Одним из направлений работы Московского центра фундаментальной и прикладной математики, созданного в рамках национального проекта «Наука и университеты», является Математическое моделирование многомасштабного взаимодействия атмосферы с неоднородной поверхностью.
Направление реализуется в Лаборатории суперкомпьютерного моделирования природно-климатических процессов Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ имени М.В. Ломоносова,
Лаборатория реализует проекты высокого научного уровня, в том числе разработку блока деятельного слоя суши для национальной модели Земной системы.
Руководитель лаборатории Степаненко В.М. так формулирует ее задачи в рамках работы Математического центра: — «Лаборатория разрабатывает два блока национальной математической модели Земной системы (головной разработчик – ИВМ РАН) – модуль турбулентного переноса в пограничных слоях атмосферы и океана и модуль деятельного слоя суши. Совершенствуются математические методы, основанные на явном воспроизведении физических процессов, на статистических подходах, программные коды адаптируются под архитектуру и программную среду современных гибридных суперкомпьютеров».
Разработка модуля турбулентного переноса связана с исследованием взаимодействия атмосферы и поверхности, а именно процессов в приземном слое атмосферы. Именно в этом слое в основном проходит вся человеческая деятельность. Для повышения качества жизни, для роста экономического развития важно знать, как распространяются в атмосфере загрязнения, как естественные, так и вызванные человеческой деятельностью, как различные аспекты этой деятельности влияют на баланс парниковых газов в атмосфере, как улучшить прогноз опасных погодных явлений. Все эти задачи и решаются методами математического моделирования.
Но большинство параметризаций, используемых в представлении приземного слоя в моделях Земной системы, разработаны для однородных поверхностей, а в природе такие поверхности встречаются редко. Неоднородность – это повсеместная характеристика реального мира. Ее распространенность увеличивается из-за антропогенного вмешательства – землепользования и городского строительства. И обойти эту проблему в современной физике пограничного слоя нельзя.
Учет поверхностных неоднородностей необходим при исследовании следующих явлений: прибрежных и городских ветровых циркуляций, ветровых условий в местах установки ветряных электростанций, потоков воздуха и испарения над озерами и водохранилищами, а также обменных процессов над сельскохозяйственными территориями или над морским льдом, покрытом трещинами, снежницами и торосами. Одним из самых ярких примеров неоднородного ландшафта является городская среда, а по последним оценкам в городах обитает около половины населения нашей планеты. Влияние зданий и сооружений на циркуляцию воздушных потоков внутри города приводит к более интенсивному загрязнению воздуха и даже к возникновению экстремальных погодных условий. Особенно стоит отметить феномен городского острова тепла.
Но для моделирования городского пограничного слоя важно определить методы представления городов на модельных сетках, так как они не являются однотипными - существует огромное разнообразие способов застройки территорий. С этой целью был разработан программный комплекс, позволяющий проецировать характеристики геометрии городской застройки и подстилающей поверхности, полученные на основе открытых баз данных на модельные сетки произвольного пространственного разрешения.
Важнейшим результатом данного этапа проекта стала разработка методов моделирования переноса атмосферных примесей в городских условиях с учетом химических реакций. В модели воспроизводится цикл химических реакций для примесей, имитирующих конкретные химические соединения, и учитывается преобразование аэрозольных частиц – изменения их масс, размеров, состава. Причем, в условиях характерных для города воздушных течений. Этот подход позволяет оперативно оценивать и прогнозировать изменение качества и состава воздуха в городе в зависимости от атмосферных условий и наличия источников загрязнений.
Но атмосферные примеси содержат не только химические загрязнения – в воздухе могут существовать и распространятся и твердые частицы естественного происхождения, например, снег, песок, капли воды над морем и озерами. Распространение этих частиц не только связано со свойствами воздушного потока, но и сами частицы существенно влияют на эти свойства. Понимание степени этого влияния важно для моделирования переноса примесей, в том числе и в городских условиях. Тем более, что твердые частицы могут являться источником переноса и осаждения загрязнений. Поэтому в проекте с использованием численного моделирования было проведено исследование влияния твердых частиц на динамику воздушного потока и установлено, что наличие частиц приводит к ускорению потока.
Результаты выполнения проекта важны как для решения задач национального проекта «Наука и университеты», так и для решения ряда прикладных проблем. А именно прогнозирования опасных погодных явлений и ветрового климата городов, распространения загрязнения на городских и окрестных территориях, решения задач ветроэнергетики и городского и сельскохозяйственного планирования.