Аннотация проекта: 

Общая циркуляция атмосферы в большой степени обусловлена нагревом солнечным излучением и имеет конвективную природу. Неоднородное распределение солнечного излучения приводит к появлению горизонтальных градиентов температуры и формированию крупномасштабного дифференциального движения в атмосфере. Неустойчивость крупномасштабной циркуляции атмосферы приводит к появлению вихрей различного масштаба, которые оказывают колоссальное влияние на жизнедеятельность человека. Так циклоны и антициклоны синоптического масштаба в значительной степени определяют изменения погоды. Все чаще наблюдаются аномальные погодные явления, такие как струйные вторжения холодных масс воздуха, приводящие к резкой смене погоды.

 В силу того, что повлиять на крупномасштабные атмосферные движения невозможно, ключевой проблемой является улучшение прогноза динамики течений различного масштаба, которое позволит значительно  снизить риски в различных сферах жизнедеятельности человека, особенно в сельском хозяйстве. Развитие прогностических систем требует решения ряда фундаментальных проблем, в том числе связанных с формированием и динамикой дифференциального вращения в конвективной среде. 

Целью проекта является реализация лабораторной модели общей циркуляции атмосферы. Лабораторное моделирование было и до сих пор остается эффективным подходом для исследования геофизических течений различных масштабов. Лабораторная модель общей циркуляции атмосферы необходима для лучшего понимания базовых особенностей эволюции и динамики сложного течения, сочетающего меридиональную конвективную циркуляцию и интенсивные зональные течения. Реализация такой лабораторной модели является нетривиальной задачей. Наибольшую сложность представляет организация меридиональной конвективной циркуляции состоящей из трех крупномасштабных ячеек, моделирующих ячейки Хэдли, Ферреля и полярную. Подбор основных параметров, таких как геометрические размеры, интенсивность нагрева и охлаждения, наклон дна (учет бета-эффекта) определяет поисковый характер проекта.

   Конкретно, в ходе выполнения проекта будет проведено лабораторное исследование дифференциального вращения в случае нагрева на периферии и охлаждения в центре вращающегося слоя (лабораторный аналог глобальной атмосферной циркуляции) и нагрева в центре и охлаждения на верхней границе (лабораторный аналог тропического циклона). Эксперименты будут проведены для широкого интервала управляющих параметров, различных конфигураций распределения температуры (потоков тепла) на верхней и нижней границах, в том числе и с учетом бета-эффекта (в слое переменной толщины). Целью экспериментального исследования является выявление основных параметров влияющих на структуру меридиональной циркуляции во вращающемся слое, с разнесенными по высоте и радиусу источниками тепла и холода, и подбор конкретных значений основных параметров, позволяющих реализовать трехячеистую структуру, подобную структуре общей циркуляции атмосферы.

Проект будет реализован в лаборатории физической гидродинамики Института механики сплошных сред УрО РАН. Уникальная экспериментальная база для исследований конвективных течений во вращающихся прозрачных средах, созданная в лаборатории и высокая квалификация участников проекта, дает уверенность в успешной реализацию проекта, носящего выраженный поисковый характер и получить задел в новой для научного коллектива тематике.

Руководитель проекта:

Сухановский Андрей Николаевич, д.ф.-м.н., с.н.с. ИМСС РАН (г. Пермь)

Задачи проекта:

Проект направлен на создание и апробацию лабораторной модели общей циркуляции атмосферы.

В настоящее время, наиболее широко используемая модель общей циркуляции атмосферы представляет собой зазор между двумя коаксиальными цилиндрами, на стенках которых задаются различные значения температуры. Этот подход достаточно эффективно моделирует крупномасштабную циркуляцию в средних широтах, в частности динамику антициклонов.  Однако общая циркуляция атмосферы имеет более сложную структуру и состоит из нескольких ячеек (Хэдли, Ферреля и полярной), сезонная интенсивность которых может заметно варьироваться.  Учет этих эффектов при описании циркуляции атмосферы требует нового подхода. Участники проекта, варьируя толщину слоя, расстояние между источниками нагрева и охлаждения, их интенсивность и наклон дна планируют реализовать  меридиональную циркуляцию в виде трех ячеек. Реализованная лабораторная модель послужит основой для решения целого комплекса задач.

