Структура и динамика атмосферного пограничного слоя над неоднородной поверхностью

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 проекта 21-17-00249

НазваниеСтруктура и динамика атмосферного пограничного слоя над неоднородной поверхностью

Руководитель Репина 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

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 слова неоднородная поверхность, нестационарные условия, атмосферный пограничный слой, когерентные структуры, параметризации, численное моделирование турбулентности

Код ГРНТИ37.21.35

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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)
10.31857/S0002351521050047

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)
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)
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)
10.15372/AOO20220206

5. 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)

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)
10.1088/1755-1315/1040/1/012020

7. 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)
10.1016/j.uclim.2022.101351

8. 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)
10.55959/MSU0579-9414-5-2022-6-64-78

9. 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)
10.1007/s10546-022-00751-4

10. 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)
10.1007/s10546-022-00741-6

11. 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)
10.2205/2022ES01SI11

12. 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)
10.1088/1755-1315/1023/1/012009

13. 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)
10.1134/S0001433823040151

14. 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)
10.1134/S0097807823700045

15. 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)
10.1029/2022JD037219

16. 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)
10.1002/qj.4589

17. 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)
10.1134/S0361768823080248

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

19. 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)

Публикации