Лаборатория суперкомпьютерного моделирования природно-климатических процессов
Зав. лабораторией д.ф.-м.н., чл.-корр. РАН Лыкосов Василий Николаевич
Тел.:: 939-2353, 938-3915    E-mail: lykossov@inm.ras.ru
    Основные направления работ
    Область научных исследований
    Научные результаты
    Педагогическая деятельность
    Основные публикации
    Проекты и гранты
    Партнеры
    Состав лаборатории
    Сайт лаборатории
    Предложения по сотрудничеству

Основные направления работ
  • численное моделирование мезомасштабных процессов в атмосфере
  • вихреразрешающее моделирование пограничных слоев атмосферы и океана
  • моделирование процессов взаимодействия атмосферы и деятельного слоя суши
  • моделирование климата и его изменений
  • использование высокопроизводительных вычислительных комплексов параллельной архитектуры в науках о природной среде
Область научных исследований

  • Разработка численных моделей процессов в природной среде и их применение в научном и учебном процессах
Научные результаты
  • Создана одномерная численная термодинамическая модель водоема, в которой рассматриваются процессы тепло- и влагопереноса в системе "атмосфера - водоем - грунт". Она позволяет рассчитывать годовой цикл водного и теплового режима водоема. В качестве входных данных для данной модели могут быть использованы данные измерений в приземном слое атмосферы, результаты расчетов по атмосферным моделям, или ряды реанализа. Произведен ряд численных экспериментов, показывающих, что модель адекватно воспроизводит основные черты термического, водного и ледового режимов мелких водоемов в различных географических условиях (Якутия, Карелия, Центральная Европа).

  • Мезомасштабная негидростатическая модель NH3d (Miranda and James, Quart. J. Roy. Met. Soc., 1992, http://www.cgul.ul.pt/nh3d/nh3d_download.htm) адаптирована для воспроизведения атмосферной циркуляции над территорией Западной Сибири. В модели заменена исходная параметризация процессов взаимодействия атмосферы и деятельного слоя суши на более совершенную, в которой используется модель тепловлагопереноса в снежном покрове, растительности и грунте, разработанная в Институте вычислительной математики РАН и сопряженная с моделью водоема, созданной в НИВЦ МГУ. Численные эксперименты показали, что дополненная таким образом модель NH3d способна правдоподобно воспроизводить как бризовую циркуляцию над отдельно взятым большим озером, так и сложную структуру течений бризовой природы над гидрологически неоднородной поверхностью суши. Кроме того, эти эксперименты продемонстрировали, что модель адекватно воспроизводит классическую горно-долинную циркуляцию над рельефом заданной формы.

  • Создана вихреразрешающая модель геофизических пограничных слоев. В ней реализована консервативная схема четвертого порядка точности для уравнений переноса импульса. Разработана и реализована новая методика построения турбулентных замыканий динамического типа, основанная на итерационном алгоритме поиска обобщенного решения переопределенной системы линейных уравнений. В отличие от большинства известных моделей динамического типа, данный подход позволяет освободиться от предположения о статистической однородности турбулентного потока в выделенных направлениях. Это расширяет область применимости данных моделей, в частности, для моделирования турбулентных течений в областях со сложной конфигурацией. Упомянутые алгоритмы распараллелены с помощью средств MPI. Проведен ряд численных экспериментов, показавших хорошее воспроизведение статистических характеристик сдвиговой турбулентности.

  • Параллельная версия программного комплекса климатической модели, разработанной в Институте вычислительной математики, адаптирована к SCI-кластеру НИВЦ МГУ. При выполнении этой работы: исследована эффективность различных подходов к распараллеливанию глобальных моделей атмосферы и океана; разработана библиотека коммуникационных процедур для осуществления межпроцессорных обменов данными в математических моделях, использующих прямоугольные сетки; разработано руководство по эксплуатации параллельной версии модели обшей циркуляции атмосферы на SCI-кластере НИВЦ МГУ для использования в образовательном процессе МГУ.

  • На кластерах СКЦ НИВЦ МГУ поставлена и настроена модель общей циркуляции атмосферы (ОЦА) ИВМ РАН с высоким пространственным разрешением 2х2.5 град., 80 вертикальных уровней (высоты 0-90 км) и совместная климатическая модель атмосферы и океана ИВМ РАН. Разрабатывается трехмерная модель динамики термосферы (высоты 90-500 км) на основе модели ОЦА с учетом основных динамических процессов, определяющих общую циркуляцию термосферы (создана и включена параметризация магнитогидродинамических эффектов - силы Ампера и притока джоулева тепла, проявляющиеся в качестве взаимодействия заряженных и нейтральных частиц). Для более точного решения уравнений гидротермодинамики термосферы модифицирована вертикальная координата в модели: разработана модификация вертикальной координаты для верхних уровней модели (гибридная координата с плавным переходом от сигма-координаты в тропосфере к p – координате в мезосфере).

