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

ИБРАЕВ Р. А., УШАКОВ К. В., ХАБЕЕВ Р. Н. — 2012 г.

Рассматриваются первые результаты по воспроизведению внутригодовой изменчивости циркуляции вод Мирового океана с применением вихреразрешающей модели. Для этого разработана модель Мирового океана с разрешением 1/10° по горизонтали и 49 уровнями по вертикали (модель Мировогo океана 1/10 ? 1/10 ? 49). Модель основана на традиционной системе трехмерных уравнений крупномасштабной динамики океана и граничных условий с явным учетом потоков воды на свободной поверхности океана. Уравнения записаны в трехполярной системе координат. Численный метод основан на разделении решения на баротропную и бароклинную составляющие. При дискретизации по времени используются явные схемы, допускающие эффективное распараллеливание для большого числа процессоров. В модели используются подмодели пограничного слоя атмосферы и подмодель термодинамики морского льда. Модель Мирового океана разработана в Институте вычислительной математики РАН (ИВМ РАН) и Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН (ИО РАН). Рассматриваются постановка задачи моделирования внутригодовой изменчивости термогидродинамических процессов Мирового океана, используемые параметризации. В численном эксперименте эволюция во времени атмосферного воздействия определяется нормальным годовым циклом в соответствии с условиями международного эксперимента CORE-I (Coordinated Ocean-ice Reference Experiment). Расчет проводился на многопроцессорном компьютере с распределенной памятью, использовалось 1601 вычислительное ядро. Представленный анализ показывает, что полученные результаты вполне удовлетворительны по сравнению с результатами, полученными по другим вихреразрешающим моделям глобального океана. Анализ модельного решения носит в большей степени описательный характер. Подробный анализ результатов будет дан в последующих работах. Проведенный эксперимент является существенным первым шагом в создании вихреразрешающей модели Мирового океана.

ЗАПЕВАЛОВ А. С. — 2012 г.

Оценивается влияние наблюдаемых в натурных условиях изменений асимметрии и эксцесса распределения возвышений взволнованной морской поверхности на точность восстановления уровня морской поверхности вдоль трассы спутника. Для разных значений значимой высоты поверхностных волн получены численные оценки погрешности восстановления рельефа, обусловленной одновременным изменением асимметрии и эксцесса. Показано, что с уменьшением эксцесса влияние изменений асимметрии на точность альтиметрических измерений уровня возрастает. Отмечены ограничения в использовании модели Грама–Шарлье при моделировании формы радиоимпульсов, отраженных морской поверхностью.

ГРЕБНЕР Ю., НЕЗВАЛЬ Е. И., ОМУРА А., ЧУБАРОВА Н. Е. — 2012 г.

Рассмотрены результаты измерений длинноволновой нисходящей радиации (ДНР) атмосферы в диапазоне длин волн 3.5–50 мкм, полученные с помощью прецизионного инфракрасного радиометра (пиргеометра Эппли) модели PIR в Метеорологической обсерватории МГУ с 2008 по 2010 гг. Проанализировано влияние температуры воздуха и влагосодержания атмосферы на величину ДНР, получена количественная связь ДНР с этими характеристиками. Оценено влияние облачности на ДНР: при сплошном покрове облаков нижнего яруса ДНР возрастает примерно на 30% в дневное время и на 25% ночью. Среднее за год значение ДНР в Москве составляет 305 Вт/м2 с минимумом в декабре–марте и максимумом в июле–августе. Вариации ДНР в годовом ходе могут превышать 250 Вт/м2. Средняя суточная амплитуда составляет 18–33 Вт/м2 летом и 6–13 Вт/м2 зимой. В условиях дымной мглы от лесных и торфяных пожаров отмечается рост ДНР примерно на 40 Вт/м2 при аэрозольной оптической толщине на длине волны 500 нм около 4.

КУЗНЕЦОВА И. Н. — 2012 г.

