Изучаване структурата и динамиката на Атмосферния граничен слой над комплексна орография и градска среда

Проект № ДН 04/7 от 16 Декември, 2016 г. с Фонд Научни Изследвания

Ръководител на проекта - доц. д-р Р. Димитрова

Резюме на проекта

Атмосферният граничен слой (АГС) се дефинира като най-долната част на тропосферта, където е съсредоточена основната човешка дейност и по тази причина изучаването на структурата и динамиката на АГС са от първостепенна важност. Познанието за физическите процеси и тяхното взаимодействие е необходимо условие за решаване на редица теоретични и практични задачи свързани с човешкото здраве, комфорт и безопасност, както и с прогнозиране на времето и климатичните промени. АГС е силно модифициран в условията на комплексна орография в сравнение с равнинен терен. Термично и динамично индуцираните мезо-мащабни потоци водят до формиране на сложна слоеста структура, която е все още не добре изучена. Теоретичните подходи и свързаните с тях параметризации, се отнасят най-вече за гладка повърхност, докато редица допълнителни процеси, дължащи се на хоризонталната неизотропност на турбулентните потоци, трябва да бъдат отчитани при комплексна орография и градска среда.

Основна цел на проекта е детайлното изучаване на мезо-мащабните физични процеси в района на Софийското поле, както и тяхното влияние върху структурата и динамиката на АГС. Научната хипотеза е, че АГС, където са съсредоточени основните процеси на взаимодействие между земната повърхност и атмосферата е силно модифициран в условията на комплексна орография в сравнение с равнинен терен. Все още съществуват ненапълно решени проблеми, и предлаганите изследвания в тази област ще допринесат за по-доброто разбиране същността на физическите процеси и по-нататъшен прогрес в усилията за подобряване на числената прогноза.

За да бъдат изпълнени целите на проекта, изследванията са разделени на пет основни работни пакета (РП), които съдържат редица под-задачи с конкретни дейности. Изпълнението на проекта се осъществява на два етапа, всеки с продължителност 18 месеца. Общата продължителност на проекта е три години. Основните подходи, които ще бъдат използвани за постигане на изследователските цели са числено моделиране, с висока хоризонтална и вертикална резолюция, и статистически анализ на данните от числените симулации, експерименталните данни от оперативно действащата измервателна мрежа в НИМХ - БАН и СУ „Св. Климент Охридски“ и планиран полеви експеримент в Софийското поле. Предвижда се също разработването на специфичен софтуер за привеждане на спътниковите и радарни данни в подходящ формат за асимилация от модела, както и създаването на методология и алгоритъм за прилагане на ансамблов подход, с цел подобряване на локалната числена краткосрочна прогноза.

В рамките на проекта да бъдат поставени и решени следните задачи:

РП1. Проследяване и класифициране структурата на градски граничен слой (ГГС) при различни метеорологични условия по наличните данни в двете партниращи организации

Специфичните цели на РП1 са разработването на методология за класификация на структурата на ГГС на базата на наличните и достъпни данни от оперативните измервания в двете институции, базовата (СУ „Св. Кл. Охридски“) и партниращата (НИМХ-БАН), както и от предходния експеримент проведен в София (2003 г.). Такова изследване не е правено в София до момента, поради липсата на дългопериодични измервания с висока резолюция във височина. Очакваните резултати от тази задача са:

1) създаването на обща база данни, която да се използва за изследванията проведени в РП1 и за верификация на Weather Research and Forecasting (WRF) модела във всички следващи работни пакети (РП2-5);

2) разработването на методология за класификация на метеорологичните условия и разделяне на избраните данни по категории, за да се изследва разликата в структурата на АГС в градска и извънградска среда. Създадената база данни и методология ще бъдат налични за използване и в последващи изследователски задачи.

РП2. Установяване спецификата на граничния слой над градска и извънградска среда

Поради липсата на достатъчно изчерпателна информация, базираща се на съществуващи и проведени преди това измервания, се предвижда подготовка и провеждане на нов експеримент от непрекъснати (оперативни) измервания и интензивни кампании с допълнителни измервания в 4 двуседмични периода, избрани да характеризират сезоните в Софийското поле. Експериментът е предвиден за втория етап на проекта и ще включва измерване на вертикалната структура на полетата на вятъра, температурата, влажността и аерозолите в София, като характера на АГС (градски или смесен градски и извънградски) ще се определя на базата на локалната синоптична информация и разработената в РП1 методология. В приземния слой ще бъдат измервани турбулентните потоци на топлина и момент на движението (на 3 места) и влага (на едно място) в съответствие с наличната (нова и ремонтирана) апаратура. Предвижда се провеждането на числени експерименти и верификация на вертикалния профил от модела с новите данни за различни периоди от денонощието (оперативен аерологичен сондаж се извършва само един път в денонощието в 12 UTC), както и на допълнителни приземни характеристики, които не се измерват в оперативната дейност. Новозакупеният 3-осев ултразвуков анемометър (3D sonic) за измерване на турбулентните пулсации ще бъде монтиран на мачта, което ще позволи провеждането на градиентни измервания. Едновременното получаване на турбулентния поток топлина и градиентите на температурата на въздуха ще дадат възможност за определяне на коефициентите на вертикален турбулентен обмен.

