Параметризация речной сети для модели Земной системы

  • В.М. Степаненко Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова https://orcid.org/0000-0003-3033-6712
  • А.И. Медведев Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
  • И.А. Корпушенков Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
  • Н.Л. Фролова Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
  • В.Н. Лыкосов Институт вычислительной математики имени Г.И. Марчука РАН (ИВМ РАН) https://orcid.org/0000-0002-1323-4768
Ключевые слова:

модель Земной системы, блок термогидродинамики суши, речная сеть, снеготаяние.

Аннотация

Представлена новая версия модели ИВМ РАН-МГУ деятельного слоя суши с описанием термогидродинамики речных потоков. Динамика рек представлена уравнениями диффузионной волны, термика — одномерным уравнением притока тепла. Объектно-ориентированная реализация блока речной сети позволяет использовать произвольные решатели одномерных задач речной динамики, например уравнений Сен-Венана. В описание термодинамики снежного покрова добавлены эффекты просачивания жидкой влаги и ее замерзания. Совокупность усовершенствований модели позволила существенно улучшить расчет годового расхода воды и удовлетворительно воспроизвести термический режим крупной равнинной реки Северная Двина.

Об авторах

И.А. Корпушенков,
Н.Л. Фролова,
В.Н. Лыкосов,

Институт вычислительной математики имени Г.И. Марчука РАН (ИВМ РАН)
ул. Губкина, 8, 119333, Москва
• главный научный сотрудник

