научный журнал по геофизике Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана ISSN: 0002-3515

АРЕФЬЕВ В. Н., КАШИН Ф. В., СЕМЕНОВ В. К., СИНЯКОВ В. П., УПЭНЭК Л. Б. — 2008 г.

Представлены результаты статистического анализа данных систематических измерений в 1980–2006 гг. объемной концентрации двуокиси углерода в толще атмосферы центральной части Евразии. Определены тренды средних месячных и годовых величин концентрации СО2. За 26 лет средняя годовая концентрация выросла на 42 млн-1 со средней скоростью роста (1.56± 0.18) млн-1 в год и достигла 382.7 млн-1. Найдены общие статистические характеристики. Функция распределения средних месячных концентраций СО2 характеризуется наличием второго максимума и смещением основной моды в сторону больших значений, а средняя за время измерений месячная концентрация и медиана практически совпадают. Функция распределения средних годовых концентраций СО2 близка к нормальной, а средняя за время измерений годовая концентрация, медиана и мода также совпадают. Выявлены тенденции коротко- и длиннопериодных вариаций двуокиси углерода и их возможная связь с рядом геофизических явлений. Спектральный анализ данных измерений концентрации СО2 выявил колебания с периодами 4, 6, 12, 15, 21, 29, 40, 53, 84 и 183 месяца. Статистическая модель с параметрами этих колебаний описывает экспериментальные средние месячные концентрации углекислого газа со средним квадратичным отклонением 2.3 млн-1 (±0.6 от среднего за весь период значения 361.9 млн-1) и средние годовые концентрации со средним квадратичным отклонением 0.9 млн-1 ( ±0.3).

ГОЛИЦЫН Г. С. — 2008 г.

Соображения подобия и размерности в применении к конвекции во вращающейся жидкости позволяют определить размеры и горизонтальные скорости возникающих вихрей. Для этого надо знать поток плавучести в жидкости и угловую скорость ее вращения [1, 2]. Предварительные попытки автора показали [3], что таким образом можно правильно оценить размеры, скорости ветра и полную кинетическую энергию как для тропических циклонов (ТЦ), так и для полярных ураганов (ПУ), называемых часто взрывными мезоциклонами из-за большой скорости их развития (всего за несколько часов). В данной работе на основе климатологии, балк-формул и масштаба скорости конвекции во вращающейся жидкости оцениваются потоки явного и скрытого тепла при ветрах U = 33 м/с и соответствующие им потоки плавучести. В тропиках при ураганных ветрах U 33 м/с и климатологической влажности воздуха r = 80% суммарный поток тепла при температуре водной поверхности Ts 26°С становится близким к 700 Вт/м2 и выше. Благодаря уравнению Клайперона–Клаузиуса при меньших значениях Тs, поток скрытого тепла в атмосферу, в тропиках это главная часть потока, заметно уменьшается. Таким образом, не температура Ts а поток энергии от океана в атмосферу величиной в 700 Вт/м2 и выше следует считать первым необходимым условием для возникновения ТЦ. Другим условием [4] следует считать небольшие значения статической устойчивости атмосферы, которая должна быть, по крайней мере, вдвое ниже его климатологического значения, как оценено здесь. В полярных регионах требуются полные потоки примерно вдвое большие, чем в тропиках для образования взрывных мезоциклонов, ПУ, что объясняется существенно меньшей ролью скрытого тепла, большей геострофичностью и большей статической устойчивостью там атмосферы. Потоки энтальпии и скорости ветра взаимосвязаны: чем больше поток, тем сильнее конвекция, тем выше концентрация углового момента в поднимающемся конвективном столбе воздуха и тем больше азимутальная скорость в возникающем вихре, что, в свою очередь, усиливает отбор энергии от океана. Рассмотрение проблемы с помощью простой аналитики позволяет впервые найти числовой критерий возникновения ТЦ и ПУ. Можно надеяться, что данный материал будет использован и в образовательных целях.

2008

БУШ Г. А., КУЛИЧКОВ С. Н., ПЕРЕПЕЛКИН В. Г., ЧУНЧУЗОВ И. П. — 2008 г.

