BAZIČNE OROGRAFSKE ATMOSFERSKE CIRKULACIJE (BORA)        English

Radimo na bazičnim istraživanjima međudjelovanja uzgonskih atmosferskih valova i turbulencije, te njihovom povezanošću s ostalim fizikalnim procesima u atmosferi (zračenje, onečišćenje, utjecaj podloge). Projekt spada u planinsku i obalnu meteorologiju i klimatologiju; uvjetno je to mezoskalna meteorologija i mikroklimatologija. Metode rada su: numeričko i analitičko modeliranje te mjerenje i obrada podataka. Turbulencija, jedan od principalno neriješenih problema fizike i znanosti danas, jest u srži naših istraživanja. Turbulencija se javlja gotovo kontinuirano u atmosferskom graničnom sloju (najniži dio atmosfere, ~ 1km visok, gdje i živimo), kroz granicu more-atmosfera, te sporadično u srednjoj i gornjoj atmosferi koja je karakterizirana promjenljivim spektrima različitih valova. Proučavat ćemo uzgonske valove, horizontalne i vertikalne valne duljine ~ 5-200km i ~ 1-5km u trajanju od 10min do jednog dana. Ovi, nelinearno međudjelujući s turbulencijom, modulirani zračenjem (grijanje/hlađenje) i promjenama karakteristika podloge (temperatura, hrapavost, nagib) određuju atmosferske pojave, a za zadane uvjete velike, sinoptičke skale.

Počinjemo detaljnim mjerenjima finog vremensko-prostornog razlučivanja (npr. novi meteo-stupovi Hidro-meteorološke službe mjere na više nivoa). Iz mjerenja računamo turbulentne tokove impulsa, topline, vlage, čestica i kemijskih spojeva. Ovi su tokovi presudni za analitičko i numeričko modeliranje strujanja nad kompleksnim terenom, a ujedno imaju i direktnu primjenu i tumačenje u graditeljstvu, elektro- , vodo- , poljoprivredi, te zdravstvu. Ostala mjerenja će također ulaziti u inicijalizaciju i izvrednjavanje naših postojećih i planiranih analitičkih i numeričkih modela različitog nivoa kompliciranosti. U prve npr. pripada poboljšani model Prandtla i Ekmana (WKB metodom tretiramo turbulentnu difuzivnost i tako dobijamo realnije gradijente računatih polja); u druge ulaze npr. MIUU (Švedska), MEMO (Njemačka i Grčka), COAMPS (USA) i ALADIN (Francuska, LACE zemlje, itd) modeli s vjernijom parametrizacijom turbulencije; mi ih već sve koristimo, a neke i razvijamo. Modeliranjem ćemo pokazati gdje treba dalje mjeriti, što poboljšavati u parametrizacijama modela i kako razvijati nove teorije strujanja nad kompleksnim terenom.

To bi brzo trebalo dati potporu domaćem turizmu, prometu, vodo- i poljoprivredi, tj. strateškim putovima razvoja Hrvatske. Težište je na mladim i energičnim znanstvenicima s već stečenim međunarodnim iskustvom. Projekt BORA je u 2007. do kraja 2012. godine najproduktivniji projekt MZOŠ-a iz područja geoznanosti.

SURADNICI

Maja Telišman-Prtenjak, Željka Fuchs, Inga Lisac, Tomislav Marić, Željko Večenaj, Antun Marki, Damir Počakal, Mladen Viher, Vladis Vujnović, Thorsten Mauritsen, Leif Enger, Stefan Soderberg, Dale Durran, Larry Mahrt, Nedjeljka Žagar, Mark Žagar.

NEFORMALNI SURADNICI

CILJ

Osnovni nam je cilj da bolje shvatimo i kvantitativno objasnimo neke od osnovnih mezo- i mikroskalnih procesa u našem priobalju i planinama (npr. trodimenzionalnost, nestacionarnost i turbulentnost bure, juga, te dolinskih i planinskih cirkulacija). Samo će tako biti moguće puzdano prognozirati naše lokalne vremenske pojave te shvatiti i projecirati mikro-klimatske varijacije u budućnosti.

Naš je opći cilj vezan na poboljšavanje parametrizacija vremenskih procesa u numeričkim prognostičkim modelima. (Parametriziraju se oni procesi što se ne mogu eksplicitno razlučiti u prognostičkim modelima. Kako ovi danas rade s tipičnom horizontalnom i vertikalnom rezolucijom od dx~10km i dz~500m, oni "ne vide" kratke valove, turbulenciju, ni veći dio oblaka, kao ni maglu, odnosno mikro-fizikalne procese kondenzacije, evaporacije, itd. Mi želimo shvatiti ove procese nad našim krajevima.). Naši ciljevi čine direktnu znanstvenu podršku primjenjenim istraživanjima na DHMZ-u, vidi http://www.dhmz.htnet.hr/index.php.

