Projekt badawczy

Cel prowadzonych badań

Wpływ aerozolu na chmury i opady nie przestaje przykuwać uwagi atmosferycznego środowiska naukowego. Celem niniejszego projektu jest badanie i szacowanie wpływu procesów mikrofizycznych na własności makroskopowe płytkich chmur konwekcyjnych (takie jak: stopień pokrycia chmurowego, średnia wielkość opadu) przy użyciu najnowocześniejszych technik modelowania numerycznego oraz nowej metodologii diagnozowania badanego wpływu. Pomimo znacznego postępu w badaniach, wpływ chmurowych jąder kondensacji na makroskopowe własności chmur pozostaje bardzo słabo określony ilościowo. W proponowanym projekcie planujemy badać wpływ turbulencji na przyspieszenie powstawania opadu w wyniku zderzeń i łączenia kropel chmurowych – efekt wymagający jednoczesnego traktowania procesów chmurowych i aerozolowych.

Diagnoza wpływu mikrofizyki na makroskopowe własności chmur jest ważna dla przewidywania klimatu. Wiarygodna ocena wymaga istotnego wysiłku – np. wykonania dużego zestawu symulacji numerycznych. W naszym projekcie wykorzystamy nową metodologię, która pozwoli na diagnozę wpływu z niespotykaną do tej pory dokładnością i pozwoli na odseparowanie czysto mikrofizycznych efektów od efektów dynamicznych.

Metoda badawcza

W projekcie wykorzystamy model numeryczny oparty na schemacie symulacji dużych wirów (ang. Large Eddy Simulation, LES) z nowym opisem mikrofizyki aerozoli i chmur opartym na śledzeniu cząstek (zwany metoda super-kropelek), który jest od niedawna tworzony w Instytucie Geofizyki (Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego). Nowy schemat mikrofizyczny pozwala na unikalną i jednolitą reprezentację wszystkich cząstek (aerozoli, kropelek i kropel) uczestniczących w tworzeniu chmur i opadów. Model LES wyposażony w super-kropelki stanowi doskonałe narzędzie badań mikro- i makrofizyki płytkich chmur konwekcyjnych oraz oddziaływań aerozol-chmura-opad. Model zostanie wzbogacony o nowe funkcjonalności, które będą niezbędne do realizacji celów niniejszego projektu. W szczególności dodany zostanie opis wpływu turbulencji podskalowej na dyfuzyjny i zderzeniowy wzrost kropel. Zastosujemy nowatorską metodę szacowania wpływu mikrofizyki na makroskopowe własności pola płytkich cumulusów. Jest to metoda zaproponowana przez prof. Wojciecha Grabowskiego z amerykańskiego National Center for Atmospheric Research, nazwana po angielsku piggybacking, co można przetłumaczyć na polski jako ‘przenoszenie na barana’ lub ‘podwożenie’ (dalsze wyjaśnienie pozwoli zrozumieć sens tych wyrażeń). Metoda polega na użyciu dwóch zestawów parametrów termodynamicznych poddawanych zmianom rządzonym przez różne schematy mikrofizyczne. Pierwszy zestaw parametrów jest połączony z dynamiką modelu jak w standardowej symulacji LES. Drugi zestaw jest ‘przenoszony na barana’ (lub ‘podwożony’) przez pole dynamiczne wygenerowane przez pierwszy zestaw zmiennych; nie oddziałuje na dynamikę. Mając dwa schematy mikrofizyczne poddane działaniu tego samego pola przepływu można z dużą precyzją ocenić wpływ mikrofizyki na makroskalę. Metoda potrafi wykryć nawet małe zmiany makroskopowych cech pól chmurowych pomimo ich dużych fluktuacji czasowo- przestrzennych.

Wpływ spodziewanych rezultatów na rozwój nauki, cywilizacji, społeczeństwa

Projekt skupia się na badaniach ciepłych (nie zawierajacych lodu) płytkich chmur konwekcyjnych. Występują one licznie w rejonach tropikalnych oraz podzwrotnikowych i stanowią istotny element układu klimatycznego. Opis tych chmur w modelach pogody i klimatu jest niedoskonały ze względu na ich niezbyt duże rozmiary oraz skomplikowane związki między procesami fizycznymi rządzącymi ich powstawaniem i ewolucją. Tego typu chmury będą prawdopodobnie ostatnim elementem, którego reprezentacja w modelach klimatu doczeka się wiarygodnych symulacji ze względu na wymaganą bardzo wysoka rozdzielczość przestrzenną i czasową. Niniejszy projekt nie tylko pozwoli na dokonanie postępu w zrozumieniu podstawowych procesów fizycznych, ale również przyczyni się do oszacowania roli tych chmur w klimacie i zmianach klimatu. Projekt pozwoli na dalszy rozwój nowatorskiego narzędzia do symulacji numerycznych w Instytucie Geofizyki i pomoże w jego promocji w społeczności naukowej zajmującej się modelowaniem procesów atmosferycznych.