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

КАГАН Б.А., ТИМОФЕЕВ А.А. — 2015 г.

Трехмерная конечно-элементная гидростатическая модель QUODDY-4 модифицируется за счет включения в нее модуля, обеспечивающего расчет коэффициента сопротивления по внешним определяющим параметрам придонного пограничного слоя (ППС). Модифицированная таким образом модель используется для оценки изменений динамических характеристик, а также составляющих бюджета баротропной приливной энергии в Баренцевом и Карском морях, вызванных пространственной изменчивостью коэффициента сопротивления. Показано, что изменения всех приливных характеристик, кроме направления среднего (за приливный цикл) горизонтального волнового переноса баротропной приливной энергии, являются значимыми в том смысле, что они либо больше средней квадратической абсолютной векторной ошибки расчета, либо имеют одинаковые (или близкие) порядки величины с самими по себе приливными характеристиками. Это обстоятельство указывает на необходимость пересмотра концепции “постоянного коэффициента сопротивления”.

ГОРЧАКОВА И.А., МОХОВ И.И., РУБЛЕВ А.Н. — 2015 г.

Получены количественные оценки радиационного и температурного эффектов пылевого аэрозоля во время мощного выноса минеральной пыли из пустыни Сахара с 28 января по 6 февраля 2000 г. по данным измерений на станции AERONET в Нигерии (Илорин). В расчетах используются модель пылевого аэрозоля с пылевыми частицами, радиусы которых не превышают 15 мкм (согласно данным AERONET), и модель с учетом крупных частиц (КЧ) с максимальным радиусом 60 мкм и спектральным ходом коэффициента преломления из ОРАС. В коротковолновой области спектра оптическая толщина ослабления аэрозоля увеличивается при учете КЧ в модели аэрозоля, альбедо однократного рассеяния аэрозоля уменьшается по сравнению с соответствующими оптическими параметрами первой модели. Пылевой аэрозоль выхолаживает земную поверхность. Система земная поверхность–атмосфера при наличии КЧ пылевого аэрозоля может и выхолаживаться и нагреваться, тогда как система земная поверхность–атмосфера выхолаживается, если не учитывать КЧ, радиус которых меньше 15 мкм. Скорость охлаждения приповерхностного слоя атмосферы толщиной 10 м изменяется в диапазоне –(4–21)°C/день без учета влияния КЧ, радиус которых больше 15 мкм, на перенос солнечного излучения, а при их учете – в диапазоне –(6–36)°C/день. В длинноволновой области спектра система земная поверхность–атмосфера нагревается сильнее при учете КЧ в модели аэрозоля, чем без их учета. Скорость нагревания приповерхностного слоя толщиной 10 м за весь период пылевого выброса не превышает 0.5°C/день без учета КЧ (алгоритм AERONET), при учете КЧ (данные моделирования) достигает максимального значения 0.6°C/день.

ПЕНЕНКО А.В., ПЕНЕНКО В.В., ЦВЕТОВА Е.А. — 2015 г.

Представлено развитие вариационного подхода для решения взаимосвязанных задач гидротермодинамики и химии атмосферы. Вариационный подход позволяет расширить класс решаемых задач для комплексного исследования разномасштабных физических и химических процессов, используя для этих целей методы прямого и обратного моделирования. Описана технология построения согласованных математических моделей и методов их численной реализации на базе вариационного принципа в формулировке со слабыми ограничениями. Большое значение для построения алгоритмов прямого и обратного моделирования имеют решения локальных и глобальных сопряженных задач. Реализация идеи сопряженных интегрирующих множителей обеспечивает получение безусловно монотонных и устойчивых дискретно-аналитических аппроксимаций для задач конвекции–диффузии–реакции.

БОНДУР В.Г., ГРЕБЕНЮК Ю.В., САБИНИН К.Д. — 2015 г.

Анализируется распространение инерционно-гравитационных волн (ИГВ) на границе тихоокеанского шельфа у о. Оаху (Гавайи), генерация которых была рассмотрена в первой части статьи [1]. Показано, что существенную роль при этом играют плоские наклонные волны, характеристики которых были определены с помощью предложенного метода оценки трехмерных параметров волн для случаев, когда имеются измерения только на двух вертикалях. Установлено, что наряду с типичным для ИГВ распространением энергии вниз имело место и восходящее движение волновых пакетов от дна к верхним слоям, связанное с излучением волн от интенсивных струй сбрасываемых вод, которые вытекают из расположенного на дне диффузора.