Представлены результаты экспериментов по физическому моделированию дальнего распространения инфразвука в атмосфере. Основой такого моделирования является возможность совпадения формы вертикальных профилей стратификации эффективной скорости звука в пограничном слое атмосферы (в рассматриваемом ниже случае в слое от 0 до 600 м) и в атмосфере в целом от земной поверхности до высот термосферы (около 150 км). Источником акустических импульсов был генератор детонационного типа, способный за счет детонации газовой смеси воздуха (или кислорода) и пропана вырабатывать короткие мощные (максимальное акустическое давление на расстоянии 50–100 м от генератора порядка 30–60 Па) и достаточно стабильные акустические импульсы, имеющие спектральный максимум на частотах 40–60 Гц с периодом посылки 20–30 секунд. Пункты регистрации акустических сигналов располагались на разных расстояниях (до 6.5 км) от источника в различных азимутальных направлениях. Стратификация температуры и ветра в реальном времени проведения экспериментов контролировалась при помощи акустического локатора – содара и температурного профилемера. В работе осуществлен анализ данных физического моделирования дальнего распространения звука в атмосфере с целью верификации физико-математических моделей прогнозирования акустических полей в неоднородной движущейся атмосфере на основе использования параболического уравнения и метода нормальных волн. Получено удовлетворительное согласие расчетных данных с данными эксперимента. Другая задача заключалась в сопоставлении с экспериментальными данными теоретических соотношений между вариациями азимутов и углов наклона к горизонту звуковых лучей и параметрами анизотропной турбулентности в нижней тропосфере и стратосфере. Предложено теоретическое объяснение результатов эксперимента, основанное на результатах теории анизотропной турбулентности в атмосфере. Проведено сопоставление теоретических и экспериментальных данных. Получено удовлетворительное согласие между результатами теории и эксперимента.

ВОЛОДИН Е. М. — 2008 г.

В модель общей циркуляции атмосферы и океана с углеродным циклом включен блок эволюции метана. Он состоит из расчета источников метана в почве болотных экосистем и эволюции метана в атмосфере. С моделью проведен численный эксперимент по воспроизведению изменения климата и метанного цикла в 1860–2100 гг. по заданному сценарию выбросов метана согласно сценарию А1В. Распределение источников метана из почвы в модели соответствует имеющимся представлениям и составляет в XX веке около 240 Мт/год. К концу XXI века поток метана из почвы увеличивается до 340 Мт/год. Модель правильно воспроизводит рост концентрации метана в атмосфере от 800 частей на млрд. в 1860 г. до примерно 1800 частей на млрд. в 2000 г., но наблюдаемая стабилизация концентрации метана в начале XXI века в модели не получается. Около 2060 г. концентрация метана в модели достигает максимума, равного 2700 частей на млрд. Увеличение концентрации метана в атмосфере в основном достигается за счет антропогенных выбросов. Аналогичный численный эксперимент с фиксированными на уровне 1860–1900 гг. источниками метана из почвы показывает, что в этом случае максимальная концентрация метана согласно модели будет составлять 2400 частей на млрд. Повышение температуры в конце XXI века по сравнению с XIX веком составляет в модели при рассчитываемом изменении потока метана из почвы 3.5 градуса, а при фиксировании потока метана из почвы на 0.25 градуса меньше.

ДЕМЕТРАШВИЛИ Д. И., КОРДЗАДЗЕ A. A., СУРМАВА А. А. — 2008 г.

На основе бароклинной прогностической модели динамики моря исследовался гидрологический режим Черного моря при непрерывной смене атмосферных циркуляционных процессов. Изменчивость ветрового воздействия в модели выражалась в непрерывном чередовании 24-х типов ветра, характерных для бассейна Черного моря в течение всего года. Термохалинное воздействие атмосферы учитывалось путем задания внутригодового хода температуры и солености на поверхности моря, воспроизводимого по их ежемесячным среднемноголетним значениям. Задача решалась численно, на основе двуциклического метода расщепления, с использованием расчетной сетки с горизонтальным шагом 5 км. Результаты численного эксперимента показали, что под влиянием сильной нестационарности атмосферных процессов циркуляция вод в верхнем слое Черного моря претерпевает значительные качественные и количественные изменения. Особенно чувствителен по отношению к изменчивости атмосферной циркуляции верхний 20–30-метровый слой моря. Каков бы ни был характер атмосферной циркуляции, ниже этого слоя циркуляция Черного моря почти всегда получает циклонический характер с внутренними циклоническими вращениями.

