Ученые из МГУ им. М.В. Ломоносова, Института вычислительной математики им. Г.И. Марчука РАН и других организаций разработали и проверили новый метод учета турбулентного перемешивания в нижнем слое атмосферы для повышения точности климатического моделирования полярных регионов Земли.
Источник фото: Александра Нарижная, ИФА РАН
Потепление в Арктике происходит в три-четыре раза быстрее, чем среднепланетное, морской лед быстро тает. В Антарктике также появляются все больше свидетельств изменений климата. Чтобы понять, что ожидает полярные регионы и какие угрозы или возможности для развития экономики представляют эти процессы, необходимы надежные оценки будущих климатических изменений. Но наибольшие расхождения между результатами различных климатических моделей наблюдаются именно в Арктике и Антарктике, что говорит о высокой неопределенности моделирования. Ученые из МГУ считают, что описание турбулентности в нижнем слое атмосферы в моделях — ключ к увеличению точности прогнозирования климата высоких широт.
Почему важна турбулентность в нижних слоях полярной атмосферы?
Турбулентность – главный механизм передачи импульса, тепла и влаги между льдом, океаном, сушей и атмосферой. Без неё не было бы морских течений, дрейфа льда и трансформации воздушных и водных масс. Облачность была бы иной без турбулентности в атмосфере.
Возможен ли полный отказ турбулентности? В полярных районах воздух у поверхности может выхолодевать, становиться тяжёлым и плотным, а энергии турбулентности недостаточно для перемешивания холодного воздуха. Турбулентное перемешивание ослабевает, но не исчезает совсем.
Эта особенность противоречит моделям турбулентности, которые предсказывают полное затухание обмена при усилении плотностной стратификации – формирование холодных тяжёлых слоев воздуха у поверхности, особенно характерный процесс для полярных регионов.
Для разрешения противоречий в МГУ и РАН создали численную модель, воспроизводящую турбулентные движения в нижнем слое атмосферы с высоким пространственным разрешением (несколько сантиметров). Эксперименты проводились на мощностях Суперкомпьютерного центра МГУ им. М.В. Ломоносова. Результаты показали, что модель EFB Зилитинкевича наиболее реалистично описывает турбулентность при устойчивой стратификации. На основе этой модели ученые МГУ улучшили и проверили параметрическое описание турбулентного перемешивания, которое пригодно для климатических моделей.
Другой проблемой является грубое разрешение климатических моделей, которое необходимо для проведения серии экспериментов продолжительностью в сотни или тысячи лет.
В полярных районах нижний слой атмосферы, где происходит турбулентность, особенно тонок из-за слабой турбулентности и сильной плотностной стратификации. Типичная толщина этого слоя над льдом всего несколько десятков метров, что сравнимо с вертикальным разрешением климатических моделей.
Это означает, что в таких моделях невозможно корректно воспроизвести турбулентный обмен над льдом в Арктике и Антарктике стандартными методами. Ученые МГУ с коллегами разрабатывают новые подходы к параметрическому описанию турбулентности и ее численной реализации в климатических моделях, которые обладали бы высокой точностью даже при грубом разрешении. Первые результаты продемонстрировали улучшение точности и перспективы разрабатываемых методов.
Результаты применяются для улучшения национальной климатической модели проекта ФНТП «Исследование процессов в пограничных слоях атмосферы, океана и вод суши и их параметризации в моделях системы Земли». Ученые стремятся снизить систематические ошибки модели для точного описания современного и будущего климата полярных регионов.
Информация предоставлена НИВЦ МГУ
Источник фото: Александра Нарижная, ИФА РАН