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 18-77-10072

НазваниеДинамика атмосферного пограничного слоя над морским льдом в Арктике

РуководительЧечин Дмитрий Геннадьевич, Кандидат 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 07.2021 - 06.2023 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (30).

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-604 - Атмосферный пограничный слой

Ключевые словаатмосферный пограничный слой, климат Арктики, параметризация турбулентного энергообмена атмосферы и океана, морской лед

Код ГРНТИ37.21.35

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на развитие параметризаций турбулентного обмена над поверхностью морского льда в Арктике на основе новых данных наблюдений, а также результатах численного моделирования с высоким разрешением. В частности, будет решаться 1) задача создания параметризации турбулентного обмена над полыньями и разводьями, 2) задача более адекватного учета в численных моделях атмосферы энергообмена атмосферы и океана при наличии разводий, а также 3) задача развития параметризаций турбулентного обмена в пограничном слое при наличии облачности. На предыдущих этапах проекта было выявлено, что наличие разводий, а также наличие/отсутствие облачности являются ключевыми факторами, оказывающими влияние на термический режим надо льдом и составляющие теплового баланса поверхности. При этом было выявлены недостатки современных численных моделей атмосферы в отношении воспроизведения облачности нижнего яруса, структуры атмосферного пограничного слоя, а также учета вклада полыней и разводий в энергообмен. Для решения поставленных задач в ходе проекта планируется использовать уникальный разработанный измерительный комплекс на базе беспилотного летательного аппарата для получения новых детальных измерений турбулентной структуры пограничного слоя над полыньей. Кроме того, для исследования модификации турбулентной структуры пограничного слоя над полыньей будет применено вихреразрешающее моделирование. Для учета влияния разводий и полыней на турбулентный энергообмен в численных моделях атмосферы будут уточнены граничные условия на поверхности за счет использованы данных дистанционного зондирования с высоким разрешением, а именно, данные спектрорадиометра MODIS и радаров с синтезированной апертурой. Планируется участие членов научного коллектива проекта в масштабной самолетной измерительной кампании над морским льдом в Арктике весной 2022 года, организуемой Институтом полярных и морских исследований Альфреда Вегенера (Германия) с целью получения новых данных о средней и турбулентной структуре атмосферного пограничного слоя надо льдом и изучения влияния на нее различных факторов, включая наличие разводий и облачности, которые будут использованы в настоящем проекте для развития параметризаций турбулентного обмена. Новизна проекта заключается в том, что решение поставленных задач будет опираться на новые детальные данные наблюдений, а также результаты вихреразрешающего моделирования. Планируется создать первую физически обоснованную параметризацию турбулентного обмена над полыньями и разводьями для применения в численных моделях атмосферы с грубым разрешением.

Ожидаемые результаты
1. Будет получен новый и самый детальный на сегодняшний день массив данных наблюдений о турбулентной и средней структуре атмосферного пограничного слоя над полыньей. Новый массив данных будет превосходить по детальности те немногие данные наблюдений, которые были собраны над полыньями и разводьями. 2. Новые данные наблюдений совместно с результатами вихреразрешающего моделирования будет использованы для создания первой физически обоснованной параметризации турбулентного обмена над полыньями и разводьями. В мировом научном сообществе существует понимание необходимости такой параметризации, но на сегодняшний день существует лишь эмпирическая параметризация коэффициента турбулентного трения, основанная на крайне ограниченном наборе данных 45-летней давности. 3. Будет предложен метод учета в численных моделях атмосферы энергообмена атмосферы и океана через разводья с использованием данных спутникового дистанционного зондирования. На настоящий момент в численных моделях задается сплоченность морского льда на основе данных пассивной микроволновой радиолокации с недостаточно хорошим пространственным разрешением, чтобы явно разрешать разводья. Для преодоление этого недостатка планируется использовать данные радаров с синтезированной апертурой с разрешением на порядок выше, чем у пассивных радиометров. Совершенствование этой технологии будет важным вкладом в развитие систем гидрометеорологического мониторинга. 4. Будут выявлены недостатки существующих параметризаций турбулентного обмена в пограничном слое при наличии в нем облачности. 5. Будет разработана следующая версия беспилотного летательного аппарата для исследования турбулентной структуры пограничного слоя, оснащенная также малоинерционным датчиком влажности для измерения турбулентных флуктуаций влажности воздуха, а также лазерным дальномером для определения геометрической шероховатости подстилающей поверхности. Новая версия беспилотного летательного аппарата будет по функционалу соответствовать самым современным аналогам. Новый БПЛА может быть использован для более эффективного решения задач гидрометеорологического мониторинга.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
За отчетный год выполнения проекта на многопроцессорном кластере ИФА РАН была проведена серия расчетов по моделированию натекания холодного воздуха на разводья и полыньи в поле морского льда в Арктике. На основе результатов этих расчетов на следующем этапе будет разработана физическая модель трансформации пограничного слоя над разводьем и параметризация для использования в моделях прогноза погоды и климата. Доработан беспилотный летательный аппарат «Цимлянин» и его бортовой измерительный комплекс – созданы два новых самолета и два комплекса полезной нагрузки взамен старой версии, потерпевшей аварию при совершении исследовательских полетов в Цимлянске. В ходе проекта два новых самолета будут использованы для измерений характеристик турбулентности над разводьями и полыньями. На основе синтеза различных спутниковых данных были составлены поля сплоченности и температуры поверхности морского льда и использованы при моделировании динамики атмосферного пограничного слоя надо льдом. Использование при моделировании полей сплоченности высокого разрешения показало, что учет разводий приводит к лучшему согласию модельных расчетов с наблюдениями на дрейфующей станции «Северный Полюс-35». Вместе с тем, было показано, что большинство современных реанализов, таких как ERA-5 и MERRA, часто используемых для анализа климатических изменений и решения многих других задач, завышают минимальные температуры воздуха в Арктике, не воспроизводят сильно устойчивой стратификации, а также имеют существенные ошибки при воспроизведении составляющих теплового баланса над морским льдом. Другой важный фактор, влияющий на составляющие теплового баланса, структуру пограничного слоя и температуру воздуха надо льдом это наличие или отсутствие облачности. По данным самолетным наблюдений была проанализирована турбулентная структура пограничного слоя при наличии в нем облачности, но также при наличии облачности среднего яруса. Показано, что наличие вышележащих слоев облачности уменьшает величину длинноволнового радиационного выхолаживания на верхней границе нижнего яруса облачности, что приводит к тому, что турбулентная структура пограничного слоя становится близка к структуре безоблачного пограничного слоя. Этот результат подчеркивает сложность и важную роль взаимодействия различных физических процессов: радиационных, турбулентных и фазовых и микрофизических, и необходимость их адекватного описания в моделях для воспроизведения динамики атмосферного пограничного слоя. Кроме того, совместный анализ измерений балансомера и данных облакомера, проводившего измерения высоты нижней границы облачности на дрейфующих станциях «Северный Полюс – 37, 39, 40», позволил выявить влияние балла облачности и высоты ее нижней границы на составляющие радиационного баланса в различные сезоны. Наличие облачности с сентября по май приводит к увеличению радиационного баланса, то есть имеет ярко выраженный отепляющий эффект, в то время как летом этот эффект уменьшается и становится отрицательным вследствие уменьшения облачностью притока коротковолновой радиации.

