Realizacja pracy doktorskiej jest ściśle związana z realizowanym obecnie projektem badawczym pt. “Modelowanie numeryczne lodu morskiego metodami elementów dyskretnych-rozwój podstaw teoretycznych i metod numerycznych” (NCN OPUS, okres realizacji 2016-2019, nr 2015/19/B/ST10/01568). W projekcie tym autorka wniosku jest jednym z dwóch głównych wykonawców i jest w pełni odpowiedzialna za realizację zadania dotyczącego modelowania submezoskalowych procesów w warstwie granicznej atmosfery w warunkach silnej fragmentacji pokrywy lodowej.  

W związku ze zmianami klimatu i postępującą dominacją w rejonach polarnych cieńszej, jednorocznej pokrywy lodowej, coraz częściej dochodzi do powstawania w lodzie licznych spękań oraz jego podziału na kry o stosunkowo niewielkich rozmiarach.  Pojawianie się w okresie zimowym obszarów otwartej wody powoduje znaczące zmiany w cyrkulacji i właściwościach warstwy granicznej atmosfery nad lodem. Ze względu na brak danych obserwacyjnych o odpowiedniej rozdzielczości czasowej i przestrzennej, zmiany te nie są dokładnie poznane. W trakcie swoich badań autorka projektu, wykorzystując model WRF (Weather Research and Forecasting), stara się poznać te procesy i wskazać, na ile rozkład przestrzenny i wielkość kier oraz szczelin wpływa na atmosferę.  

Opisane w literaturze dane obserwacyjne oraz wyniki modeli numerycznych obejmowały dotychczas głównie sytuacje z pokrywą lodową poprzecinaną jedną lub kilkoma szczelinami. Zauważono, że pojawienie się zimą nawet niewielkiego pęknięcia powoduje silną wymianę energii i wilgoci pomiędzy wodą a atmosferą, wywołaną znaczną różnicą temperatur między tymi ośrodkami, która może wynosić nawet 40°C. Dochodzi do wznoszenia powietrza, zaburzenia stabilnej struktury atmosfery, a także powstawania mgły oraz chmur.  Lokalne efekty tych procesów są stosunkowo dobrze poznane. Wciąż niewiele wiemy jednak o ich wielkoskalowych efektach, a także o konsekwencjach intensywnej fragmentacji lodu, czyli sytuacjach, kiedy mamy do czynienia z licznymi szczelinami zorientowanymi pod różnymi kątami. Nieliczne badania nad wpływem rozmieszczenia i wielkości kier dotyczyły jak dotąd jedynie warstwy granicznej oceanu. Tymczasem coraz częściej wskazuje się, że występujące w wynikach numerycznych modeli pogody błędy mogą wynikać właśnie ze słabego poznania tego typu submezoskalowych procesów.  

Celem badań w ramach pracy doktorskiej jest analiza submezoskalowych procesów atmosferycznych w sytuacji, gdy lód poprzecinany jest licznymi szczelinami lub podzielony na kry o różnej wielkości i rozmieszczeniu.  Dotychczas wykonane w trakcie doktoratu badania wskazują, że to, w jaki sposób przestrzennie ułożone są kry ma wyraźny wpływ na warstwę graniczną atmosfery. Spostrzeżenia te opierały się na analizie takich wielkości fizycznych, jak strumienie ciepła utajonego i odczuwalnego oraz zawartość pary wodnej i kropelek wody w atmosferze. Zaobserwowano również, że rozmieszczenie i wielkość kier determinuje rozmieszczenie i wielkość stref konwekcji w dolnej atmosferze. Zauważono także, że typowo stosowane w globalnych modelach pogody metody uśredniania zmiennych wpływających na turbulentne strumienie ciepła i wilgoci na powierzchni (temperatura, prędkość wiatru, wilgotność itd.) mogą prowadzić do zaniżania wartości tych strumieni. Metody te powodują bowiem, że bardzo wysokie, ale występujące na niewielkich obszarach związanych z konwekcją, pozytywne wartości niektórych zmiennych są niwelowane przez bardzo niskie wartości nad pozostałym obszarem pokrytym lodem.  Wyniki tych badań zostały opisane w publikacji Wenta i Herman (2018).  

Zadaniem, które będzie realizowane w końcowych etapach pracy, będzie opracowanie parametryzacji opisanych wyżej efektów. Na podstawie wyników dotychczasowych obliczeń numerycznych określono, że wartości strumieni turbulentnych nad pofragmentowanym lodem zależą głównie od następujących czynników: rozmieszczenia i wielkości kier, koncentracji lodu oraz średniej prędkości wiatru.  Co więcej, zależności te można opisać stosunkowo prostymi równaniami, co daje nadzieję na opracowanie odpowiedniej parametryzacji. 

Wspomniany brak danych pomiarowych o właściwościach atmosfery nad silnie pofragmentowanym lodem powoduje, że pełna walidacja uzyskanych wyników jest jak na razie niemożliwa. Planowane jest jednak przeprowadzenie studiów przypadku z wykorzystaniem danych zebranych przez wyposażone w odpowiednie czujniki drony nad niejednorodnym lodem w trakcie rejsu do lodowca Thwaites (Antarktyda), przelotów nad połynią w Zatoce Terra Nova (Antarktyda) oraz nad pofragmentowanym lodem w Zatoce Botnickiej. W tym ostatnim przypadku pomiary zostaną uzupełnione o modelowanie za pomocą modelu WRF, z realistycznymi warunkami brzegowymi i mapami lodu. Analizy te pozwolą lepiej poznać badane procesy oraz ich rzeczywistą zmienność, a także częściowo zweryfikować wiarygodność wyników symulacji numerycznych.