SVRHA

Svrha je stvoriti solidnu teorijsku osnovu domaće mezoskalne meteorologije i mikroklimatologije. Naša meteorološka mjerenja, motrenja i detaljne numeričke simulacije danas još nisu sustavno objedinjene u moderne spoznaje dinamičke (teorijske) meteorologije.

Boljim poimanjem međudjelovanja val-turbulencija u atmosferi nad lokalnim i regionalnim kompleksnim terenom ojačat ćemo mezoskalnu teoriju; njome ćemo najefikasnije poboljšati i prognoze postojećih prognostičkih modela. Nadalje, razvojem teorije i konzekventnim poboljšanjima numeričkih prognostičkih modela, moći ćemo objektivnije birati mjesta za nova mjerenja, odnosno područja i periode trajanja intenzivnih eksperimenata u budućnosti.

Projekt bi trebao dati i osnovu za dugoročni i agresivniji razvoj domaće meteorologije i klimatologije. Ove su discipline isuviše važne, kako običnim ljudima, tako i ekpertima, da bi si mogli dopustiti ignoriranje istih. Konačno, dobra mezoskalna meteorologija može pomoći strateškom razvoju Hrvatske.

PRIMJENA

Projekt, mada prvenstveno teorijske i modelarsko-numeričke prirode, ima višestruku primjenu. Ova se može podijeliti na: kratkoročnu, srednjeročnu i dugoročnu. Evo primjera iz svake od ovih vrsta primjena.

(1) Poboljšanje prognoze vremena za šire područje. Boljim shvaćanjem procesa poboljšat ćemo parametrizacije prognostičkih numeričkih modela, pa će ovi lokalno točnije prognozirati vjetar, temperaturu i vlažnost.

(2) Unaprjređenje izrade meteoroloških, klimatoloških i ekoloških studija za gradnju prometnica, zgrada, itd. Detaljne preporuke u vezi eventualnog korištenja energije vjetra. Osnove za ovo su iste kao u (1).

(3) Osnova za strateške projekcije naše poljoprivrede, vodoprivrede, itd. za iduća desetljeća. Ima preliminarnih indikacija da će područje oko Jadrana u prosjeku postati sušnija; detalji su nepoznati ili nejasni danas. Naš će projekt biti dio podloge za buduća istraživanja klimatskih varijacija kod nas.

Najveći dio ovih primjena odvijat će se u uskoj suradnji ili pod vodstvom DHMZ RH u Zagrebu. Jačanje suradnje između Geofizičkog odsjeka PMF-a i DHMZ-a je od vitalnog značenja za primjene ovih istraživanja.

DOSADAŠNJE SPOZNAJE

Međudjelovanje val-turbulencija u atmosferi i njihova sprega s ostalim procesima (zračenje, mokri procesi, itd) nad kompleksnim terenom, danas nisu obuhvaćeni jednom teorijom, čak ni nizom dobro povezanih, sustavnih manjih teorija. Stvarni napredak u tom polju danas ide sporo - radi se o nelinearnim, nestacionarnim 3D procesima. Istovremeno, mezo- i mikroskalne spoznaje brzo rastu zahvaljujući sve boljim mjerenjima i sve detaljnijim numeričkim modelima. No, rezultate tu nije lako tumačiti zbog nedostatka jake, sveobuhvatne teorije. Svježe spoznaje o tome se mogu djelomice naći na http://pbl-nato-arw.dmi.dk/

Naša obala predstavlja skokovitu promjenu karakteristika podloge gdje se susreću more, zrak i kompleksni teren. Već same promjene temperature mora dovode do npr. različitih karakteristika bure. Ima indikacija da ćemo dio spoznaja o turbulenciji i niskim mlaznim strujama silaznog i uzlaznog planinskog strujanja moći direktno primijeniti i kod nas. Vrlo stabilni granični sloj i stratificirana turbulencija te interakcije s kratkim težinskim valovima ostaju nama i u svijetu principijalno neriješeni i na tome želimo i moramo nastaviti raditi. Nadalje, tek je nedavno ustanovljen značajan utjecaj Coriolis-ove sile na granični sloj u zavjetrini pucajućih planinskih valova. Istovremeno, nalazimo pravo bogatstvo lokalnih izuzetno zanimljivih strujanja.

Integrirani efekti spomenutih morskih, priobalnih i kontinentalnih (planinskih, dolinskih te konvektivnih) cirkulacija na promjene klime nisu danas dovoljno poznati. Vjerojatno se radi o aglomeriranim učincima na mikrometeorologiju ako efekti jesu lokalnog tipa. No, ako uzroci s jednog mjesta daju svoje efekte na drugim, ponekad udaljenim mjestima (nelokalnost), ta hipoteza mikroklimatskog tipa će se možda morati odbaciti. Da bi bolje shvatili relevantne atmosferske procese, njihove dinamičke sličnosti i moguće daljinske veze oko Jadarana i Dinarida, također proučavamo slične (valne i druge) procese u visokim i niskim zemljopisnim širinama.