Для реализации лабораторной модели общей циркуляции атмосферы необходимо решить ряд конкретных задач:

- влияние интенсивности нагрева и охлаждения на структуру меридионального и азимутального течений.

- влияние скорости вращения на структуру меридионального и азимутального течений. В качестве основных параметров характеризующих эффекты вращения будут использоваться термическое число Россби и число Тейлора. 

- влияние наклона дна на структуру меридионального и азимутального течений. Данный блок направлен на изучение роли бета-эффекта (изменения силы Кориолиса с широтой) на формирование крупномасштабных течений.

Материалы по теме:

Презентация основных результатов первого года проекта

Видео (во вращающейся системе отсчета, ускоренное в 10 раз):
0.48 рад/c Rот=0.2

0.37 рад/c Roт=0.4

0.13 рад/c Roт=3.1

0.08 рад/c Roт=8.4

Краткий итоговый отчет по результатам выполнения второго года проекта РНФ № 22-21-00572:

Разработана новая модель общей циркуляции атмосферы представляющая собой вращающийся, слой жидкости  с аспектным отношением заметно меньшим единицы, с локализованным кольцевым нагревателем, расположенным на периферии дна и холодильником, в форме диска, который помещен в центральной части, на верхней границе слоя жидкости.  Кольцевой нагреватель моделирует нагрев в области экватора, а холодильник, охлаждение в полярной области. Нагреватель специально смещен от боковой стенки для минимизации ее влияния на формирование течений, за счет прилипания на границе.

На основе разработанной принципиальной схемы была реализована экспериментальная модель, представляющая собой кювету квадратного сечения со стороной 700 мм, и высотой 200 мм. Для реализации цилиндрического слоя в кювету вставлена дополнительная цилиндрическая стенка из оргстекла толщиной 3 мм и радиусом  R = 345 мм. На дне расположен кольцевой, электрический нагреватель с шириной в  25 мм. Расстояние от боковой стенки до внешней границы нагревателя составляет 40 мм. Охлаждение жидкости обеспечивается теплообменом с окружающим воздухом на свободной поверхности (температура в помещении поддерживается постоянной с помощью системы кондиционирования воздуха), холодильником, расположенным в центральной части верхней границы, и потоком тепла через боковую стенку. Для визуализации структуры потока в верхнем слое использовалась алюминиевая пудра. Съемка изображений осуществлялась с помощью 4 мегапиксельной CCD камеры Bobcat 2020.

Экспериментальные измерения дают лишь частичную информацию об исследуемой системе, поэтому для восстановления трехмерной структуры течения выполнено прямое численное моделирование тепловой конвекции во вращающемся цилиндрическом слое с помощью свободно распространяемого пакета вычислительной гидродинамики OpenFOAM v2106. Вычислительная область по своим геометрическим размерам, расположению кольцевого нагревателя и холодильника является цифровой копией экспериментальной модели.

Решение основной задачи проекта потребовало проведения большого цикла экспериментов и расчетов. Варьировались мощность нагрева (от 8 до 120 Вт), скорость вращения (от 0.08 до 0.48 рад/с), толщина слоя (3 см и 6 см), физические свойства жидкости (вода и ПМС-5, числа Прандтля 5.4 и 63). Проведен анализ большого объема данных полученных при помощи экспериментов и математического моделирования. На основе этих результатов были подготовлены и опубликованы три статьи, в том числе в двух журналах высокого уровня, специализирующихся на геофизической тематике (Q2), еще одна статья подготовлена и проходит рецензирование.