В эпизодах высокого загрязнения атмосферы в московском регионе летом 2010 г. рассматриваются связи короткопериодных флуктуаций концентраций аэрозоля (РМ10) и угарного газа (СО) с метеорологическими характеристиками. Сделано предположение и приводятся аргументы, что наблюдавшееся в конце июня высокое аэрозольное загрязнение воздуха в Москве было обусловлено поступлением воздушных масс из районов почвенной засухи с юга России. В эпизодах адвекции продуктов лесных пожаров в августе максимальные приземные концентрации загрязнений наблюдались в Москве в основном в 11–12 ч при конвективном прорыве атмосферного пограничного слоя, а также ночью при появлении в инверсионном слое локальных максимумов скорости ветра или низкоуровневых струйных течений. По результатам анализа эпизодов загрязнения воздуха до и после пожаров делается вывод, что сдвиговая неустойчивость скорости ветра в обычных условиях способствует очищению приземного воздуха, а при адвекции примесей (дальний перенос, шлейфы природных пожаров и пр.) – повышению уровня приземных концентраций. Показано, что следствием загрязнения воздушного бассейна мегаполиса продуктами горения биомассы в 2010 г. стало усиление термической устойчивости приземной атмосферы, увеличение продолжительности радиационных инверсий и ослабление механизмов очищения в городском острове тепла.

КАГАН Б. А., РАШИДИ Э. Х. А., ТИМОФЕЕВ А. А. — 2012 г.

Для отыскания изменений динамики поверхностного M2 прилива в Белом море, создаваемых пространственной неоднородностью коэффициента сопротивления, используется модифицированная версия трехмерной конечно-элементной гидростатической модели QUODDY-4. Она отличается от первоначальной версии введением модуля, обеспечивающего определение коэффициента сопротивления в придонном пограничном слое (ППС). Коэффициент сопротивления находится из законов сопротивления для осциллирующего вращающегося турбулентного ППС над гидродинамически шероховатой и неполностью шероховатой (гладко-шероховатой) подстилающими поверхностями, описывающими зависимость коэффициента сопротивления и других интегральных характеристик сопротивления от безразмерных параметров подобия – числа Россби морского дна Ro, потокового числа Рейнольдса Re и относительной (нормированной на приливную частоту) инерционной частоты f/ . Показано, что учет пространственной неоднородности коэффициента сопротивления не приводит к большим изменениям приливных характеристик. Они получаются в несколько раз большими погрешностей инструментальных измерений уровня и скорости, но меньшими ошибок их расчета.

СЁМКИН С. В., СМАГИН В. П. — 2012 г.

В работе рассмотрена генерация магнитного поля морскими поверхностными волнами в море конечной глубины. Проанализировано влияние самоиндукции на этот процесс и определены условия, при которых самоиндукция играет существенную роль. Исследовано влияние глубины моря, периода волнения и направления распространения волны на величину и направление индуцированного магнитного поля.

БОРТКОВСКИЙ Р. С. — 2012 г.

Использованы данные ежечасных измерений волнения гидрометеорологических параметров, производившихся в течение длительного времени автоматически со специальных буев. Буи были установлены в открытых частях Атлантического и Тихого океанов в различных климатических зонах, средняя температура поверхности воды возле буев меняется от 1–3°С до 26–28°С. Кроме данных самих измерений, в таблицах результатов приведены спектральные плотности волнения для широкого диапазона частот. Анализ этих результатов, выполненный для коротковолновой части спектра ветрового волнения, впервые выявил заметную зависимость от температуры воды спектральной плотности ветровых волн в диапазоне частоты 0.30–0.40 Гц, что соответствует длинам волн 9–4 м. Наличие такой зависимости объяснено сильным температурным изменением кинематической вязкости морской воды. Ранее нами было указано на температурную зависимость лишь очень коротких, относящихся к сантиметровому диапазону длин волн, спектральных компонент. Статистическая значимость влияния температуры воды на спектральную плотность волн указанной частоты подтверждена выполненным дисперсионным анализом. Оценены температурные изменения параметра шероховатости морской поверхности, определяемого, в первую очередь, энергией именно коротковолновой части спектра волнения. Основной метод, используемый при дистанционном определении скорости приводного ветра, – альтиметрия. Он позволяет получить запись отклонения морской поверхности от поверхности геоида и вычислить по этой записи спектральную плотность волновых компонент практически любой частоты. Известно, что компоненты волнового спектра в области низких частот всегда находятся под влиянием зыби. Следовательно, энергия этих компонент определяется не только действием ветра, а чисто ветровыми являются лишь компоненты в области частот, превышающих примерно 0.3 Гц. Поэтому, применяя результаты альтиметрии морской поверхности для определения скорости приводного ветра, спектральные плотности волновых компонент именно в этой области частот и следует использовать. Выявленная зависимость спектральной плотности коротких ветровых волн от температуры воды проявляется только в определенном интервале частот, что подтверждает эту рекомендацию.

