Новые вычислительные технологии многомасштабного прогнозирования и мониторинга состояния городской средыНИР

Innovative computing technologies for multi-scale forecast and monitoring of urban environment

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 27 мая 2025 г.-15 декабря 2025 г. Новые вычислительные технологии многомасштабного прогнозирования и мониторинга состояния городской среды
Результаты этапа: 1. Разработана вычислительная технология, допускающая последовательную детализацию процессов турбулентного переноса в атмосферном пограничном слое на основе цепочки вложенных вихреразрешающих (LES) моделей с измельчением пространственного разрешения. В цепочке объединенных моделей допускается, что каждая из них может содержать произвольное число вложенных (дочерних) моделей с меньшим пространственным и временным шагом. Родительская модель с заданной частотой передает во время расчета в каждую дочернюю прогностические поля для задания граничных условий. В дочерних моделях диагностируется тип граничных условий ''втока'' (для него задаются условия Дирихле) или ''вытока'' (используются конвективные граничные условия, где фазовая скорость рассчитывается при смещении по нормали во внутреннюю часть области). Для согласования численных моделей реализована возможность дополнительной релаксации граничных условий для случая ''вытока'' к полям внешней модели. Для возможности восполнения недостающего диапазона мелкомасштабной динамики в моделях грубого разрешения разработаны алгоритмы двухстороннего сопряжения родительской и дочерних моделей. Каждая из моделей в цепочке регионализации может быть сконфигурирована отдельно с учетом воспроизводимых масштабов: могут использоваться разные схемы переноса или задаваться разные параметры подсеточного замыкания. Разработанная вычислительная технология также допускает возможность использования внешних данных (например, данных реанализа или расчетов мезомасштабных моделей) для задания граничных условий и крупномасштабного атмосферного форсинга. Для тестирования разработанной многомасштабной модели проведены расчеты по воспроизведению стратифицированных пограничных слоев атмосферы над плоской поверхностью: для условно-нейтрального, устойчиво стратифицированного пограничного слоя и сдвигового-конвективного пограничных слоев. Показано, что разработанный алгоритм одностороннего сопряжения в многомасштабной конфигурации модели уточняет статистические моменты гидродинамических полей в приземном слое, а также позволяет детализировать спектральное распределение полей скорости ветра и температуры во вложенной модели, включающей лишь часть пограничного слоя, с точностью соответствующей эталонному решению. Проведен тестовый численный эксперимент по моделированию обтекания группы объектов городского типа стратифицированным турбулентным течением с использованием трех моделей. Результаты показали, что при помощи алгоритма расчетов с тремя моделями удается детализировать решение вблизи объектов застройки. Однако были выявлены дефекты одностороннего сопряжения моделей: систематические крупномасштабные ошибки, связанные с несогласованностью решений в моделях с грубой и подробной пространственными сетками. Предложен набор подходов для улучшения сходимости итерационных процедур решения уравнения Пуассона в моделях с ограниченным размером расчетной области и при наличии застройки. Это позволило увеличить скорость расчетов и улучшить балансировку параллельных вычислений при одновременном интегрировании нескольких моделей. 2. Динамический блок многомасштабной модели адаптирован для гибридной параллельной архитектуры, состоящей из центральных процессоров и ускорителей. Архитектура программной реализации разработана так, чтобы отделить высокоуровневые модули, отвечающие за численные алгоритмы, от модулей, отвечающих за низкоуровневые оптимизации для CPU или GPU. Алгоритмы одностороннего и двустороннего сопряжения моделей реализованы с помощью коммуникационных процедур библиотеки MPI и независимых интер-коммуникаторов для каждой из моделей в цепочке регионализации. Показано, что наиболее эффективным подходом для многомасштабной модели является выполнение расчетов в моделях с грубым разрешением на CPU и использование GPU в дочерних моделях при значительном измельчении шагов по пространству и времени. Разработан и протестирован программный модуль коммуникаций на основе библиотеки NCCL, позволяющий проводить обмены между GPU без использования оперативной памяти центрального процессора. Данная оптимизация позволила ускорить обмены трехмерных полей между GPU независимо от разрешения. 3. Для уточнения мелкомасштабной динамики и ускорения адаптации решения при измельчении сетки в модели грубого разрешения был разработан и протестирован алгоритм двухстороннего сопряжения, в котором трехмерные поля решения каждой дочерней модели передаются в родительскую модель. В родительской модели добавляются релаксационные поправки на детализированные поля, включающие мелкомасштабную компоненту решения. Релаксационный член в уравнениях движения учитывается на первом шаге метода дробных шагов до нахождения поправки к полю давления, что обеспечивает выполнение уравнения неразрывности на каждом шаге по времени. Показано, что данный подход позволяет дополнить воспроизводимые масштабы в модели грубого разрешения при передаче полей с достаточной частотой. Оценки явно разрешаемых родительской моделью грубого разрешения статистических моментов приближаются к эталонному решению на сетках с меньшим пространственным шагом. Двухстороннее сопряжение моделей также позволило улучшить согласованность решений в родительской и дочерней моделях для распределений средних метеовеличин, что по результатам проведенных тестовых экспериментов представляется необходимым для проведения расчетов в областях с плотной городской застройкой. 