КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 21-17-00249

НазваниеСтруктура и динамика атмосферного пограничного слоя над неоднородной поверхностью

РуководительРепина Ирина Анатольевна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2021 г. - 2023 г. 

Конкурс№55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-603 - Волновые процессы и турбулентность в атмосфере

Ключевые слованеоднородная поверхность, нестационарные условия, атмосферный пограничный слой, когерентные структуры, параметризации, численное моделирование турбулентности

Код ГРНТИ37.21.35


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Основная научная проблема, на решение которой направлен проект - усовершенствование представления пограничного слоя атмосферы в моделях прогноза погоды и климата с учетом локальных неоднородностей подстилающей поверхности. Решение данной проблемы будет иметь приложения во многих задачах, включая прогнозирование опасных погодных явлений, ветрового климата городов, горных и прибрежных территорий, ветроэнергетику, распространения загрязнений и решения задач городского и сельскохозяйственного планирования. С этой целью в проекте решается задача определения физических механизмов формирования структуры и динамики атмосферной турбулентности и волновых процессов в условиях пространственно-неоднородной поверхности и разработки параметризаций для расчета характеристик энерго- и массообмена между атмосферой и поверхностью в условиях различных типов поверхностных неоднородностей. В современных методах определения характеристик турбулентного обмена между поверхностью Земли и атмосферой используются теории, базирующиеся на гипотезе статистической стационарности и однородности турбулентного потока. Традиционно применяемые в атмосферном моделировании, энергобалансовых и биогеохимических расчетах параметризации основаны на выводах теории подобия Монина-Обухова (ТПМО), которая предполагает подстилающую поверхность, обладающую однородным горизонтальным распределением аэродинамической и температурной шероховатости. Несмотря на идеализированность предположений, эта теория широко используется для оценок потоков импульса, тепла и влаги, переноса примесей в приземном слое, и в частности, в моделях прогноза погоды и климата как над сушей, так и над морем. Первые эксперименты для оценки применимости ТПМО проводились над ровной, однородной поверхностью, где основные ее положения, в основном, подтверждались. Но гораздо более распространены неоднородные ландшафты, различные участки которых характеризуются различными альбедо, теплоемкостью, шероховатостью. Неоднородность – это повсеместная характеристика реального мира. Ее распространенность увеличивается из-за антропогенного вмешательства – землепользования и городского строительства. И обойти проблему неоднородности в современной физике пограничного слоя нельзя. Поверхностные неоднородности могут приводить к формированию турбулентных микромасштабных и когерентных циркуляций, которые влияют на структуру атмосферного пограничного слоя (АПС) и взаимодействие атмосферы с поверхностью. Поверхностная неоднородность является определяющим фактором развития атмосферного пограничного слоя при следующих явлениях: морские и городские бризы, пограничные слои в местах установки ветряных электростанций, потоки воздуха и испарение над озерами и водохранилищами, а также обменные процессы над неоднородными сельскохозяйственными территориями или над морским льдом, покрытом трещинами, снежницами и торосами. Одним из самых ярких примеров неоднородного ландшафта является городская среда. Повышенное количество элементов шероховатости, которые в основном представляют собой здания и сооружения, резко изменяет шероховатость поверхности и динамику городского пограничного слоя, что, в свою очередь, приводит к более интенсивному загрязнению воздуха и экстремальным погодным условиям. Целью изучения турбулентных и волновых процессов над неоднородной поверхностью является определение физических механизмов, которые управляют обменом импульса, тепла и массы между поверхностью и атмосферой и таким образом энергетическим балансом деятельного слоя. Понимание того, как атмосферный поток ведет себя вблизи границ раздела свойств поверхности, является важным для широкого круга приложений, таких как моделирование восполнения энергии в ветряных электростанциях, испарения из водохранилищ, циркуляции и вентиляции городов, и пр. Современные вычислительные инструменты (вихреразрешающее (LES) и мезомасштабное моделирование с высоким разрешением) значительно продвинули понимание динамики потока над неоднородной поверхностью, но они не описываю весь комплекс взаимодействий атмосферы с подстилающей поверхностью и вышележащими слоями. Полевые эксперименты, основанные на измерениях на одной вышке, не обеспечивают необходимое разрешение сами по себе, но, если они дополняются измерениями с самолетов или наземным дистанционным зондированием. Использование беспилотных летательных аппаратов для атмосферного зондирования, которые могут летать ближе к поверхности (по сравнению с большими и дорогими пилотируемыми самолетами с инструментами), позволить улучшить наблюдения за неоднородным АПС над неоднородными поверхностями суши. Высокочастотные микрометеорологические измерения позволяют производить оценки воздействия пространственных неоднородностей, в том числе городской застройки, на ветровой и температурный режим территории, определение путей распространения загрязняющих веществ, и, в конечном счете, полезны для задач городского и сельскохозяйственного планирования. При этом особенно важно разработать новые инструменты для анализа натурных данных. Внедрение новых параметризаций взаимодействия атмосферы и неоднородной поверхности, которые лучше отражали бы специфику турбулентности, в системы численного прогноза погоды и модели Земной системы, позволит улучшить прогноз изменения атмосферных условий на различных временных масштабах. Построение новой теории требует проведения детальных измерений турбулентности над неоднородной поверхностью, сопряжённых с высокоразрешающим моделированием, воспроизводящим явно наиболее энергетически-значимые турбулентные вихри, что и является основной задачей настоящего проекта. В настоящем проекте будут использованы системы разнесенных в пространстве турбулентных датчиков, что позволит проследить формирование неоднородного турбулентного потока при различных фоновых условиях. Такие долгопериодные всесезонные измерения в мире единичны, а в России проводятся впервые. При этом, особый акцент при анализе временных рядов будет сделан на определение роли организованных структур турбулентности в вертикальном потоке импульса и скалярных величин; эти структуры будут идентифицированы как по известным методикам (квадрантный, гармонический анализ, вейвлет-анализ), так и в рамках оригинального подхода с привлечением турбулентных моментов высших порядков. Оценки пространственного распределения характеристик турбулентности также будут опираться на результаты численного гидродинамического моделирования. Использование турбулентно-разрешающих моделей позволяет получить информацию высокого разрешения о пространственной структуре и временной изменчивости течения, что, в частности, позволяет исследовать вклад крупномасштабных структур в процессы переноса импульса и тепла в условиях городской поверхности. В рамках такого комплексного (основанного на данных как измерений, так и моделирования) подхода механизмы формирования, характеристики и динамика крупных структур при наличии неоднородной поверхности исследуются впервые. Разработанные в рамках проекта параметризации пограничного слоя атмосферы над неоднородной поверхностью будут рекомендованы к использованию в моделях погоды и климата, что в перспективе будет способствовать улучшению качества климатических и региональных прогнозов. Сочетание традиционных и новаторских методов исследования, натурных наблюдений и численного моделирования позволит получить новые и более полные научные результаты и существенно продвинуться в решении задач проекта, относительно текущего состояния исследований по данной тематике в мире. Практическая значимость проекта связана возможностью использования его результатов при решении задач городского и сельскохозяйственного планирования, задачи повышения качества метеорологического прогноза, в частности, прогноза распространения загрязнений, ветрового и теплового режима над урбанизированными, прибрежными и горными регионами.

