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

БОРОДИНА Е. Л., САЛИН М. Б. — 2010 г.

В данной работе представлен метод оперативного изменения характеристик ветрового волнения, основанный на видеосъемке морской поверхности и одновременном измерении текущих спектров волнения при помощи заякоренной вешки. Метод позволяет получать необходимые для акустических измерений данные о частотно-угловых и дисперсионных характеристиках поверхностного волнения. Результаты обработки видеоданных, полученных на Балтийском море и Горьковском водохранилище, согласуются с соответствующими теоретическими зависимостями.

ВИВЧАР А. В., МОИСЕЕНКО К. Б., ПАНКРАТОВА Н. В. — 2010 г.

Эмиссии от пожаров в бореальной зоне Северной Евразии составляют значительную часть глобальных эмиссий парниковых газов, их предшественников и аэрозолей. Эти эмиссии являются важной составляющей глобального баланса углерода и оказывают заметное влияние на сезонные и долгосрочные изменения химического состава и радиационные свойства атмосферы как в региональном, так и глобальном масштабах. На основе спутниковых данных о поврежденной пожаром растительности MODIS MCD45A1 и эмиссионной модели Сейлера–Крутцена проведены систематические оценки атмосферных эмиссий моноокиси углерода (СО) в результате горения биомассы, с учетом региональных и сезонных особенностей, для всей территории Северной Евразии за период с 2000 по 2008 гг. В целом для России ежегодные эмиссии СО от горения биомассы за указанный период составляли от 10.6 до 88.2 Мт/год. В зависимости от пожарной активности, атмосферные выбросы СО в результате природных пожаров и сельскохозяйственной деятельности могут давать от 25 до 200% от суммарных техногенных эмиссий, согласно модели EDGAR-2000. Преобладающий вклад при этом дают пожары в бореальных лесах (8–57 Мт/год), на долю которых приходится от 63 до 76% общих эмиссий при горении биомассы. Относительно короткий ряд наблюдений не позволяет провести надежные оценки долгосрочных изменений, однако в целом за последнее десятилетие наблюдается устойчивый рост пройденных огнем площадей в лесных и степных районах, а также на сельскохозяйственных территориях. Проведенный анализ свидетельствует также о значительной пространственной и сезонной изменчивости крупномасштабных полей эмиссий от пожаров, определяемой физико-географическими и климатическими особенностями отдельных регионов. Рассчитанные поля эмиссий могут быть использованы в транспортно-химических моделях, при исследованиях регионального переноса и качества воздуха, а также в моделях климата.

ИНГЕЛЬ Л. Х. — 2010 г.

В гидростатически стабильной бинарной смеси (например, в устойчиво стратифицированной и горизонтально-однородной по плотности соленой морской воде) возможно возникновение горизонтальных градиентов плотности за счет различия значений коэффициентов диффузии для разных субстанций. Возникающие при этом горизонтальные градиенты гидростатического давления приводят к генерации плотностных течений, на которые ранее, видимо, не обращалось внимания. Проанализированы примеры таких течений, возникающих в жидкости с горизонтально-однородными в начальный момент времени распределениями плотности и давления. Плотностные течения могут возникать также и за счет различия краевых условий для разных субстанций.

БОНДУР В. Г., ГРЕБЕНЮК Ю. В., ЕЖОВА Е. В., КАЗАКОВ В. И., СЕРГЕЕВ Д. А., СОУСТОВА И. А., ТРОИЦКАЯ Ю. И. — 2010 г.

В Большом термостратифицированном бассейне ИПФ РАН выполнено масштабное моделирование возбуждения внутренних волн турбулентными плавучими струями, выходящими из диффузоров подводных сбросовых систем, в условиях температурной стратификации с глубоким и мелким термоклином. С использованием модифицированного метода Particle Tracing Velocimetry (PTV) в режиме стратификации с мелким термоклином измерены скорости течений, создаваемых внутренними волнами на поверхности воды в бассейне. Развита теоретическая модель, описывающая поля внутренних волн в присутствии струйного течения. Получены дисперсионные соотношения и структуры низших (первой и второй) мод внутренних волн в стратифицированном бассейне при различных скоростях истечения жидкости из модели коллектора. Выполнено разложение экспериментально измеренного поля смещений изотерм по системе собственных мод внутренних волн. Показано, что в экспериментах наблюдается смешанный режим возбуждения внутренних волн, когда одновременно существуют первая и вторая моды. Проведено сопоставление характеристик возмущений в толще жидкости и на ее поверхности. Проведенный анализ позволил доказать, что поля скорости на поверхности действительно представляют собой поверхностные проявления внутренних волн.