МЕРЗЛЯКОВ Е. Г., ПОГОРЕЛЬЦЕВ А. И., ПОРТНЯГИН Ю. И., СОЛОВЬЕВА Т. В., СУВОРОВА Е. В. — 2012 г.

На основе эмпирических среднемесячных данных о параметрах колебаний горизонтальной составляющей скорости ветра суточного мигрирующего прилива рассчитаны высотно-широтные распределения параметров колебаний вертикальной составляющей скорости ветра суточного прилива в области мезосферы и нижней термосферы (80–100 км). Исходные данные получены по результатам спутниковых наблюдений мезосферы и нижней термосферы в диапазоне высот 90–120 км и по результатам наземного зондирования этой области радиометеорным методом и методом частичных отражений в диапазоне высот 80–100 км. Выполнено сравнение полученных распределений с результатами численного моделирования мигрирующего суточного прилива с помощью модели глобальной циркуляции средней и верхней атмосферы. Показано, что с точностью до ошибок измерений модели дают хорошо согласующиеся распределения параметров мигрирующего суточного прилива. Особенностью полученных эмпирических распределений амплитуды вертикальной составляющей скорости ветра является наличие трех областей повышенных значений амплитуды: в окрестностях экватора и широт 30°N и 30°S, которые отмечаются во все сезоны. Максимальные значения амплитуды колебаний вертикальной компоненты скорости ветра составляют примерно 0.1 м/сек. Оценки дивергенции потока Элиассена–Пальма дают величины порядка 10 м · с-1 · сут-1.

ИОНОВ Д. В., ПОБЕРОВСКИЙ А. В. — 2012 г.

В работе представлены результаты наземных и спутниковых спектроскопических измерений тропосферного содержания NO2 в районе Санкт-Петербурга в январе–марте 2006 г. Показано, что повышенные концентрации NO2, наблюдавшиеся в Санкт-Петербурге и его окрестностях в этот период, обусловлены их накоплением в связи неблагоприятными погодными условиями, что подтверждается анализом метеорологических данных и результатами численного моделирования рассеяния городских воздушных загрязнений. Данные спутниковых и наземных измерений удовлетворительно согласуются между собой (коэффициент корреляции 0.5), а также с модельными расчетами тропосферного NO2, выполненными для координат станции наземных измерений (коэффициент корреляции 0.6). Использование дисперсионной модели HYSPLIT позволило также оценить масштаб пространственно-временной изменчивости NO2 в приземном слое в окрестностях Санкт-Петербурга.

МОРТИКОВ Е. В., СЕМЕНОВ Е. В. — 2012 г.

Рассматриваются оперативные модели, основанные на системе уравнений геофизической термогидродинамики морской среды, а также методы приближенного восстановления основных гидрофизических полей по данным глубоководных термохалинных измерений. Приводятся результаты расчетов для Белого, Баренцева и Карского морей.

НИГМАТУЛИН Р. И. — 2012 г.

Рассматриваются вопросы, касающиеся роли природных и антропогенных факторов изменчивости глобального климата. Качественно анализируется роль океанической циркуляции в глобальных термодинамических процессах Земли. Анализируются балансы парниковых газов в атмосфере и океане, влияние антропогенных факторов. Формулируются требования к моделям климата Земли нового поколения.

ГУЩИН Л. А., ЕРМАКОВ С. А., СЕРГИЕВСКАЯ И. А. — 2012 г.

Представлены результаты лабораторных исследований затухания гравитационно-капиллярных волн на воде, покрытой нефтяной пленкой. Обнаружен немонотонный характер (наличие локального максимума) зависимости коэффициента затухания от толщины пленки. Выполнены численные расчеты дисперсионного уравнения гравитационно-капиллярных волн в присутствии вязкоупругой пленки произвольной толщины, подтвердившие наличие максимума коэффициента затухания как функции толщины пленки. На основе сравнения результатов расчетов с данными лабораторных измерений характеристик волн на воде с нефтяной пленкой даны оценки значений параметров нефтяных пленок (межфазных упругости и вязкости) в широком диапазоне изменения их толщины.