КУРКИНА О.Е., ПЕЛИНОВСКИЙ Е.Н., РУВИНСКАЯ Е.А., ТАЛИПОВА Т.Г. — 2015 г.

Распространение внутренних солитонов умеренной амплитуды в двухслойном океане переменной глубины исследуется в рамках уравнений Гарднера и Эйлера. Аналитическое решение получено с использованием асимптотических разложений по малому параметру – уклону дна. Теоретические результаты сопоставляются с результатами численного моделирования. Обсуждается возможность сохранения солитонной формы импульса по мере его распространения. Получено, что с увеличением начальной амплитуды импульс быстрее отклоняется от солитонной формы.

ДЕМЕНТЬЕВА С.О., ИЛЬИН Н.В., МАРЕЕВ Е.А. — 2015 г.

Рассматриваются современные методы прогноза гроз и молний с использованием численных моделей высокого разрешения. Проведен анализ индекса молниевой активности (Lightning Potential Index – LPI) для различных параметризаций микрофизических процессов на примере численной модели прогноза погоды WRF. Показано, что максимальные значения индекса существенно зависят от типа используемой параметризации, что делает невозможным задание одного порогового LPI для различных параметризаций в качестве критерия возникновения молниевых вспышек. Топографические карты LPI недооценивают размеры областей возможных грозоопасных явлений. В качестве нового алгоритма предсказания молнии рассмотрен расчет электрического поля в предположении, что основными носителями заряда являются льдинки и снежная крупа. Модель показывает, что достаточная для возникновения разряда разность потенциалов (между Землей и облачным слоем на заданной высоте) сохраняется в более обширной области, нежели это предсказывается индексом (LPI). Основные особенности пространственного распределения электрического поля и потенциала согласуются с натурными данными.

ЕРМОЛЕНКО С.И., ХОФФМАНН П., ШВЕД Г.М. — 2015 г.

ч. м шагом 1 сутки. Последующий анализ проводился двумя способами: (а) выявлялись закономерности в частотном распределении числа статистически значимых спектральных пиков в их гистограммах, построенных на основании указанных спектров, (б) рассчитывались спектры перемножения (среднее геометрическое) исходных спектров. Оба способа для обоих приборов дали одинаковый результат – выявлена периодичность в группировании колебаний атмосферы на оси частот с периодом около 6 мкГц. Близость этого периода к периоду около 7 мкГц, предсказываемому грубой теорией гравитационно-инерционных СКА [3] для их частотного распределения, позволяет считать, что СКА генерируются вплоть до таких малых периодов, как 1 ч.

ВАРЕНЦОВ М.И., КИСЛОВ А.В., ТАРАСОВА Л.Л. — 2015 г.

На модели COSMO-CLM (региональной негидростатической модели атмосферы, предназначенной для климатических экспериментов) выполнено моделирование летних аномалий метеорологического режима 2010 и 2002 гг. над центральной частью Восточно-Европейской равнины (ВЕР). Показано, что блок моделирования почвенной влаги демонстрирует надежные результаты, а в радиационном блоке модели необходимо учитывать оптические свойства мглы, созданной дымами пожаров лесов и торфяников. Показано, что влагосодержание почвы, сформировавшееся весной, способно, в силу инерционности поведения, посредством изменения структуры теплового баланса участвовать на протяжении 3–4 месяцев в формировании температурно-влажностных аномалий. Наблюдавшаяся экстремальность термического режима лета 2010 г. в центральной части ВЕР определялась (при прочих равных условиях) удельными значениями влагосодержания почвы w0 = 0.6–0.65. Обнаруженная тонкая зависимость явления от весеннего состояния влажности почвы ставит актуальной задачей совершенствование мониторинга почвенной влаги как важного фактора развития экстремальной погодной аномалии.

