РЕГИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АТМОСФЕРЫ И ГИДРОСФЕРЫ СУШИ
Последствия климатических изменений, вызванных в том числе увеличением концентрации парниковых газов в атмосфере, существенным образом сказываются на состоянии основных природных ресурсов (в первую очередь биосферы), разнообразных областях деятельности общества и на здоровье людей. Важной в связи с этим задачей является необходимость оценить для конкретных регионов мира степень воздействия глобальных изменений климата на природную среду (состояние подстилающей поверхности, естественные экосистемы, водные ресурсы и т.д.) и возможности минимизации ущерба от неблагоприятных для человека последствий. Хотя глобальные численные гидродинамические модели являются наиболее мощным инструментом исследования климата (а также разработки методов прогноза погоды), все же их разрешение в настоящее время является недостаточным для воспроизведения локальных природно-климатических особенностей конкретных регионов. Вместе с тем параметризация процессов подсеточного масштаба требует знания региональных особенностей процессов взаимодействия атмосферы с пространственно (термически, орографически, гидрологически и т.гг) неоднородной подстилающей поверхностью, наиболее ярко проявляющихся в пограничном слое атмосферы.
Основными направлениями, по которым в настоящее время происходит совершенствование климатических моделей и методов прогноза погоды, являются повышение пространственного разрешения и совершенствование физических параметризаций процессов подсеточных масштабов. Уровень пространственного разрешения и в значительной степени сложность физических параметризаций лимитируются производительностью наиболее мощных вычислительных систем (суперкомпьютеров). Разрешение глобальных моделей порядка 100 км не позволяет оценивать эффекты изменения климата на региональном уровне, в то время как именно региональные различия в будущем климате представляют особенный интерес. Для получения региональных прогнозов и климатических оценок в настоящее время широко используются мезомасштаб- ные модели с разрешением 1-10 км и размером расчетной области от нескольких сотен до нескольких тысяч километров. Однако мезомасштабные модели упомянутого разрешения, в свою очередь, не способны явно воспроизводить структуру атмосферных течений с пространственным масштабом менее нескольких километров. Такие течения могут быть рассчитаны методом вихрераз-
Исследования, положенные в основу данной главы, выполнены при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 12-05-01068, 13-05-00978-а) и гранта Президента Российской Федерации по государственной поддержке ведущих научных школ России (№ НШ-6147.2014.5).
решающего моделирования, который позволяет явно описать нестационарную динамику крупных трехмерных вихрей, вносящих основной вклад в энергию турбулентных потоков в пограничном слое атмосферы. Пространственное разрешение таких моделей пограничного слоя атмосферы, в зависимости от типа турбулентного течения, составляет от нескольких метров до нескольких десятков метров, а размеры расчетной области - до нескольких десятков километров.
В настоящее время все более широкое распространение получают пе- тафлопсные (10ь арифметических операций в секунду) вычислительные системы, а в перспективе текущего десятилетия ожидается, что производительность суперкомпьютеров достигнет экзафлопсного (10^ операций в секунду) уровня. В ближайшей перспективе глобальные атмосферные модели будут иметь разрешение, характерное для современных мезомасштабных моделей (1-10 км), а шаг сетки моделей, использующихся для прогноза и диагноза атмосферной циркуляции на региональном уровне, составит ~ 100 м. Такое же разрешение (от 1 км до 100 м) будет доступным и для дискретизации уравнений гидротермодинамики но вертикальной координате. Опыт, полученный японскими исследователями в моделировании глобальных климатических процессов с горизонтальным разрешением от 3,5 до 10 км (5аюЬ е1 а1., 2005), заложил основу для широкого экспериментирования с моделями очень высокого разрешения и привел к необходимости разработать стратегию дальнейшего развития климатических моделей с учетом перспектив высокопроизводительных вычислений (51шк1а сЧ а1., 2009). Все большее внимание уделяется созданию «бесшовных» (с улучшенным локальным разрешением и физическим описанием) моделирующих систем, позволяющих в рамках единой вычислительной технологии воспроизвести как можно более широкий спектр атмосферных движений (см., например, (Тао Щ а1., 2009)).