Ожидаемые результаты
1. Организация двух постоянно действующих обсерваторий по исследованию структуры и динамики пограничного слоя атмосферы в городских условиях, предоставляющих результаты измерений в открытые базы данных. Долгопериодные ряды всесезонных наблюдений турбулентности в городской среде будут получены впервые в России и дадут важную информацию для специалистов, занимающихся городской метеорологией и климатологией. Получаемые данные могут быть использованы для проверки моделей городской среды, для задач городского планирования, а также для развития аналогичных систем атмосферных наблюдений. 2. Новый подход к комплексному анализу наблюдений атмосферной турбулентности, позволяющий на основе альтернативных методов выделять когерентные структуры, оценивать их масштаб и вклад в турбулентный перенос импульса и скаляров. Разработанные и реализованные в виде доступного программного комплекса методики могут быть применены к измерениям в широком диапазоне неоднородных ландшафтов и станут полезным инструментом для анализа взаимодействия когерентной и микромасштабной квазиизотропной турбулентности. 3. Развитие методов использования беспилотных летательных систем для исследования пограничного слоя атмосферы и характеристик подстилающей поверхности. В результате выполнения проекта будут разработаны и испытаны в натурных условиях новые измерительные комплексы. Будут составлены рекомендации по их использованию в различных климатических условиях, в том числе для задач измерения метеорологических характеристик над неоднородным ландшафтом, и по анализу данных.. 4. Усовершенствованные теории приземного и пограничного слоя, изначально разработанные для горизонтально статистически однородных пограничных слоёв (в частности теория подобия Монина-Обухова), учитывающие специфику неоднородного ландшафта на примере городской застройки. На основе экспериментальных данных и результатов вихреразрешающего численного моделирования будет исследована возможность включения в функции подобия новых независимых безразмерных групп или введения новых эмпирических масштабов для условий поверхностно неоднородности. Решение этой задачи позволит улучшить параметризации энерго- и массобмена в моделях прогноза погоды и климата. 5. С использованием экспериментальных данных и результатов турбулентно-разрешающего численного моделирования будет оценена связь между статистическими характеристиками измеренных временных рядов и пространственной структурой турбулентных полей в пограничном слое атмосферы над городской поверхностью, проведена оценка вклада организованных (когерентных) турбулентных структур в статистические моменты, в частности, турбулентные потоки, в пограничном слое при различных типах поверхностной неоднородности. Решение этой задачи позволит установить физические механизмы формирования пространственного распределения статистических моментов скорости и температуры, в частности, внутри городской застройки и над ней. Эта информация будет полезна в задачах прогноза опасных ветровых явлений, переноса загрязнений, расчета энергопотребления зданий и других задач городского и сельскохозяйственного планирования. Введение эффектов когерентных структур в параметризации городского деятельного слоя позволит повысить качество прогноза состояния городской среды на различных временных и пространственных масштабах. 6. Идентификация когерентных структур по результатам LES-моделирования атмосферного пограничного слоя позволит ответить не несколько ключевых вопросов проблемы статистического описания турбулентности в неоднородном ландшафте: (1) какого размера и с какой частотой формируются вихри при различной форме подстилающей поверхности и различных свойствах натекающего на неё потока; (2) каковы их свойства, включая способность к переносу импульса и тепла; каково влияние этих вихрей на фоновый поток. Эта информация будет полезна для усовершенствования параметризаций пограничного слоя в RANS-моделях. 7. Для периодов измерительных кампаний, численная модель атмосферы Weather Research and Forecasting (WRF) будет использована с суб-километровым шагом сетки для оценки влияния неоднородностей ландшафта на динамику атмосферного пограничного слоя и энергообмен атмосферы с подстилающей поверхностью. Сравнение результатов моделирования с наблюдениями будет проведено для выявления недостатков используемых в модели параметризаций турбулентного обмена при наличии горизонтальных неоднородностей свойств подстилающей поверхности. Будет проведена оценка адекватности мозаичного подхода учета вклада неоднородностей подстилающей поверхности в моделях с грубой сеткой. Результаты данных исследований могут быть использованы в различных областях науки, экономики и социальной сферы, таких как: метеорология, климатология, дистанционное зондирование, прогноз состояния окружающей среды, сельскохозяйственное и городское планирование. Результаты выполнения проекта также будут использованы в учебном процессе при разработке учебных курсов для геофизических специальностей МГУ, МФТИ и СПбГУ.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Основная научная проблема, на решение которой направлен проект - усовершенствование представления пограничного слоя атмосферы в моделях прогноза погоды и климата с учетом локальных неоднородностей подстилающей поверхности. С этой целью в проекте решается задача определения физических механизмов формирования структуры и динамики атмосферной турбулентности и волновых процессов в условиях пространственно-неоднородной поверхности и разработки параметризаций для расчета характеристик энерго- и массообмена между атмосферой и поверхностью в условиях различных типов поверхностных неоднородностей. На первом этапе проекта основное внимание было направлено на организацию измерительных полигонов и разработку методик анализа и обработки экспериментальных данных, а также разработку новых подходов к моделированию турбулентности над неоднородным ландшафтом. 