Трехмерная модель поможет изучить вклад озер и водохранилищ в глобальную эмиссию метана

Группа ученых Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ и Института прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН разработала трехмерную численную модель термогидродинамики и биохимии внутренних водоемов (озер и водохранилищ), позволяющую уточнить вклад таких водных объектов в глобальные климатические процессы.

Озера и водохранилища являются важнейшими элементами многих природных ландшафтов, а процессы, протекающие в них, представляют, с одной стороны, самостоятельный интерес в рамках задач гидрологии и экологии, а с другой – являются важным аспектом в глобальных задачах метеорологии и климатологии, таких, как изучение климата Земли и оценки его изменений. Следует отметить, что внутренние водоемы являются источниками парниковых газов, особый интерес среди которых представляет метан ввиду своего высокого парникового потенциала – в 72 раза (для 20-летнего периода) и в 25 раз (для 100-летнего периода) превышающего величину, принятую для углекислого газа, что означает, что за 20 лет одна тонна метана удержит в атмосфере столько же тепла, сколько 72 тонны углекислого газа.

Для уточнения вклада озер и водохранилищ в глобальную эмиссию метана ученые МГУ и РАН разработали и развивают трехмерную численную модель внутреннего водоема, в которой объединены в комплекс несколько блоков. В блоке термогидродинамики используются различные параметризации турбулентного переноса, играющего принципиальную роль в формировании термического и биохимического режима водного объекта. Биохимический блок содержит описания переноса, диффузии и реакций для различных примесей, включая растворенные газы, – особую важность для климатических исследований здесь имеет описание газообмена с атмосферой. Наконец, блок термодинамики льда и снежного покрова позволяет проводить годовые и многолетние расчеты термического и биохимического режима, а также численно исследовать цикл пузырькового метана в подледный период. В настоящий момент трехмерное математическое моделирование является единственным инструментом, позволяющим получить полную информацию о распределении температуры и примесей, а также о потоках тепла, влаги и парниковых газов в атмосферу с учетом горизонтальной неоднородности и особенностей морфологии и морфометрии конкретного водного объекта, что критически важно как для калибровки и уточнения моделей меньшей пространственной детализации (в частности, одномерных, широко применяемых в рамках глобального моделирования земного климата), так и для подготовки и планирования измерительных кампаний. С привлечением разработанной трехмерной модели идет разработка вычислительно малозатратных методов математического описания (параметризаций) подобных объектов для включения в модели Земной системы и создаются параметризации для новых, ранее не учитываемых эффектов с целью корректного учета всей совокупности процессов, влияющих на климатически значимые характеристики озер и водохранилищ.

Результаты исследования термогидродинамических и биохимических процессов в озерах и водохранилищах активно используются в рамках проектов, поддерживаемых Российским научным фондом (проект 23-77-01032, «Исследование пространственно-временной изменчивости переноса парниковых газов во внутренних водоемах: теория, численное моделирование и анализ натурных данных») и Министерством образования и науки (проект 124042700008-6 ФНТП «Исследование процессов в геофизических пограничных слоях и создание новых подходов для их параметризации в моделях Земной системы» в рамках программы «Совершенствование глобальной модели Земной системы мирового уровня для исследовательских целей и сценарного прогнозирования климатических изменений»).

Информация и фото предоставлены НИВЦ МГУ имени М.В. Ломоносова