Projekt badawczy

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.