Литература

  1. Володин Е.М., Галин В.Я., Грицун А.С., Гусев А.В., Дианский Н.А., Дымников В.П., Ибраев Р.А., Калмыков В.В., Кострыкин С.В., Кулямин Д.В., Лыкосов В.Н., Мортиков Е.В., Рыбак О.О., Толстых М.А., Фадеев Р.Ю., Чернов И.А., Шашкин В.В., Яковлев Н.Г. Математическое моделирование Земной системы. М.: МАКС Пресс, 2016.
  2. Flato G.M. Earth system models: an overview // Wiley Interdisciplinary Reviews: Climate Change. 2011. Vol. 2, N 6. 783-800.
  3. Arora V.K., Chiew F.H.S., Grayson R.B. A river flow routing scheme for general circulation models // Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 1999. Vol. 104, N D12. 14347-14357.
  4. Bell V.A., Kay A.L., Jones R.G., Moore R.J. Development of a high resolution grid-based river flow model for use with regional climate model output // Hydrology and Earth System Sciences. 2007. Vol. 11, N 1. 532-549.
  5. Falloon P., Betts R., Bunton C. New global river routing scheme in the unified model. Technical Note N 72. Exeter: Hadley Centre, 2007.
  6. Lucas-Picher P., Arora V.K., Caya D., Laprise R. Implementation of a large-scale variable velocity river flow routing algorithm in the Canadian Regional Climate Model (CRCM) // Atmosphere-Ocean. 2003. Vol. 41, N 2. 139-153.
  7. Sausen R., Schubert S., Dumenil L. A model of river runoff for use in coupled atmosphere-ocean models // Journal of Hydrology. 1994. Vol. 155, N 3-4. 337-352.
  8. Ye A., Duan Q., Zhan C., Liu Z., Mao Y. Improving kinematic wave routing scheme in Community Land Model // Hydrology Research. 2013. Vol. 44, N 5. 886-903.
  9. Кузин В.И., Платов Г.А., Лаптева Н.А. Оценка влияния межгодовой изменчивости стока сибирских рек на циркуляцию Северного Ледовитого океана // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2015. 51, № 4. 437-447.
  10. Huang B., Mehta V.M. Influences of freshwater from major rivers on global ocean circulation and temperatures in the MIT ocean general circulation model // Advances in Atmospheric Sciences. 2010. Vol. 27, N 3. 455-468.
  11. Малахова В.В., Голубева Е.Н. Роль сибирских рек в увеличении концентрации растворенного метана в водах Восточно-Сибирского шельфа // Оптика атмосферы и океана. 2012. 25, № 6. 534-538.
  12. Raymond P.A., Hartmann J., Lauerwald R., Sobek S., McDonald C., Hoover M., Butman D., Striegl R., Mayorga E., Humborg C., Kortelainen P., Durer, Meybeck M., Ciais P., Guth P. Global carbon dioxide emissions from inland waters // Nature. 2013. Vol. 503, N 7476. 355-359.
  13. Allen G.H., Pavelsky T.M. Global extent of rivers and streams // Science. 2018. Vol. 361, N 6402. 585-588.
  14. Володин Е.М., Лыкосов В.Н. Параметризация процессов тепло- и влагообмена в системе растительность-почва для моделирования общей циркуляции атмосферы. 2. Численные эксперименты по воспроизведению климата // Известия АН. Физика атмосферы и океана. 1998. 34, № 5. 622-633.
  15. Лыкосов В.Н., Палагин Э.Г. Динамика взаимосвязного переноса тепла и влаги в системе атмосфера-почва // Метеорология и гидрология. 1978. № 8. 48-56.
  16. The ECHAM3 atmospheric general circulation model. Technical Report No. 6. Hamburg: Deutsches Klimarechnenzentrum, 1992.
  17. Wilson M.F., Henderson-Sellers A. A global archive of land cover and soils data for use in general circulation climate models // Journal of Climatology. 1985. Vol. 5, N 2. 119-143.
  18. Bogomolov V., Stepanenko V., Volodin E. Development of lake parametrization in the INMCM climate model // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2016. Vol. 48, N 1. doi 10.1088/1755-1315/48/1/012005.
  19. Choulga M., Kourzeneva E., Zakharova E., Doganovsky A. Estimation of the mean depth of boreal lakes for use in numerical weather prediction and climate modelling // Tellus A. 2014. Vol. 66. doi 10.3402/tellusa.v66.21295.
  20. Лыкосов В.Н., Палагин Э.Г. Метод и пример расчета переноса тепла и влаги в промерзающей почве при наличии снежного покрова // Труды Гос. Гидролог. Ин-та. № 264. 1980. 12-23.
  21. Володина Е.Е., Бенгтссон Л., Лыкосов В.Н. Параметризация процессов тепловлагопереноса в снежном покрове для моделирования сезонных вариаций гидрологического цикла суши // Метеорология и гидрология. 2000. № 5. 5-14.
  22. Мачульская Е.Е. Моделирование и диагноз процессов тепловлагообмена между атмосферой и сушей в условиях холодного климата. Дисс. на соиск. ст. к.ф.-м.н. М., 2001.
  23. Doll P., Lehner B. Validation of a new global 30-min drainage direction map // Journal of Hydrology. 2002. Vol. 258, N 1-4. 214-231.
  24. Downing J.A., Cole J.J., Duarte C.M., et al. Global abundance and size distribution of streams and rivers // Inland Waters. 2012. Vol. 2, N 4. 229-236.
  25. Tarboton D.G., Bras R.L., Rodriguez-Iturbe I. The fractal nature of river networks // Water Resources Research. 1988. Vol. 24, N 8. 1317-1322.
  26. Коваленко В.В., Викторова Н.В., Гайдукова Е.В. Моделирование гидрологических процессов. С.-П.: Изд-во РГГМУ, 2006.
  27. Wu W. Computational river dynamics. London: Taylor and Francis, 2008.
  28. Dingman S. Fluvial hydrology. New York: Freeman, 1984.
  29. Yu C., Duan J.G. High resolution numerical schemes for solving kinematic wave equation // Journal of Hydrology. 2014. Vol. 519. 823-832.
  30. Vreman A.W. The adjoint filter operator in large-eddy simulation of turbulent flow // Physics of Fluids. 2004. Vol. 16, N 6. 2012-2022.
  31. Володин Е.М. Представление потоков тепла, влаги и импульса в климатических моделях. Потоки с поверхности // Фундаментальная и прикладная климатология. 2016. 1. 28-42.
Опубликован
2019-10-29
Как цитировать
Степаненко В.М., Медведев А.И., Корпушенков И.А., Фролова Н.Л., Лыкосов В.Н. Параметризация речной сети для модели Земной системы // Вычислительные методы и программирование. 2019. 20. 396-410. doi 10.26089/NumMet.v20r435
Раздел 1. Вычислительные методы и приложения