1.1. Проведена модернизация измерительного комплекса для исследования атмосферной турбулентности в неоднородном ландшафте на базе метеорологической обсерватории МГУ. Разработана система сбора и первичной обработки данных. Пакет программ для сбора, подготовки и отправки данных написан силами участников проекта на языке Python 3.7. Исходный код пакета находится в открытом доступе по ссылке https://github.com/alexavr/tower_parse. Вся первичная информация, поступившая за прошедшие 24 часа, отображается на веб-сайте https://tower.ocean.ru. По окончании каждых суток буферный массив с данными микрометеорологической мачты конвертируется в формат NetCDF (www.unidata.ucar.edu/software/netcdf/). В качестве глобальных переменных выступают название мачты, ее описание, географические координаты, и описание оборудования: код, модель прибора, высота установки, частота измерений, дата установки. Описание переменных включает в себя: наименование, короткое и развернутое описание, маркер пустого значения, единицы измерения и пр. Полученные данные хранятся посуточно на сервере в четко структурированном виде: в директории с обозначением мачты находятся папки для каждой единицы оборудования на мачте, внутри – уровни обработки и далее вложенная структура директорий: год и месяц измерений. 1.2. Эксперимент, в рамках которого осуществляется всесезонный мониторинг временной изменчивости и пространственной структуры атмосферной турбулентности в условиях, приближенных к условиям «городского каньона», проводится на базе геофизической обсерватории (ГО) Института мониторинга климатических и экологических систем (ИМКЭС) СО РАН, г. Томск. В рамках выполнения проекта осенью 2021 года установлена новая 40 метровая мачта. На ней установлены акустические анемометры АМК-03 на высотах 40 м, 30 м и 2 м. что позволит получать более репрезентативные данные о набегающем ветровом потоке и проводить градиентные метеорологические, радиационные и газоаналитические измерения над и внутри лесного полога в условиях "городского каньона". Перед установкой новой мачты в сентябре 2021 проведена повторная калибровка всех акустических анемометров в климатической камере производителя (ОАО Сибаналитприбор"). Организована новая система сбора данных. Начат процесс формирования централизованной базы данных, который необходим для обеспечения доступа к разрозненным данным и возможности их постобработки. Формируются таблицы с необходимыми столбцами, их редактирование, где убираются все лишние символы, заполняются пропуски и данные выстраиваются в структуру, удобную для считывания и последующей записи. 1.3. В рамках разработки методики исследования атмосферного пограничного слоя с использованием беспилотных летательных аппаратов выполнено обобщение опыта измерений, проводившихся ранее коллективом Проекта с использованием развиваемых в ИФА РАН измерительных комплексов на базе БПЛА. В рамках первого года реализации Проекта выполнена работа по унификации, оптимизации и рефакторингу используемого набора скриптов, результатом которой стало создание библиотеки MatCopter для ПО Matlab. Разработанная библиотека содержит функции для объединения и синхронизации различных каналов данных, перехода от временных рядов к вертикальным профилям метеовеличин и их визуализации, в том числе с возможностью сравнения двух и более профилей на одном графике. Исходный код текущей версии библиотеки размещен в открытом доступе на репозитории GitHub (https://github.com/mvarentsov/MatCopter). Анализ накопленного коллективом проекта опыта применения квадрокоптеров позволил выделить ряд сценариев их применения в задачах изучения АПС над неоднородной поверхностью. Также в рамках Проекта разработана методика картирования яркостной температуры подстилающей поверхности с использованием измерительного комплекса на базе квадрокоптера Mavic 2 Zoom с тепловизором Flir TAU 2R. Апробация предложенной методики производилась в ходе полевых работ в республике Калмыкия в июле 2021 г. (съемка песчаного бархана рядом с пос. Нарын-Худук). Выполненные измерения в Калмыкии позволили установить, что в пределах относительно однородного ландшафта различия температуры поверхности, обусловленные различной экспозицией микро- и мезоформ рельефа, превышают 20 °С. 2. Для разработки методики выделения когерентных структур в рамках проекта применялись квадрантный анализ и анализ третьих моментов. Квадрантный анализ был применен для данных экспериментов над однородной поверхностью (Цимлянск) и существенно неоднородной в прибрежной зоне. Сравнение результатов показывает, что над однородной поверхностью структуры, охватывающие весь приземный слой, формируются в дневные часы, что связано с конвективными процессами. Над неоднородной поверхностью когерентные структуры присутствуют все время как над морем, так и над берегом. Для Цимлянска проведено сравнение двух периодов с близкими значениями потока импульса в дневной и ночной периоды. Квадрантный анализ показал однородность пограничного слоя в ночные часы и его значительный расбаланс в дневное время. Для более детального анализа наличия структур в турбулентных полях был привлечен анализ третьих моментов. Была исследована применимость уравнения, связывающего вертикальный перенос потока тепла и асимметрию вертикальной скорости