Лаборатория математического моделирования процессов в атмосфере и гидросфере

Основные направления исследований:

Разработка алгоритмов и численных моделей динамики атмосферы, океана и водных объектов суши для исследований вариаций климата и антропогенных изменений в окружающей среде.

Основные результаты: 

• Созданы численные модели динамики атмосферы и гидросферы для исследования климатических изменений в Сибирском и Арктическом регионах.
• Разработаны модели и методы анализа данных мониторинга химического и радиоактивного загрязнения территорий аварийными выбросами примесей в атмосферу.

I. Комплекс климатических численных моделей:

• Глобальная климатическая модель EsSib;
• Глобальная численная модель промежуточной сложности;
• Региональная климатическая модель Сибирского региона;
• Региональная климатическая модель речного стока.

Между ними существуют следующие связи:

Глобальная модель - региональная модель;

Региональная модель - модель речного стока.

Основные результаты, воспроизводимые комплексом климатических численных моделей.

1. Результаты расчетов потоков тепла в доиндустриальный, индустриальный (потепление) и в период сокращения СО2 свидетельствуют о том, что климатическая система при сокращении СО2 не возвращается к начальному состоянию. Существует эффект гистерезиса.

2. Региональная модель атмосферы является составной частью глобальной климатической модели ECSib. Пространственное распределение рассчитанных характеристик показывает, что увеличение пространственного разрешения и использование усовершенствованной параметризации процессов взаимодействия атмосферы с подстилающей поверхностью позволяет получать более детальную картину, в которой ярко проявляются региональные особенности. В частности, в региональной модели хорошо выражены острова тепла над водной поверхностью в зимние месяцы (Байкал, Балхаш, Арал). Использование региональной модели позволило получить более тонкую структуру распределения осадков, влажности почвы, явных и скрытых потоков.

3. При проведении численных экспериментов по климатической модели речного стока ИВМиМГ СО РАН выбрано разрешение, соответствующее разрешению в региональной климатической модели. Построение направлений речного, поверхностного и грунтового стоков строились на основе данных по рельефу и анализа графов стоков по поверхности и в речном русле.

II. Комплекс численных моделей Арктики:

В настоящее время в ИВМиМГ СО РАН разработан комплекс взаимосвязанных численных моделей, позволяющих уточнение описания климатических процессов. Среди них работают следующие связи:

Северный Ледовитый океан - шельфовая зона океана;

Северный Ледовитый океан – речной сток;

шельфовая зона океана - блок  усвоения данных наблюдений;

шельфовая зона - река / устьевая часть рек;

Северный Ледовитый океан/шельфовая зона - осадочный слой с многолетней мерзлотой

Региональная численная модель Северного Ледовитого океана и Северной Атлантики является участником международного проекта FAMOS, целью которого является сравнение численных моделей , предназначенных для описаний процессов в Северном Ледовитом океане.

Основные результаты, воспроизводимые региональной численной моделью Северной  Атлантики и СЛО

Какие процессы в настоящий момент могут быть воспроизведены с помощью комплекса моделей. Кратко отметим только некоторые из них:

1. Значительное сокращение минимальной (в летний период) площади льда в последние десятилетия по сравнению с картиной многолетнего распределения .  Проблемы, возникающие при моделировании  динамики и термодинамики льда  (положение кромки и воспроизведение толщины ) широко обсуждаются на международном уровне. Специалисты из нашего института участвуют в этих обсуждениях.

2. Одним из основных источников тепла в Северном Ледовитом океане  являются воды, поступающие из Атлантического океана. Устойчивость траектории распространения этих вод является открытым вопросом. Численная  модель воспроизводит изменчивость траектории  их движения в Северном Ледовитом океане в различные периоды, что находит подтверждение в данных измерений.

3. Изменчивость атмосферной циркуляции способствует режимам накопления пресной воды в Канадском бассейне в период антициклонической циркуляции(левый верхний рисунок, показана поверхностная соленость) и   сброса ее в период циклонической циркуляции через проливы Канадского архипелага (правый верхний рисунок). Сброс пресной воды приводит к формированию соленостных аномалий, влияющих на глобальную циркуляцию. Показана схема прохождения  (по годам) «Большой соленостной аномалии» 70-х в Северной Атлантике. 

Система вложенных моделей позволяет уточнить описание климатических процессов, грубо представленных в рамках крупномасштабной модели. Например, воспроизвести вихревую динамику в областях выхода речных вод в шельфовую зону, что особенно важно при рассмотрении биологических процессов. 

4. Проблема, связанная с регистрируемыми выбросами метана в области Восточно-Сибирского шельфа, широко обсуждается в настоящее время. Возникающая задача требует анализа процессов в толще субаквальных мерзлых пород и зоны стабильности гидратов метана. На основе наших модельных расчетов получено, что верхняя граница зоны стабильности газогидратов на шельфе находится на глубине 130-220 м, а глубина протаивания  подводной мерзлоты для современного состояния климата – не более 17 м,  что говорит о том, что верхняя граница стабильности газогидратов остаётся в толще мерзлых пород. И мерзлота играет роль непроницаемой крышки. Однако, остается  вероятность усиления метаногенеза в областях протаивания.

III. Развитие моделей и технологических принципов мониторинга процессов загрязнения снежного покрова в Арктической зоне РФ

В приарктической зоне планируется интенсивная разработка нефтегазоносных месторождений, что будет оказывать воздействие на окружающую среду. Например, в настоящее время на Приобском нефтяном месторождении (Ханты-Мансийский автономный округ) за секунду сгорает до 30 кг смеси на одном факеле. Модели численной реконструкции полей загрязнения с использованием данных мониторинга снежного покрова позволяют проводить эффективный контроль процессов многокомпонетного химического загрязнения территорий и объёмов сжигания попутного нефтяного газа. В число измеряемых компонентов входит элементный и ионный состав, нефтяные и полиароматические углеводороды. 

Норильский промышленный район является мощным атмосферным загрязнителем Арктической зоны. В состав выбросов входят соединения серы, тяжёлые металлы, полиароматические углеводороды (с валовым объемом более 2млн т/год). Методами математического моделирования проведена численная реконструкция  аэрозольных выпадений никеля (мг/л) в снеге от Норильского медеплавильного завода (рис.1., слева), а также получены оценки выпадения соединений серы  по территории Норильской долины (рис.2., справа), которые согласуются с данными космического мониторинга. 

Ожидаемые результаты

В результате реализации программ будут развиты уже имеющиеся методы моделирования  физических процессов в атмосфере и гидросфере, технологии решения больших задач на суперкомпьютерах, и методы диагноза и интерпретации модельных результатов. 

Предполагается, что  разработанная модель климатической системы Арктики, как части модели Земной системы,  будет сравнима с зарубежными аналогами. При этом значительное внимание будет уделено достоверности описания процессов, происходящих в северных регионах России.

 Достоверный прогноз и диагноз этих изменений необходим как для краткосрочного (на срок от одного года до десятилетия) так и долгосрочного (на сроки в несколько десятилетий) экономического планирования, включающего планирование приоритетных направлений сельского хозяйства, освоения природных ресурсов и  развития транспортной инфраструктуры.