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 22-77-10094
НазваниеОбрушения поверхностных волн при экстремальных метеоусловиях: физические свойства, связанные явления, процессы обмена и дистанционная диагностика
Руководитель Кандауров Александр Андреевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук" , Нижегородская обл
Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-509 - Взаимодействие океана и атмосферы
Ключевые слова ветер, турбулентность, волнение, обрушение волн, подводные пузырьки, морские брызги, численное и лабораторное моделирование
Код ГРНТИ37.25.15
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Исследования, проводимые в рамках настоящего проекта, направлены на развитие новых моделей турбулентного обмена между атмосферой и океаном, необходимых для параметризации потоков тепла, влаги, импульса, газовых составляющих и т.д. при прогнозировании погодной и климатической обстановки с использованием глобальных численных моделей циркуляции атмосферы и океана. При этом следует отметить, что наихудшим качеством прогноза к настоящему времени продолжают характеризоваться погодные явления, сопровождаемые экстремальными условиями в пограничном слое атмосферы и океана. К ним в первую очередь относятся штормовые и ураганные условия. Обмен импульсом, теплом, влагой, газообмен определяются многофазными мелкомасштабными процессами, которые ассоциированы в первую очередь с обрушением волн при высоких скоростях ветра, включающими в себя образование брызг, турбулентное перемешивание верхнего слоя океана, динамику подводных пузырьков, формирующих пенное покрытие. Детальное исследование обрушений и связанных с ними мелкомасштабных процессов в натурных условиях при штормах и ураганах сопряжено с большими сложностями. Это в свою очередь затрудняет развитие моделей, которые позволяют не только качественно, но и количественно описать вклад этих процессов в турбулентный обмен между атмосферой и океаном, и обуславливают низкое качества прогноза при экстремальных условиях. Яркими примерами здесь являются эффекты стабилизации или даже уменьшения аэродинамического сопротивления поверхности при одновременном резком возрастании потоков тепла и скорости газообмена между атмосферой и океаном при ураганных условиях, указания на которые имеются в ограниченном ряде наблюдений. Пока нет однозначного понимания и интерпретации этих важнейших эмпирических фактов, что усложняет количественную оценку и включение в модели циркуляции атмосферы и океана. Еще более усложняются исследования обозначенных выше процессов в условиях высоких широт, когда при учете взаимного влияния в системе атмосфера-волны-океан добавляется еще и фактор ледяного покрова. Механизмы взаимного влияния в комплексной системе атмосфера-волны-лед-океан многогранны. Интенсивные обрушения волн и связанные с ними мелкомасштабные процессы в присутствии плавучего льда могут как ослабевать за счет ограниченных разгонов по сравнению с чистой водой, так и интенсифицироваться, например, за счет дополнительных обрушений вблизи кромок льда в условиях сильных ветров. Это затрудняет оценку вклада обрушений при штормах в потоки тепла при изучении причин экстремального потепления в арктическом регионе. В настоящее время предлагаются разные механизмы подобного влияния. Например, за счет возрастания коэффициентов теплообмена между атмосферой и океаном в присутствии обрушений, приводящих к генерации брызг, или за счет повышения температуры поверхности океана, вызванного интенсификацией перемешивания (за счет обрушений) его деятельного слоя, в том числе промежуточного слоя теплых атлантических вод. Однако количественные оценки этих механизмов пока отсутствуют. Основные причины этого в том, что при получении имеющихся к настоящему времени данных, касающихся в основном статистики обрушений, площади покрытия, динамики гребня и т.д., не выполнялись параллельные детальные измерения характеристик турбулентного обмена и многофазных процессов (брызг, пузырьков и т.д.), сопутствующих обрушениям.