при различных условиях стратификации в различных ландшафтах: ровная степь, прибрежная зона и городской ландшафт. Установлено, что влияние стратификации на турбулентные моменты и ассиметрию зависит от типа подстилающей поверхности и менее выражено над неоднородным ландшафтом. В случае неоднородности асимметрия также зависит от направления ветра. Над городской застройкой в случае ветра с шероховатой поверхности наблюдается большой разброс данных. Проведенный анализ показывает, что характер связи между третьим моментом (переносом потока тепла) и асимметрией вертикальной скорости может быть использован для оценки влияния ландшафта на структуру атмосферной турбулентности. На основе анализа измерений микрометеорологической мачты МО МГУ были также подтверждены следующие закономерности, полученные ранее для других неоднородных ландшафтов: 1) Турбулентные возмущения компонент скорости в условиях городской застройки в пределах первых десятков метров растут с высотой. 2) Турбулентная кинетическая энергия пропорциональна квадрату средней горизонтальной скорости. 3) Коэффициент, показывающий вклад вертикальных движений в турбулентную кинетическую энергию, больше теоретического значения для однородной поверхности. 4) Коэффициент сопротивления определяется типом поверхности, над которым формируется поток, со значением 0,08 и 0,05 для урбанизированной и озеленённой поверхности в окрестности МО МГУ, соответственно. 5) Турбулентный поток «теплового потока» удовлетворительно предсказывается диагностической связью с тепловым потоком, асимметрией и стандартным отклонением вертикальной скорости, предполагая значительный вклад когерентных структур в турбулентные потоки. Для идентификации когерентных структур в долгоживущих конвективных пограничных слоях была использована парадигма формирования организованной турбулентности. В рамках данного проекта был подготовлен массив данных для проверки теории формирования мезомасштабной турбулентности при развитой конвекции. 3. Для повышения эффективности работы с большим объемом разнородной информации была разработана база данных, включающей в себя набор данных и прикладное программное обеспечение. База данных создана на основе измерений турбулентной структуры приземного слоя атмосферы, проводимых в Институте физики атмосферы в различных физико-географических условиях. В базу данных входит информацию о географических характеристиках региона, используемом оборудовании, фоновых метеорологических условиях, характеристиках энерго- и газообмена, структуре атмосферной турбулентности (спектры, дисперсии, кинетическая энергия турбулентности). Проведенный анализ данных измерений (см. п.1-2) обусловил выбор тестовых площадок, данные которых будут использоваться в дальнейшем для анализа и разработки теории атмосферной турбулентности над неоднородной поверхностью. Кроме основных площадок в обсерваториях МГУ и ИМКЭС СО РАН, где измерения проводятся в режиме мониторинга (городской каньон) планируется проводить краткосрочные измерительные кампании в условиях однородного ландшафта (Цимлянск), прибрежной зоне (побережье Крыма) и при наличии температурных неоднородностей (полыньи Белого моря и Горьковского водохранилища). 4. Построена трёхмерная модель геометрии поверхности городской застройки, основанная на данных о положении, границах и высоте зданий из открытой базы данных OpenStreetMap. Первичная обработка и пространственная обрезка данных проводилась в ГИС с открытым исходным кодом QGIS. По итогам подобной обработки были получены карты высот зданий для окрестностей измерительной площадки Метеорологической обсерватории Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (МО МГУ). Для проведения тестовых расчётов обтекания городской поверхности атмосферным пограничным слоем применена трёхмерная гидродинамическая RANS модель ENVI-met. Геометрия застройки на расчётной сетке модели ENVI-met представлена для области с размерами 2500 м х 2500 м, расчётная сетка имеет размеры 500 х 500 х 120 ячеек (длина, ширина, высота), горизонтальное разрешение 5 м и вертикальное – 2.5 м. Проведён численный эксперимент с областью вокруг измерительной площадки МО МГУ размером 500 м х 500 м х 100 м. Воспроизводились условия летнего дневного прогрева поверхности и атмосферного пограничного слоя на фоне постоянного слабого западного ветра. Результаты расчётов температуры воздуха и скорости ветра показывают, что в условиях постоянного западного воздушного потока плотные группы зданий к западу и к северу от измерительной площадки служат значительными препятствиями для ветра – непосредственно за ними образуются зоны пониженных скоростей (ветровая тень), а между зданиями наблюдаются сложные вихревые структуры, в которых направление ветра может быть противоположным фоновому. В данном случае центральная и северная части измерительной площадки находятся в зоне ветровой тени, а южная – в зоне повышенных скоростей. Отмечается сильное влияние застройки на величину вертикальной скорости, особенно в слое на уровне крыш и ниже. Существенно, что в данном эксперименте часть территории МО МГУ полностью попадает в зону нисходящих движений, что может оказывать влияние на измерения скорости и направления ветра, а также турбулентных потоков. Cсылки на информационные ресурсы в сети Интернет (url-адреса), посвященные проекту: страница проекта http://ifaran.ru/ras/view/project/general.html?id=71738 данные мачты МГУ https://tower.ocean.ru данные площадки ИМКЭС РАН http://climate.scert.ru/Environment/data/IMCES_meteo/DATA_ONLINE. библиотека программ для обработки данных БПЛА https://github.com/mvarentsov/MatCopter

