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

ГУСЕВ Е. М., НАСОНОВА О. Н. — 2007 г.

Разработана методика оценки изменения компонентов водного и углеродного балансов хвойных экосистем в результате возможных антропогенных изменений климата. Ее основу составляют созданная авторами ранее модель теплового, водного и углеродного обмена в хвойных экосистемах SWAP, а также генератор климатических сценариев для различных районов Земли MAGICC/SCENGEN. Методика использована для получения оценки изменения суммарного испарения и углеродного баланса развивающейся экосистемы хвойного леса в районе экспериментального полигона Лубос (Нидерланды) в XXI в. в связи с ожидаемым увеличением антропогенной эмиссии парниковых газов в атмосферу в соответствии с IPCC-сценарием IS92a экономического, технологического, политического и демографического развития человеческой цивилизации до 2100 года.

КАГАН Б. А., РОМАНЕНКОВ Д. А., СОФЬИНА Е. В. — 2007 г.

Приливный дрейф льда рассматривается как элемент трехмерной приливной динамики в море, покрытом льдом. Трехмерная приливная динамика описывается конечно-элементной моделью QUODDY-4, приливный дрейф льда – континуальным вязко-упругим приближением. Приводятся результаты моделирования приливного дрейфа льда (волна M2) – его скорости, направления, приливных вариаций сплоченности и давления ледового сжатия, – а также индуцируемых льдом изменений приливной динамики и остаточного приливного дрейфа льда. Результаты моделирования показывают, что максимальная скорость приливного дрейфа льда, определяемая сочетанием различного рода факторов, ответственных за эволюцию льда, но прежде всего горизонтальным градиентом уровня и локальной скоростью приливного течения, может быть как больше, так и меньше скорости поверхностного приливного течения в безледном море. Это зависит от знака отклонений приливных колебаний уровня в море, покрытом льдом, от их значений в безледном море. Установлено также, что влияние ледяного покрова сказывается на энергетике приливов сильнее, чем на динамике: средние (по площади) относительные отклонения составляют 1.5% для плотности полной приливной энергии, 61.5% для диссипации, 0.1% для амплитуд приливных колебаний уровня и 0.9% для амплитуд максимальной баротропной скорости приливного течения. В этом смысле вывод о незначительной роли морского льда в формировании приливов может считаться оправданным лишь частично. Основными результатами настоящего исследования являются: 1) разработка модуля приливного дрейфа льда, 2) оснащение им трехмерной конечно-элементной гидротермодинамической модели QUODDY-4 с целью расширения ее возможностей и 3) воспроизведение на основе модифицированной модели качественных особенностей важных в практическом отношении приливного дрейфа льда и индуцируемых льдом изменений приливной динамики окраинных морей Сибирского континентального шельфа.

ВОЛОДИН Е. М. — 2007 г.

Рассматриваются результаты численных экспериментов с моделью общей циркуляции атмосферы и океана, в которую включен цикл эволюции углерода. С моделью проведен эксперимент по моделированию изменения климата и углеродного цикла в 1861–2100 гг. по заданному сценарию эмиссии углекислого газа вследствие сжигания топлива и землепользования. Пространственное распределение углерода растений, почвы и океана в модели в XX столетии в основном соответствует имеющимся оценкам по данным наблюдений. Модель хорошо воспроизводит наблюдаемый рост концентрации СО2 в атмосфере в XX столетии, а также поглощение избыточного углерода экосистемами суши и океаном в 80-х и 90-х гг. XX столетия. К 2100 г. концентрация СО2 в атмосфере по данным модели составит 742 млн–1 при сценарии А1В эмиссии и землепользования. Обратная связь между изменением климата и углеродного цикла в модели положительная, ее коэффициент близок к среднему по всем современным моделям. Доля эмиссии СО2, поглощенная к 2100 г. океаном и сушей, составляет согласно модели 25% и 19%, что также близко к среднему по всем моделям.

БОРТКОВСКИЙ Р. С., ЕГОРОВ Б. Н., КАТЦОВ В. М., ПАВЛОВА Т. В. — 2007 г.

