Группа ученых из НИВЦ МГУ, ИФА им. А.М. Обухова РАН и ИВМ им. Г.И. Марчука РАН участвует в международном модельном эксперименте COMBLE по воспроизведению арктического холодного вторжения с помощью численных моделей атмосферы различной сложности. На суперкомпьютере СКЦ МГУ российский коллектив проводит эксперименты с помощью вихреразрещающей модели высокого разрешения, разработанной в НИВЦ МГУ, а также нескольких одноколоночных моделей. Результаты исследования используются в рамках проекта ФНТП «Исследование процессов в пограничных слоях атмосферы, океана и вод суши и их параметризация в моделях Земной системы» для развития ведущей российской климатической модели – модели Земной системы ИВМ РАН.
Рис. 1. Снимок со спутника MODIS во время холодного вторжения над Баренцевым морем 16 марта 2023 года. Источник: NASA Worldview
Рис. 2. Трехмерное поле вертикальных движений в атмосфере по данным экспериментов с вихреразрешающей моделью – видны воспроизводимые крупномасштабные структуры конвективных ячеек. Источник: НИВЦ МГУ имени М.В. Ломоносова
Морские холодные вторжения представляют собой затоки холодных воздушных масс на более теплую поверхность океана в тылу атмосферных циклонов в средних и полярных широтах. Облачность во время холодных вторжений легко узнаваема на спутниковых снимках (см. рис. 1), так как кучевые облака организуются в характерные структуры – гряды и ячейки. Но для ученых-климатологов и метеорологов облачные узоры являются одним из ключевых объектов исследования – ведь именно облачность во многом определяет, сколько тепла от солнца достигнет земной поверхности, а сколько отразится и переизлучится обратно в космос. Крайне важно, чтобы характеристики облачности корректно воспроизводились в численных моделях атмосферы.
Облака холодных вторжений представляют собой особенно сложные системы, внутри которых соседствуют как жидкие капли, так и кристаллы льда, активно идут процессы фазовых переходов влаги и роста снежинок – из таких облаков выпадают интенсивные осадки в виде ливневого снега, которые принято называть «снежными зарядами». Ученые стараются разгадать, какие процессы определяют фазовый состав облаков, их водность и лёдность, а также, каким образом из хаоса турбулентной конвекции возникают упорядоченные структуры (рис. 2).
Участники российского коллектива подчеркивают, что для того, чтобы воспроизводить в моделях реалистичную облачность и ее турбулентную структуру, необходимо одновременное использование высокого пространственного разрешения и расчетной области с большой размерностью. Это возможно только с задействованием ресурсов суперкомпьютера, а также при эффективной реализации параллельных вычислений на большом количестве ядер. Ученые отмечают, что участие в международном эксперименте полезно еще и потому, что требует доработки моделей до самого современного мирового уровня.
Результаты проводимых экспериментов, используя вычислительные ресурсы суперкомпьютера МГУ «Ломоносов-2», послужат хорошим подспорьем для развития блоков климатических моделей, отвечающих за описание облачности, в особенности в Арктике – стратегически важном для России регионе, где происходят наиболее быстрые климатические изменения.
Информация и фото предоставлены НИВЦ МГУ имени М.В. Ломоносова