БОЧАРОВ А. А., ХАБАХПАШЕВ Г. А., ЦВЕЛОДУБ О. Ю. — 2008 г.

Работа посвящена построению некоторых численных решений предложенных ранее модельных уравнений для трехмерных возмущений малой, но конечной амплитуды в жидкостях постоянной глубины. Продемонстрированы формы прогрессивных установившихся волн (как периодических по двум горизонтальным координатам, так и уединенных). В однородной жидкости они зависят лишь от величин и направлений волновых векторов, а в водоемах с небольшим скачком плотности – еще и от соотношений глубин слоев.

ГРУЗДЕВ А.Н. — 2008 г.

По данным наземных спектрометрических измерений общего содержания (ОС) NO2 в вертикальном столбе стратосферы на станциях Сети по обнаружению изменений состава атмосферы (NDACC) выполнен анализ суточных и годовых вариаций ОС NO2, эффекта уменьшения ОС NO2 под действием продуктов извержения вулкана Пинатубо, изменения ОС NO2 в 11-летнем цикле солнечной активности и линейных трендов ОС NO2. Выявлена широтная зависимость указанных вариаций и трендов. Обнаружено, что годовые оценки линейных трендов ОС NO2 преимущественно положительны в средних и низких широтах Южного полушария и отрицательны в средних и низких широтах Северного полушария. Максимальные значения положительных и отрицательных трендов составляют 10 за 10 лет. В высоких и полярных широтах обоих полушарий годовые оценки тренда статистически незначимы. Сезонные оценки трендов могут отличаться от годовых. Оценки трендов и эффекта солнечной активности в ОС NO2, полученные в расчетах с 2-мерной моделью SOCRATES, а также аналитические оценки среднезонального тренда ОС NO2 в целом значительно отличаются от полученных по данным измерений.

ЧЕРНОГОР Л. Ф. — 2008 г.

Приведены результаты однотипных оптических наблюдений, анализа и сравнения динамики эффектов в приземной атмосфере, сопровождавших четыре частных затмения Солнца (ЗС) вблизи г. Харькова (Украина) 11 августа 1999 г., 31 мая 2003 г., 3 октября 2005 г. и 29 марта 2006 г. Эффекты в утреннее, околополуденное и послеполуденное время заметно отличались. ЗС сопровождались уменьшением температуры приземной атмосферы на 1.3–7.3°. Обнаружено, что при изменении максимального значения функции покрытия от 0.24 до 0.73 среднее квадратическое отклонение смещения края солнечного диска S уменьшилось на 0.14–0.68 соответственно. Определено время развития конвекции, равное 15–16 мин. По результатам измерений статистических характеристик уровня дрожания края солнечного диска c привлечением теоретических соотношений вычислены параметры динамических процессов в приземной атмосфере и оценены параметры механической и термической турбулентности. ЗС сопровождались квазипериодическими процессами в атмосфере, скорее всего связанными с генерацией и распространением внутренних гравитационных волн.

2007

ПОПОВИЧЕВА О. Б., СТАРИК А. М. — 2007 г.

Данный обзор посвящен описанию оригинальных результатов анализа физико-химических свойств частиц сажи, эмитируемых из коммерческих самолетов, и последующих изменений этих свойств в условиях следа самолета. Для сравнения приведены результаты исследований модельных лабораторных образцов сажи. Представлен современный уровень экспериментальных исследований гигроскопичности частиц сажи и их эффективности как центров кристаллизации, оценена способность сажевых аэрозолей образовывать ядра конденсации в следе самолета и ядра нуклеации льда в верхней тропосфере. Приведены оценки последствий эмиссии авиационных сажевых аэрозолей в атмосферу.

ЛЯХОВ В. В. — 2007 г.

Рассматривается влияние реального отступления атмосферы от условия адиабатичности на генерацию и диссипацию акустико-гравитационных волн (АГВ) по всей высоте атмосферы вплоть до мезопаузы ( 90 км). Результаты решения полученного дисперсионного уравнения могут помочь сформировать граничные условия при моделировании распространения волновых возмущений в термосфере и выше. В неадиабатической модели атмосферы, в отличие от адиабатической, частоты (корни дисперсионного уравнения) комплексны, причем в некоторых слоях атмосферы волны затухают, другие же слои неустойчивы к раскачке соответствующих мод АГВ. С ростом высоты фазовая скорость как акустической, так и гравитационной ветвей АГВ падает, а диссипация усиливается. Показано, что в неадиабатической атмосфере наряду с периодическими возмущениями генерируются также и макроскопические потоки.

