Группа ученых МГУ имени М.В. Ломоносова и Института вычислительной математики (ИВМ) им. Г.И. Марчука РАН с коллегами из Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Финского метеорологического института и Университета имени Бен-Гуриона (Израиль) разработала и протестировала новый подход для учета турбулентного перемешивания в нижнем слое атмосферы, который поможет улучшить качество моделирования климата полярных регионов нашей планеты.
Потепление в Арктике происходит в три-четыре раза быстрее, чем в среднем по планете, а морской лед стремительно тает. Также появляется все больше свидетельств о происходящих изменениях климата в Антарктике. Чтобы понимать, что ожидает полярные регионы, какие угрозы или, наоборот, возможности для развития экономики представляют эти процессы, нужны надежные оценки будущих климатических изменений. Вместе с тем наибольшие расхождения между результатами различных климатических моделей отмечаются именно в Арктике и Антарктике, что говорит о высокой неопределенности моделирования. Ученые из МГУ считают, что описание в моделях турбулентности в нижнем слое атмосферы – ключ к увеличению точности моделирования климата высоких широт.
Почему же так важна и чем интересна турбулентность в нижних слоях полярной атмосферы? Прежде всего, турбулентность – это основной механизм передачи количества движения, тепла и влаги между льдом, океаном, сушей и атмосферой. Без нее не было бы ни морских течений, ни дрейфа льда, ни трансформации воздушных и водных масс. Более того, облачность была бы совсем другой, не будь турбулентности в атмосфере. Но может ли турбулентность исчезнуть? Оказывается, в полярных районах типичны случаи, когда воздух у поверхности выхолаживается, становится тяжелым и плотным, и энергии турбулентности не хватает, чтобы перемешивать тяжелые объемы холодного воздуха. Турбулентное перемешивание становится слабым, но тем не менее не исчезает совсем, согласно наблюдениям, и продолжает играть важную роль. В этом заключалось противоречие со многими моделями турбулентности, которые предсказывают полное затухание турбулентного обмена при усилении плотностной стратификации, которое представляет собой процесс формирования холодных тяжелых слоев воздуха у поверхности, и данный процесс особенно типичен для полярных регионов.
Чтобы разрешить это противоречие, в МГУ и РАН была разработана численная модель, которая в явном виде воспроизводит турбулентные движения в нижнем слое атмосферы. Но для этого требуется сверхвысокое пространственное разрешение – порядка нескольких сантиметров, а, соответственно, и большие вычислительные ресурсы и самые мощные суперкомпьютеры. Поэтому численные эксперименты проводились с помощью вычислительных мощностей Суперкомпьютерного центра МГУ им. М.В. Ломоносова. В результате экспериментов было обнаружено, что единственной теорией, наиболее реалистично описывающей поведение турбулентности при сильно устойчивой стратификации, является так называемая модель EFB (Energy-Flux Budget), разработанная одним из классиков отечественной турбулентной школы – Сергеем Сергеевичем Зилитинкевичем. На основе этой модели коллектив ученых МГУ усовершенствовал и успешно апробировал параметрическое описание турбулентного перемешивания, которое теперь может быть использовано на практике в климатических моделях.
Другой проблемой является грубое разрешение климатических моделей. В таких моделях приходится жертвовать разрешением, чтобы проводить серии экспериментов продолжительностью в сотни, а то и тысячи лет. Нижний слой атмосферы, в котором существует турбулентность, особенно тонок в полярных районах – как раз по причине слабой турбулентности и сильной плотностной стратификации. Типичная толщина этого слоя надо льдом – всего несколько десятков метров, что сравнимо с вертикальным разрешением климатических моделей. Это означает, что в таких моделях невозможно корректно воспроизвести турбулентный обмен надо льдом в Арктике и Антарктике, пользуясь стандартными методами. Ученые МГУ с коллегами разрабатывают новые подходы к параметрическому описанию турбулентности и ее численной реализации в климатических моделях, которые обладали бы высокой точностью даже при грубом разрешении. Первые результаты продемонстрировали улучшение точности и перспективы разрабатываемых методов.
Данные результаты уже используются для совершенствования национальной климатической модели в рамках проекта ФНТП «Исследование процессов в пограничных слоях атмосферы, океана и вод суши и их параметризации в моделях системы Земли». Ученые рассчитывают уменьшить существующие на сегодняшний день систематические ошибки модели, чтобы верно описывать современный и будущий климат полярных регионов.
Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/)
Обозрение "Terra & Comp".