ВИРОЛАЙНЕН Я.А., КИРНЕР О., ПОБЕРОВСКИЙ А.В., ТИМОФЕЕВ Ю.М., ХЁПФНЕР М. — 2015 г.

Впервые в России проведены наземные измерения общего содержания (ОС) нитрата хлора ClONO2 в атмосфере с помощью инфракрасного Фурье-спектрометра (ФС) Bruker IFS-125HR. Средняя величина погрешности измерений ОС ClONO2, выполненных в 2009–2012 гг. в Петергофе, составляет (25 ± 10)%. Результаты сопоставлены с измерениями аналогичными приборами на станциях сети NDACC, со спутниковыми измерениями прибором MIPAS, а также с результатами численного моделирования ОС ClONO2 с помощью химико-климатической модели EMAC. Сезонный ход ОС ClONO2 одинаков для трех рассмотренных станций наблюдений (Петергоф, Kiruna и Eureka) с максимумом в феврале–марте, ярче выраженным в более высоких широтах. Выявлены высокие корреляции (R = 0.7–0.9) между данными спутникового прибора MIPAS, данными наземных измерений вблизи Санкт-Петербурга и рассчитанными по модели EMAC значениями. В среднем результаты моделирования меньше как наземных, так и спутниковых измерений. Как показал анализ сезонного хода среднемесячных значений ОС ClONO2 в районе Санкт-Петербурга, это различие обусловлено недооценкой моделью максимальных значений ОС ClONO2 в атмосфере.

АНДРЕАЕ М.О., ВЛАСЕНКО С.С., МИРОНОВ Г.Н., МИРОНОВА С.Ю., МИХАЙЛОВ Е.Ф., РЫШКЕВИЧ Т.И., ЧИ Х. — 2015 г.

Представлены результаты измерения гигроскопических свойств и химического анализа атмосферных аэрозольных проб, отобранных с 10 по 20 июня и с 15 по 25 декабря 2011 г. на фоновой станции ZOTTO (60.8° N, 89.35° E) Центральной Сибири. Исследование сорбционных свойств аэрозолей выполнено с помощью дифференциального анализатора массы поглощенной воды в диапазоне относительной влажности 5–99%. Обнаружено, что фактор гигроскопического роста аэрозоля, отобранного во время зимней экспедиции, в среднем на 45% больше, чем аэрозоля, отобранного в летний период, что приводит к 40% понижению критического порога пересыщения облачной активации частиц. Анализ и параметризация данных измерений выполнены на основе нового подхода, учитывающего концентрационные эффекты в системе частица–водяной пар при низких влажностях. По данным химического анализа содержание водорастворимых веществ в зимнем образце в 2.5 раза выше, чем в летнем. При этом количество сульфатов увеличено в 20, а нитратов в 88 раз. Траекторный анализ движения воздушных масс показал, что для зимнего периода отбора проб высокое содержание неорганических ионов в аэрозолях вызвано дальним переносом загрязнений из индустриальных районов Сибири. Указанное различие в химическом составе является основной причиной наблюдаемого различия гигроскопических и конденсационных свойств частиц.

АНИСИМОВ А.Е., КУБРЯКОВ А.А., СТАНИЧНЫЙ С.В., ШОКУРОВ М.В. — 2015 г.

На основе спутниковых измерений и данных региональных моделей высокого разрешения исследуется изменчивость контрастов температуры поверхности суша–море в Черноморском регионе и анализируется ее связь с динамикой ветра в прибрежных районах. Показано, что сезонная и межгодовая изменчивость ветров существенным образом связана с ходом контрастов температуры, по крайней мере в западной и юго-восточной части бассейна, что свидетельствует о важности локального механизма – муссонного эффекта для формирования циркуляции атмосферы в регионе. Проведен анализ временнй изменчивости контрастов температуры поверхности и интенсивности вдольбереговых ветров в регионе. й изменчивости контрастов температуры поверхности и интенсивности вдольбереговых ветров в регионе.

СМОКТИЙ О.И. — 2015 г.