Средние годовые потоки CO2 и кислорода через морскую поверхность оценены с помощью численного моделирования для нескольких районов, расположенных в зонах Гольфстрима и Куросио; при этом рассмотрены современные и ожидаемые в середине и в конце XXI века климатические условия. В расчетах учитывались особенности газообмена при сильном ветре, связанные с газопереносом пузырьками и с изменениями перепада концентрации газа между воздухом и водой. Полученные оценки заметно отличаются от результатов, основанных на традиционном подходе, при котором указанные особенности не учитываются. В течение XXI века ожидается существенный рост поглощения океаном атмосферного СO2, обусловленный, главным образом, продолжающимся повышением его концентрации в воздухе при малом ее изменении в океане. В то же время какой-либо тенденции в среднегодовых потоках кислорода через поверхность океана не выявлено. Сделан вывод о необходимости учета особенностей газопереноса при сильном ветре и роста концентрации СO2 в атмосфере в расчетах поглощения СO2 Мировым океаном.

ДИДЕНКУЛОВА И. И., КУРКИН А. А., ПЕЛИНОВСКИЙ Е. Н. — 2007 г.

Проблема наката морских волн на берег обсуждается в рамках точных решений нелинейной теории мелкой воды. Ранее в литературе уже рассматривался накат одиночных волн различной формы (гауссов и лоренцев импульсы, солитон, импульсы специальной формы) в рамках этой же теории. В зависимости от формы подходящей волны получались различные формулы для высоты наката волны на берег. Новым моментом здесь является доказательство универсальности формулы для максимальной высоты наката одиночной волны на побережье при соответствующем физическом выборе определяющих параметров подходящей волны, так что эффект различия формы нивелируется. В результате удается предложить аналитическую формулу для высоты наката одиночной волны на берег, удобную для приложений, в частности, в задачах, связанных с проблемой волн цунами.

БОЛЬШАКОВ А. Н., ДУЛОВ В. А., КОРИНЕНКО А. Е., МАЛИНОВСКИЙ В. В., СМОЛОВ В. Е. — 2007 г.

Приводятся результаты натурных исследований дрейфа поверхностных пленок. Эксперименты выполнялись на Южном берегу Крыма в районе океанографической платформы. Показано, что дрейф тонкой пленки хорошо описывается линейной комбинацией векторов прибрежного течения и ветра, причем коэффициент для скорости течения близок к единице. Суммарная скорость ветрового и волнового дрейфа составляет 0.013 от модуля скорости ветра или 0.38 от динамической скорости в воздухе. Анализ экспериментальных данных демонстрирует увеличение скорости растекания пленки с ростом скорости ветра.

ЯРОШЕВИЧ М. И. — 2007 г.

Исследуется энергетическая взаимозависимость между группами тропических циклонов, разделенных временн ми интервалами циклонического “затишья”. Выявлена линейная, отрицательная взаимосвязь между суммарными мощностями таких групп. Группы состоят из реальных тропических циклонов активной циклонической зоны северо-западной части Тихого океана. Получены соответствующие регрессионные соотношения. Выявлена взаимосвязь между этапами развития сезонной циклонической активности. В качестве “операционных” объектов, с помощью которых устанавливается искомая взаимосвязь, избраны полусуточные суммарные мощности – элементы мощности. Отдельно по каждому сезону были получены регрессии: число “элементов” и их мощности связаны отрицательной степенной связью. Предполагается, что полученный результат может служить определенной основой вероятностного прогнозирования циклонической активности в течение сезона.

АЛЕКСЕЕВ В. Г., СУХОДОЕВ В. А. — 2007 г.

Одним из наиболее эффективных инструментов исследования метеорологических и климатических временнх рядов является вейвлет-анализ, позволяющий изучать локальные свойства исследуемого нестационарного временнoго ряда. В статье предложены новые наборы непрерывных и дискретных вейвлетообразующих функций. Все предложенные в статье вейвлеты финитны (имеют ограниченный носитель), четны и хорошо локализованы в спектральном пространстве.

АЛОЯН А. Е., АРУТЮНЯН В. О., ГОЛОБОКОВА Л. П., ЕРМАКОВ А. Н., ХОДЖЕР Т. В. — 2007 г.