Для того, чтобы показать преимущества предлагаемой модели общей циркуляции атмосферы, ее применимости для решения актуальных задач динамической метеорологии был проведен детальный анализ численных и экспериментальных результатов. Были построены средние распределения функции тока, трех компонент скорости, температуры, энергии пульсаций. Проведено количественное и качественное сравнение структуры течений и волновых движения для всех конфигураций, анализ влияния процессов в слое Экмана на структуру течений и формирование бароклинных волн, обзор исследований, посвященных динамике и структуре бароклинных волн средних широт. отмечены их достоинства и недостатки, области возможного применения, выделены актуальные задачи.

Проведены эксперименты и расчеты с наклонным дном, с целью изучения влияния бета-эффекта на структуру средних течений и бароклинных волн. Исследования проводились для различных толщин слоя (3 см и 6 см) и для трех вариантов наклона (0, 5 и 10 градусов) и трех режимов вращения. Проведен анализ результатов.

В качестве основных результатов полученных в ходе проекта можно выделить следующие:

- показаны принципиальные отличия при формировании средних крупномасштабных течений и бароклинных волн в различных моделях циркуляции атмосферы. Важным отличием представленной модели от классических кольцевых конфигураций является отсутствие устойчивых волн. Все волновые режимы, даже с регулярной волновой структурой, характеризуются сильными непериодическими флуктуациями. Наблюдаемые бароклинные волновые структуры представляют собой комбинацию эволюционирующих во времени различных бароклинных мод. Это доказывает, что пространственное распределение нагрева и охлаждения, их расположение и тип граничного условия важны для устойчивости бароклинных волн. С ростом скорости вращения волны становятся нерегулярными, и представляют собой набор азимутальных волновых мод, основная энергия которых содержится  в модах от m=2 до m=8, что хорошо согласуется с данными для реальной атмосферы. Построена карта режимов на диаграмме термическое число Россби – число Тейлора.

- проведен анализ влияния процессов в слое Экмана на формирование средних течений и бароклинных волн. Анализ был проведен на основе данных численных расчетов. Показано, что основным источником меридиональной циркуляции является тепловая конвекция, а радиальные потоки, индуцированные в вязком пограничном слое, не имеют первостепенного значения для формирования крупномасштабной циркуляции. При этом пульсации скорости затухают в слое Экмана, в результате чего бароклинные волны в нашей модели локализуются в верхнем слое, что согласуется с результатами других  авторов, как для лабораторной системы, так и для реальной атмосферы.

- важнейшим результатом проведенных исследований является успешная реализация в лабораторной модели течений, структура которых качественно подобна циркуляции в реальной атмосфере. Модель позволяет получить меридиональную циркуляцию, состоящую из трех ячеек, аналогов ячеек Хэдли, Ферреля (волновой природы) и полярной. Структура бароклинных волн, место их формирования, модовый состав также подобны тому, что наблюдается в атмосфере. Показано, что атмосферный режим в лабораторной модели реализуется только в ограниченном диапазоне параметров. Уменьшение скорости вращения приводит к регуляризации бароклинных волн, а увеличение скорости вращения наоборот ведет к разрушению длинных волн и геострофической турбулентности. Реализованная модель позволяет осуществлять длительные контролируемые эксперименты и может служить эффективным инструментом для изучения различных аспектов глобальной атмосферной циркуляции.

- для изучения влияния бета-эффекта на структуру средних течений и бароклинных волн реализованы эксперименты и численные расчеты с наклонным дном. Расчеты показали, что изменение аспектного отношения в два раза (от 0.09 до 0.17) не приводит к качественному изменению структуру средней меридиональной циркуляции. Относительно небольшой наклон (5 градусов) приводит к заметным количественным изменениям в течении жидкости, сохраняя общую структуру течения. Однако дальнейшее увеличение наклона до 10 градусов приводит к кардинальным изменениям, как в структуре течения, так и в интенсивности волновых движений. Сильное влияние на структуру течения оказывает формирование нисходящего холодного потока за счет наклона дна (аналог склоновых течений). Наличие наклона дна приводит к интенсификации волновых движений. Трансформация меридиональной циркуляции при больших наклонах приводит к заметным изменениям зональных течений, в частности, к формированию антициклонической циркуляции вблизи дна. Общие изменения в структуре и динамике течений приводят к заметным изменениям в распределении средней температуры. Эксперименты были проведены для угла наклона в 5 градусов, фиксированной мощности нагрева (120 Вт), двух толщин слоя (35 мм и 60 мм), трех скоростей вращения 0.11 рад/с (режим без бароклинных волн), 0.23 рад/с (режим регулярных нестационарных бароклинных волн) и 0.37 рад/с. Качественный анализ наблюдаемых течений показал, что бета эффект оказывает существенное влияние на структуру и динамику волн.

