IGF



Projekt

Przetwarzanie aerozolu przez chmury - budowa wszechstronnego zaprogramowanego obiektowo narzędzia do symulacji numerycznych

Narodowe Centrum Nauki, HARMONIA


Typ projektu: Projekt badawczy

Afiliacja: Instytut Geofizyki, Zakład Fizyki Atmosfery

Realizacja projektu: 9 kwietnia 2013 - 8 stycznia 2017

prof. dr hab. Hanna Pawłowska Kierownik projektu
dr Sylwester Arabas Współwykonawca
mgr Maciej Waruszewski Współwykonawca
dr Piotr Dziekan Współwykonawca
dr Anna Jaruga Współwykonawca

Cel badań

Celem projektu jest stworzenie modelu numerycznego do badania oddziaływań chmura-aerozol. Projekt jest odpowiedzią na palącą potrzebę znalezienia efektywnego narzędzia badawczego, gdyż istniejące obecnie, nawet najbardziej wyszukane ale tradycyjne metody opisu mikrofizyki, okazują się albo niewystarczające albo niepraktyczne.

Aerozole i chmury wpływają na bilans energetyczny Ziemi i odgrywają ważną, aczkolwiek ciągle słabo zrozumiałą rolę w prognozach zmian przyszłego klimatu (IPCC, 2007). Chmury wpływają na aerozol przez jego wymywanie oraz poprzez regenerację jąder kondensacji w wyniku odparowania kropelek chmurowych i mżawki. Zrozumienie w jaki sposób chmury wpływają na aerozol jest niezbędne ażeby wyczerpująco opisać wpływ aerozoli, chmur i opadu na radiację. Złożoność zachodzących oddziaływań sprawia, że jedynym sposobem poszukiwania odpowiedzi na pytanie jak naturalne i antropogeniczne aerozole wpływają na środowisko stają się symulacje numeryczne.

Metoda badawcza

W ramach projektu zostanie stworzony model numeryczny oparty na schemacie symulacji dużych wirów (ang. Large Eddy Simulation, LES) opisujący w wyczerpujący sposób procesy uczestniczące w przetwarzaniu aerozolu przez chmury. Model będzie stanowił rozszerzenie istniejącego pakietu oprogramowania (icicle) rozwijanego w Instytucie Geofizyki na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (IGFUW). Dotychczas icicle pozwalał na prowadzenie dwu-wymiarowych kinematycznych symulacji o zadanym przepływie, w którym mikrofizyka aerozoli i chmur jest oparta na śledzeniu cząstek. Świeżo stworzony moduł dynamiczny icicle będzie oparty na implementacji kluczowych komponentów NCAR-owskiego modelu chmurowego EULAG. Nowatorska natura projektu polega na połączeniu bardzo efektywnego opisu dynamiki (bazującego na algorytmie MPDATA modelu EULAG) z nowoczesnym opisem mikrofizyki aerozoli, kropel chmurowych i opadowych metodą Super Droplet. Warto podkreślić, że zarówno algorytm rozwiązywania nieelastycznych równań dynamiki oparty na MPDATA, jak i opis mikrofizyki bazujący na śledzeniu cząstek nie są powszechnie używane w obecnie rozwijanych modelach chmurowych, częściowo ze względu na duży stopień złożoności tych metod.

W ramach projektu planujemy również rozszerzyć mikrofizyczny moduł icicle oparty na metodzie Super Droplet o możliwość opisu reakcji chemicznych zachodzących w kroplach.
Projekt będzie realizowany w zgodzie z zasadami typowymi dla wolnego i otwartego oprogramowania oraz wykorzystując techniki programowania obiektowego.

Wpływ rezultatów

Otwartość i przejrzystość kodu modelu oraz pełna dokumentacja sprawią, że będzie on czytelny i możliwy do łatwego wykorzystania w środowisku naukowym, oferując niniejszym znakomite narzędzie do wykorzystania w badaniach.

Projekt ma zarówno cel naukowy jak edukacyjny. Stworzony model pozwoli na uzyskanie nowych wyników naukowych będących przedmiotem licznych publikacji w recenzowanych prestiżowych czasopismach. Powstały program komputerowy, wraz z kompletna dokumentacją techniczną, dostarczy narzędzia dla przyszłych magistrantów i doktorantów.

Współpraca międzynarodowa

Nowe moduły icicle będą budowane we współpracy z dr. Piotrem Smolarkiewiczem i dr. hab. Wojciechem Grabowskim z National Center for Atmospheric Research z Boulder, Colorado, USA. Stanowić będą nową oryginalną implementację wersji LES nieelastycznego numerycznego modelu chmurowego EULAG stworzonego i rozwijanego przez nich w NCAR. Partnerzy projektu są uznanymi w świecie naukowym ekspertami w dziedzinie zastosowań obliczeniowej dynamiki płynów w szerokiej gamie problemów atmosferycznych. Mają bogatą historię współpracy z IGFUW. Obecny projekt jest kolejnym krokiem w realizacji programu badawczego, który jest wzajemnie korzystny zarówno dla NCAR jak IGFUW i otwiera nowy rozdział współpracy, gdyż po raz pierwszy podejmuje wyzwanie budowy nowego narzędzia badawczego.


Cofnij