Лаборатория моделирования океана

Научные результаты:

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. 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.

Организационные и инфраструктурные преобразования:

На базе Лаборатории создан многопроцессорный высокопроизводительный кластер, который может служить в качестве уникальной установки.

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».

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.