 Основные публикации по результатам проекта:

1. Harlander, U.; Sukhanovskii, A.; Abide, S.; Borcia, I.D.; Popova, E.; Rodda, C.; Vasiliev, A.; Vincze, M. New Laboratory Experiments to Study the Large-Scale Circulation and Climate Dynamics // Atmosphere, 2023, 14, 836. https://doi.org/10.3390/atmos14050836 (WoS, Scopus), Q2
2. Andrei Sukhanovskii, Elena Popova and Andrei Vasiliev. A shallow layer laboratory model of large-scale atmospheric circulation // Geophysical & Astrophysical Fluid Dynamics, Vol.117, N.3,2023, P.155-176, DOI: 10.1080/03091929.2023.2220877 (WoS, Scopus), Q2
3.  Васильев А. Ю., Попова Е.Н., Сухановский А. Н. Структура течений в лабораторной модели общей циркуляции атмосферы // Вычислительная механика сплошных сред, (2023), 16(3), 321–331. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2023.16.3.27 (Scopus)
4.  Vasiliev A., Sukhanovskii A., Popova E. Influence of Bottom Inclination on the Flow Structure in a Rotating Convective Layer (2024) // Fluid Dynamics & Material Processing (принята в печать)

Результаты работы были представлены на представительных российских конференциях:

1. Сухановский А.Н., Васильев А.Ю., Попова Е.Н.Режимы течений в лабораторной модели общей циркуляции атмосферы, устный доклад на VIII Всероссийской конференции "Пермские гидродинамические научные чтения", посвященной памяти профессоров Г. З. Гершуни, Е. М. Жуховицкого и Д. В. Любимова, 5-7 октября, 2022 г. (Пермь)
2. Сухановский А.Н., Васильев А.Ю., Попова Е.Н. Лабораторное моделирование общей циркуляции атмосферы, устный доклад на Всероссийской конференции, посвященной памяти академика Александра Михайловича Обухова «Турбулентность, динамика атмосферы и климата», 22 – 24 ноября 2022. (Москва)
3. Сухановский А.Н., Васильев А.Ю., Попова Е.Н. Лабораторное моделирование общей циркуляции атмосферы, устный доклад на конференции-семинаре «Актуальные проблемы геофизической гидродинамики», посвященной памяти профессора Феликса Витальевича Должанского, 30 ноября 2022 г. (Москва)
4. Попова Е.Н., Сухановский А.Н., Васильев А.Ю. Влияние аспектного отношения на формирование бароклинных волн во вращающемся цилиндрическом слое, стендовый доклад на XXIII Зимней школе по механике сплошных сред, 13-17 февраля 2023 г. Пермь.
5.  Васильев А.Ю., Сухановский А.Н., Попова Е.Н. Влияние наклона дна на бароклинные волны в лабораторной модели общей циркуляции атмосферы, устный доклад на IX Всероссийской конференции Пермские гидродинамические чтения, 4-6 октября, 2023 г., Пермь.
6.  Сухановский А.Н. Лабораторное моделирование крупномасштабных геофизических течений, результаты проекта вошли в приглашенный доклад на школе-конференции “Современная гидродинамика 2023”, Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН, 29-31 августа 2023 г. г. Черноголовка.

• Назад
• Вперед