Двумерное численное моделирование переноса излучения в сферической полярной атмосфере для условий арктических сумерек

Исследование арктического региона — научная задача, обусловленная ускоренной трансформацией этой территории по сравнению с другими регионами планеты. Сокращение площади морских льдов приводит к изменению альбедо поверхности и увеличению доли солнечной энергии, поглощаемой океаном, что напрямую влияет на энергетический баланс региона [1]. Основная цель работы — выявить механизмы, инициирующие изменения энергетического баланса. Арктическая экосистема характеризуется повышенной уязвимостью. Оценка тепловых потоков и их влияния на климат способствует повышению точности прогнозирования экологических последствий антропогенной деятельности — добычи природных ресурсов, развития судоходства и реализации промышленных проектов.
Особую научную значимость представляет исследование энергетического баланса в период арктических сумерек. При окологоризонтальном положении Солнца приток солнечной энергии существенно снижается, что кардинально изменяет условия на поверхности и в атмосфере: наблюдается значительное уменьшение вклада прямого излучения при одновременном возрастании роли многократно рассеянного и отражённого излучения. При зенитном угле Солнца свыше 80 градусов плоскопараллельное одномерное приближение становится физически некорректным: длина луча в атмосфере сопоставима с горизонтальным масштабом региона, а подъём поверхности из-за кривизны Земли на масштабе порядка 1000 км сопоставим с толщиной моделируемых слоёв, что обусловливает зависимость структуры зоны тени за терминатором от сферической геометрии [2][3].
Пассивные измерения радиационных характеристик полярной атмосферы в условиях сумерек в рамках двумерных моделей с учётом кривизны ранее практически не проводились. Двумерная радиационная модель сферической двухслойной атмосферы, учитывающая кривизну поверхности и отражение от неё, обеспечивает достаточно корректный расчёт углового распределения интенсивности в условиях арктических сумерек и позволяет выявить эффекты, недоступные одномерным моделям, при адекватных затратах вычислительных ресурсов. Это необходимо для интерпретации спутниковых радиометрических измерений [3][4].
В работе атмосфера описывается двумя концентрическими сферическими слоями над сферической поверхностью Земли, что позволяет выявить значимые энергетические эффекты, обусловленные разделением слоёв по оптическим свойствам. Над атмосферой вводится вакуумный слой, упрощающий граничные условия.
Перенос излучения рассчитывается метод дискретных ординат в сочетании с методом конечных разностей. Численная модель обеспечивает физически адекватное описание углового распределения излучения в условиях арктических сумерек, которое недоступно одномерным моделям. Модель позволяет формировать сценарии с учётом рассеяния и отражения, важные для прикладных задач, включая моделирование спутниковых измерений и валидацию климатических моделей [5][6].
Исследование проведено в рамках государственного задания Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова. Работа выполнена с использованием вычислительных ресурсов ЦКП сверхвысокопроизводительных вычислительных ресурсов МГУ имени М. В. Ломоносова [7].