КАЛИННИКОВ В. В., ТЕПТИН Г. М., ХУТОРОВА О. Г. — 2012 г.

На основе двухчастотных фазовых измерений сигналов ГНСС наземными приемниками сделаны оценки зенитных задержек радиосигналов в тропосфере. Проведено сравнение этих оценок с данными погодных полей реанализа NCEP/NCAR. Показано, что стандартное отклонение значений зенитных задержек, полученных обоими способами, составляет в среднем около 1 см. Согласно произведенным расчетам, такой уровень точности позволяет исследовать межсуточную и внутрисуточную динамику тропосферы. При этом временне разрешение оценок по данным ГНСС составляет 2 часа, что дает возможность организовать мониторинг атмосферы с помощью наземной сети станций спутникового слежения. е разрешение оценок по данным ГНСС составляет 2 часа, что дает возможность организовать мониторинг атмосферы с помощью наземной сети станций спутникового слежения.

ДЕМЧЕНКО П. Ф. — 2012 г.

Для описания нестационарного отклика природных объектов на заданные конечные, не обязательно малые, изменения внешних факторов при наличии случайных возмущений рассмотрены методы стохастической термодинамики, основанные на применении флуктуационных теорем (ФТ). На основе одной из ФТ получены нелинейные флуктуационно-диссипативные соотношения (ФДС). Полученные ФДС применены для расчета отклика влагозапаса почвы на заданные изменения средних осадков при наличии синоптических возмущений. Рассмотренная модель, несмотря на грубость, содержит в себе важный нелинейный эффект сброса избытка влаги в резервуар. Построена приближенная аналитическая теория, которая позволяет учитывать нелинейные эффекты при определении функций отклика.

КУЛИЧКОВ С. Н., ЦЫБУЛЬСКАЯ Н. Д., ЧУЛИЧКОВ А. И. — 2012 г.

Классификация инфразвуковых сигналов в атмосфере производилась на сигналах, зарегистрированных в США в Университете Фэрбенкса (University of Alaska Fairbanks) на Аляске и в Безветренной бухте в Антарктике (Windless Bight, Antarctic) с 1980 по 1983 г. Архив данных содержал пять классов сигналов от различных источников: взрывы, горные обвалы, микробаромы, вулканическая деятельность и полярные сияния. Для классификации использовались подходы теории проверки статистических гипотез. Исследовалась возможность разделения классов. Показано, что сигналы из использованного набора, характерные для взрывов и вулканической деятельности, достаточно хорошо отделяются от сигналов от горных обвалов, микробаром и полярных сияний.

ВАРГИН П. Н., ГАНЬШИН А. В., ЛУКЬЯНОВ А. Н. — 2012 г.

Блокирующий антициклон, наблюдавшийся летом 2010 г. над европейской частью России, привел к многомиллиардному экономическому ущербу, существенному увеличению смертности и серьезным негативным последствиям для здоровья населения. В работе исследуются динамические процессы в тропосфере – волновые цепочки, которые могли внести вклад в образование и поддержание антициклона. Для анализа волновых цепочек рассчитаны и проанализированы трехмерные векторы Пламба. Показано, что в июне 2010 г. в тропосфере над Атлантикой в восточном направлении наблюдалось распространение трех волновых цепочек. Первые две волновые цепочки, достигнув Европы, распространялись далее в восточном и юго-восточном направлении. Только третья волновая цепочка после достижения Европы продолжила распространение на северо-восток, достигнув 17–19 июня Северо-Западный регион России. Именно там 18 июня началось формирование антициклона, который впоследствии развился в устойчивый блокирующий антициклон, наблюдавшийся над Европейской Россией до середины августа. Изменение направления распространения волновых цепочек может быть обусловлено образованием двойной структурой зонального течения в тропосфере. Возникновение волновых цепочек выявлено в середине июня в областях с повышенной облачностью, наблюдавшихся над Северо-Западным регионом Атлантического океана, северо-запада и севера центральной части США. Для июля–августа 2010 г. и 1972 г. с аномально высокими температурами на европейской территории России также выявлены распространявшиеся в восточном направлении волновые цепочки, которые могли внести вклад в усиление соответствующих блокирующих антициклонов. Для определения характера движений воздушных частиц, проникших в область антициклона над московским регионом летом 2010 г., в период его развития проанализированы рассчитанные 10-дневные обратные траектории.