4. Подготовлены данные пульсационных измерений полигона ГО ИМКЭС СО РАН г. Томск. Для анализа результатов измерений применялось специализированное программное обеспечение, реализующее автоматизированную цепочку обработки: препроцессинг (фильтрация, удаление артефактов, поворот осей), проверка качества, расчёт статистических и турбулентных характеристик (потоки явного тепла и импульса, коэффициенты турбулентности, моменты до третьего порядка). Разработаны унифицированные подходы к представлению и обработке данных численного моделирования и натурных измерений: модифицированы процедуры выдачи модели и разработаны процедуры для постобработки данных измерений и результатов численных расчетов и их последующего анализа. 5. Сконфигурированы и проведены численные эксперименты по LES моделированию атмосферной турбулентности в городской среде с реалистичной застройкой для области ГО ИМКЭС. Выполнено сравнение численных результатов с имеющимися данными наблюдений, показано качественное соответствие совместных распределений пульсаций компонент скорости, полученных по данным измерений и в численных экспериментах, при этом в модельных данных отмечаются более выраженные отклонения от нормального распределения. Подтверждено предположение о квазинормальности моментов четвертого порядка, полученных по измерениям, в т.ч. - для стратифицированных условий, а также по результатам LES экспериментов. Выработаны рекомендации по проведению дальнейших метеоизмерений и численных экспериментов. 6. Сделан обзор с результатами анализа имеющихся данных по атмосферному переносу, эмиссиям и осаждению аэрозолей в г. Москве с выбором наиболее подходящих районов для последующей валидации численной модели. Выделены ВАО, для которого получены данные, характеризующие барьерные функции жилой застройки для городских почв, и ЮВАО, для которого доступны данные проведенных в 2023-2025 гг. мониторинговых наблюдений, направленных на исследование пространственно-временной неоднородности пылевых выпадений и их химического состава. Результаты мониторинга систематизированы в виде базы данных, характеризующих распределение по высотам и сторонам каньона количества выпадений и содержание в них широкого спектра потенциально токсичных элементов. Выявлено, что рост автомобильных выбросов характерен для районов, где сосредоточены основные объемы жилищного строительства последних лет. Сделана оценка экологической опасности загрязнения осаждающихся аэрозольных частиц. С помощью рецепторной модели количественно оценены источники загрязнения РМ10, наибольший вклад в загрязнение отмечается для городской пыли, транспорта и промышленности, а также сжигания биомассы, вторичных аэрозолей и противогололедных солей. В качестве модельного уличного каньона выбран ЖК «Люблинский парк» в ЮВАО Москвы. Для него проведены тестовые численные эксперименты по воспроизведению осаждения частиц на фасадах зданий. Результаты расчетов осаждения PM10 были сопоставлены с данными измерений суммарного осаждения пыли для двух противоположных стен (западной и восточной) рассматриваемого каньона. Осредненные профили демонстрируют хорошее качественное согласие с измерениями: модель воспроизводит отсутствие значимого вертикального градиента концентрации осевших частиц. Однако LES модель показывает иное соотношение концентраций между стенами, чем по данным измерений – концентрации отличаются между стенами каньона примерно в 2 раза, а в модельных данных очень близки. Предполагается, что детализация граничных условий с явным заданием локальных источников эмиссии позволит в дальнейшем повысить точность модельных оценок. 7. Проведен отбор различных синоптических условий и подготовлены данные для постановок численных экспериментов по оценке эффектов аэрозолей различных типов. Было отобрано 9 случаев с преимущественно безоблачными или малооблачными условиями в нижней тропосфере в разное время года при различных синоптических ситуациях, для выбранных сценариев разработаны постановки для тестирования в LES модели. Модель хорошо воспроизводит суточный ход температуры поверхности и скорости ветра, однако в некоторых случаях занижает потенциальную температуру, для коррекции планируется настройка модуля описания облачных процессов в LES модели. Для предварительной оценки прямых аэрозольных эффектов рассматривалось 2 варианта концентраций: текущие концентрации по данным реанализа CAMS и соответствующие климатической норме 2001–2007 гг. с помощью утроения текущих концентраций сульфатного аэрозоля. По полученным результатам численных экспериментов показано, что модель воспроизводит ожидаемое влияние прямого аэрозольного эффекта - незначительное уменьшение суточной амплитуды температуры поверхности и уменьшение высоты конвективного пограничного слоя днем.
2 1 января 2026 г.-31 декабря 2026 г. Новые вычислительные технологии многомасштабного прогнозирования и мониторинга состояния городской среды
Результаты этапа: -
3 1 января 2027 г.-31 декабря 2027 г. Новые вычислительные технологии многомасштабного прогнозирования и мониторинга состояния городской среды
Результаты этапа: -
4 1 января 2028 г.-31 декабря 2028 г. Новые вычислительные технологии многомасштабного прогнозирования и мониторинга состояния городской среды
Результаты этапа: -

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".