Lepsze modele turbulencji udoskonalą prognozowanie pogody
Planetarna warstwa graniczna (PBL) to silnie turbulencyjna warstwa atmosferyczna łącząca powierzchnię Ziemi z atmosferą swobodną znajdującą się powyżej. Mechanizmy turbulencji i PBL kontrolują cechy zmiany klimatu i ekstremalne zjawiska pogodowe, takie jak fale upałów, susze, skrajnie niskie temperatury i epizody smogowe. Zjawiska te były słabo odwzorowywane przez dotychczasowe modele atmosferyczne. W projekcie PBL-PMES (Atmospheric planetary boundary layers: Physics, modelling and role in Earth system) wykorzystano nowy model koncepcyjny dla PBL. W turbulencji można wyodrębnić trzy elementy: przepływ regularny, turbulencja chaotyczna i struktury samoorganizujące się. Struktury samoorganizujące się, jak np. komórki konwekcyjne, to elementy, dla których odnotowano najwięcej nieprawidłowości. Nowa teoria domknięć turbulencyjnych budżetu energii i strumieni (EFB) została opracowana i przygotowana do wdrożenia w modelach prognozowania pogody, klimatu i jakości powietrza. Teoria dowodzi, że turbulencja geofizyczna nie ulega degeneracji nawet w nadkrytycznie stabilnych stratyfikacjach (kiedy przepływy mniejszej skali stają się laminarne), za co odpowiedzialne są dwa mechanizmy. Strumień wyporności ulega samoregulacji przez przeciwną wymianę ciepła w wyniku działania turbulentnej energii potencjalnej i zachodzi skuteczna wymiana między turbulentną energią kinetyczną i potencjalną. Koncepcja konwekcyjnej warstwy PBL w oparciu o potrójny rozkład została opracowana i zweryfikowana na podstawie dostępnych danych i powierzchniowych symulacji wielkich wirów. Zaawansowane modele stabilnie i neutralnie uwarstwionych PBL, w tym niedawno rozpoznanej konwencjonalnie neutralnej PBL (zwykle występującej nad oceanami) i długotrwałej stabilnej PBL (zwykle występującej nad kontynentami na wysokich szerokościach geograficznych), zostały stworzone i wykorzystane do opracowania nowych algorytmów wyliczania strumieni z uwzględnieniem interakcji pomiędzy warstwą powierzchni a rdzeniem PBL. Przeprowadzono kilka badań w czasie rzeczywistym równolegle z pomiarami terenowymi i wykorzystano do wzbogacenia wyników obserwacji, w tym dla strumieni turbulencyjnych nad lodem morskim w Arktyce oraz dla zagrożeń dla jakości powierza miejskiego w warunkach bardzo stabilnej PBL. Nowa koncepcja sprzężenia zwrotnego PBL-klimat, która uwzględnia wrażliwość termiczną PBL, została opracowana i wykorzystana do wyjaśnienia aż 70% zaobserwowanych trendów temperaturowych i zmienności zmiany klimatu na dużych szerokościach geograficznych. Parametryzacje zamknięcia EFB i PBL są w przygotowaniu do wdrożenia w modelach pogodowych, jakości powietrza i klimatycznych w kilku krajach UE oraz w Stanach Zjednoczonych.
Słowa kluczowe
Turbulencje atmosferyczne, komórki konwekcyjne, planetarna warstwa graniczna, zmiana klimatu, PBL-PMES