БОНДУР В. Г., ГРЕБЕНЮК Ю. В., ЕЖОВА Е. В., КАЗАКОВ В. И., СЕРГЕЕВ Д. А., СОУСТОВА И. А., ТРОИЦКАЯ Ю. И. — 2010 г.

В Большом термостратифицированном бассейне ИПФ РАН проведена серия экспериментов по изучению поверхностных проявлений внутренних волн, излучаемых заглубленной плавучей струей. Для изучения поля течений на поверхности воды в бассейне было реализовано распределение температуры с мелким термоклином. Выполнено измерение поля скоростей на поверхности с использованием метода Particle Tracking Velocimetry. Проведен теоретический расчет скорости возмущений на поверхности. Сопоставление с данными экспериментов показало, что для случая чистой воды теория дает завышенные значения скорости на поверхности. Предложено объяснение этого расхождения за счет присутствия пленки поверхностно-активных веществ (ПАВ), параметры которой были определены экспериментально. С учетом коэффициентов масштабного моделирования оценены параметры внутренних волн, излучаемых подводной сбросовой системой, и величины их поверхностных проявлений в натурных условиях. Сделана оценка гидродинамических контрастов в поле поверхностных волн, которые могут быть вызваны этими неоднородными течениями на поверхности. При скорости ветра 5 м/с величина контраста в поле коротких волн может достигать 10–25%, что уверенно обнаруживается дистанционными методами.

ГРИЦУН А. С. — 2010 г.

Флуктуационно-диссипационные соотношения позволяют связать операторы отклика статистик системы на малые внешние возмущения со статистическими характеристиками невозмущенной системы (при условии ее статистической равновесности). Это дает возможность оценить чувствительность системы непосредственно по данным моделирования или наблюдений. Проблема существенно усложняется, если правая часть системы содержит периодически зависящую от времени компоненту (применительно к задачам моделирования атмосферы это соответствует экспериментам в режиме годового хода). Недавно полученные обобщенные флуктуационно-диссипационные соотношения (Majda, Wang, 2010) дают теоретическую возможность построения оператора отклика и в этом случае. В настоящей работе сформулирован алгоритм построения приближенного оператора отклика и приведены численные эксперименты по тестированию алгоритма на примере модели общей циркуляции атмосферы CAM3 NCAR.

АНДРОСОВ А. А., ВОЛЬЦИНГЕР Н. Е. — 2010 г.

Рассматриваются уравнения кинетической, потенциальной и общей энергии в криволинейных гранично-согласованных координатах в области пролива и прилегающих регионов Красного моря и Аденского залива. Представлены бюджеты различных форм энергий, позволяющие оценить корректность постановки трехмерной краевой задачи, точность расчета баротропно-бароклинного взаимодействия в энергетической норме и соотношение компонентов энергетического баланса. Установлены оценки потоков энергии в граничных сечениях пролива при взаимодействии термохалинных течений с основными приливными гармониками и суммарным приливом, а также размах флуктуации граничных потоков энергии в синодическом месяце. Приводятся результаты, иллюстрирующие поведение некоторых динамических характеристик и компонентов энергетического баланса на вертикальных и горизонтальных сечениях пролива.

ПОПОВА В. В., ШМАКИН А. Б. — 2010 г.

