Подготовлена методологическая начальная платформа для интегрированного мульти-масштабного моделирования процессов взаимодействия метеорологических, химических и климатических процессов для исследования взаимосвязанных изменений погоды, климата, качества воздуха для устойчивого развития городов и регионов Арктики и севера России в условиях глобального изменения климата.

Современные численные модели прогноза погоды и состава нижней атмосферы высокого пространственного разрешения WRF-Chem, Enviro-HIRLAM, COSMO-ART и CFD-комплекса COMSOL адаптированы к условиям севера России и Арктики, в том числе для района агломерации Санкт-Петербурга – самого северного мегаполиса Земли – и индустриальных районов Кольской Арктики. Для района Санкт-Петербурга при этом уточнены глобальные базы данных об эмиссиях и выполнен их даускейлинг с использованием картографических данных OpenStreetMap.

Проведены тестовые численные эксперименты по трехмерному моделированию пространственно-временной изменчивости метеорологического режима, газового и аэрозольного состава нижней атмосферы на Северо-Западе России. Также эти модели адаптированы для запуска с учетом влияния застройки городов (Москва, Санкт-Петербург, Апатиты, Мурманск и др.) на перенос воздушной массы путем подключения специальных параметризаций городской поверхности и уточнения параметров, используемых в моделях для ее описания. На основе наземных измерений оптической толщи аэрозолей в атмосфере улучшено объемное распределение пылевого аэрозоля по размерам в аэрозольной схеме GOCART модели WRF-Chem.

Начата работа по анализу влияния агломерации Санкт-Петербурга на режим осадков, в которой планируется использовать данные многолетних наблюдений на метеостанциях Росгидромета, данные наблюдений развернутой в городе уникальной сети осадкомеров, и результаты численных экспериментов с моделями атмосферы. Системы обратного моделирования (усвоения данных) IMDAF усовершенствованы за счет реализации системы препроцессинга, позволяющей использовать результаты расчетов модели WRF-Chem при задании параметров трехмерных моделей адвекции-диффузии-реакции системы. Проведена установка и настройка модели WRF-Chem в региональной конфигурации. Также проведено тестирование алгоритмов усвоения данных IMDAF в региональной конфигурации. Реализован алгоритм уточнения антропогенных источников из базы данных EDGAR по данным измерений с использованием решений сопряженных уравнений системы IMDAF и модели WRF-Chem. Верификация источников эмиссий производилась с использованием данных самолетного зондирования. По модельным оценкам, для района аэропорта г. Архангельска мощности антропогенных источников сернистого ангидрида, оказывающие влияние на вертикальное распределение концентрации, согласно решению сопряженной задачи, занижены от 2 до 3 раз.

Выполнены расчеты изменения климата и химического состава атмосферы в 1980-2020 годах, которые осуществлялись с использованием химико-климатических моделей ИВМ РАН – РГГМУ и SOCOL, позволяющих учесть интерактивное взаимодействие между атмосферными физическими и химическими процессами. Особое внимание обращалось на одновременные изменения химического состава и температуры нижней атмосферы в северном полушарии, т.к. эти изменения могут повлиять на региональную погоду и качество воздуха в северной части Российской Федерации. Результаты расчетов показали, что в северном полушарии как положительный тренд, так и межгодовые колебания температуры нижней атмосферы определяются, в основном, изменениями температуры поверхности океана. При этом межгодовая изменчивость, главным образом, определяется фазами Эль-Ниньо и Ла-Нинья Южного колебания, несмотря на значительную удаленность зоны Южного колебания от севера Российской Федерации. Рост содержания парниковых газов также влияет на рост температуры нижней тропосферы, но это влияние намного меньше влияния изменчивости температуры поверхности океана. При этом надо иметь в виду, что на температуру поверхности океана изменчивость содержания парниковых газов также влияет. В содержании приземного озона, являющегося самым токсичным газом в соответствии с регламентацией Всемирной Организации здравоохранения, также отмечается тенденция увеличения его содержания, связанная как с ростом предвестников озона (углеводородов и окислов азота), так и с изменением климатических условий. Кроме того, проведенные расчеты показали, что стратосферные процессы и, прежде всего, сокращение и восстановление стратосферного озона также оказывает существенное влияние на приземный озон в Северном полушарии, что подчеркивает важность учета стратосферных физических и химических процессов, в том числе глобального масштаба, при анализе региональных изменений погоды и качества воздуха в Арктической части Российской Федерации.