Рассмотрена проблема образования слабых спектральных линий в рассеивающей и поглощающей аэрозольно-молекулярной атмосфере, ограниченной снизу горизонтально-однородной подстилающей поверхностью с произвольным законом отражения. При условиях малой оптической толщины атмосферы 0 1 и 0, 1, где – частота в спектре изолированной линии поглощения, и почти чистом (консервативном) рассеянии солнечного излучения, при котором вероятность выживания фотона удовлетворяет условию (1 – ) 1, получены приближенные формулы для определения профиля (1- v) изолированной спектральной линии и ее эквивалентной ширины . При этом для практических применений полученных формул рассмотрены случаи ортотропных и зеркально отражающих подстилающих поверхностей, а также общий случай неортотропной подстилающей поверхности при произвольном законе отражения Y. Отдельно рассмотрено влияние сильной вытянутости индикатрисы рассеяния на образование слабых линий поглощения системы “атмосфера–подстилающая поверхность” при спектрофотометрировании Земли из космоса. Показано, что профиль (1- v) и эквивалентная ширина таких линий существенно зависят от соотношений между оптическими характеристиками 0, , и Y указанной системы.

КАЛАШНИК М.В. — 2015 г.

Рассмотрен негеострофический вариант классической задачи о неустойчивости зонального потока с постоянным вертикальным сдвигом (задачи Иди). Линеаризованная система уравнений динамики для двумерных возмущений сведена к одному уравнению волнового типа второго порядка относительно модифицированного давления (линейная комбинация давления и функции тока). В рамках сформулированного уравнения изучены особенности динамики возмущений с нулевой потенциальной завихренностью. Получены асимптотические решения спектральной задачи теории гидродинамической устойчивости. С использованием метода многомасштабных временнх разложений рассмотрена задача с начальными данными при больших значениях числа Ричардсона. Решение задачи представлено суммой быстрого (волнового) и медленного (квазигеострофического) компонентов. В неустойчивом режиме медленный компонент описывает формирование бароклинных волн (циклонов и антициклонов), обусловленное неоднородными начальными распределениями плавучести (потенциальной температуры) на границах. х разложений рассмотрена задача с начальными данными при больших значениях числа Ричардсона. Решение задачи представлено суммой быстрого (волнового) и медленного (квазигеострофического) компонентов. В неустойчивом режиме медленный компонент описывает формирование бароклинных волн (циклонов и антициклонов), обусловленное неоднородными начальными распределениями плавучести (потенциальной температуры) на границах.

КУРКИН А.А., СЁМИН С.В., СТЕПАНЯНЦ Ю.А. — 2015 г.

В линейном приближении детально проанализирована задача о трансформации поверхностных гравитационных волн над донным уступом в водоеме произвольной глубины. Отмечено, что строгие аналитические результаты могут быть получены только при учете счетного набора прижатых к уступу мод. Вместе с тем для практических расчетов можно пользоваться предложенными в данной работе приближенными формулами, обеспечивающими 5% точность для коэффициента прохождения волн. Обсуждаются специфические особенности коэффициентов трансформации, немонотонная зависимость от параметров, асимптотика при больших перепадах глубин и др. Приведены данные прямого численного расчета трансформации волн над уступом и представлено сравнение этих данных с точными и приближенными формулами. Найдены коэффициенты возбуждения прижатых к уступу мод набегающей квазимонохроматической волной. Получена связь между коэффициентами трансформации, вытекающая из закона сохранения потока энергии волн.

ГУСЕВ В.А., ЖОСТКОВ Р.А. — 2015 г.

На основе аналитических решений исследованы особенности распространения акустических волн конечной амплитуды в модели изотермической вязкой стратифицированной атмосферы. Выведены обобщения уравнений Хохлова–Заболотской и Бюргерса для стратифицированной атмосферы. Найдено автомодельное решение обобщенного уравнения Бюргерса с переменной вязкостью. Построено асимптотическое решение для начального синусоидального возмущения. Полученные решения применимы для анализа сейсмоиндуцированных акустических полей в широком частотном диапазоне.

ВАСИЛЬЕВ А.П., ГЛУШКОВ А.И., КУЛИЧКОВ С.Н., ПЕРЕПЕЛКИН В.Г., ПОПОВ О.Е., ФИРСТОВ П.П., ЧУНЧУЗОВ И.П. — 2015 г.