 

Публикации

1. Дрозд И.Д., Говриков А.В., Степаненко В.М., Репина И.А., Артамонов А.Ю., Пашкин А.Д., Варенцов А.И. Investigation of the atmospheric turbulence structure in urban conditions using measurements on a micrometeorological mast IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, - (год публикации - 2022)

2. Зилитенкевич С.С., Каданцев Е., Репина И.А., Мортиков Е., Глазунов А.В. Order out of Chaos: Shifting Paradigm of Convective Turbulence Journal of the Atmospheric Science, N 12, V. 78, P.3925-3932 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1175/JAS-D-21-0013.1

3. Репина И.А., Артамонов А.Ю. Морфометрические неоднородности морского льда по данным дистанционного зондирования и наземных измерений Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса, т. 19, N6, C. 205-221 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.21046/2070-7401-2022-19-6-205-221

4. Тихомиров А.А., Корольков В.А., Смирнов С.В., Азбукин А.А. , Богушевич А.Я. , Кальчихин В.В. , Кобзев А.А., Кураков С.А., Тельминов А.Е., Богомолов В.Ю., Кабанов М.М., Капустин С.Н., Репина И.А., Пашкин А.Д., Степаненко В.М. Метеорологические наблюдения и их приборное обеспечение в ИМКЭС СО РАН Оптика атмосферы и океана, N 2, стр. 122-131 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.15372/AOO20220206

5. Чечин Д.Г. , Артамонов А.Ю., Бодунков Н.Е., Живоглотов Д.Н., Зайцева Д.В., Калягин М.Ю. , Кузнецов Д.Д. , Кунашук А.А., Шевченко М.А., Шестакова А.А. Опыт исследования турбулентной структуры атмосферного пограничного слоя с помощью беспилотного летательного аппарата Известия РАН. Физика атмосферы и океана, N 5, T. 57, C. 602-610 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.31857/S0002351521050047

6. Чечин Д.Г., Артамонов А.Ю., Бодунков Н.Е., Калягин М.Ю., Кунашук А.А., Шестакова А.А., Шевченко А.М., Живоглотов Д.Н. Unmanned aerial vehicle “Tsimlyanin” for studying turbulent structure of atmospheric boundary layer IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, V. 1040 P. 012020 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1088/1755-1315/1040/1/012020