ФОРТУС М. И. — 2007 г.

В связи с проблемой выявления причинно-следственных связей между различными климатическими характеристиками обсуждаются методы определения зависимости между временными рядами с помощью выборочных авто- и кроссковариационных функций, а также периодограмм, выраженных через коэффициенты Фурье исходных рядов. Реальные ряды далеко не всегда удовлетворяют условиям статистической стационарности, поэтому требуется сочетание статистического и детерминированного подходов к их анализу. Обсуждается возможность использования перечисленных выше числовых характеристик в применении к таким рядам. Подробно исследуется специфика описания конечных отрезков временных рядов с помощью их коэффициентов Фурье. Основное внимание уделено вопросу определения временных сдвигов (задержек), на которых ковариация между рядами максимальна. Обсуждаются проблемы, возникающие при практическом применении метода периодограмм для оценки сдвига. Получена необходимая для дальнейших исследований неизвестная ранее формула, связывающая преобразование Фурье выборочной корреляционной функции с периодограммой ряда.

ГОРБУНОВ М. Е., ЛАУРИТСЕН К. Б. — 2007 г.

Рассматриваются асимптотические методы расчета распространения сантиметровых радиоволн в нейтральной атмосфере на трассах космос–космос. Методы используют технику интегральных операторов Фурье. В работе строятся приближения, позволяющие записать соответствующие операторы в виде композиций нелинейных замен координат, умножений на опорные сигналы и преобразований Фурье. Приближения основаны на техническом приеме, использующем линеаризованное каноническое преобразование. Это позволяет создавать быстрые численные алгоритмы. Проведены численные эксперименты с использованием реалистичных сеточных глобальных полей метеопараметров, включая турбулентность. Численные эксперименты показывают высокую точность и эффективность предложенных методов.

2007

ЕЛИСЕЕВ А. В., КАРПЕНКО А. А., МОХОВ И. И. — 2007 г.

Климатическая модель промежуточной сложности ИФА РАН (КМ ИФА РАН) дополнена нуль-мерным блоком углеродного цикла. При задании эмиссий углекислого газа для второй половины XIX и ХХ в в. модель неплохо воспроизводит оценки характеристик углеродного цикла за этот период. При дальнейших антропогенных эмиссиях CO2 (при использовании сценариев SRES A1B, A2, B1 и В2), однако, в модели обратная связь между климатом и углеродным циклом приводит к дополнительному (по сравнению со случаем неучета влияния изменений климата на обмен углеродом между атмосферой и подстилающей поверхностью) росту концентрации углекислого газа в атмосфере. В зависимости от сценария этот дополнительный рост варьируется в диапазоне 67–90 млн.–1 и определяется в основном динамикой запаса углерода в почве. Параметр обратной связи между климатом и углеродным циклом меняется во времени немонотонно. Положения его экстремумов позволяют выделить характерные периоды изменения интенсивности антропогенных эмиссий и вариаций климата. К концу XXI в. для использованных сценариев антропогенных эмиссий концентрация углекислого газа в зависимости от сценария эмиссий возрастает до 615–875 млн.–1, а глобальная температура – на 2.4–3.4 К относительно доиндустриального значения. В XX–XXI вв. можно ожидать общего роста доли эмиссий, накапливающихся в атмосфере и океане, и уменьшение – доли эмиссий, накапливающихся в наземных экосистемах. В целом более агрессивные сценарии эмиссий к концу XXI в. характеризуются меньшим параметром обратной связи между климатом и углеродным циклом, меньшей чувствительностью климата к единичному росту концентрации углекислого газа в атмосфере, большей долей эмиссий, накапливающихся в атмосфере и океане, и меньшей – накапливающихся в наземных экосистемах.

ГРЕЧКО Е. И., КАШИН Ф. В., РАДИОНОВ В. Ф. — 2007 г.