БОРТКОВСКИЙ Р. С. — 2012 г.

Ото льда, образовавшегося при замерзании пресной воды, морской лед существенно отличает наличие множества пор, заполненных либо жидкостью – рассолом, либо воздухом. Газопроницаемость пор существенно превышает газопроницаемость сплошного, лишенного пор льда. Получены выражения, определяющие коэффициенты диффузии кислорода и СО2 через морской лед при его известной температуре и солености. Выполнены расчеты газопереноса для центральной части Чукотского моря. Численные эксперименты показали, что потоки газов через лед при небольшой его толщине не являются пренебрежимо малыми. Они заметно убывают, только когда толщина однолетнего льда превышает примерно 100 см.

ЛОКОЩЕНКО М. А. — 2012 г.

Обсуждаются значения метеорологических величин по результатам наземных наблюдений в Москве (главным образом в МГУ) летом 2010 г. Показано, что аномальная жара 2010 г. не имеет аналогов в истории метеорологических измерений в российской столице ни в самих рекордных значениях, ни в их продолжительности. Превышенными оказались как вековые рекорды среднемесячной температуры воздуха в июле и августе за последние 230 лет, так и абсолютный максимум температуры за последние 130 лет. Впервые в истории регулярных метеорологических измерений максимальная температура воздуха в Москве превысила +38°С, среднесуточная +30°С, среднемесячная температура +26°С, температура поверхности почвы +60°С, недостаток насыщения водяного пара – 50 гПа. В целом тропический воздух, господствовавший в Москве, был в большей степени аномально жарким, нежели аномально сухим. Наименьшая относительная влажность во время катастрофической жары – 16% – лишь приблизилась к историческому минимуму (15%). Количество осадков в июле 2010 г. впервые в истории измерений составило для этого месяца лишь 7.4 мм. В своей совокупности такие условия определили возникновение массовых очагов возгорания в московском регионе и, как следствие, сильной дымной мглы. Связанные с катастрофической жарой рекордно высокие за последние 45 лет значения температуры грунта отмечалась на глубине 320 см вплоть до конца 2010 г.

МАРЧЕНКО А. В., МОРОЗОВ Е. Г. — 2012 г.

Рассмотрены измерения температуры и солености в диапазоне частот короткопериодных внутренних волн. Измерения проводились во фиорде Ван-Майен (Шпицберген). Доминирующие периоды короткопериодных внутренних волн составляют несколько минут. Они соответствуют внутренней волне с безразмерным волновым числом 1/2. Генерация короткопериодных внутренних волн определяется внешним воздействием за счет ветра и приливов. Зимой, когда поверхность фиорда покрыта льдом, ветровое напряжение не передается внутренним колебаниям и спектральный уровень внутренних волн уменьшается.

БАТЧАЕВ А. М. — 2012 г.

Приведены первые результаты лабораторного моделирования течения Колмогорова на сферической поверхности. Обнаружено, что первичный ламинарный режим представляет собой систему ламинарных зональных струй чередующейся направленности. При переходе через первое критическое значение первичный режим теряет устойчивость и на его фоне формируется вторичный вихревой квазипериодический режим с низкой частотой. При дальнейшем увеличении числа Рейнольдса и переходе через второе критическое значение этот вихревой режим становится неустойчивым и в течении возбуждаются автоколебания. Было обнаружено, в частности, что если выбрать в качестве масштаба длины радиус сферического слоя, то длины волн возмущений, реализуемых в вихревом режиме приходятся на диапазон максимальной интенсивности в спектре горизонтальной составляющей скорости ветра на уровне тропопаузы. Предложено объяснение смещения пика максимального значения в спектре ветра на синоптических масштабах времени при увеличении высоты наблюдения: от 3000 км в приземном слое до 8000–10000 км в верхней тропосфере и нижней стратосфере.