Педагогическая деятельность
  • лекционный курс "Мезометеорологические процессы" (Географический факультет МГУ, В.М. Степаненко)
  • спецкурс "Вычислительно-информационные технологии моделирования климата" (Факультет вычислительной математики и кибернетики, В.Н. Лыкосов)
  • спецкурс "Микроклиматология" (Географический факультет МГУ, В.М. Степаненко)
  • руководство научной работой студентов и аспирантов (факультеты ВМиК и Географический МГУ, факультет проблем физики и энергетики МФТИ, В.Н. Лыкосов)
Основные публикации
  • Е.Е. Мачульская, В.Н. Лыкосов. Моделирование термодинамической реакции вечной мерзлоты на сезонные и межгодовые вариации атмосферных параметров. - Известия АН. Физика атмосферы и океана, 2002, т. 38, С. 20-33.

  • Толстых М.А., Глухов В.Н. Реализация моделей атмосферы на параллельных компьютерах. - Сибирская школа-семинар по параллельным вычислениям С 34 / Под ред. проф. А.В.Старченко. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2002. С. 82-93.

  • V. Gloukhov. Parallel implementation of the INM atmospheric general circulation model on distributed memory multiprocessors. - Lecture Notes in Computer Science, 2002, V. 2329, pp. 753-762.

  • V.N. Lykossov . Atmospheric and oceanic boundary layer physics. - In: 'Wind stress over the ocean' (Eds. I.S.F. Jones and Y. Toba), Cambridge University Press, 2002, pp. 54-81.

  • S. Zilitinkevich, A. Baklanov, J. Rost, A.-S. Smedman, V. Lykosov, P. Calanca. Diagnostic and prognostic equations for the depth of the stably stratified Ekman boundary layer. - J. Roy. Met. Met. Soc., 2002, V. 128, pp. 25-46.

  • В.П. Дымников, Е.М. Володин, В.Я. Галин, А.В. Глазунов, А.С. Грицун, Н.А. Дианский, В.Н. Лыкосов. Климат и его изменения: математическая теория и численное моделирование. - Сибирский журнал вычислительной математики, 2003, 6, С. 347-379.

  • A.V. Glazunov, V.N. Lykossov. Large-eddy simulation of interaction of ocean and atmospheric boundary layers. - Russ. J. Numer. Anal. Math. Modelling, 2003, V. 18, pp. 279-295.

  • A.N.V. Satyanarayana, V.N. Lykossov, U.C. Mohanty, E.E. Machul'skaya. Parameterization of land surface processes to study boundary layer characteristics over a semiarid region in Northwest India. - J. Appl. Met., 2003, V. 42, pp. 528-540.

  • Е.П. Гордов, A. De Rudder, В.Н. Лыкосов, А.З. Фазлиев, K. Fedra. Веб-портал АТМОС как основа для выполнения интегрированных исследований по окружающейсреде Сибири. - Вычислительные технологии, 2004, т. 9, часть 2, С. 3-13.

  • В.П. Дымников, Е.М. Володин, В.Я. Галин, А.В. Глазунов, А.С. Грицун, Н.А. Дианский, В.Н. Лыкосов. Чувствительность климатической системы к малым внешним воздействиям. - Метеорология и гидрология, 2004, No. 4, С. 77-91.

  • В.М. Степаненко. Численная модель процессов тепловлагообмена в системе атмосфера - водоём - почва. - Вычислительные технологии, 2004, т. 9, часть 1, С. 112-122.

  • V. Gloukhov. Parallel computations in problems of climate modeling. - Parallel Computational Fluid Dynamics - Advamced Numerical Methods, Software and Applications, B.Chetverushkin, A.Ecer, J.Periaux, N.Satofuka and P.Fox (Editors), Elsevier, 2004, pp. 301-303.

  • В.М. Степаненко, В.Н. Лыкосов. Численное моделирование процессов тепловлагообмена в системе водоем - грунт. - Метеорология и гидрология, 2005, № 3, С. 95 - 104.

  • В.П. Дымников, В.Н. Лыкосов, Е.М. Володин, В.Я. Галин, А.В. Глазунов, А.С. Грицун, Н.А. Дианский, М.А. Толстых, А.И. Чавро. Моделирование климата и его изменений. - в "Современные проблемы вычислительной математики и математического моделирования", М.: Наука, 2005, Т. 2, С. 38 - 175.

  • Глазунов А.В. Моделирование нейтрально стратифицированного турбулентного потока воздуха над плоской шероховатой поверхностью. Изв. РАН, сер. Физика атм. и океана, 2005 (в печати)

  • E.A. Vaganov, E.P. Gordov, M.V. Kabanov, V.N. Lykosov. First steps on development of integrated regional study of Siberian environment. – Bulletin of the Russian National Committee for the International Geosphere-Biosphere Program, 2005, No. 4, 4-10.

