Научные результаты:
- Cоздана иерархия моделей общей циркуляции океана, основанная на численной модели NEMO (Barnier et al. 2006), разработка и поддержка которой осуществляется Европейским консорциумом исследовательских институтов. Были разработаны глобальные конфигурации модели с разрешением 1/4 ° и 1/12°, которые далее были адаптированы для проведения расчетов на параллельном вычислительном кластере в ИОРАН, а также на суперкомпьютерном комплексе ЛОМОНОСОВ-II в Московском Государственном Университете. Далее были выполнены долгопериодные глобальные численные эксперименты (1979–2018 гг.), в которых особое внимание уделялось точному воспроизведению состояния океана и его климатической изменчивости. В данных экспериментах впервые были проанализированы роли мезомасштабной и субмезомасштабной динамики океана в формировании собственной изменчивости океана на глобальном масштабе. Кроме того, была выполнена оценка их влияния на глобальные изменения океана, включая средний уровень моря, глобальную термохалинную циркуляцию, динамику основных океанических течений.
-
Проведена оценка возобновляемой энергии, связанной с океаническими течениями, на основе глобальных численных экспериментов с высоким разрешением. Для этого нами впервые была использована вихреразрешающая численная модель циркуляции океана в глобальной конфигурации. В данных экспериментах мы внедрили виртуальные турбинные электростанции (ТурбЭС) в реалистичную глобальную вихреразрешающую модель циркуляции океана и впервые выполнили моделирование изменений течений, связанных с ТурбЭС, тем самым количественно улучшив оценку потенциального воздействия ТурбЭС на локальные режимы циркуляции океана, а также повысив точность оценки энергетического потенциала. Эффект от множества турбин (т.е. виртуальных ТурбЭС) был параметризован путем введения дополнительного коэффициента сопротивления в уравнения движения для узлов вычислительной сетки в 42 районах вдоль траекторий Гольфстрима и Куросио. Это позволило впервые выявить участки с наибольшим и наименьшим снижением теоретической доступной мощности (ТДМ), оптимальные для расположения ТурбЭС. Кроме того, впервые была проведена количественная оценка обратных связей между ТурбЭС и динамикой океанических.
-
Разработана модель циркуляции океана для Северной Атлантики с горизонтальным разрешением 1/12° и 75 вертикальными уровнями. Данная конфигурация (далее называемая NNATL12) воспроизводит динамику субполярного круговорота с разрешением около 4.5 км. Далее впервые для этого региона были разработаны конфигурации с более высоким горизонтальным разрешением (1/36° и 1/60° с 150 и 300 вертикальными уровнями). Для всех этих конфигураций была предложена новая параметризация и численная схема для вертикального перемешивания, которая учитывает усиление интенсивности перемешивания, связанное со ступенчатым представлением топографии дна. Использование данной параметризации улучшает воспроизведение глубоководных течений, что подтверждается сравнением с данными наблюдений. Это обеспечило более точное воспроизведение глубоководных течений в Датском проливе, который является важным компонентом циркуляции в Атлантике. На основе разработанных моделей были проведены долгопериодные численные эксперименты с 1992 года по настоящее время. Нами проведена валидация модельных расчетов с использованием судовых измерений для на разрезе вдоль 60° с.ш. Для этого были разработаны методы диагностики, обеспечивающие оптимальное соответствие между результатами моделирования и точечными наблюдениями, а также учитывающие масштабирование моделируемых и наблюдаемых характеристик.
-
Проведение модельных экспериментов не было бы возможным без создания атмосферных граничных условий высокого разрешения. Для этого впервые были проведены численные эксперименты для северной части Атлантического океана с высоким пространственным разрешением (около 11 км, 50 вертикальных уровней) на основе региональной негидростатической атмосферной модели (WRF-ARW 3.8.1) для периода 1979-2018 гг. с боковыми граничными условиями из атмосферного реанализа ERA-Interim. Для получения оптимальной конфигурации спектрального приспособления (“spectral nudging”) для данного эксперимента был проведен ряд тестов на чувствительность к различным длинам волн и высоте его применения. Данный беспрецедентный численный эксперимент получил название «North Atlantic Atmospheric Downscaling». Проведеный паралельно эксперимент с низким пространственным разрешением позволил оценить роль мезомасштабных атмосферных процессов во взаимодействии океана и атмосферы и океанической циркуляции. Нами проведена оценка качества воспроизведения характеристик взаимодействия океана и атмосферы, включая экстремальные потоки тепла, что имеет критическое значение для воспроизведения конвекции в, ветрового волнения и связанного с ним вертикального перемешивания, а также взаимодействия океана и атмосферы в тропиках.
