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 14-17-00667

НазваниеДинамика и дистанционная диагностика многофазных сред в пограничных слоях атмосферы и гидросферы

РуководительТроицкая Юлия Игоревна, Доктор 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

Период выполнения при поддержке РНФ

2017 г. - 2018 г.

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-509 - Взаимодействие океана и атмосферы

Ключевые словапограничные слои атмосферы и океана, поверхностные волны, брызги, пена, дождь, рассеяние радиоволн на морской поверхности

Код ГРНТИ37.21.35

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Настоящий проект связан с решением одной из актуальных фундаментальных и прикладных проблем физики атмосферы и океана - построением достоверной модели процессов обмена между атмосферой и океаном при штормовых условиях и развитием методов их дистанционной диагностики. В последние 10 лет достигнут большой прогресс предсказания траекторий движения морских штормов, в том числе, наиболее опасных погодных явлений, тропических циклонов, однако точность прогноза интенсивности все еще находится на уровне 90-х годов. Важнейшим источником ошибок прогноза считается отсутствие достоверных моделей процессов обмена между атмосферой и океаном при штормовых и ураганных условиях. Наибольшую неопределенность при таких условиях имеет описание многофазных сред вблизи границы вода-воздух (брызги и дождевые капли в приводном слое атмосферы, пена на поверхности воды, обрушение поверхностных волн, пузырьки воздуха в верхнем слое океана). Это связано с отсутствием достоверных экспериментальных натурных данных при штормовых и ураганных ветрах, и за неимением лучшего используются экстраполяции параметров этих многофазных сред, полученных при скоростях ветрах меньше 20 м/с. В результате выполнения проекта 2014-2016 гг было показано, что при штормовом ветре происходит активация новых, ранее неизвестных механизмов взаимодействия между океаном и атмосферой, которые могут существенно изменять тепло-массо-энергообмен между ними. В частности, установлено, что при скоростях ветра выше 20 м/с доминирует механизм генерации брызг, связанный с дроблением типа "парашют", который не "включается" при меньших скоростях ветра. При этом параметры брызг радикально изменяются. В связи с этим имеющиеся модели приводного пограничного слоя при сильном и ураганном ветре, которые основаны на экстраполяции данных, полученных при скоростях ветрах меньше 20 м/с, нуждаются в пересмотре с учетом обнаруженных новых факторов. Это объясняет сохранение актуальности настоящего проекта и новизну решаемых в нем научных проблем. В ходе выполнения проекта будет построена гидро-термодинамическая модель приводного слоя атмосферы и верхнего слоя океана при штормовом и ураганном ветре с учетом особенностей этих двухфазных сред, обнаруженных в ходе выполнения проекта 2014-2016 г. Предполагается, что эта модель может быть интегрирована в существующие мезомасштабные модели циркуляции атмосферы, осуществляющие прогноз развития ураганов. Значительное место в настоящем проекте будут занимать исследования особенностей двухфазных сред в условиях низких температур, необходимых для моделирования неблагоприятных погодных условий в высоких широтах (холодные вторжения, полярные ураганы). Для реализации этих целей будет выполнено лабораторное исследование влияния низких температур на механизмы формирования и параметры двухфазных сред в пограничных слоях атмосферы и океана. В рамках проекта 2014-2016 гг моделирование динамики многофазных сред при штормовых условиях проводилось с использованием пресной воды. В настоящем проекте будет изучено влияние различных физико-химических факторов (температур воды и воздуха, концентрации растворенных солей, присутствия биологических материалов и поверхностно-активных веществ) на процессы генерации брызг и динамику пены. Будет проведено прямое численное моделирование тепло-массообмена в приводном