ZNAČENJE REZULTATA

Iznenadjujuća je činjenica da se danas zna više o dinamici jednog atoma, nego o gibanju kubičnog metra zraka ili vode. Vrijeme i klima su isuviše važni za prirodu i ljudski opstanak da bismo mogli zanemariti pripadajuća istraživanja. Naša su istraživačka pitanja jednostavna i temeljna: zašto vrijeme i klima jesu takvi kakvi već jesu (onda se tek može konzistentno izvesti pitanje: kakvi će ovi biti u budućnosti, tj. prognoza). U srži toga je međudjelovanje valova i turbulencije (čija je posljedica pojačano miješanje fluida i transport u njemu).

Želimo proučavati mezoskalne procese (tj. one između pojava direktno vidljivih čovjeku i onih prikazanih sinoptičkim kartama). Iza toga jest esencijalna multi-skalnost geofizičkih procesa: kaskade energije između planetarne, sinoptičke (regionalne), mezoskale i mikroskale. U tom su pogledu ovo temeljna istraživanja.

Ove spoznaje i istraživanja, iako temeljna, izravno su primjenjiva u razvoju turizma, prometu, infrastrukturi, poljoprivredi, šumarstvu, očuvanju okoliša, energetici, itd. To ide kroz urođenu multidisciplinarnost geofizičkih (uvjetno: prirodnih i antropogenih) procesa.

METODE

Koristimo sve tri osnovne metode geofizičkih znanosti u proučavanju međudjelovanja valova i turbulencije u atmosferi: 1.) mjerenja i motrenja, 2.) analitičko modeliranje i 3.) numeričko modeliranje (simulacije). Objedinjujući sva tri pristupa, jačamo teoriju i predlažemo direktne primjene.

Geofizički odsjek PMF-a ima nedovoljno automatskih meteoroloških postaja, ali zato ćemo uglavnom kroz suradnju s DHMZ-om doći do mjerenih novih podataka za naša istraživanja. Osnovni analitički modeli su bazirani na linearnoj teoriji uzgonskih valova ili odabranim saznanjima o konvekciji ili WKB-teoriji graničnih slojeva; ove ćemo koristiti u tumačenju mjerenja, interpretaciji 3D numeričkih simulacija te ih dalje razvijati kroz vođenje magistarskih i doktorskih radnji. Numeričke nelinearne simulacije, rezultati mezoskalnih modela (MIUU, MEMO, MM5, COAMPS, ALADIN) čine srž naših oruđa za istraživanje. Finom prostorno-vremenskom rezolucijom (~10-ak sekundi, nekoliko km u horizontali te od nekoliko metara pa do nekoliko stotina metara u vertikali) ćemo simulirati mezoskalne procese (zmorac i ostale obalne cirkulacije, strujanje obronka, interne uzgonske planinske valove, urbane cirkulacije, itd.). Pored izmjerenih pojava, simulirat ćemo i idealizirane slučajeve kako bi kroz testove osjetljivosti proširili početne spoznaje i formirali primjene rezultata.

OČEKIVANI REZULTATI

Cilj je da bolje shvatimo i kvantitativno objasnimo osnovne mezo- i mikroskalne procese u našem priobalju i planinama (trodimenzionalnost, nestacionarnost i turbulentnost zmorca, bure, juga te dolinskih i planinskih cirkulacija). - Na osnovi naših rezultata bit će moguće puzdanije prognozirati lokalne vremenske pojave u regiji istočnog Jadrana i šire, te shvatiti i projicirati pripadne mikro-klimatske varijacije u budućnosti.

Rezultati će se pozitivno odraziti na nove parametrizacije u numeričkim prognostičkim modelima za vrijeme, klimu i kakvoću zraka. Naime, dubljim poimanjem međudjelovanja val-turbulencija u atmosferi nad kompleksnim terenom ojačat ćemo mezoskalnu teoriju; njome ćemo najefikasnije poboljšati i prognoze postojećih prognostičkih modela što jako ovise o spomenutim parametrizacijama procesa (procesi koji nisu eksplicitno razlučeni u prognostičkim modelima, poput među-otočne cirkulacije, vjetra niz obronak, itd.). Dakle, razvojem teorije i konzekventnim poboljšanjima numeričkih modela stvorit će se objektivnija osnova za daljnje projekcije klime i razvoja zemlje. Jedan od konkretnih rezultata bit će novi algoritam parametrizacije lokalnih cirukulacija nad Jadranom i u unutrašnjosti; ovaj će se preporučiti rutinskim modelima prognoze vremena. Drugi je procjena kinetičke energije vjetra u površinskom sloju a za eventualno energetsko iskorištavanje.

PUBLIKACIJE 

O GLAVNOM ISTRAŽIVAČU: BRANKO GRISOGONO