Projekt badawczy

Własności mikrofizyczne chmur są jednym z najważniejszych czynników, które definiują w jaki sposób chmury, poprzez bilans radiacyjny i hydrologiczny, oddziałują z układem klimatycznym. Własności te charakteryzuje się przez lokalny (w czasie i przestrzeni) rozkład  rozmiarów kropel chmurowych, inaczej zwany widmem lub spektrum. Widmo kropel chmurowych tworzone jest w procesie aktywacji i kondensacyjnego wzrostu. Procesy te zależne są od wartości przesycenia w otoczeniu kropel; wielkość przesycenia zmienia się w czasie i przestrzeni w odpowiedzi na turbulencję wszechobecną w środowisku, w którym powstaje i rozwija się chmura. Fakt ten ma dalekosiężne skutki na ewolucję widma kropel. Pomimo intensywnych wysiłków środowiska naukowego problem ewolucji widma kropel chmurowych w turbulencyjnym środowisku chmurowym pozostaje nierozwiązany. Głównym celem niniejszego projektu badawczego jest zrobienie postępu w zrozumieniu fundamentalnej roli jaką turbulencja odgrywa w procesach, które kształtują widmo kropel w chmurach konwekcyjnych.

Symulacje numeryczne są jednym ze sposobów badania chmur. Turbulencja chmurowa i jej wpływ na procesy kształtujące widmo kropel (np. wciąganie powietrza z otoczenia i mieszanie turbulencyjne wewnątrz chmury, aktywacja i dezaktywacja kropel wewnątrz chmury) stanowi wielkie wyzwanie i wymaga stworzenia wszechstronnego modelu obliczeniowego. Obiecujący lagranżowski model chmurowy (LCM) został niedawno stworzony w Instytucie Geofizyki na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (IGFUW).  Przepływ w skali chmury opisywany eulerowsko metodą dużych wirów (Large Eddy Simulation, LES) jest połączony z lagranżowską mikrofizyką aerozoli i kropel chmurowych opisaną schematem superkropelek. W niniejszym projekcie badawczym model stworzony w IGF zostanie wzbogacony o opis turbulencji w szerokim zakresie skal czasowych i przestrzennych. W ten sposób powstanie Stochastyczny Lagranżowski Model Chmury (SLCM). Będzie on rozszerzeniem klasycznego modelu LCM poprzez wprowadzenie starannego fizycznego opisu stochastycznych procesów mikrofizycznych w ujęciu lagranżowskim oraz transportu turbulencyjnego w skalach, które nie są rozwiązywane w metodzie dużych wirów przepływu w skali chmury.

W pierwszym etapie projektu zostaną opracowane teoretycznie stochastyczne schematy mikrofizyczne leżące u podstaw SLCM i nastąpi ich implementacja w prostych modelach testowych: wyidealizowanym modelu cząstki i kinematycznym modelu chmury z ustalonym przepływem. Następnie schematy mikrofizyczne zostaną włączone do pełnego realistycznego modelu LES chmury. Pełny schemat SLCM zostanie użyty w symulacjach małych chmur cumulus. Najważniejszym mikrofizycznym produktem wyjściowym modeli jest widmo kropel chmurowych i jego rozkład przestrzenny w skali całej chmury. W celu oszacowania wpływu różnych podskalowych modeli i stochastycznych schematów mikrofizycznych na ewolucję widma opadu i własności makroskopowe badanych chmur użyjemy nowatorskiej metody nazwanej piggybacking.

W wyniku realizacji niniejszego projektu zostanie utworzony solidny i oparty na rzetelnych podstawach fizycznych model do badania wpływu turbulencji na własności mikrofizyczne chmur w szerokim zakresie skal przestrzennych. Do fizyki chmur zastosowane zostaną najbardziej zaawansowane lagranżowskie techniki stochastyczne opracowane w kontekście dyspersyjnych wielofazowych przepływów turbulencyjnych. Projekt nie tylko zasadniczo poprawi nasze zrozumienie multiskalowych procesów wpływających na kondensacyjny wzrost kropel w chmurach, ale również pomoże poprawić reprezentację mikrofizyki płytkich chmur konwekcyjnych w modelach pogody i klimatu.