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. Создана единая функционирующая и регулярно пополняемая база данных, включающая первичные данные и результаты первичной обработки с двух городских измерительных площадок. Пакет программ для сбора, подготовки и отправки данных написан силами участников проекта на языке Python 3.7. Исходный код пакета находится в открытом доступе по ссылке https://github.com/alexavr/tower_parse. На полигоне ИМКЭС СО РАН введена в эксплуатацию мачта высотой 40 м. с измерением турбулентности на уровнях 40 м. и 10 м. Разработано и введено в эксплуатацию новое программное обеспечение для регистрации данных анемометров АМК04, используемых на полигоне ИМКЭС РАН, позволяющее интегрировать данные анемометров в единую систему сбора и регистрации данных. Введена в эксплуатацию измерительная площадка на базе Звенигородской научной станции (неоднородный ландшафт с лесной растительностью и малоэтажной застройкой). Начат монтаж измерительной мачты высотой 56 м. в прибрежной зоне Балтийского моря.. В рамках развития методики картографирования термической неоднородности поверхности с использованием БПЛА разработан новый алгоритм коррекции и визуализации данных. После применения коррекции достигается близость температуры для схожих типов микроландшафтов (склоны одинаковой ориентации для барханов, гряды и топи для болота) в разных частях полигонов. Обновлен находящийся в открытом доступе репозиторий библиотеки на платформе разработки GitHub (https://github.com/mvarentsov/MatCopter), расширена доступная справочная информация, добавлена документация по основным функциям библиотеки и примеры ее использования. 2. Продолжена разработка различных модулей блока хранения и первичной обработки. Исходный код находится в открытом репозитории https://github.com/alexavr/tower_collect. В настоящий момент готовы и полностью функционируют модули оперативного контроля качества оперативной визуализации данных и модуль анализа турбулентных статистических моментов. Методы заполнения пропусков, реализованные авторами на основе различных алгоритмов, апробированы на примере заполнения образовавшихся пропусков в рядах температуры и вертикальной скорости ветра. Оценена эффективность различных методов заполнения пропущенных значений. В пакет обработки внесен блок расчета термического и динамического параметров шероховатости поверхности. 3. Исследована взаимосвязь между моментами второго и третьего порядков в разных условиях стратификации на двух типах контрастных ландшафтов – равнинной степи и городской местности. Установлено, что над ровной поверхностью теории подобия Монина-Обухова (ТПМО) подчиняются безразмерные турбулентные моменты вплоть до третьего порядка. Моменты третьего порядка увеличиваются с ростом неустойчивости. В устойчивых условиях турбулентный перенос теплового потока может быть связан с низкоуровневыми струями или волнами Кельвина-Гельмгольца при наличии температурной инверсии вблизи верхней границе АПС. Полученные соотношения измеренных и теоретических значений третьих моментов для условий городской застройки удовлетворительно описываются линейной регрессией с угловым коэффициентом, близким к единице. Впервые на длинном ряде наблюдений подтверждена алгебраическая зависимость моментов разных порядков, предполагающая наличие организованных турбулентных структур, в условиях безразличной и устойчивой стратификации над поверхностью сложной геометрической формы. Анализ моментов третьего порядка показывает, что нелокальный перенос из-за больших вихрей может играть важную роль, особенно в городском ландшафте, и должен быть включен в турбулентное замыкание. По данным, полученным на городских площадках, исследовалось отклонение наблюдений турбулентной кинетической энергии и потока импульса от модели замыкания турбулентности EFB (energy flux balance) в однородных условиях. Проведена коррекция модели для условий неоднородной поверхности. 4. Разработана методика выделения когерентных структур из турбулентных данных по анализу завихренности. Для данных над однородной поверхностью (Цимлянск) в ночной период хорошо прослеживаются волны в ночные часы и конвективные вихри при дневном прогреве. В случае неоднородного наблюдается существенная завихренность на уровне 10-12 м, совпадающем с уровнем высоты деревьев, что может свидетельствовать о течениях, сходных с течением за уступом. Была проведена идентификация когерентных структур эйлеровыми (локальными) методами. Для отработки методики использовались когерентные структуры, выделенные в течениях Экмана и Куэтта. На когерентные структуры приходится треть турбулентной кинетической энергии и примерно половина энстрофии и спиральности. Показано, что вклад крупномасштабных структур в пристеночную динамику турбулентных течений, дисперсии скоростей и концентрации примеси значителен. 5. Специализированный эксперимент проводился на болотном стационаре Мухрино над термически неоднородной поверхностью. На основе полученных уточненных значений характеристик подстилающей поверхности производился модельный расчет турбулентных потоков тепла по теории подобия Монина-Обухова, результат сравнивался с модельным расчетом потока тепла по ТПМО без учета термической неоднородности поверхности и с данными пульсационных измерений турбулентных потоков над неоднородной поверхностью. Из полученного результата следует, что учет термической неоднородности подстилающей поверхности болот положительно сказывается на точности модельного расчета потока тепла. 6. В рамках проведения численных экспериментов с технологией DNS/LES/RANS для воспроизведения структуры и динамики пограничного слоя в окрестности городских измерительных площадок проекта показано, что потенциальное влияние планируемой установки 40-метровой мачты на измеряемые характеристики ветрового потока значительно слабее, чем влияние уже существующих крупных препятствий. В рамках прямого численного моделирования течения в открытом канале была реализована возможность задания неоднородной поверхности в виде четырех различных конфигураций городской застройки: кубики, расположенные в шахматном порядке плотно и разреженно, и каньоны, направленные вдоль и поперек потока. Было получено, что сильнее всего ослабление потока в нижней части пограничного слоя происходит при конфигурации каньонов, стоящих перпендикулярно потоку. Для конфигурации каньонов, перпендикулярных потоку, основная доля ТКЭ приходится на вертикальную компоненту, а не продольную, как в остальных случаях, что предполагает значительное вертикальное обтекание препятствия воздушным потоком. Установлено, что свойства турбулентного обмена значимым образом зависят от конфигурации городской застройки. Ослабление средней скорости в нижней части пограничного слоя сильнее всего проявляется при конфигурации каньонов, перпендикулярных фоновому потоку. 7. На основе результатов прямого численного моделирования течений Куэтта и Пуазейля (течение в открытом канале), проведена проверка гипотезы о диагностической связи между вторыми и третьими моментами, содержащей константу С~1. Для расчётов использован универсальный программный код DNS/RANS/LES, разработанный в НИВЦ МГУ и ИВМ РАН. Большая часть значений C для обоих течений оказалась в диапазоне 0.5-1 на разных высотах в канале. Проведено сравнение результатов этих численных экспериментов с данными измерений на микрометеорологической мачте МО МГУ, по параметрам регрессии между фактическим третьим моментом и моментом, заданным формулой Зилитинкевича. Формы распределения точек на диаграммах рассеяния оказались схожи, коэффициенты линейной регрессии составили 0.65 и 0.61 для данных натурных измерений и прямого численного моделирования, соответственно. Cсылки на информационные ресурсы в сети Интернет (url-адреса), посвященные проекту: страница проекта http://ifaran.ru/ras/view/project/general.html?id=71738 данные мачты МГУ https://tower.ocean.ru данные площадки ИМКЭС РАН http://climate.scert.ru/Environment/data/IMCES_meteo/DATA_ONLINE.

 

Публикации

1. Барсков К.В., Чечин Д.Г., Дрозд И.Д., Артамонов А.Ю., Пашкин А.Д., Гавриков А.В., Варенцов М.И., Степаненко В.М., Репина И.А. Relationships Between Second and Third Moments in the Surface Layer Under Different Stratification over Grassland and Urban Landscapes Boundary-Layer Meteorology, spetial issue (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1007/s10546-022-00751-4

2. Варенцов А.И., Зилитинкевич С.С., Степаненко В.М., Тюряков С.А., Алексейчук П.К. Thermal Roughness of the Fen Surface Boundary-Layer Meteorology, special issue (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1007/s10546-022-00741-6

3. Варенцов М.И., Константинов П.И., Репина И.А., Артамонов А.Ю., Печкин А., Соромотин А.В., Эзау И., Бакланов А. Observations of the urban boundary layer in a cold climate city Urban Climate, 47,101351 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.uclim.2022.101351