Переход к высокому разрешению но всему земному шару потребует как отказа от равномерной сетки в широтно-долготной системе координат, так и пересмотра физических параметризаций. В первую очередь это касается параметризации конвекции, поскольку она начинает воспроизводиться явно при разрешениях в несколько километров и менее. В настоящее время довольно широко используется подход, получивший название «суперпараметризация» (см., например, (СгаЬочузкц 2004)), при котором в каждой вертикальной колонке, связанной с горизонтальной ячейкой крупномасштабной модели, явно воспроизводится двумерная (в вертикальном сечении) локальная и мезомасштабная динамика течений. Требует особого внимания детализированное описание атмосферных процессов в пограничном слое над неоднородной поверхностью суши, а также русловых потоков в речной сети. Радиационные процессы тоже, по-видимому, нельзя больше рассматривать как локально одномерные. Таким образом, переход на более детальное разрешение не может быть осуществлен «механически» (например, только за счет отказа от гидростатического приближения), без существенной переработки вычислительных технологий и в некоторых случаях переформулировки параметризаций процессов подсеточных масштабов и систем уравнений, использующихся в настоящее время для приближенного описания гидротермодинамики климатической системы, а в перспективе - Земной системы. Это одна из тех проблем, для успешного решения которой необходима подготовка высококвалифицированного научно-технического и кадрового потенциала, способного эффективно использовать современные и будущие суперкомньютерные ресурсы (Дымников и др., 2012; Лыкосов и др., 2012).
В параметризации процессов подсеточных масштабов важное место занимает взаимодействие атмосферы с сушей, поверхность которой весьма неоднородна в широком диапазоне масштабов (растительность, орография, внутренние водоемы, урбанизированные территории и т.д.). Особый интерес представляет случай сильной гидрологической неоднородности суши - территории, покрытой густой сетью водных объектов (озера, реки, болота и т.п.), занимающих значительную ее часть (Степаненко и др., 2006). Яркими примерами такой гидрологической неоднородности может служить Западная Сибирь (доля площади, занятая водными объектами, местами превышает 50%), Карелия, Северная Америка. Вследствие различий в механизме теплообмена в водных объектах и почве (грунте) распределение температуры на такой территории очень неоднородно: в теплые сезоны водоемы днем представляют «холодные пятна», ночью - «острова тепла», что приводит к формированию бризовых циркуляций в пограничном слое атмосферы. При сильном синоптическом потоке бризовая циркуляция практически не выражена, но и в этом случае озера значительно влияют на процессы взаимодействия атмосферы с поверхностью суши (МаЬй, 2000). Дело в том, что возникающие над озерами внутренние термические пограничные слои днем характеризуются пониженным в сравнении с окружающей сушей уровнем турбулентности (в силу устойчивой термической стратификации), а ночью - напротив, повышенным. В результате днем над озерами турбулентные потоки явного и скрытого тепла существенно меньше, а ночью, соответственно, больше, чем над окружающей территорией.
В зимний период характерную особенность географических регионов, содержащих крупные водоемы, такие как, например, Великие американские озера на территории США и Канады, представляют снежные бури, возникающие в результате термодинамического контраста между относительно холодным и сухим воздухом над сушей и сравнительно теплой, свободной ото льда частью поверхности озера (Уаугиь, Мо1аго, 2013). Продолжительность таких бурь может изменяться от нескольких часов до нескольких суток. Ледяной покров при этом играет ключевую роль в рассматриваемом процессе, регулируя возникновение, развитие и интенсивность снежных бурь. Так, известно, что климатологический максимум снежного покрова достигается в районе Великих озер в декабре - январе, как раз перед наступлением пика в площади ледового покрова (№го1 е! а1., 1995). Во время бурь скорость ветра может достигать ураганных (до 28 м/с) значений (Кост, иссеШш, 2004), что способствует горизонтальному переносу значительных объемов снега и, в свою очередь, может влиять на гидротермодинамику рассматриваемого явления.
В горах особый интерес представляет так называемый ветер склонов - воздушный поток над орографически и термически неоднородной подстилающей поверхностью. Это явление возникает под действием турбулентных сил и силы Архимеда над наклонной поверхностью, температура которой отлична от температуры атмосферы на гой же высоте. Ветер склонов может оказывать существенное влияние на распространение загрязнений, а также играет важную роль в формировании крупномасштабных воздушных потоков. Частным случаем этого явления можно считать стоковый (или катабатический) ветер, возникающий над охлажденной наклонной поверхностью. Из-за выхолаживания этой поверхности и турбулентных процессов прилегающий к ней атмосферный воздух также охлаждается и под действием силы тяжести стекает вдоль этой поверхности в сторону ее наклона на фоне более теплой окружающей воздушной среды. При этом возникает струйное течение, толщина которого может меняться от нескольких метров (на горных ледниках) до сотен метров, как, например, в Антарктиде (Казанский, 2010). Поскольку такой ветер часто возникает над заснеженными поверхностями, то в этом случае возможны образование метелей, поднятие в воздух большого количества снежных частиц и горизонтальный перенос снега, что, по данным наблюдений (Кобата е! а1., 1985), приводит к достаточно заметному усилению скорости ветра и изменению других характеристик воздушного потока.