В свою очередь для возможности применения методов количественной оценки вклада в турбулентный обмен, от мелкомасштабных процессов, ассоциированных с обрушениями, необходимо развитие методов их дистанционной диагностики на морской поверхности. Поскольку для условий штормовой погоды типична интенсивная облачность, то наиболее подходящими являются методы, основанные на использовании микроволнового (СВЧ диапазона) излучения, слабо поглощающегося в облаках. Обрушения волн в значительной степени ответственны за формирование отраженного сигнала морской поверхностью, особенно для режимов кроссполяризованного приема/излучения, которые считаются наиболее перспективными при использовании в штормовых и ураганных условиях. Однако для развития этих методов необходимы эталонные измерения характеристик рассеянного СВЧ излучения на взволнованной поверхности, при которых одновременно выполнялись бы детальные измерения характеристик обрушений и связанных с ними мелкомасштабных процессов.
Резюмируя вышесказанное и сопоставляя с описанными выше в пункте «Обоснование соответствия тематики проекта направлению из Стратегии НТР РФ» научной проблемой и конкретными задачами, можно сделать вывод об актуальности предлагаемого проекта с учетом современного уровня исследований в данной научной сфере. Переходя к прикладным аспектам, можно отметить актуальность проекта как с точки зрения запросов современного общества на все более активное освоение ресурсов Мирового океана (добычу полезных ископаемых на шельфе, освоение морских путей сообщений, использование энергоресурсов), включая полярные области, так и с точки зрения минимизации негативного антропогенного влияния на него.
Новизна проекта, заключается во впервые предлагаемом детальном исследовании связи обрушений с многофазными мелкомасштабными процессами и их влиянием на процессы турбулентного обмена в пограничном слое атмосферы и океана, и рассеяние СВЧ излучения взволнованной поверхностью в широком диапазоне условий, включая экстремальные. В рамках одного проекта будут качественно и количественно исследованы процессы генерации брызг и подводных пузырьков в зависимости от интенсивности обрушений. Будут выполнены оценки вклада наблюдаемых мелкомасштабных процессов, связанных с обрушениями, в обмен импульсом, теплом и влагой и их влияния на характеристики рассеянного СВЧ излучения при различных режимах зондирования (включая кроссполяризационный) в широком диапазоне условий, включая шторма и ураганы, а также условий, характерных для полярных областей. При этом будет использован комплексный подход, сочетающий в себе лабораторные эксперименты, численное моделирование и теоретический анализ.
Будет выполнена обработка ранее полученных данных и проведены новые исследования в условиях лабораторного моделирования на экспериментальных стендах. Планируется выполнение экспериментов на Высокоскоростном Ветроволновом Термостратифицированном бассейне ИПФ РАН, а также обработка и анализ данных, полученных ранее на кольцевом канале Аэлотрон университета Гейдельберга. Уникальные характеристики этих установок взаимно дополняют друг друга. Прямоточный ВВТСБ обеспечивает моделирование ураганов и широкий диапазон температурных характеристик воздушной и водной среды. В свою очередь замкнутость Аэлотрона обеспечивает неограниченный разгон и возможность моделирования плавучего льда. В экспериментах и при обработке данных будут использованы самые современные измерительные методики, включая оригинальные разработки. Контактные измерения будут сочетаться с измерениями с помощью лазерно-оптических методов, основанных на визуализации.
Численное моделирование гидродинамики мелкомасштабных многофазных процессов будет выполняться с использованием наиболее современных программных пакетов, реализующих численные методы решения уравнений гидродинамики на адаптивных сетках с обработкой сложных границ раздела сред методом объема жидкости (Volume-Of-Fluid). В свою очередь теоретический анализ будет основан на решении уравнений микрофизики многофазных процессов. Для расчетов будут привлекаться как имевшиеся ранее эмпирические данные, так и результаты лабораторных экспериментов, полученные уже в рамках настоящего проекта.
Таким образом, наряду с новизной постановки задач исследования в рамках обозначенной научной проблемы несомненна новизна в используемых подходах к их решению.
Актуальность и новизна определяют прорывной характер тематики проекта, результаты которого помогут обеспечить формирование новых научных направлений, связанных с комплексным исследованием физических процессов в неблагоприятных и опасных погодных явлениях, их мониторинга и прогнозирования.