атмосферном пограничном слое в присутствии брызг с учетом испарения и конденсации капель и теплообмена между каплями и воздухом. Определенное место в проекте будет занимать численное моделирование особенностей ветрового волнения при штормовых и ураганных условиях, его параметров и физических механизмов взаимодействия с ветровым потоком, механизмов диссипации, связанной, прежде всего, с обрушением волн, а также влияния волнения на процессы обмена атмосфера-океан при штормовых и ураганных условиях. Будут исследоваться возможности применения цифровой обработки видеоизображения, полученного с помощью монокулярной фото- и видеосъемки, для определения его пространственно временных характеристик. Важной составной частью настоящего проекта будет являться развитие методов дистанционной диагностики состояния атмосферы и океана при штормовых и ураганных условиях с учетом закономерностей, выявленных в ходе выполнения проекта в 2014-2016 гг. Широкое признание получили в последнее время преимущества дистанционных (в том числе спутниковых) методов для мониторинга морских акваторий, однако в условиях штормовой погоды возникают проблемы снижения их чувствительности, не решенные до настоящего времени. Общие физические закономерности рассеяния микроволнового излучения на поверхности воды были исследованы в 2014-2016 гг в лабораторных условиях. В настоящем проекте они будут применены к натурным условиям. При этом на основе доступных данных микроволнового спутникового зондирования и измерений профилей метеорологических параметров в условиях ураганов будет для разработана новая геофизическая модельная функция (ГМФ), связывающая интенсивность рассеянного микроволнового излучения на перекрестной поляризации с турбулентными потоками в пограничном слое атмосферы, в частности с напряжением трения ветра. Это даст возможность создать принципиально новые продукты обработки данных спутникового зондирования - карты турбулентных потоков, которые могут быть непосредственно использованы в численных моделях атмосферной циркуляции. Также будет продолжено исследование возможностей средств низкочастотной акустики в приложении к диагностике состояния приповерхностного слоя океана при штормовом ветре. Фокус исследований в 2017-2018 гг будет перенесен на теоретическое и экспериментальное исследование характеристик эхосигнала, отраженного от распределения пузырьков, образующихся в результате обрушения волн. Как и в 2014-2016 гг, для решения задач проекта 2017-2018 гг будут применяться комплексные методики, включающие проведение лабораторного и численного моделирования, а также построение теоретических моделей. Лабораторное моделирование будет проводиться на высокоскоростном ветроволновом канале большого термостратифицированного бассейна ИПФ РАН, входящего в состав Уникальной научной установки «Комплекс крупномасштабных геофизических стендов» (ККГС, http://www.ckp-rf.ru/usu/77738/ ). Комплекс оснащен уникальным измерительным оборудованием, в частности, высокоскоростной камерой с рекордными характеристиками. В рамках проекта 2014-2016 гг было создано специализированное оборудование и созданы алгоритмы автоматической обработки изображений скоростного видео для проведения исследований многофазных процессов при штормовых условиях. Были развиты методики проведения экспериментов по рассеянию микроволнового излучения и их обработки. Были созданы численные коды для прямого численного моделирования (DNS) нелинейных волн и пограничного слоя атмосферы, несущего мелкодисперсные капли. Таким образом, достижимость задач численных экспериментов настоящего проекта обеспечивают значительный научный задел, отработанные методики лабораторных и численных экспериментов, проведенная модернизация оборудования, а также результаты, , полученными в ходе выполнения проекта 2014-2016 гг , которые в значительной мере меняют современные представления о свойствах многофазных сред в пограничных слоях атмосферы и океана при штормовом ветре.