Анализируются первые эмпирические ортогональные функции (ЭОФ1) колебаний температуры приземного воздуха на территории России и прилегающих государств в 1950–2005 гг. Рассматривается пространственное распределение ЭОФ1 и первые коэффициенты разложения (ГК1) наблюденной температуры (в среднем для лета и за июль, а также с декабря по март и за отдельные месяцы зимы), их временной ход, включая параметры трендов, некоторые спектральные характеристики, а также количественные показатели связи с циркуляционными индексами (на основе множественной пошаговой регрессии). Выявлены значительные сезонные различия: колебания зимней температуры отличаются гораздо более высокой, по сравнению с летней, пространственной связанностью, особенно вдоль широты. ЭОФ1 зимней (средней за декабрь–март) температуры описывает ее колебания почти на всей территории России, при этом не менее 70% изменчивости ГК1 объясняются вариациями нескольких циркуляционных индексов, а основной вклад – 60% – принадлежит индексам Северо-Атлантического колебания (NAO) и Скандинавскому (SCAND). В целом за 1951–2005 гг. и в 1971–2005 гг. NAO превосходит SCAND по доле в изменчивости зимней температуры, с NAO связан наиболее быстрый рост температуры в 1968–1997 гг. и тренд 1971–2005 гг. В 1951–1970 гг. основную роль в изменениях температуры принадлежит SCAND, в этот период его вклад превышает вклад NAO в 1951–2005 и 1971–2005 гг. Тренды температуры 1971–2005 гг. и 1968–1997 гг. полностью описываются вариациями индексов NAO (70%) и SCAND (30%) в январе и феврале.

ЕЛАГИНА Л. Г. — 2010 г.

ПОЛНИКОВ В. Г. — 2010 г.

На основе перебора вариантов модификации функции источника в модели ветровых волн WAM(C4) выполнена большая серия верификационных расчетов, направленная на повышение качества численной модели (по параметрам точности и быстродействия). Предложена методология, позволяющая решать следующие фундаментальные и практически важные задачи численного моделирования: 1) определение минимального срока верификации численных ветро-волновых моделей; 2) нахождение критерия выбора наилучшей модели из числа моделей, подвергнутых верификации; 3) формулирование требования к точности задания входного поля, необходимого для достижения заданной точности расчета поля ветровых волн. В частности установлено: а) минимальный срок верификационных расчетов для численных моделей ветрового волнения составляет три месяца; б) предложенная модификация модели WAM, согласно найденному критерию, объективно является “существенно предпочтительной” по сравнению с оригинальной моделью; в) найденные в предлагаемой версии модели WAM относительные ошибки расчетных высот волн Hs и средних периодов Tm для различных уровней относительной ошибки входного поля ветра W позволяют решать указанную выше задачу 3).

КАГАН Б. А., СОФЬИНА Е. В., ТИМОФЕЕВ А. А. — 2010 г.

Приводятся результаты моделирования поверхностного и внутреннего приливов (волна M2) для летнего и зимнего периодов в Северном Ледовитом океане (СЛО). Основанием служит модифицированная версия трехмерной конечно-элементной гидротермодинамической модели QUODDY-4, отличающаяся от оригинальной модели введением повернутой (вместо сферической) системы координат и учетом эффектов статического прилива. Показано, что результаты моделирования поверхностного прилива мало отличаются от полученных ранее другими авторами. Согласно этим результатам, амплитуды внутренних приливных волн (ВПВ) в СЛО значительно меньше, чем в других океанах, а сами по себе ВПВ имеют характер захваченных волн. Очаг их генерации располагается на континентальном склоне к северо-западу от Новосибирских о-вов. Полученные результаты согласуются с полями средней (за приливный цикл) и интегральный (по глубине) плотности бароклинной приливной энергии, максимальной бароклинной скорости приливного течения и коэффициента диапикнического перемешивания. Локальная скорость диссипации бароклинной приливной энергии на хребтах СЛО увеличивается ко дну, как это наблюдается на Срединно-Атлантическом и Гавайском хребтах, но только в пределах придонного пограничного слоя и на два-три порядка величины меньше, чем в других океанах. Масштаб вырождения ВПВ в СЛО составляет несколько сотен километров летом и зимой, не выходя за пределы диапазона его значений (100–1000 км) в океанах умеренных и низких широт. В оба сезона интегральная (по площади СЛО) скорость диссипации баротропной приливной энергии на два порядка величины меньше глобальной оценки (2.5 ? 1012 Вт).