Существенная неоднородность подстилающей поверхности суши естественного и антропогенного происхождения, проявляющаяся в форме «пятен» с различными термическими и радиационными свойствами и приводящая к возникновению организованных мезомасштабных циркуляций, может оказывать значительное влияние на структуру пограничного слоя атмосферы, определять процессы его взаимодействия со свободной атмосферой и, таким образом, воздействовать на крупномасштабную циркуляцию атмосферы. Важным в связи с этим является вопрос о спектральных свойствах мезомасштабного течения над подстилающей поверхностью в условиях такой сложной многомасштабной неоднородности.
Согласно теории трехмерной турбулентности (Колмогоров, 1941), справедливость которой на горизонтальных масштабах менее 1 км хорошо подтверждается данными наблюдений (а также результатами прямого и вихреразрешающего численного моделирования), предсказывается, что вследствие прямого (в сторону меньших масштабов) каскада кинетической энергии в ее спектре формируется широкий инерционный интервал. Здесь спектр приобретает в логарифмических координатах вид прямой с угловым коэффициентом -5/3 (закон «пяти третей»). Однако эта теория неприменима для стратифицированных мезомасштабных движений, двумерная или трехмерная природа которых зависит от соотношения характерных вертикальных и горизонтальных масштабов. Для двумерной среды характерен обратный каскад энергии и прямой каскад энстро- фии (квадрата завихренности), вследствие чего спектр приобретает ту же форму, но с коэффициентом -3 (Мирабель, Монин, 1979).
В земной атмосфере однородная и изотропная турбулентность развивается в атмосферном пограничном слое и охватывает вихри размером в несколько сотен метров и менее. Динамика двумерной жидкости характерна для тех процессов, вертикальный размер которых значительно меньше горизонтального, т.е. для планетарных и синоптических, а также для процессов масштаба мезо-сх (от 200 до 2 000 км, (Orlanski, 1975)). По данным самолетных измерений, проведенных в средних и высоких широтах Северного полушария на высотах от 9 до 14 км (Nastrom, Gage, 1985), наклон спектральных распределений оказался близким к -5/3 (а не -3 или больше, как следует из теории двумерной турбулентности) в мезомасштабной части спектра ( * 10-500 км).
Это обстоятельство является серьезной проблемой для моделирования динамики атмосферы и климата - гак называемой проблемой предсказуемости (Salmon, 1998). Действительно, при численном моделировании двумерной турбулентности с увеличением пространственного разрешения погрешности в воспроизведении движений малых масштабов слабо влияют на крупномасштабные процессы. В случае же спектрального распределения к~’3 (к - волновое число) сходимость решений конечномерной задачи может происходить чрезвычайно медленно в силу того, что ошибки в коротких масштабах довольно быстро воздействуют на крупные масштабы (Salmon, 1998; Palmer, 2012). Следует заметить, что для мезомасштабного интервала общепринятой теории, объясняющей форму спектра, на настоящий момент не существует.
Эксперименты с прогностической региональной моделью WRF (Skamarock, 2004) показали, что рассчитанные спектры хорошо совпадают в мезомасштаб- ном диапазоне с наблюденными, включая переход от показателя «—5/3» к степени «—3». Однако модельный спектр в коротковолновой его части оказался сильно зависящим от свойств вычислительной технологии (в частности, от уровня диссипации, обусловленной использованием конечно-разностной схемы, и ее соотношения с физически обоснованными источниками). Это еще раз свидетельствует о том, что повышение пространственного разрешения климатических моделей должно сопровождаться совершенствованием схем «замыкания» - физических параметризаций, с помощью которых подсеточная изменчивость выражается через характеристики разрешаемых моделью процессов. Разработка таких схем предполагает исследования конкретных (индивидуальных) физических процессов и использование их результатов в крупномасштабных моделях. При этом возникает необходимость «настройки» крупномасштабной модели за счет подходящего выбора параметров замыкания и появляется проблема неоднозначности этого выбора (Hakkarainen et al., 2013).
В работе (Roy et al., 2003) с помощью региональной атмосферной модели исследованы мезомасштабные циркуляции, возникающие в центральной части США и в бассейне реки Амазонка. Спектральный анализ показал, что в обоих случаях эти организованные циркуляции имеют предпочтительный горизонтальный масштаб 10-20 км, который существенно отличается от доминирующего масштаба неоднородности подстилающей поверхности. Ее многомасштабная «пятнистость» в обоих регионах стремится генерировать вихри широкого диапазона масштабов, но процессы взаимодействия атмосферы и суши срабатывают как фильтр, отсекая сравнительно мелкомасштабные составляющие. Отмеченный выше пространственный масштаб динамического отклика атмосферы практически не зависит от синоптической ситуации и среднего потока тепла на поверхности.