На базе РГГМУ в октябре 2023 г. проведена молодежная школа по тематике проекта (в сотрудничестве и под эгидой регионального учебного центра ВМО в РГГМУ). В школе приняло участие более 30 студентов, аспирантов и молодых специалистов из различных вузов и научных организаций, которые прослушали лекции от приглашенных специалистов из Санкт-Петербурга, Москвы и Новосибирска, а также зарубежных ученых.

Члены коллектива Лаборатории также участвовали в работе других школ для молодых ученых (в том числе в Норвегии), кроме того, в 2023 г. по результатам проекта было сделано более 30 устных докладов на российских и зарубежных конференциях. За полгода реализации проекта (вторая половина 2023 г.) опубликовано 5 статей (в том числе 4 статьи в журналах Web of Science и Scopus первого квартиля) и 5 монографий (2 в Q1), еще более 10 публикаций подано в печать и находится на различных этапах рассмотрения (проходит рецензирование).

Развивается техническая оснащенность и материально-техническая база Лаборатории. В настоящий момент осуществляются необходимые конкурсные процедуры по приобретению высокопроизводительного вычислительного оборудования для проведения модельных экспериментов и хранения большого массива модельных и исходных метеорологических данных. Важным преимуществом создаваемого кластера будет являться возможность его расширения и масштабируемости, что также планируется делать на следующих этапах проекта.