4. Дрозд И.Д., Репина И.А., Гавриков А.В., Степаненко В.М., Артамонов А.Ю., Пашкин А.Д., Варенцов А.И. Atmospheric turbulence structure above urban nonhomogeneous surface Russian Journal of Earth Sciences, 22, 5, ES01SI11 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.2205/2022ES01SI11

5. И.Д. Дрозд, А.В. Гавриков, В.М. Степаненко Comparative characteristics of gap filling methods in high-frequency data of micrometeorological measurements IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 1023, 012009 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1088/1755-1315/1023/1/012009

6. М.И. Варенцов, И.А. Репина, А.В. Глазунов, Т.Е. Самсонов, П.И. Константинов, В.М. Степаненко, В.Н. Лыкосов, А.Ю. Артамонов, А.В. Дебольский, А.С. Печкин, А.В. Соромотин Особенности пограничного слоя атмосферы г. Надыма по данным экспериментальных измерений и вихреразрешающего моделирования Вестник Московского университета. Серия 5. География, 6, 64-78 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.55959/MSU0579-9414-5-2022-6-64-78


Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Данные микрометеорологических полигонов на базе метеообсерватории МГУ и геофизического полигона в ИМКЭС СО РАН подготовлены для интеграции в международную систему UrbanFlux и сеть FluxNet. Мачты интегрированы в разрабатываемую систему RuFlux. К единой системе сбора данных подключены мачты на научной базе университете БФУ им. Канта и на базе Звенигородской научной станции ИФА им. А.М. Обухова РАН, завершена интеграция системы сбора данных на базе геофизической обсерватории ИМКЭС (Томск). Быстрое и успешное подключение имеющихся метеорологических мачт доказывает, что разработанная система обладает легкой масштабируемостью. Завершена разработка пакета программ для первичной обработки и статистического анализа данных. В рамках первичной обработки данных происходит удаление недостоверных данных, заполнение пропусков, коррекция акустической температуры и коррекция на влажность. Статистический анализ включает в себя спектральный и корреляционный анализ, расчет турбулентных статистик вторых и высших порядков. 2. Выполнена работа по заключительной отладке и чистовому оформлению методики мониторинга и картографирования термической неординарности подстилающей поверхности с использованием БПЛА и оригинального алгоритма коррекции погрешностей и артефактов, возникающих в регистрируемых данных. На основе обработанных данных выполнен анализ статистических характеристик термической неоднородности поверхности для этих ландшафтов в дневное и ночное время суток. Выполнена адаптация библиотеки MatCopter для работы с данными новых измерительных платформ. Добавлена возможность синхронизации данных с нескольких установленных на квадрокоптере измерительных систем. По результатам анализа измерений, выполненных с использованием квадрокоптеров в ходе эксперимента в Мошковском заливе Иваньковского водохранилища установлено, что влияние полыньи на вертикальную структуру профилей температуры и скорости ветра мало, и выражено лишь в наличие сверхадиабатических градиентов температуры над полыньей в тонком слое вблизи поверхности. Результаты измерений демонстрируют наличие интенсивного энергообмена между полыньей и атмосферой. О конвективном характере турбулентных движений, а именно о наличии интенсивных теплых восходящих потоков свидетельствуют также положительные значения коэффициентов асимметрии вертикальной скорости и температуры. Анализ измерений на трех измерительных площадках на побережье Черного моря (пос. Кацивели, Крым) показал значительное различие в характеристиках атмосферного пограничного слоя над морем, и на различном удалении от берега. Использование данных мачты на Балтийском море с профильными измерениями метеопараметров позволили проверить применимость универсальных функций теории подобия Монина-Обухова в прибрежной зоне. При ветре с моря ТПМО применима, но при береговых ветрах условия подобия не работают. При масштабировании функций на стандартное отклонение и скорость диссипации отклонения менее существенны. По результатам измерений характеристик атмосферной турбулентности над озерами и в прибрежной зоне получены параметризации для расчета динамического параметра шероховатости и параметров шероховатости для температуры и влажности для мелкого водоема. Полученные параметризации могут быть использованы в моделях Земной системы и озерных моделях для расчета турбулентных потоков над водными объектами суши. 3. Определены границы применимости теорий горизонтально статистически однородных пограничных слоёв над неоднородными ландшафтами различных типов. В случае прибрежной зоны значимую роль играют направление ветра, стратификация атмосферы и топография прибрежной зоны. Результаты вихреразрешающего моделирования показывают, что поток импульса в прибрежной зоне чувствителен к скорости и направлению ветра, а также топографии суши. В случае городской застройки важную роль в нарушении критериев подобия играют вторичные циркуляции, создаваемые сложным рельефом. По данным DNS моделирования получено, что применимость ТПМО в случае городской застройки определяется высотой измерений. Измерения над ландшафтом позволяют получить интегральные значения потоков без учета вторичных циркуляций. В случае термической неоднородности турбулентные потоки определяются областью формирования потока (футпринтом). Сравнение экспериментальных и расчетных данных показало, что ТПМО применима при условии агрегирования потоков внутри футпринта. Сравнение экспериментальных и расчетных данных показали применимость этого подхода. 4. Для выбора критериев подобия для неоднородной поверхности были использованы данные, полученные на мачтах над однородной поверхностью (Цимлянск) и над городской застройкой (Москва и Томск). Проведено сравнение различных критериев для однородной и неоднородной поверхности. Установлено, что для неоднородной поверхности возможно ввести масштаб длины lm, который по своему смыслу является путем смешения Прандтля, и фактически определяет топологические характеристики турбулентности в нейтральных условиях внутри одного направления ветра. 5. На основании анализа полученных в проекте экспериментальных данных и мелкомасштабного моделирования определены подходы к модификации ТПМО для неоднородных ландшафтов. Первый подход основан на анализе соотношения вторых и третьих моментов, что позволяет выявлять наличие когерентных структур в потоке и, соответственно, условия неприменимости ТПМО. Установлено, что классические соотношения ТПМО непригодны для описания безразмерных градиентов скорости ветра и температуры над неоднородным ландшафтом, так как не учитывается нелокальный перенос. В качестве новых критериев предлагается использовать соотношение дисперсии вертикальной скорости ветра и динамической скорости и масштаб длины, характеризующий турбулентное перемешивание и расстояние до ближайших неоднородностей. Разработана обобщенная модель масштабирования сложной атмосферной турбулентности с учетом анизотропии. Показано, что различные состояния анизотропии соответствуют разным отношениям подобия, особенно при неустойчивой стратификации. Также одним из подходов к созданию обобщенной ТПМО является понимание того факта, что масштаб горизонтальной турбулентности также является важным параметром для случая конвективных пограничных слоев или формирования когерентных структур над неоднородной поверхностью. 6. В ходе серии численных экспериментов с DNS-версией RANS/LES/DNS создана конфигурации городской застройки в окрестностях измерительных площадок проекта и адаптирована RANS/LES/DNS модель к воспроизведению структуры и динамики атмосферного пограничного слоя в районах площадок. Получены результаты несколькольких серий экспериментов, которые озволяют делать качественные выводы об изменчивости и масштабах рассматриваемых атмосферных процессов. Полученные данные позволяют провести более глубокий анализ и сравнение с другими источниками данных (измерения и другие модели) как для уточнения и улучшения RANS/LES/DNS моделей, так и для изучения особенностей и ограничений измерительных методов. 7. Определена наиболее оптимальная конфигурации модели WRF-ARW для прогнозирования характеристик энергообмена с учетом особенностей неоднородной подстилающей поверхности. Установлено, что модель чувствительна к выбору параметризаций. На примере выбранной конфигурации модели проведена оценка адекватности мозаичного подхода учета вклада неоднородностей подстилающей поверхности в моделях с грубой сеткой. В большинстве случаев мозаичный метод занижает абсолютные значения средних потоков, что связано с увеличением реальных локальных турбулентных потоков за счет мезомасштабных циркуляций. Относительная ошибка расчета турбулентных потоков мозаичным методом зависит от абсолютной величины этих потоков; при достаточно высоких значениях потоков мозаичный метод обеспечивает ошибку воспроизведения средних потоков не более 10%; ошибка мозаичного метода существенно нелинейно зависит от характеристик подстилающей поверхности и метеорологических условий.