Ожидаемые результаты
Основным результатом выполнения проекта 2014-2016 гг стало существенное изменение представлений об особенностях многофазных сред в атмосфере и океане при штормовом ветре. В частности, было показано, что при скоростях ветра выше 20 м/с происходит активация нового, ранее неизвестного механизма генерации брызг, дробления типа "парашют". Основным ожидаемым результатом настоящего проекта является разработка модели пограничных слоев атмосферы и океана при штормовых условиях с учетом этих новых результатов. Результаты проекта 2014-2016 г и основанные на них ожидаемые результаты опережают мировой уровень исследований многофазных процессов в пограничных слоях атмосферы и океана при штормовых условиях, поскольку современные подходы используют экстраполяцию имеющихся данных, полученных при скоростях ветра ниже 20 м/с. Особое внимание в проекте 2017-2018 гг будет уделяться неизвестным особенностям многофазных пограничных слоев в условиях низких температур, которые необходимо учитывать при моделировании условий штормовых ветров в Арктических и Антарктических морях. При этом планируется получение новых фундаментальных результатов, а именно 1. На основе лабораторного моделирования будет изучено влияние различных физико-химических факторов (температур воды и воздуха, концентрации растворенных солей, присутствия биологических материалов и поверхностно-активных веществ) на механизмы формирования и параметры двухфазных сред в пограничных слоях атмосферы и океана. 2. На основе численных экспериментов с применением метода прямого численного моделирования (DNS) будет исследованы динамика и процессы обмена теплом и влагой в пограничном слое над взволнованной поверхностью океана в присутствии брызг с учетом их параметров, обусловленных механизмами их генерации, выявленных в экспериментах. Это позволит установить закономерности тепломассопереноса в пограничном слое атмосферы при штормовых условиях с учетом обратной связи между параметрами атмосферного воздуха (влажностью и температурой) и процессами испарения и конденсации капель. Будут разработаны параметризации влияния капель брызг на турбулентный обмен импульсом, теплом и влагой в приводном атмосферном погранслое, основывающихся на данных лабораторного и численного экспериментов, пригодные для использования в крупномасштабных моделях прогноза погоды. 3. Будут изучены особенности характеристик двухфазных сред в условиях низких температур, необходимых для моделирования неблагоприятных погодных условий в высоких широтах (холодные вторжения, полярные ураганы). Особое внимание будет уделяться изучению влияния низких температур на механизмы генерации брызг. 4. На основе численного моделирования будет изучены особенности ветрового волнения при штормовых и ураганных условиях, , а также влияния волнения на процессы обмена атмосфера-океан при штормовых и ураганных условиях. Для исследования параметров поверхностного волнения в натурных условиях будет развит метод оптического монокулярного измерения характеристик волнения при естественном освещении. Важной составной частью настоящего проекта будет являться развитие методов дистанционной диагностики состояния атмосферы и океана при штормовых и ураганных условиях с учетом закономерностей, выявленных в ходе выполнения проекта в 2014-2016 гг. Ожидаемые результаты будут связаны с разработкой новых методов микроволнового и акустического зондирования поверхности океана. 1. На основе доступных данных микроволнового спутникового зондирования и измерений профилей метеорологических параметров в условиях ураганов будет построена новая геофизическая модельная функции (ГМФ), которая отличается от традиционной тем, что она связывают интенсивность рассеянного микроволнового излучения не со скоростью ветра, а с турбулентным напряжением трения ветра - величиной, непосредственно используемой в моделях атмосферной циркуляции. Это даст возможность повысить точность задания граничных условий при усвоении спутниковых данных, что должно привести к повышению качества прогноза интенсивности штормов и ураганов. 2. Будут развиты физические основы метода дистанционной диагностики параметров поверхностных волн, а также течений и турбулентности в верхнем слое океана по доплеровскому изменению спектра низкочастотного акустического сигнала (аналог содара). Способность низкочастотного звука к дальнему распространению в океане делает этот метод привлекательным для зондирования штормовой области с большого расстояния (более 1000 км). Основными ожидаемыми результатами фундаментальных исследований в рамках проекта 2017-2018 гг являются модель пограничных слоев атмосферы и океана при штормовом и ураганном ветре, учитывающая новые, ранее неизвестные механизмы взаимодействия между океаном и атмосферой при этих условиях. создание физических основ новых дистанционных методов мониторинга опасных и неблагоприятных погодных условий в океане. Решение этих фундаментальных задач создает научную основу для повышения качества прогноза морских штормов (прежде всего, их интенсивности), который используется для прогнозов маршрутов судов, морской деятельности, штормовых нагонов. Это также позволит разработать сценарии развития опасных природных явлений, а также обеспечить данные для оценки рисков для кораблей и береговых сооружений, связанных с экстремальными нагрузками. Дальнейшее развитие этих исследований может быть связано с решением статистической задачи оценки частоты их повторения, необходимой для создания системы оценки рисков морской деятельности, основанной на новых динамических моделях опасных явлений в океане, связанных с неблагоприятными гидрометеорологическими условиями.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---