 

Публикации

1. Шестакова А.А. Impact of land surface roughness on downslope windstorm modelling in the Arctic Dynamics of Atmospheres and Oceans, том 95, № 1, 101244 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.dynatmoce.2021.101244

2. Шестакова А.А., Чечин Д.Г., Люпкес К., Хартманн Й., Матурилли М. The foehn effect during easterly flow over Svalbard Atmospheric Chemistry and Physics, 22, 1529–1548 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.5194/acp-22-1529-2022

3. Шнайдер Т., Люпкес К., Дорн В., Чечин Д.Г., Хандорф Д., Хосрави С., Гряник В.М., Махотина И.А., Ринке А. Sensitivity to changes in the surface-layer turbulence parameterization for stable conditions in winter: A case study with a regional climate model over the Arctic Atmospheric Science Letters, e1066 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1002/asl.1066

4. - С учетом вовлеченных. Регионы посоревнуются в популяризации науки www.poisknews.ru, - (год публикации - )

5. - Российские ученые разработали гибридный беспилотник для мониторинга погоды в Арктике Наука ТАСС, - (год публикации - )

6. - Учёные нашли причину аномально высокой температуры на Шпицбергене ИА REGNUM, - (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе проекта исследовалось влияние двух факторов на термический режим над морским льдом в Арктике: наличия разводий и полыней в поле морского льда, а также облачности. Для этого использовалась иерархия численных моделей различной степени сложности: от простых идеализированных аналитических моделей теплового баланса и перемешанного пограничного слоя, до вихреразрешающей модели и трехмерной негидростатической модели WRF. Кроме того, использованы уникальные массивы данных наблюдений: на дрейфующих станциях «Северный Полюс», самолетных наблюдений. Кроме того, впервые был успешно апробирован метод измерения характеристик турбулентности над полыньей с борта судна на воздушной подушке. Получил свое дальнейшее развитие беспилотный летательный аппарат и его измерительный комплекс «Цимлянин», предназначенный для измерения турбулентных характеристик: он был дополнен аппаратурой для измерения альбедо подстилающей поверхности и вторым малоинерционным термометром. В результате вихреразрешающего моделирования разработана концептуальная модель пограничного слое атмосферы надо льдом при наличии разводий как состоящего из трех слоев: внешнем слабо-устойчивом, и двух внутренних: конвективного над разводьем и устойчиво-стратифицированного надо льдом с подветренной стороны. Выявлена и количественно оценена зависимость высоты конвективного пограничного слоя над разводьем от разности температур разводья и льда, от ширины разводья и скорости ветра. Сделаны количественные оценки отепляющего влияния разводий и влияния их на стратификацию над морским льдом. Кроме этого, продемонстрирована важностью учета разводий и реалистичного задания толщины снега на морском льду при трехмерном моделировании атмосферных циркуляций в Арктике в современных численных моделях атмосферы. На основе наблюдений на дрейфующих станциях «Северный Полюс» сделаны количественные оценки радиационного эффекта облачности в Арктике. Показано, что практически на протяжении всего года наличие облачности имеет положительный радиационный эффект (отепляющий), кроме июля.

 

Публикации

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

2. 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, 1040 012020 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1088/1755-1315/1040/1/012020

3. Чечин Д.Г., Люпкес К., Хартманн Й., Эрлих А., Вендиш М. Turbulent structure of the Arctic boundary layer in early summer driven by stability, wind shear and cloud-top radiative cooling: ACLOUD airborne observations Atmospheric Chemistry and Physics, 23, 4685–4707 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.5194/acp-23-4685-2023

4. Шестакова А.А., Дебольский А.В. Impact of the Novaya Zemlya Bora on the Ocean-Atmosphere Heat Exchange and Ocean Circulation: A Case-Study with the Coupled Model Atmosphere, 13(7), 1108 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/atmos13071108

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут быть использованы для развития, уточнения и верификации численных моделей атмосферы, используемых в прогнозе погоды и моделирования изменения климата. Разработанный беспилотный летательный аппарат «Цимлянин» и его бортовой измерительный комплекс могут быть использованы в системах гидрометеорологического и экологического мониторинга.