 

Публикации

1. Варенцов А.И., Имеев О.А., Глазунов А.В., Мортиков Е.В., Степаненко В.М. Numerical Simulation of Particulate Matter Transport in the Atmospheric Urban Boundary Layer Using the Lagrangian Approach: Physical Problems and Parallel Implementation Programming and Computer Software, Vol. 49, No. 8, pp. 894–905 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1134/S0361768823080248

2. Варенцов М.И., Варенцов А.И., Репина И.А., Артамонов А.Ю., Дрозд И.Д., Мамонтов А.Е., Степаненко В.М. Опыт мониторинга термической структуры неоднородных ландшафтов с использованием БПЛА Izvestiya - Atmospheric and Oceanic Physics, - (год публикации - 2024)

3. Гусева С., Армани Ф., Десаи Н.Л., Фриборг Т., Ивата Х., Репина И.А., Степаненко В.М., Лорке А. Bulk transfer coefficients estimated from eddy‐covariance measurements over lakes and reservoirs JGR: Atmospheres, 128, 2, e2022JD037219 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1029/2022JD037219

4. Дрозд И.Д., Артамонов А.Ю., Барсков К.В., Гавриков А.В., Пашкин А.Д., Репина И.А., Степаненко В.М. Ratio of the Second and Third Turbulent Moments in the Urban Boundary Layer of the Atmosphere Using the Example of Data from the Moscow State University Eddy Covariance Tower Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 59, 4, 443–455 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S0001433823040151

5. Кошкина В.С., Гавриков Г.А. Методы идентификации атмосферных мезомасштабных структур над Северной Атлантикой Oceanology, - (год публикации - 2024)

6. Липсон М.Й., Гриммонд С., Бест М., Абрамовитз Г., Цоуттс А., Таппер Н., Варенцов М.И., Питман А.Й. Evaluation of 30 urban land surface models in the Urban‐PLUMBER project: Phase 1 results Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 2023 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1002/qj.4589

7. Репина И.А., Артамонов А.Ю., Капустин И.А., Мольков А.А., Степаненко В.М. Roughness Parameter of Shallow Water Bodies Water Resources, 50, 5, 748–758 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S0097807823700045


Возможность практического использования результатов
Разработанные параметризации расчета потоков над городской застройкой и для расчета характеристик поверхности применяются в моделях Земной системы для прогноза погоды и климата, что в перспективе будет способствовать улучшению качества климатических и региональных прогнозов. Практическая значимость проекта связана возможностью использования его результатов при решении задач городского и сельскохозяйственного планирования, задачи повышения качества метеорологического прогноза, в частности, прогноза распространения загрязнений, ветрового и теплового режима над урбанизированными, прибрежными и горными регионами.