитывалось путем включения дополнительного сопротивления, зависящего от листового индекса, распределения плотности растительности по вертикали и высоты деревьев. Проведены расчеты при различных значениях листового индекса. Выявлены особенности обезразмеренных статистических характеристик турбулентного течения над деревьями. Проведено тестирование и сравнение различных методов переноса лагранжевых частиц в вихреразрешающей модели (включая стохастические методы подсеточного переноса). Результаты моделирования сравнивались с данными натурных наблюдений и лабораторными данными. Уточнены алгоритмы переноса лагранжевых трассеров. Выполнено сравнение результатов LES-расчетов с данными расчетов по лагранжевым стохастическим моделям и уточнены параметры таких моделей. Проведены расчеты турбулентного течения и переноса трассеров над неоднородной поверхностью, имитирующей лесное озеро. Получены пространственные распределения по поверхности озера потоков эмитируемых газов, измеряемых на удалении от поверхности.
3 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Углеродный цикл в системе "озеро-атмосфера": наблюдения и моделирование/Суперкомпьютерное моделирование многомасштабного взаимодействия турбулентного пограничного слоя атмосферы с гидрологически неднородной поверхностью Земли
Результаты этапа: 1.С помощью вихреразрешающей модели исследованы закономерности турбулентного обмена теплом и импульсом пограничного слоя атмосферы с неоднородной подстилающей поверхностью, включающей лесные озера. Выявлено, что ее неоднородность может приводить к значительной интенсификации турбулентного перемешивания при устойчивой стратификации. Это может быть одной из причин занижения интенсивности турбулентного обмена при устойчивой стратификации в современных прогностических и климатических атмосферных моделях. Модель дополнена описанием взаимодействия турбулентного течения со слоем лесной растительности путем учета дополнительного сопротивления, зависящего от листового индекса, распределения плотности растительности по вертикали и высоты деревьев. Выявлены особенности статистических характеристик турбулентного течения над деревьями. В модель включен также блок расчета лагранжева переноса трассеров. Модифицированная модель использована для определения следа потоков скаляров с неоднородной поверхности на примере расчета турбулентных течений над неоднородными природными ландшафтами (мелкомасштабных озер, окруженных лесом. 2.Проведено прямое численное моделирование плоскопараллельного стратифицированного течения Куэтта как аналога геофизической турбулентности для числа Рейнольдса, изменявшегося от 5200 до 100000. Рассмотрены особенности структуры турбулентного течения в условиях устойчивой стратификации. Результаты расчетов свидетельствуют об увеличении числа Прандтля c ростом числа Ричардсона. Показано, что турбулентность может поддерживаться при числах Ричардсона, превышающих известные ранее оценки. Она характеризуется сильной пространственной перемежаемостью и наличием крупномасштабных вторичных циркуляцией. 3.Создана одномерная модель для замкнутого водоема (озера), предназначенная для воспроизведения динамики вертикальных профилей температуры, компонент горизонтальной скорости, концентраций кислорода, углекислого газа и метана, в том числе, при наличии внешних и внутренних сейш. В модель включена параметризация биохимических процессов, связанных с потреблением/выделением кислорода и углекислого газа (фотосинтез, дыхание, аэробное разложение отмершей органики в толще водоема и на его дне). С этой моделью проведена серия расчетов для финского озера Куйваярви на период с 1 мая по 31 октября 2013 года с использованием данных наблюдений, проведенных финским партнером (университет г. Хельсинки). Анализ их результатов показал, что разработанная модель озера успешно воспроизводит температуру поверхности, потоки энергии в атмосферу и глубину перемешанного слоя, а также динамику газов в теплый период. При этом, турбулентность, наведенная поверхностными сейшами, может существенно влиять на накопление метана в придонном слое воды. 4.С целью оценки влияния неоднородности кромки ледового покрова водного объекта на атмосферную динамику в условиях холодного вторжения проведена серия численных экспериментов с трехмерной мезомасштабной моделью субкилометрового горизонтального разрешения (вплоть до 500 м). Установлено, что в «неоднородном» случае в конвективном пограничном слое развиваются валиковые циркуляции, которые в «однородном» случае не возникают. На основе результатов идеализированного моделирования исследовано формирование струйного течения низкого уровня, возникающего при натекании прогретого воздуха с суши на более холодный водоем. Изменчивость скорости ветра над водоемом при этом определяется инерционными колебаниями, возникающими вследствие ослабления турбулентности в верхней части пограничного слоя. Эти колебания приводят также к колебаниям высоты устойчивого пограничного слоя над водоемом вследствие усиления перемешивания. Предложена простая формула для высоты устойчивого пограничного слоя, основанная на интегральном числе Ричардсона.

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".