Научно-образовательный семинар «Математическое моделирование геофизических процессов: прямые и обратные задачи», НИВЦ МГУ, 23 октября 2008 г. В. М. Степаненко (НИВЦ МГУ, Географический факультет МГУ) ПАРАМЕТРИЗАЦИИ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ СУШИ В МОДЕЛЯХ ПРОГНОЗА ПОГОДЫ И КЛИМАТА План доклада • Основные тенденции развития климатических моделей • Современное состояние параметризаций гидрологии • Шаг вперед: внедрение моделей водоема • Параметризация рек? Процессов на водосборах? • Пути развития гидрологических систем суши Гидрология суши в моделях прогноза погоды и климата Гидрология растительности • перехват осадков листьями • стекание осадков с листьев • испарение осадков с листьев • транспирация • питание корней Гидрология почвы • диффузия • инфильтрация • поверхностный сток • подповерхностный сток Гидрология снега • диффузия жидкой влаги • метаморфизм •… Модель водоема Нужны ли водоемы? улучшение разрешения климатических моделей/моделей прогноза погоды • спецификация «озерных регионов» • Модели водоема 1) ТРЕХмерные (~океанические, например POM) 2) ДВУмерные • вертикально осредненнные (Шлычков, …) • Осреденнные в одном горизонтальном направлении (CE-QUAL x.x model) 3) ОДНОмерные • single-coloumn (GOTM модель (Burchard et al.), Lake модель, Степаненко и Лыкосов, 2005); • горизонтально осредненные (Васильев и др., 2007) 4) ½ - мерные модели – вертикальные профили температуры, солености и др. параметризованы (Flake, D. V. Mironov et al., 2006) – вычислительно эффективны → применимы в оперативных моделях 5) 0 – мерные («перемешанные» модели) Workshop "Parameterization of Lakes in Numerical Weather Prediction and Climate Modeling“, St-Petersburg, 18-20 September, 2008 Модель Flake (Mironov, Golosov, Kirillin et al.) Достоинства: • вычислительно эффективна • воспроизводит температуру поверхности с качеством одномерных k-ε моделей Недостатки • неудовлетворительно воспроизводит температуру дна • вертикальный профиль температуры воспроизводит хуже, чем k-ε модели • применима для озер с глубиной менее 50-60 м Одномерные k-ε модели Перенос тепла r r T T 1 S 1 kT u n Tdl t z z c p z A Г A U Ea Es H,LE Перенос импульса u kM t z v kM t z u fv g tg x Cveg u u 2 v 2 , z v fu g tg y Cveg v u 2 v 2 z Snow Ice Water K-ε параметризация E2 kM Ce , E kM t z E E P B , z kM c1 P c3 B c2 t z z E Soil S Моделирование термического режима Байкала одномерными моделями Климатические аспекты • моделирование изменения уровня озер (палеоклиматические задачи, Burkhardt Rockel) • эмиссия водоемами метана Эмиссия метана с термокарстовых озер (K. Walter et al., 2007) • до 8% глобальной эмиссии метана Моделирование пузырьковой конвекции в задаче аэрации водоема (Wuest et al., 1992) • сохранение массы струи b 2 w 1 2Vg 2 bw z • уравнение движения струи a p 2 2 2 2 b w g b z p a w g b 2 1 2 p • уравнение переноса тепла струи b 2 wT 2 bwTa z Проблема базы данных по гидрологической системе суши • Площадь объектов – снимки спутников • Глубина водоемов – известна для небольшого количества исследованных водоемов • Прозрачность (коэффициент пропускания) – еще меньше данных Зачем нужны модели реки в климатических моделях? • изменения в режиме рек является одним из важнейших последствий изменений климата • речной сток играет важную роль для термохалинной циркуляции океана • речной сток измеряется, что может служить валидацией водного баланса модели подстилающей поверхности • термический режим рек существенно отличается от такового озер Современные схемы параметризации рек (Community land model 3.0, HadCM3) Баланс речной воды в ячейке Сток из ячейки в соседнюю ячейку Сток с водосбора поверхностный подповерхностный сток сток • нет термики рек • нет стока примесей (например, метана) сток с ледников и озер Проект LakeMIP (Lake model intercomparison project) • определить области применимости разных типов моделей водоема • определить ключевые физические процессы, которые должны быть воспроизведены для отдельных приложений моделей водоема • одномерные модели (пока!): одномерные (k-ε, параметризованный вертикальный коэффициент обмена) и ½-мерные (Flake) • Данные наблюдений • Сайт проекта Данные наблюдений The lake name, country, mean depth, coordinates Toolik Lake, , 68° N 149° W Depth Limnological data, timestep 2.4 m LST, lake depth, evaporation (?), 3 hour Meteorological data, timestep Time period Website, contact person Terms of usage temperature (1 & ), 1988 - 2007 http://ecosystems.mbl.edu/ ??, freely available at the relative humidity (1 & ) ARC/weather/tl/index.shtml, website wind speed (1 & ), wind direction (), arc_im@mbl.edu net solar radiation, photosynthetically active solar radiation, barometric pressure, unfrozen precipitation, 1 hour, atmospheric radiation missing! Alqueva lake, 40 m Lake wind speed (without direction!), 2003-2007 rsal@uevora.pt ?? - Contact to Rui Portugal temperature at temperature, humidity, pressure, net Rui Salgado (Evora University, Salgado 5, 10, 15, 20, solar radiation, atmospheric radiation, Portugal) 25, 30, 35, and 1 hour 40 m, 1 hour Geneva lake, 309 m Temperature 1981 - 2006 Stephane Goyette, ?? - Contact to Stephane Switzerland at 0-5m, 5stephane.goyette@unige.ch Goyette 10m, 10-15m, 15-50m, 50100m Sparkling Lake, 20 m temperature meteorological forcing, Source data: 1989- Source data are available online: http://lter.limnology.wisc Wisconsin, USA max, soundings, fluxes (annually!), 1 hour in datasets 2007(8?) http://lter.limnology.wisc.edu/ .edu/data_policy.html 11 m 10 min, (source data: 10 min, 1 hour, 1 day) Datasets are Data owner’s contact: mean 1hour, 1 day available for Steve Carpenter, years 2000, 2002, srcarpen@wisc.edu 2005 Datasets: Andrey Martynov, andrey.martynov@uqam.ca Trout Bog, 7.9 m temperature meteorological forcing, Source data: 2003- Source data are available online: http://lter.limnology.wisc Wisconsin, USA max, soundings, 1 hour in datasets 2007(8?) http://lter.limnology.wisc.edu/ .edu/data_policy.html 5.6 m 10 min, 1 (source data: 10 min, 1 hour, 1 day) A dataset is Data owner’s contact: mean hour, 1 day available for the Steve Carpenter, year 2005 srcarpen@wisc.edu Datasets: Andrey Martynov, andrey.martynov@uqam.ca Great Lakes 409m Bathymetry: Meteorological forcing: ERA40 Source data ERA40: http://www.ecmwf.int See web sites of data USA-Canada max. GLERL; (ERA40): Buoys : www.ndbc.noaa.gov sources. (resolution: 2.5°) (Lake Surface 6 hours 1957-2002 Ice: Сопряжение мезомасштабной атмосферной модели с трехмерными гидрологическими моделями (Nagai et al.)