Приводятся результаты зондирования тонкой слоистой структуры поля скорости ветра в стратосферe, мезосфере и нижней термосфере с использованием инфразвуковых волн от наземных взрывов и вулканических извержений. Эти результаты получены с помощью нового метода акустического зондирования атмосферы, основанного на явлении рассеяния инфразвука от анизотропных неоднородностей скорости ветра и температуры в область акустической тени. Метод позволяет получать данные о вертикальной структуре скорости ветра и ее временнй изменчивости на высотах нижней термосферы, слабодоступных для других дистанционных методов зондирования атмосферы, включая метеорные (высоты до 105 км) и спутниковые измерения. й изменчивости на высотах нижней термосферы, слабодоступных для других дистанционных методов зондирования атмосферы, включая метеорные (высоты до 105 км) и спутниковые измерения.

ГОВОРКОВА В.А., ЗАТЕВАХИН М.А., ИГНАТЬЕВ А.А. — 2015 г.

Рассмотрены процессы броуновской коагуляции в условиях турбулентного перемешивания. Использование блока аэрозольной кинетики, интегрированного в трехмерную гидродинамическую модель, описывающую процесс турбулентного перемешивания на основе метода моделирования крупных вихрей, позволило показать, что смешение воздушных масс, содержащих аэрозольные частицы разных размеров, приводит к интенсификации процессов коагуляции. Показано, что описание этого процесса в рамках решения осредненных по Рейнольдсу уравнений гидродинамики, широко использующихся при моделировании турбулентных течений, может приводить к заметному занижению скоростей коагуляции.

АГОШКОВ В.И., ЛЕ ДИМЕ Ф., ПАРМУЗИН Е.И., ШУТЯЕВ В.П. — 2015 г.

Задача вариационного усвоения данных наблюдений для нелинейной эволюционной модели сформулирована как задача оптимального управления с целью восстановления функции начального условия. Оператор модели, а следовательно, и оптимальное решение зависят от параметров, которые могут содержать неопределенности. Рассматривается функционал от решения задачи вариационного усвоения данных. С использованием метода сопряженных уравнений второго порядка исследована чувствительность функционала по отношению к параметрам модели. Градиент функционала выражается через решение “нестандартной” (неклассической) задачи, представляющей собой совместную систему прямых и сопряженных уравнений. Исследована разрешимость нестандартной задачи с использованием Гессиана исходного функционала наблюдений. Разработаны численные алгоритмы решения задачи и вычисления градиента рассматриваемого функционала по отношению к параметрам. Результаты исследования применены в задаче вариационного усвоения данных для трехмерной модели термодинамики океана.

ГРАНКОВ А.Г., МАРЕЧЕК С.В., МИЛЬШИН А.А., НОВИЧИХИН Е.П., ШЕЛОБАНОВА Н.К. — 2014 г.

Рассмотрены особенности поведения тепловых и радиотепловых (СВЧ-излучательных) характеристик атмосферы в акваториях, контролируемых контактными и дистанционными средствами в предштормовых ситуациях. Объекты исследования: а) район станции SMKF1 (Sombrero Key) Флоридского пролива накануне прихода в этот район мощного тропического циклона Катрина в августе 2005 г.; б) Голубая бухта Черного моря (г. Геленджик, территория филиала Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН) в сентябре 2010 г. накануне интенсивного шторма. На основе метеорологических и спутниковых СВЧ-радиометрических данных проведено изучение общих и отличительных признаков в поведении температуры и влажности приводного воздуха, приповерхностных потоков явного и скрытого тепла, полного тепло- и влагосодержания атмосферы, а также СВЧ-излучательных характеристик системы “водная поверхность–атмосфера” в периоды времени, предшествующие приближению циклона Катрина к району станции SMKF1 и развития морского шторма в районе Голубой бухты. В обоих случаях в предштормовой период времени (несколько суток) наблюдался эффект “накачки” атмосферы энергией в виде скрытого тепла, содержащегося в водяном паре.

АБДУЛЛАЕВ С.Ф., МАСЛОВ В.А., НАЗАРОВ Б.И., САЛИХОВ Т.Х. — 2014 г.

Список литературы