Приводятся данные долговременного мониторинга ионного состава аэрозолей и газовых микропримесей в фоновой и загрязненной атмосфере Байкальского региона. Найдено, что ионный состав аэрозолей и их морфологию определяют гетерогенные химические реакции и колебания относительной влажности воздуха. Впервые выявлено существование над территорией данного региона двух типов аэрозольных частиц. Регистрируемые в большинстве эпизодов твердые частицы включают первоначально карбонаты щелочных и щелочно-земельных металлов. В условиях повышенной влажности эти частицы вовлекаются в гетерогенные химические реакции с участием газообразных NH3 и H2SO4, протекающие через фазу обводнения. В результате состав этих аэрозолей видоизменяется и формируется фракция жидких аэрозольных частиц Н2О/Н2SO4/(NH4)2SO4 различного состава. На основе физико-химического анализа данных мониторинга ионного состава аэрозолей и газовых примесей оценены средние размеры аэрозольных частиц разных типов. Впервые приводится оценка усредненной кислотности жидких аэрозольных частиц.

КАГАН Б. А., РОМАНЕНКОВ Д. А. — 2007 г.

С помощью трехмерной нелинейной конечно-элементной гидротермодинамической модели QUODDY-4 получены два решения, призванные дать представление о роли нелинейного взаимодействия приливных гармоник в формировании их пространственной структуры. Одно из этих решений индуцируется суммарным (M2 + S2 + K1 + O1) приливом на открытой границе и суммарным статическим приливом внутри исследуемой области, после чего полученное решение подвергается гармоническому анализу. Второе решение находится при задании на открытой границе приливных колебаний уровня, отвечающих индивидуальным приливным гармоникам. Затем оба решения сравниваются. Показано, что отличия обоих решений для волн S2, K1 и O1 могут быть весьма значительными, особенно вблизи открытой границы между Баренцевым и Белым морями. Этот же вывод остается в силе и для максимальных скоростей (больших полуосей эллипсов) баротропного (среднего по вертикали) приливного течения, а также средних (за приливный цикл) плотностей полной приливной энергии и составляющих бюджета приливной энергии. Появление указанной особенности служит признаком существования резонансных мод с частотами, меньше отличающимися от частот гармоник S2, K1 и O1, чем частота гармоники M2. О том же свидетельствует сравнение значений коэффициента усиления, определяемого как отношение фактического и статического приливов, для системы Баренцева и Белого морей в целом и для Мезенского залива Белого моря и Чешской губы Баренцева моря по отдельности.

БРЕЗГУНОВ В. С., ПАНИН Г. Н. — 2007 г.

КОРШУНОВ В. А. — 2007 г.

Предложена схема интерпретации данных двухволнового лидарного зондирования с использованием функциональных зависимостей между лидарными отношениями, а также некоторыми интегральными характеристиками аэрозоля и отношением коэффициентов обратного рассеяния на длинах волн зондирования. Для нахождения указанных функциональных зависимостей статистического характера использовались данные измерений сети AERONET, результаты контактных аэрозольных измерений, многоволнового лидарного зондирования, а также аэрозольная модель ОРАС. Анализ данных проведен отдельно для континентального, пылевого, океанского и дымового типов аэрозоля. Расчеты обратного рассеяния для минеральных фракций аэрозоля проводились для модели хаотически ориентированных сфероидов. Проведен численный эксперимент, показавший, что погрешности определения ряда интегральных параметров аэрозоля (коэффициент ослабления, характерного радиуса частиц, объемных концентраций), вызванные статистическим разбросом лидарных отношений и других задаваемых интегральных характеристик, не превышают 32% при оптической толщине слоя зондирования не более 1.

БЕЛОГЛАЗОВ М. И., КРАСИЛЬНИКОВ А. А., КУКИН Л. М., КУЛИКОВ Ю. Ю., РЫСКИН В. Г., САВЧЕНКО В. Р. — 2007 г.

Приведены результаты одновременных измерений изменчивости озонового слоя в Северо-Западном секторе Арктики, выполненных различными измерительными средствами. Показано, что в зимнем сезоне 2003/2004 гг. в условиях относительно теплой стратосферы и высокой волновой активности наблюдаются пространственные неоднородности поля распределения озона. В апреле 2004 г. отмечено уменьшение содержания О3 в интервале высот 25–40 км, которое в это же время было зарегистрировано спутниковыми инструментами HALOE, SAGE и POAM.

ЕЛИСЕЕВ А. А., ПРИВАЛОВ В. И. — 2007 г.