  • E.P. Gordov, V.N. Lykosov. On preparation of professional scientific community for modern environmental research. – Bulletin of the Russian National Committee for the International Geosphere-Biosphere Program, 2005, No. 4, 51-55.

  • В.М. Степаненко. Численное моделирование термического режима мелких водоемов. – «Вычислительные технологии», т. 10, ч. 1, изд. СО РАН, Новосибирск, 7 с.

  • А.В. Глазунов. Моделирование нейтрально стратифицированного турбулентного потока воздуха над горизонтальной шероховатой поверхностью. - Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2006, т. 42, № 3, с. 307-325.

  • В.П. Дымников, В.Н. Лыкосов, Е.М. Володин. Проблемы моделирования климата и его изменений. - Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2006, т. 42, № 5, с. 618-636.

  • В.М. Кабанов, В.Н. Лыкосов. Мониторинг и моделирование природно-климатических изменений в Сибири. - Оптика атмосферы и океана, 2006, т. 19, № 9, с. 753-765.

  • E. Dutra, V. Stepanenko, P.A. Miranda, P. Viterbo, D. Mironov, V.N. Lykosov. Evaporation and seasonal temperature changes in lakes of the Iberian Peninsula. – Proc. of 5th Portuguese-Spanish Assembly of Geophysics and Geodesy, 30 January - 3 February 2006, Sevilha, Spain, 4 pp.

  • E.P. Gordov, V.N. Lykosov, A.Z. Fazliev. Web portal on environmental sciences. – Adv. Geosci., 2006, v. 8, pp. 33-38.

Проекты и гранты
  • "Моделирование и параметризация пограничного слоя атмосферы над гидрологически неоднородной поверхностью суши для решения задач теории климата и охраны окружающей среды", заявлен на Институт вычислительной математики РАН, выполняется совместно с лабораторией методов дистанционного обучения, (Грант РФФИ № 04-05-64898, рук. В.Н. Лыкосов)

  • "Моделирование крупномасштабной турбулентности в пограничном слое атмосферы над орографически неоднородной поверхностью", заявлен на Институт вычислительной математики РАН, выполняется совместно с лабораторией методов дистанционного обучения (Грант РФФИ № 05-05-64918, рук. А.В. Глазунов)

  • "Антропогенные риски для окружающей среды: мониторинг, управление и адаптация применительно к Сибирскому региону", заявлен на Институт вычислительной математики РАН, выполняется совместно с лабораторией методов дистанционного обучения (Грант INCO 013427, рук. В.Н. Лыкосов

  • "Численное моделирование мезометеорологических процессов над неоднородной подстилающей поверхностью", заявлен на Географический факультет МГУ, осуществляется совместно с лабораторией методов дистанционного обучения (Грант молодых ученых Ученого совета географического факультета МГУ за 2006 г., рук. В.М. Степаненко)

  • "Моделирование и параметризация пограничного слоя атмосферы над гидрологически неоднородной поверхностью суши для решения задач теории климата и охраны окружающей среды" (РФФИ 04-05-64898, рук. В.Н.Лыкосов)

  • "Representation of lakes in numerical models for environmental applications" (INTAS 01-2132, рук. В.Н.Лыкосов)

  • "ATMOS: a scientific WWW portal for the atmospheric environment" (INTAS 00-189, рук. В.Н.Лыкосов)

  • "Разработка совместной вихреразрешающей модели пограничного слоя атмосферы и верхнего слоя океана" (РФФИ 02-05-64911, рук. А.В.Глазунов)

Партнеры
  • Институт вычислительной математики РАН, Москва
  • Факультет вычислительной математики и кибернетики МГУ
  • Географический факультет МГУ
  • Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Москва
  • Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва
  • Институт водных проблем Севера КНЦ РАН, Петрозаводск
  • Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, Новосибирск
  • Институт мониторинга климато-экологических систем СО РАН, Томск
  • Сибирский центр климато-экологических исследований и образования, Томск
  • Югорский государственный университет, Ханты-Мансийск
Состав лаборатории
  • Лыкосов В.Н., д.ф.-м.н., чл.-корр. РАН, зав. лаб.
  • Степаненко В.М., к.ф.-м.н., вед.н.сотр.
  • Кулямин Д.В., к.ф.-м.н., ст.н.сотр.
  • Мортиков Е.В., к.ф.-м.н., н.сотр.
  • Тыртышникова Т.К., вед. прогр.
  • Вереземская П.С., прогр. 2 кат.
  • Дебольский А.В., прогр. 2 кат.
Предложения по сотрудничеству
  • Лаборатория приглашает к сотрудничеству в областях численного моделирования и использования высокопроизводительных вычислительных систем в науках о природной среде, а также в использовании численных моделей природных процессов в учебном процессе, в том числе при дистанционном обучении.