Research project

Celem projektu jest stworzenie implementacji szczegółowego opisu mikrofizyki w 2-wymiarowym numerycznym modelu chmury. Proponowany model zbudowany będzie w oparciu o uproszczoną reprezentacje dynamiki (zadany przepływ) oraz precyzyjną reprezentację procesów mikrofizycznych, takich jak: powstawanie kropelek chmurowych na drobinach aerozolu, wzrost kondensacyjny kropelek chmurowych, powstawanie mżawki i deszczu na skutek zderzeń i łączenia się kropelek oraz osiadanie aerozolu, mżawki i deszczu pod wpływem grawitacji. Model będzie narzędziem badawczym pozwalającym na wykonywanie symulacji powyższych zjawisk oraz analizowanie ich wzajemnych oddziaływań i sprzężeń pomiędzy nimi.
Kluczowymi elementami proponowanego modelu są: (a) opracowany wcześniej przez wnioskodawców model powstawania kropel chmurowych na jądrach kondensacji (Arabas i Pawłowska, 2011, Geosi. Model Dev.); (b) 2-wymiarowy kinematyczny szkielet modelu chmury o zadanym przepływie powietrza (Szumowski i in., 1998, Atmos. Res.); oraz (c) metoda typu Monte-Carlo do numerycznego rozwiązania zagadnienia wzrostu kropel chmurowych poprzez zderzenia i koalescencję (Shima i in. 2009, Quart. J. Roy. Meter. Soc.). Elementy (b) i (c) zostaną zaimplementowane na nowo dla potrzeb projektu przy wykorzystaniu nowoczesnych technik programistycznych. Znaczna część obliczeń wykonywanych w czasie symulacji będzie wykonywana przy pomocy istniejących już wolnodostępnych bibliotek otwartego oprogramowania.
Proponowany projekt stanowi rozwinięcie badań oraz konstrukcji oprogramowania prowadzonych wcześniej przez wnioskodawców. Zbudowany i opisany w Arabas i Pawlowska (2011) program ,,drops’’ jest narzędziem do symulacji procesu transformacji drobin aerozolu w kropelki chmurowe, zbudowanym w oparciu o tzw. ,,model cząstki’’ - zero- wymiarowy szkielet modelu chmury. Model ,,drops’’ uwzględnia szczegółową reprezentację widma rozmiarów drobin aerozolu i kropelek chmurowych oraz ich składu chemicznego. Proponowane rozszerzenie modelu obejmuje włączenie do gamy reprezentowanych procesów: wzrostu kropel poprzez koalescencję, osiadania grawitacyjnego oraz zamianę szkieletu zero-wymiarowego na 2-wymiarowy szkielet z zadanym przepływem. Proponowane badania będą czerpały z doświadczeń zdobytych przy budowie modelu ,,drops’’ poprzez ponowne wykorzystanie części napisanego wcześniej oprogramowania, poprzez wykorzystanie sprawdzonej wcześniej architektury programu oraz metod jego budowy. Podobnie jak ,,drops’’, model który zostanie zbudowany w ramach proponowanego projektu będzie ogólnodostępnym oprogramowaniem o otwartym źródle.
Wykorzystanie 2-wymiarowego szkieletu kinematycznego, w celu naśladowania w modelu typowych scenariuszy przepływu powietrza w chmurze, pozwala analizować przebieg procesów mikrofizycznych bez uwzględnienia ich wpływu na dynamikę chmury. Podejście to było wielokrotnie stosowane w badaniach mających na celu sprawdzenie i porównanie własności różnych algorytmów służących reprezentacji procesów mikrofizycznych w numerycznych modelach chmur. Dzięki temu, podczas prac nad budową nowego modelu, możliwe będzie porównywanie uzyskiwanych przy jego pomocy wyników z wynikami symulacji udokumentowanych w licznych recenzowanych artykułach.
Wzrost kropelek chmurowych poprzez zderzenia i koalescencję będzie reprezentowany w nowym modelu w oparciu o tzw. metodę Super-Droplet (Shima i in., 2009). Kluczową cechą tego podejścia jest wykorzystanie techniki Monte-Carlo.
Pierwsze porównania wyników pomiarów lotniczych wewnątrz chmur z wynikami symulacji metodą Super-Droplet wykorzystywaną w sprzężeniu z trójwymiarowymi symulacjami typu LES (Large Eddy Simulation) potwierdzają stosowalność tej metody do badania takich zagadnień jak oddziaływania aerozol-chmury-opad w polach chmur powstających w warstwie granicznej atmosfery (Arabas i Shima, 2011; Shima i Arabas 2011 -- publikacje konferencyjne SIAM GS11 i MetStroem). Wykonywane symulacje typu LES liczone są na super-komputerach najwyższej mocy.
Stworzenie prostego lecz niezawodnego narzędzia o niewygórowanych wymaganiach sprzętowych, opartego o 2-wymiarowy szkielet modelu chmury z zadanym przepływem (w przeciwieństwie do wymagającego dużych mocy obliczeniowych sprzężenia z LES), pozwoli rozszerzyć wachlarz zastosowań metody Super-Droplet.
Podczas implementacji modelu nacisk będzie kładziony na modularność programu i jakość dokumentacji, co ułatwi dalszy rozwój kodu modelu oraz pozwoli wykorzystać model zarówno w pracach badawczych jak i edukacyjnych.W zamyśle, w skład docelowego grona użytkowników programu wchodzić będą zarówno magistranci i doktoranci, jak i pracownicy naukowi potrzebujący szybkiego i niezawodnego narzędzia do: (a) rozwoju i testów parametryzacji procesów chmurowych do wykorzystania w modelach dużej skali, (b) testowania hipotez dotyczących oddziaływań pomiędzy aerozolem, chmurami i opadem, oraz (c) wykorzystania modelu mikrofizycznego chmur w algorytmach służących do analizy danych z pomiarów teledetekcyjnych.
Budowa modelu zaplanowana jest na okres 18 miesięcy, a zadania rozdzielone są pomiędzy trzyosobowy zespół (prof. Hanna Pawłowska jako opiekun/promotor oraz dwójka doktorantów, w tym Sylwester Arabas jako główny programista). W czasie trwania projektu planowane jest przedstawienie wstępnych wyników na konferencji. Zwieńczeniem prac nad budową modelu będzie publikacja artykułu opisującego budowę i przedstawiającego przykładowe wyniki uzyskane przy pomocy nowego modelu.