Приводятся результаты прямых измерений длинноволнового (ДВ) радиационного притока тепла (РПТ) в приземном слое атмосферы (ПСА), выполненных в августе 2003 г. на базе ИФА РАН в Цимлянске. Условия измерений – неустойчивая и устойчивая стратификация при слабом ветре и безоблачном небе, а также в нестационарных условиях, при кучевой облачности в дневное время. Подстилающая поверхность – сухая степь с редкой травой. Измерения РПТ in situ проводились посредством оригинального оптико-акустического приемника с квазисферическим углом зрения на высотах от 0.15 до 4 м. Показано, что радиационный нагрев в ПСА, особенно в околополуденные часы, многократно превосходил фактический. Днем величина радиационного нагрева достигала максимума на высотах измерений 0.15–1 м и уменьшалась с высотой. Радиационный нагрев на этих высотах в околополуденные часы составлял в среднем около 20 К/ч, достигая при безоблачном небе и слабом ветре 60 К/ч. При инверсионной стратификации радиационное выхолаживание обычно превосходило фактическое, составляя в среднем от 0 до минус 8 К/ч, мало меняясь с высотой. В течение ночи наблюдались периоды с близкими по фазе флюктуациями радиационного и фактического выхолаживания, иногда переходящего в нагрев. Для разных высот получены уравнения регрессии, показывающие высокую корреляцию между значением РПТ на высотах измерений 0.5 и 1 м и перепадом температур “почва–воздух на высоте измерений”. Полученные среднесуточные профили РПТ характеризуются нагревом порядка нескольких К/ч в нижней части слоя измерений, который уменьшается с высотой и переходит в выхолаживание на высотах до 4 м. Изменение эффективного излучения с высотой в слое измерений, полученное суммированием значений РПТ на нескольких высотах, было значительным, достигая в среднем в околополуденные часы минус 25 Вт/м2, в вечерние часы +10 Вт/м2. Нерадиационный (турбулентный) приток тепла, полученный как разность измеренных скоростей фактического и радиационного изменения температуры in situ, днем многократно уменьшал радиационный нагрев. Оценены основные источники погрешностей прямых измерений РПТ.

КАГАН Б. А., РОМАНЕНКОВ Д. А. — 2007 г.

Утверждается, что существует механизм генерации сезонной изменчивости приливных констант, связанный с воздействием одной подсистемы на другую. Для подтверждения этого тезиса привлекается трехмерная нелинейная конечно-элементная гидротермодинамическая модель QUODDY-4. Она используется для исследования приливной динамики волны М2 в системе Белого и Баренцева морей. Приводится свидетельство того, что при замерзании Белого моря и установлении в нем неподвижного ледяного покрова происходят изменения приливных характеристик в другой подсистеме – незамерзающем Баренцевом море. Здесь, особенно в южной части Баренцева моря, примыкающей к границе с Белым морем, относительные изменения амплитуды приливных колебаний уровня и максимальной скорости баротропного приливного течения могут составить до 75%, а изменчивость фаз приливных колебаний уровня – несколько десятков градусов. Отсюда следует, что сезонная изменчивость приливных констант упомянутого в заголовке статьи происхождения – в принципе, возможное явление, игнорировать которое, как это обычно делается, нет веских оснований.

ГОРШКОВ К. А., СЕРГЕЕВ Д. А., СОУСТОВА И. А. — 2007 г.

На основе ранее разработанной авторами теории возмущений для локализованных гидродинамических вихрей в настоящей работе исследуется влияние заданного струйного течения и структуры отдельных вихрей на устойчивость дорожки Кармана. Показано, что для дорожки из вихрей со степенным законом спадания азимутальной скорости струйное течение подавляет неустойчивость лишь по отношению к возмущениям из некоторой области длин волн, определяемой параметрами течения. В то же время для дорожек, сформированных из вихрей с гауссовым распределением азимутальной скорости, даже в отсутствии заданного течения существует целая область параметров дорожки, в которых последняя устойчива по отношению к возмущениям любых масштабов. Таким образом, для целей обсуждаемого в настоящей работе моделирования квазидвумерных течений в стратифицированной жидкости последовательностью локализованных вихрей, предпочтительней оказываются вихри с гауссовым распределением азимутальной скорости. Полученные результаты согласуются с многочисленными экспериментами по исследованию структуры квазидвумерного следа за телом в стратифицированной жидкости при больших числах Рейнольдса и Фруда.