Очакваните резултати от тази задача са:

1) създаване на устойчива база в СУ „Св. Кл. Охридски“ за измерване на турбулентните пулсации и провеждане на градиентни измервания на основни метеорологични характеристики;

2) създаването на обновена база данни, която да се използва за верификация на модела WRF и за провежданите изследвания във всички следващи работни пакети (РП3-5), верификация на моделни резултати за турбулентните потоци не е правена до сега в района на София;

3) изследване структурата на АГС в градска и извънградска среда. Обновената база данни ще бъде налична и непрекъснато допълвана за използване и в последващи изследователски задачи. Закупеният 3D sonic след подходящо допълнително оборудване, ще може да бъде използван за измерване потоците на парникови газове (водна пара, метан), информация, особено важна и необходима във връзка с наблюдаваните прояви на изменението на климата. Потоците на водната пара ще могат да се използват при изследване на изпарението от почвата във връзка с наблюдаваните засушавания и неблагоприятните последиците от тях върху земеделието и горите.

РП3. Изучаване спецификата на мезо-мащабната циркулация при различни метеорологични условия

Спецификата на комплексната топография и градската среда изисква числени симулации с висока разделителна способност. Въпреки проведени предходни числени експерименти за района, мащабни изследвания с такава висока резолюция в хоризонтални (500 m) и вертикални (50 нива) мащаби не са правени до сега. Специфичната цел на този работен пакет е да се избере оптималната конфигурация на модела WRF за изследваната област и моделните данни да се използват за изучаване на мезо-метеорологичната циркулация.

Очакваните резултати от тази задача са:

1) конфигуриране на модела WRF и избор на оптималните моделни параметри, така че да работят достатъчно надеждно при широк набор от метеорологични ситуации;

2) верификация на модела WRF за различен тип метеорологични условия – различен тип нахлуване със силен (над 10 m/s), умерен (между 5 m/s и 10 m/s) или слаб (под 5 m/s) вятър, антициклонално тихо и слънчево време, условия на мъгла, добре развита конвекция и интензивни валежи, валежи от град;

3) определяне на основните мезо-метеорологични явления в района на Софийското поле и оценка на модификацията на крупномащабните синоптични потоци в резултат на сложната орография.

РП4. Изучаване спецификата на постилащата повърхност и нейното влияние върху структурата на приземния слой и градския остров на топлина (ГОТ)

Такива специфични оценки за интензитета на ГОТ по данни включително за вертикалната структура на метеорологичните полета от градска и извънградска станции не са правени до сега за района на Софийското поле. Има изследвания в миналото, базирани на приземни климатични данни (Bluskova et al. 1983). Предвижда се анализиране на наличните архивни данни от приземните измервания за да се направи сравнение между основни характеристики на приземния слой между градска и извънградска станции. Това ще позволи да се изчисли интензитета на ГОТ и проследи структурата му през различните сезони. Използването на измерените и моделните данни за основни характеристики на почвата и приземните потоци ще позволи да се оцени влиянието на приземните характеристики върху структурата на АГС.

Очакваните резултати от тази задача са:

1) проследяване еволюцията на ГОТ за дългогодишен период от време и установяване на сезонни закономерности в развитието му (ако има такива);

2) верификация на модела WRF за основни характеристики на почвата и приземните потоци за избрани времеви периоди, такъв тип верификация не е правена до сега за района на София.

РП5. Подобряване на локалната краткосрочна числена прогноза с модела WRF чрез използване на експерименталните данни и придобитите знания

Предвидените дейности по този пакет имат за цел да се подобри локалната прогноза с модела WRF за района на Софийското поле. Съществува належаща нужда от по-добра локалната краткосрочна числена прогноза за нуждите на авиацията, издаването на оперативните прогнози от НИМХ-БАН, както и в други специфични дейности като прогнозата на опасни явления и подобряване на работата на числените модели за оценка на замърсяването в София. Предвижда се провеждането на мащабни числени симулации с различна конфигурация и сравняването им, като ако проведената мащабна верификация на модела не доведе до еднозначно определена оптимална конфигурация да се разработи методика и алгоритъм за ансамблова прогноза. В допълнение се предвижда разработването на специфичен софтуер, за привеждане на спътниковите и радарни данни в подходящ формат за асимилация на данни в модела. Дейностите, извършени по верификация на модела WRF за основни характеристики на почвата и приземните потоци (РП4) ще доведат до промени (ако е необходимо) в таблиците, описващи основни характеристики на подложната повърхност свързани с различния тип почва и растително покритие, които да съответстват на специфичните условия в района на Софийското поле.

Очакваният резултат от тази задача е създаване на съвременна, подобрена и добре тествана система за моделиране на въздушния поток в района на Софийското поле. Тази система може успешно да се прилага във всички бъдещи изследователски задачи и да се внедри в други институции при проявено желание.

Очаквани резултати от изпълнението на проекта

Конкретните резултати от изпълнението на отделните РП бе описано вече в резюмето на проекта.