Продолжена разработка методологической модельной платформы для интегрированного бесшовного мульти-масштабного моделирования процессов взаимодействия метеорологических, химических и климатических процессов для исследования взаимосвязанных изменений погоды, климата, качества воздуха для устойчивого развития городов и регионов Арктики и севера России в условиях глобального изменения климата. Разрабатываемый комплекс включает цепочку современных интегрированных численных моделей климата, прогноза погоды и состава нижней атмосферы от глобального и регионального до городского и локального масштабов: включающих модели ИВМ РАН-РГГМУ, WRF-Chem, Enviro-HIRLAM, COSMO-ART, ENVI-met, IMDAF, CFD-комплекса COMSOL и инструментов WUDAPT, адаптированных к условиям севера России и Арктики.
Для расчета изменений погоды и качества воздуха на севере России используется глобальная химико-климатическая модель (ХКМ) ИВМ РАН-РГГМУ, основанная на INMCM60 с добавленным модулем химии атмосферы. Модель рассчитывает климат, аэрозоли и 73 газа на высотах от поверхности до 60 км. Выполнены расчеты за периоды 1850–1970 гг., 1971–1979 гг. и 1980–2020 гг. с учетом выбросов парниковых газов, озоноразрушающих веществ, солнечной активности и других факторов. Результаты использовались как граничные условия для региональной модели численного прогноза погоды – качества воздуха WRF-Chem. Для этого разработан интерфейс модели WRF-Chem и ИВМ РАН-РГГМУ. Смоделированы изменения аэрозолей в Европе за июль 1980 и 2020 гг. Для исследования влияния региональных изменений в Арктике и Субарктике на глобальные процессы в ХКМ ИВМ РАН-РГГМУ использовались региональные оценки увеличения выбросов метана в результате таяния арктических газовых гидратов и взрыва «Северных Потоков». Результаты расчетов показали, что региональные изменения выбросов метана могут сказаться и в глобальном масштабе, причем максимальная чувствительность температуры и озона может быть в Антарктической зоне.
Проведены расчеты изменения состояния атмосферы под влиянием аэрозолей на территории Российской Арктики при помощи моделей WRF-Chem, COSMO-ART и Enviro-HIRLAM. В среднем результаты моделирования основных метеорологических параметров у поверхности земли схожи по данным моделирования WRF-Chem и Enviro-HIRLAM. Исследован вопрос учета непрямых эффектов, связанных с влиянием аэрозолей как ядер конденсации на облачность и осадки в модели COSMO-ART. Учет аэрозольного влияния на состояние атмосферы у моделей различно, что говорит о недостаточном понимании механизмов влияния аэрозолей на микрофизику облаков.
Проведен ряд работ по исследованию микроклимата и атмосферного загрязнения северных городов на примере Санкт-Петербурга и городов Мурманской области. Учет детальной застройки Санкт-Петербурга с модулем городской параметризации BEP привел к росту модельных значений приземной температуры воздуха и уменьшению скорости ветра в центре города, а также к изменению концентрация SO₂. Учет антропогенных эмиссий примесей с разрешением 2 км привел к уменьшению концентрации NO₂ и SO₂ на большей части города при росте аэрозоля PM10 и озона.
Подготовлена конфигурация модели COSMO-ART для района Санкт-Петербурга с учетом урбанизации. Показано, что включение городской параметризации TERRA_URB приводит к значительному уменьшению приземных концентраций примесей. Начата работа по анализу влияния аэрозоля в модели COSMO-ART на интенсивные осадки в г. Санкт-Петербург. По данным многолетних наблюдений диагностирована интенсификация в г. Санкт-Петербург осадков теплого сезона, в т.ч. интенсивных. Проанализированы условия образования 18 видов гололедно-изморозевых отложений, характерных для мегаполиса. Создан архив радиолокационной информации для случаев потенциального влияния городской среды на конвективные явления.
Для модели WRF-Chem разработана система уточнения по данным измерений функции источников выбросов на основе решения обратной задачи идентификации источников в системе обратного моделирования IMDAF собственной разработки. Разработаны версии системы уточнения параметров на основе 2D и 3D модели переноса и трансформации примесей. Проведена серия численных экспериментов на региональных сценариях обратного моделирования по тестированию системы. Система позволяет организовать для модели WRF-Chem усвоение данных за счет уточнения по данным измерений функции неопределённости в «упрощенной» модели с последующим отображением восстановленных характеристик в соответствующие переменные модели WRF-Chem и запуском прямого расчета оценки функции состояния.
Проведены оценки эффективности различных методов адаптации и митигации на примерах выбора типов крыш при волнах жары и защитных лесополос при пылении хвостохранилищ. Создана обновляемая база данных метеонаблюдений в г. Санкт-Петербург и прилегающих районах с интерфейсом в виде картографического веб-приложения Uclim: http://carto.geogr.msu.ru/uclim. 
В октябре 2024 г. Лабораторией проведена II-я Школа молодых ученых по тематике проекта под эгидой Регионального Учебного Центра (РУЦ) ВМО в РГГМУ. По итогам конкурсного отбора в Школе приняли участие 30 молодых ученых, студентов и аспирантов. Программа школы и подробная информация доступна по ссылке на сайте Лаборатории https://lima.rshu.ru/школа-молодых-ученых-2024-г/. Сотрудники Лаборатории также участвовали в работе других школ для молодых ученых, в том числе в 1-й Международной летней школе по изменению климата и атмосферному загрязнению в Шанхае, где завоевали 2-е место в конкурсе научных проектов.
В 2024 г. по результатам проекта было сделано более 30 докладов на российских и зарубежных конференциях. За 2024 год опубликовано 17 статей (в том числе 4 статьи в журналах Web of Science и Scopus первого квартиля).
Руководитель и сотрудники Лаборатории принимали активное участие в научно-образовательной деятельности как в РГГМУ, так и на международном уровне (ВМО, в Китае, Индии и Саудовской Аравии). Подготовленные тематические лекции, тренинг и курс по моделированию климата и экологии городов включены в базу данных РУЦ ВМО и других международных организаций. Учебные материалы Лаборатории включены в предлагаемые РГГМУ программы повышения квалификации и переподготовки, и используются для слушателей метеослужб стран СНГ. При активном участии команды Лаборатории в РГГМУ создан «Научно-образовательный центр сотрудничества с ВМО».
Развивается техническая оснащенность и материально-техническая база Лаборатории. Введены в эксплуатацию 3 вычислительные ноды по 56 ядер ЦПУ и закуплены 4 дополнительные ноды. Новый вычислительный кластер успешно используется для задач моделирования.