МОИСЕЕНКО К. Б. — 2007 г.

В рамках двумерной, невязкой, стационарной модели рассмотрена задача обтекания мезомасштабных гор неограниченным по высоте двухслойным квазистатическим воздушным потоком с постоянной скоростью и разрывом температурной стратификации на внутренней поверхности раздела (тропопаузе). Условия сопряжения полей тока на границе между слоями формулируются точно, без стандартного предположения о малости возмущений. Согласно расчетам, частичное отражение волновой энергии от тропопаузы в значительной мере контролируется нелинейными эффектами, связанными с конечной высотой и формой рельефа. Смещение тропопаузы от исходного (равновесного) уровня оказывает в целом стабилизирующее влияние на поток, препятствуя развитию аномально сильных возмущений. Как следствие, поле течения остается статически устойчивым в значительно более широком диапазоне параметров потока и при бoльших высотах гор, чем это предсказывается в рамках традиционной линейной теории. Полученные результаты свидетельствуют о важности корректного учета динамического взаимодействия между тропосферой и выше лежащими слоями при моделировании процесса обтекания и анализе реальных атмосферных ситуаций над горами.

ИВАНОВ В. К., ЛЕВАДНЫЙ Ю. В., ШАЛЯПИН В. Н. — 2007 г.

Рассмотрены четыре модели расчета высоты волновода испарения по измеренным значениям атмосферного давления, температуры воды и воздуха и влажности. Результаты вычислений сравниваются с измеренными значениями, полученными в ходе двух океанографических экспедиций в тропическом поясе Атлантического океана и экваториальной зоне Индийского океана. Исследована чувствительность моделей к ошибкам ввода метеорологических параметров. Показано, что при нестабильной стратификации высоты волноводов в диапазоне 5–20 м могут быть оценены с точностью порядка 2.5 м. Даны практические рекомендации по выбору оптимальной модели.

ГРЕЧКО Е. И., ДЖОЛА А. В., РАКИТИН В. С., ФОКЕЕВА Е. В. — 2007 г.

Приведены результаты измерений с 1993 по 2005 гг. полного содержания окиси углерода в столбе атмосферы над городом Москвой и на Звенигородской научной станции (ЗНС). Одновременное измерение регионального фонового содержания в сельской местности на ЗНС и над Москвой позволили выделить городскую часть содержания СО. Полное содержание СО в городе испытывает существенные вариации ото дня ко дню, от значений, близких к фоновому, до значений, в 2.5–3 раза его превышающих. Количество дней с таким содержанием СО составляет 5% от общего числа дней измерений. Чаще всего они наблюдаются в холодный период года. В теплый период года в большинстве случаев наблюдаются небольшие превышения содержания СО над городом по сравнению с фоновыми. Вариации содержания СО в наибольшей степени определяются изменениями скорости ветра и температурными инверсиями. Высокие концентрации СО в 2002 г. обусловлены горением лесов и торфяников. На ЗНС в отдельные дни были зафиксированы такие высокие значения содержания CO, которые ранее не наблюдались. За 12 лет содержание CO в слое воздуха над городом не возросло.

МЕДВЕДЕВ А. С. — 2007 г.

Диагностика диабатической циркуляции с использованием распределений скоростей нагрева и потенциальной температуры требует в каждом частном случае специальной и неоднозначно определенной поправки к функции тока для того, чтобы обратить рассчитанную глобально осредненную вертикальную скорость в ноль на любом изобарическом уровне. До настоящего времени физическая природа этой поправки была мало объяснена, а для ее обычно используемой формы не было предложено достаточного обоснования. В данной статье эта поправка, а также ее неопределенность связываются с вихревым членом, обычно пренебрегаемым в рамках концепции диабатических скоростей. Разложение волновых потоков на адвективную и диффузионную составляющие не является однозначным. Это позволяет сформулировать вариационную задачу минимизации диффузионной компоненты волнового потока и тем самым нахождения адвективных скоростей, включающих в себя максимум адвекции, возбуждаемой волнами. Было получено однозначное решение этой задачи и исследована его связь со “стандартной” диабатической циркуляцией. Показано, что в приближении квазигоризонтальных изэнтроп обобщенная диабатическая функция тока совпадает со “стандартной”. Это частично оправдывает использование поправки, обычно применяемой при расчетах диабатической циркуляции.