-
Результаты численного моделирования мезомасштабных процессов в океане и их роль в формировании крупномасштабной циркуляции были также проанализированы в ряде теоретических исследований вихревой активности океана. Нами исследовалось, как произвольное возмущение расщепляется на медленную квазигеострофическую (КГ) и быструю агеострофическую компоненты. В баротропной модели медленная компонента описывалась двумерным уравнением гидродинамики для геострофической функции тока. Этот компонент определялся двумя взаимосвязанными нелинейными уравнениями потенциальной завихренности в квазигеострофическом приближении в верхнем и нижнем слоях. Это позволило нам определить асимптотические решения для усредненных полей, которые существуют во всей области (включая пограничные слои) в течение продолжительных периодов времени. Точные разложения для усредненных полей сравнивались с асимптотическими решениями. Мы также рассмотрели геострофическое приспособление в модели вращающегося океана, когда угловая скорость вращения не совпадает по направлению с гравитацией. Для анализа этих эффектов были рассмотрены две модели: баротропная модель и модель стабильно нейтрально стратифицированной жидкости. Полученные результаты оказались важны для понимания численных экспериментов по воспроизведению динамики мезомасштабных процессов в океане.
-
Разработана региональная конфигурация численной океанской модели высокого разрешения для Черного и Азовского морей (далее называемая BSAS12), и было проведено более 20 тестов на чувствительность, в том числе, для анализа водообмена через Керченский пролив. Для проведения экспериментов для Черноморского региона на основе атмосферной модели WRF был получен региональный массив граничных условий высокого разрешения за период 1979-2018 гг. Для валидации модельных экспериментов BSAS12 была разработана база данных океанографических параметров Черного моря на основе инструментальных измерений и наблюдений со спутников, которые будут широко использованы в будущем. Проведенные численные эксперименты впервые позволили провести анализ динамики небольших речных плюмов в Черном море, а также валидацию их распространения на основе спутниковых данных. Далее, смоделированные характеристики речных плюмов были связаны с речным стоком в Черном море. Дополнительные региональные исследования были выполнены также для других закрытых и полузакрытых бассейнов. В частности, эксперименты по моделированию циркуляции океана и ветрового волнения были проведены для Баренцева моря, для которого были разработаны неструктурные и региональные конформные сетки. Также были проведены региональные и локальные исследования хлорофилла (Chl a) и взвешенного вещества на основе численного моделирования в сочетании с анализом спутниковых и радиолокационных изображений.
-
Разработана объединенная конфигурация глобальной модели NEMO с разрешением 0.5º и модели общей циркуляции атмосферы Главной геофизической обсерватории. На основе полученной конфигурации было выполнено несколько контрольных экспериментов, и таким образом, модель была подготовлена для дальнейшего внедрения других компонентов климатической системы и проведения исторических и сценарных экспериментов. В настоящее время ведутся работы по оптимизации вычислительных ресурсов для выполнения данных экспериментов. Для анализа достоверности моделирования был проведен анализ характеристик температуры на поверхности в существующих экспериментах с климатическими моделями.
-
Создана региональная конфигурация модели со сверхвысоким разрешением, объединяющая модели динамики океана, льда, волн и атмосферы и способная оперативно прогнозировать состояние среды в высокоширотных районах. В настоящее время данная система развивается в рамках договорных работ с Газпромнефтью.
- Выполнены глобальные расчеты ветрового волнения с использованием спектральной волновой модели, являющейся частью модели динамики океана. Что позволило лаборатории войти в состав международной коллаборации COWCLIP.
Внедрение результатов исследования:
- Разработана методика оценки потенциала океанских течений для получения экологически чистой энергии.
- Выполнены расчеты с моделью высокого разрешения, позволившие показать эффективность использования океанских поверхностных течений для получения энергии.
Образование и переподготовка кадров:
Защиты: 3 кандидатских диссертации, 1 докторская диссертация.
Проведена Международная молодежная школа и конференция по вычислительно-информационным технологиям для наук об окружающей среде CITES-2017.
Разработан курс лекций:
-
«Граничные условия для моделей циркуляции океана: методы и перспективы»;
-
«Численное моделирование циркуляции океана»;
-
«Машинное обучение в науках о Земле».
Организационные и инфраструктурные преобразования:
На базе Лаборатории создан многопроцессорный высокопроизводительный кластер, который может служить в качестве уникальной установки.
Другие результаты:
На базе Лаборатории проведены конференция «Взаимодействие океан-атмосфера-лед в Арктике и северной части Тихого океана: ключ к предсказуемости климатической изменчивости в средних широтах» и семинар «Океанская энергетика, нелинейные процессы и береговая зона».
Сотрудничество:
- Научно-исследовательский вычислительный центр МГУ имени М. В. Ломоносова (Россия): совместные исследования, использование суперкомпьютеров «Ломоносов», «Ломоносов-2», выполнение долговременных расчетов циркуляции Северной Атлантики в высоком разрешении.
- Главная геофизическая обсерватория имени А. И. Воейкова (Россия): построение объединенной модели океана и атмосферы для исследования климата, построение пробной конфигурация объединенной модели, выполнение тестовых экспериментов.