ДЫМНИКОВ В. П., КУЛЯМИН Д. В. — 2010 г.

В работе исследованы спектральные характеристики квазидвухлетних колебаний (КДК) зональной скорости в экваториальной стратосфере по данным реанализов наблюдений NCEP/NCAR и ERA40 и численных экспериментов с моделью общей циркуляции атмосферы (ОЦА) ИВМ РАН. Рассмотрена проблема синхронизации КДК и полугодовых колебаний зональной скорости в мезосфере (ПГК). Показано, что процесс синхронизации к кратным периодам ПГК идентифицируется в области перехода между КДК и ПГК. Для всех высот распространения КДК синхронизация с ПГК выражена при расчете периода по разностям западных максимумов. Показано, что модель ОЦА ИВМ РАН удовлетворительно воспроизводит основные спектральные характеристики КДК и ПГК и особенности изменчивости периода КДК, наблюдаемые по данным реанализов. На основе исследования малопараметрических моделей КДК показана возможность синхронизации с ПГК или годовым циклам в верхних слоях как для механизма поглощения планетарных волн средним потоком, так и для обрушения коротких гравитационных волн. Формирование КДК от разных типов волн вместе с ПГК и годовым циклом можно рассматривать как единую систему колебаний в циркуляции экваториальной верхней атмосферы.

АКПЕРОВ М. Г., МОХОВ И. И. — 2010 г.

Проведено сравнение трех методов идентификации циклонов внетропических широт Северного полушария (20°–80° N) по данным реанализа (1948–2007 гг.) для полей приповерхностного атмосферного давления. Анализировались различные характеристики внетропических циклонов: их количество, интенсивность, размер и время жизни. Сделаны оценки влияния орографических эффектов при идентификации циклонов и их траекторий. Сопоставлены характеристики внетропических циклонов при использовании разных данных реанализа (NCEP/NCAR, ERA-40, ERA-INTERIM) с различным пространственным разрешением.

ГУРБАТОВ С. Н., ДИДЕНКУЛОВА И. И., ПЕЛИНОВСКИЙ Е. Н., СЕРГЕЕВА А. В. — 2010 г.

ВАСИЛЬЕВ О. Ф., ОВЧИННИКОВА Т. Э., ПРОКОПЬЕВ С. И. — 2010 г.

Для адекватного описания гидрофизических процессов в водоемах с высокой минерализацией необходимо учитывать зависимость термодинамических характеристик воды от количества содержащихся в воде солей. Работа посвящена исследованию некоторых из широко используемых формул для расчета ряда термодинамических параметров минерализованной воды. Рассматриваются плотность, температура замерзания, удельная теплота испарения и относительное давление насыщенного пара над поверхностью. Выполнен анализ возможности применения данных формул для моделирования гидрофизических процессов в водоемах с соленостью в диапазоне от 0 до 250 . Показано, что рассмотренные формулы имеет смысл использовать, когда соленость не превышает 100 . В условиях более высокой минерализации требуется выработка более подходящих формул на основе аппроксимации натурных или справочных данных.

БАЛАНДИНА Г. Н., ЕРМАКОВА О. С., СЕРГЕЕВ Д. А., ТРОИЦКАЯ Ю. И. — 2010 г.

В работе описаны результаты лабораторного эксперимента по исследованию поля скорости ветра над взволнованной водной поверхностью с применением метода PIV. Использование скоростной CCD-камеры позволило детально изучить вихревую структуру воздушного потока. Измерены поля скорости над гладкой пластинкой, ветровыми волнами и волнами, возбуждаемыми волнопродуктором. Проведена прямая проверка модели турбулентного пограничного слоя над взволнованной поверхностью. Показано, что профили скорости ветра над волнами, полученные осреднением мгновенных полей по ансамблю реализаций и по горизонтальной координате, удовлетворительно согласуются с профилями, рассчитанными в рамках квазилинейной модели ветрового потока над взволнованной водной поверхностью.