Основният фундаментален резултат, който се очаква е, че изследването на структурата и еволюцията на АГС в Софийското поле ще допринесе за изясняването на основни физични процеси, пряко свързани с локалния градски микроклимат. Този проект ще доведе до обогатяване на нашите знания на нехомогенен граничен слой, анизотропната турбулентност и допринесе за подобряване параметризацията на основни характеристики на граничния слой - турбулентните потоци, височината на АГС и др. Атмосферните мезо-мащабни явления значително влияят върху локалното време, климат и замърсяването на въздуха, и това изследване ще даде нужната информация на научната, политическата и гражданската общности за адаптация на градската среда към предизвикателствата на променящите се климатични условия.

Основният практически резултат ще бъде създаването на база данни и методологии за обработването им, както и развитието на съвременна, подобрена и добре тествана система за моделиране на въздушния поток в района на Софийското поле. Тези практически резултата може успешно да се прилагат във всички бъдещи изследователски задачи.

Повишаване капацитета и квалификацията на членовете на колектива

Проектът ще помогне да се установят дългосрочни съвместни изследвания между базовата и партньорската организации върху много важен фундаментален проблем с интердисциплинарен характер. Също така ще допринесе за професионалното развитие на младите учени, които са повече от 60% (6 от 9 участници) от колектива в този проект. Съществена част от планираните дейности имат научно-изследователски характер и се очаква те да доведат до значими научни резултати. Разпространението на научните идеи в рамките на проекта между членовете на колектива, ще доведе до предаване опита на по-опитните старши изследователи към докторантите участващи в проекта (5 на брой). Това ще помогне на по-младите учени да усвояват необходимите специфични умения чрез работни срещи на които ще се дискутират фундаментални проблеми, касаещи успешното изпълнение на проекта. Участието на млатите учени в международни и български научни форуми, ще разшири кръгозора им с информация за върхови световни разработки и ще позволи създаването на контакти с други български и чужди учени. Привличането на студенти в работата по проекта ще спомогне за по-нататъшното им ползотворно интегриране към научната общност.

Списък на публикациите

Kirova H. and Batchvarova E. (2017) Mesoscale simulation of meteorological profiles during the Sofia Experiment 2003. Int. J. Environment and Pollution, 61(2), 134-147; pdf
https://www.inderscienceonline.com/doi/abs/10.1504/IJEP.2017.085658
https://doi.org/10.1504/IJEP.2017.085658

Egova E., Dimitrova R., Danchovski V. (2017) Numerical study of meso-scale circulation specifics in the Sofia region under different large-scale conditions. Bul. J. Meteo & Hydro, 22(3-4), 54-72; pdf
http://meteorology.meteo.bg/global-change/files/2017/BJMH_2017_vol_22_3-4/BJMH_v22_issue_3-4_eegova_numerical.pdf

Vladimirov Е., Dimitrova R. Danchovski V. (2018) Sensitivity of WRF model results to topography and land cover: study for the Sofia region. Annuaire de l’Universite de Sofia “St. Kliment Ohridski”, Faculte de Physique, (приета за печат); pdf

Абстракти от участие в международни форуми

Gueorguiev O., Danchovski V., Batchvarova E. (2017) Boundary-Layer Height by ceilometer and radiosounding in Sofia valley for specific cases. EMS Annual Meeting Abstracts, 14, EMS2017-810; pdf
http://meetingorganizer.copernicus.org/EMS2017/EMS2017-810.pdf
https://presentations.copernicus.org/EMS2017-810_presentation.pdf

Egova E., Dimitrova R., Danchovski V. (2017) Study specifics of the meso-scale circulation under different large-scale conditions for Sofia region. EMS Annual Meeting Abstracts, 14, EMS2017-366;pdf
https://meetingorganizer.copernicus.org/EMS2018/EMS2018-253.pdf
https://presentations.copernicus.org/EMS2017-366_presentation.pdf

Vladimirov E., Dimitrova R., Danchovski V. (2017) Satellite data assimilation impact on short-term forecasts for the Sofia region. EMS Annual Meeting Abstracts, 14, EMS2017-391;pdf
http://meetingorganizer.copernicus.org/EMS2017/EMS2017-391.pdf
http://presentations.copernicus.org/EMS2017-391_presentation.pptx

Абстракти от участие в национални форуми

Egova E., Dimitrova R., Danchovski V. (2017) Simulations of meso-scale phenomena under different large-scale conditions in Sofia region. Изд. на VI НАЦИОНАЛНА СТУДЕНТСКА НАУЧНА КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ФИЗИКА И ИНЖЕНЕРНИ ТЕХНОЛОГИИ , 16-17 Ноември, 2017г., гр. Пловдив; pdf

Vladimirov Е., Dimitrova R. Danchovski V. (2017) Impact of data assimilation on WRF model prediction: satellite data, surface and upper observations. Изд. на VI НАЦИОНАЛНА СТУДЕНТСКА НАУЧНА КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ФИЗИКА И ИНЖЕНЕРНИ ТЕХНОЛОГИИ , 16-17 Ноември, 2017г., гр. Пловдив; pdf