В работе Струнина и Хиямы изложены результаты анализа натурных наблюдений, полученных с помощью самолетных и наземных измерений в долине реки Лены (Струнин, Хияма, 2005а). Самолетный эксперимент, проведенный с 24 апреля по 19 июля 2000 г. в окрестности г. Якутска, выявил две особенности в структуре пограничного слоя атмосферы над холодной водной поверхностью (река шириной более 10 км). При достаточно сильной неустойчивости пограничного слоя над холодным пятном на поверхности формировался мезомасштабный термический внутренний слой с радикально отличающимися от фоновых профилями вертикальных турбулентных потоков тепла и влаги. Вторая особенность состояла в том, что холодная водная поверхность с относительно малой (около 10 км) горизонтальной протяженностью порождала локальную бризовую циркуляцию, которая существенным образом изменяла структуру горизонтальной адвекции, в том числе вплоть до появления зон обратного тока.
Использование вейвлет-анализа (Струнин, Хияма, 20056) позволило разделить движения в пограничном слое атмосферы на турбулентную (с масштабами от 20 м до 2 км) и мезомасшгабную (с масштабами от 2 до 20 км) составляющие. Обнаружено, что эмпирические профили потоков тепла, влаги и импульса для турбулентной и мезомасштабной компонент существенно отличаются друг от друга. Все турбулентные потоки монотонно убывали с высотой, в то время как роль мезомасштабных движений усиливалась с высотой и становилась максимальной в середине пограничного слоя. При этом оказалось, что турбулентные потоки тепла превышали мезомасштабные потоки в течение всего периода наблюдений, а вклад обеих составляющих в потоки водяного пара был приблизительно одинаков.
Аппарат вихреразрешающего моделирования (LES - Large Eddy Simulation в англоязычной литературе) является мощным инструментом исследования мелко- и крупномасштабной изменчивости в пограничном слое атмосферы. С помощью вихреразрешающей модели в работе (Glazunov et al., 2010) исследована (с точки зрения воспроизведения спектральных свойств) термическая конвекция Рэлея-Бенара в двояко-периодическом канале с твердыми стенками как аналог многомасштабной атмосферной турбулентности. «Мезомасштабное» отношение его горизонтальных размеров к вертикальному (25,6 в обоих направлениях) обеспечило существование квазидвумерных крупномасштабных компонент течения, а размер равномерной расчетной сетки примерно в 42 миллиона узлов позволил явно воспроизвести динамику мелкомасштабной трехмерной турбулентной составляющей. Анализ результатов численных эксперименгов показал, что конвекция начинается с мелкомаштабных, хаотически расположенных, всплывающих и опускающихся термиков, которые, объединяясь, образуют конвективные ячейки неправильной формы (в том числе и деформированные шестиугольные) примерно одинакового размера, сравнимого с расстоянием между стенками. Затем ячейки начинают сливаться между собой и укрупняться до тех пор, пока размер самых больших аномалий не достигает размера расчетной области модели. В каждый момент времени на фоне крупных ячеек наблюдаются мелкомасштабные аномалии.
Декомпозиция изучаемого турбулентного течения на «баротропную» (осред- ненную по вертикали) и «бароклинную» составляющие позволила предложить следующую схему преобразований кинетической энергии в данной системе. Кинетическая энергия поступает в систему за счет преобразования доступной потенциальной энергии в бароклинную кинетическую на масштабе крупных термиков (через вертикальную компоненту скорости) и перераспределяется на том же масштабе через градиенты давления в бароклинные составляющие, определяемые горизонтальными компонентами скорости. За счет нелинейных взаимодействий и без существенной диссипации и генерации бароклинная энергия переносится в сторону мелких масштабов, формируя первый инерционный интервал со спектральным распределением, близким к закону к''. В интервале волновых чисел, связанных с близкими к вертикальному размеру расчетной области масштабами, происходит существенная перестройка поля бароклинных флуктуаций скорости, обеспечивающая преобразования энергии из баротропной в бароклинную и обратно с положительным в среднем вкладом в энергию осредненных по всей толщине слоя течений. Энергия баротропной компоненты распространяется от ее источника в основном в сторону крупных масштабов, формируя спектральную зависимость вида А , а также, в меньшей степени, в сторону мелких масштабов, что в результате каскада энстрофии приводит к распределению к 3. Остаток бароклинной кинетической энергии, не преобразованный в баротропную составляющую, передается через прямой каскад нелинейных взаимодействий в сторону мелких масштабов, где и диссипирует (в случае вихреразрешающей модели за счет диссипативного вклада замыкания, а в случае реального турбулентного потока - за счет сил молекулярной вязкости).