Представлены результаты измерений общего содержания окиси углерода и метана, полученные методом солнечной абсорбционной спектроскопии. Наблюдения проводились в 1977–1978 гг. на ст. Молодежная, с 1982 по 1992 гг. в обсерватории Мирный и в 2003–2006 гг. на ст. Новолазаревская. Описан характер сезонных изменений содержаний этих газов в антарктической атмосфере, сделано сопоставление с внутригодовым ходом их приземных концентраций, измеренных на японской станции Syowa. Наблюдается синхронный внутригодовой ход изменений содержания окиси углерода в столбе атмосферы и его концентрации в приземном слое воздуха, в то время как весенний максимум содержания метана наблюдается на три месяца позднее установления максимума его приземной концентрации. Наблюдается синхронный ход сезонных изменений общего содержания метана и озона, что позволяет сделать предположение о существенном влиянии антарктического циркумполярного вихря на характеристики вертикального распределения метана антарктической весной. Приведены количественные оценки параметров многолетней изменчивости содержаний CO и CH4. Содержание метана возрастало, хотя и с разными скоростями, в течение всего периода наблюдений с 1977 г. по 2006 г. Содержание CO возрастало до 1992 г., а в течение 2003–2006 гг. наблюдалось его уменьшение.

ИОНОВ Д. В., ПОБЕРОВСКИЙ А. В., ТИМОФЕЕВ Ю. М., ШАШКИН А. В. — 2007 г.

Представлено описание автоматического спектрального комплекса, разработанного в НИИФ СПбГУ и используемого для регулярных наземных спектроскопических измерений общего содержания NO2 в вертикальном столбе атмосферы в сумерках и в светлое время дня в районе Санкт-Петербурга (Петродворец). Получен ряд наземных сумеречных измерений общего содержания NO2 в районе Санкт-Петербурга в 2004–2006 гг., а также оценки вариаций содержания NO2 в тропосфере по результатам дневных наземных измерений. Приведен пример пространственного среднегодового распределения содержания NO2 (центральная и северная Европа, северо-запад России) по данным спутниковых измерений за период 2003–2005 гг., демонстрирующий основные источники антропогенных загрязнений. Даны предварительные оценки роста среднегодовых значений содержания тропосферного NO2 в районе мегаполисов Москвы и Санкт-Петербурга для всего периода спутниковых наблюдений прибора GOME – около 30–40% за десять лет.

СТУРОВА И. В. — 2007 г.

В рамках линейной теории длинных волн решена задача о влиянии ледяного покрова на сейшевые колебания жидкости в двумерном бассейне постоянной глубины. Определены собственные частоты и собственные функции сейшевых колебаний при различных граничных условиях на кромках льда: жесткое сцепление и свободные края. Исследованы вынужденные колебания жидкости и льда под действием движущегося возмущения атмосферного давления. Рассмотрено изменение напряжения изгиба льда и показана возможность взламывания припая.

ЕЛИСЕЕВ А. В., КАРПЕНКО А. А., МОХОВ И. И. — 2007 г.

Климатическая модель промежуточной сложности КМ ИФА РАН дополнена блоком учета прямого радиационного форсинга антропогенных сульфатных аэрозолей (СА). С моделью проведены эксперименты с заданием сценариев парникового и сульфатного антропогенного воздействия для XIX и XX в. по наблюдательным оценкам, а для XXI в. – по сценариям SRES A1B, A2 и B1. Глобально осредненная величина прямого радиационного форсинга FASA антропогенных СА к концу XX столетия относительно доиндустриального состояния составляет –0.34 Вт/м2, что находится внутри диапазона неопределенности соответствующих современных оценок. Абсолютное значение FASA наиболее велико в Европе, Северной Америке и юго-восточной Азии. Общий рост прямого радиационного форсинга в проведенных численных экспериментах продолжается вплоть до середины XXI столетия. При учете как парникового, так и сульфатного воздействия общее потепление климата в модели к концу XXI в. относительно конца XX в. составляет 1.5–2.8 К в зависимости от сценария, а относительно доиндустриального периода – 2.1–3.4 К. При этом сульфатный аэрозоль замедляет глобальное потепление в разные временные периоды на 0.1–0.4 К в зависимости от сценария. Наибольшее замедление потепления (>1.5 K) при этом наблюдается над сушей средних и высоких широт Северного полушария в середине XXI столетия при сценарии А2. Отклик КМ ИФА РАН неаддитивен по отношению к парниковому и аэрозольному воздействиям.