КИРЕЕВА Е. Д., МОГИЛЬНИКОВ В. П., ПОПОВИЧЕВА О. Б., ТИМОФЕЕВ М. А., ШОНИЯ Н. К. — 2010 г.

Проведены исследования физико-химических свойств углеродосодержащих аэрозолей, эмитируемых транспортными системами в атмосферу, а именно, реактивным двигателем самолета и судовым дизельным двигателем морского корабля. Сравнительный анализ морфологии, размера, элементного состава и химии поверхности частиц авиационной и дизельной саж показывает общие и характерные особенности эмиссии каждого источника. Высокая степень загрязнения частиц дизельной сажи, значительная доля металлических примесей и наличие обугленных капель несгоревшего топлива указывают на специфичные особенности процессов формирования частиц данного типа. Получены основные характеристики, определяющие взаимодействие аэрозолей эмиссии авиации и морского транспорта во влажной атмосфере: состав органической и водорастворимой фракций на поверхности. Высокая гигроскопичность микрочастиц может определять их способность формировать облачные ядра конденсации, инициировать конденсационные следы и дополнительную облачность тропосферы.

КОШЕЛЬ К. В., РЫЖОВ Е. А. — 2010 г.

Рассматривается двухслойная невязкая модель хаотической адвекции в однонаправленном пульсирующем проточном течении над подводной возвышенностью дельтаобразной формы. Используя свойство локальной устойчивости, введена характеристика, схожая с накопленным показателем Ляпунова, позволяющая определить область регулярного и хаотического поведения частиц. Оценки, полученные с помощью этой характеристики, должны внести ясность в вопросы транспорта пассивной примеси в подобных модельных задачах. Также знание границы максимальной области хаотизации важно для океанологии в части интерпретации точечных вихрей как модели распределенных вихрей. Для оценки предельной границы регулярной области введен критерий, основанный на использовании приближения кубического по действию гамильтониана для модели нелинейного резонанса.

ВИШЕРАТИН К. Н., КАЛАШНИК М. В. — 2010 г.

Для интенсивных атмосферных вихрей характерен режим циклострофического баланса – баланса между градиентом давления и центробежной силой. Для описания движений в ядре осесимметричного вихря в работе построен класс точных решений уравнений газовой динамики с линейной зависимостью от радиуса для компонент скорости и квадратичной – для температуры. Показано, что небольшие отклонения от состояния баланса приводят к возникновению колебаний термогидродинамических полей в ядре вихря с частотой, пропорциональной угловой скорости вращения ядра. При достаточно сильных начальных отклонениях колебания носят ярко выраженный ангармонический характер и в условиях преобладающей центробежной силы приводят к значительному падению температуры на оси вихря. Обсуждается приложение построенного класса решений к описанию вихревого эффекта Ранка (интенсивного охлаждения газа при быстрых вращениях) и наблюдаемого акустического излучения от смерчей.

РЕПИНА И. А., СТЕПАНЕНКО В. М., ЧЕЧИН Д. Г. — 2010 г.

В работе исследуется влияние холодной пленки на энергообмен между атмосферой и океаном. С этой целью проведена серия численных экспериментов с использованием одномерной модели водоема LAKE. В модели использовалось три типа параметризаций холодной пленки. В качестве граничных и начальных условий использовались данные натурных экспериментов в прибрежной зоне Черного моря, в Северном Ледовитом Океане и над озером Спарклинг. По результатам экспериментов установлено, что модель LAKE со встроенной параметризацией холодной пленки успешно воспроизводит характеристики холодной пленки, а именно величину разности температуры на поверхности холодной пленки и температуры воды на некоторой глубине. Результаты численных экспериментов лежат в пределах изменчивости результатов натурных экспериментов. Показано, что наличие холодной пленки приводит к уменьшению потерь тепла водоемом. Численные эксперименты показали, что наличие холодной пленки может приводить к изменениям термического режима водоема, его стратификации за счет изменения теплового баланса на поверхности. Это может иметь большое значение для моделирования многих процессов внутри водоема и на его поверхности, таких как, например, газо- и теплообмен.