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

ЕРМАКОВ С. А., КАПУСТИН И. А. — 2010 г.

В ходе натурного эксперимента исследована времення динамика турбулентной области, возбуждаемой надводным движущимся судном. Получены зависимости геометрических размеров турбулентной области от времени и показано, что зависимость ширины турбулентного следа от времени на начальном этапе близка к степенной функции с показателем 0.4 для разных экспериментов, а глубина следа при этом остается практически постоянной. В рамках полуэмпирической теории турбулентности предложена качественная модель, описывающая процесс начального расширения корабельного следа как диффузию одномерного слоя турбулизованной жидкости от импульсного источника. я динамика турбулентной области, возбуждаемой надводным движущимся судном. Получены зависимости геометрических размеров турбулентной области от времени и показано, что зависимость ширины турбулентного следа от времени на начальном этапе близка к степенной функции с показателем 0.4 для разных экспериментов, а глубина следа при этом остается практически постоянной. В рамках полуэмпирической теории турбулентности предложена качественная модель, описывающая процесс начального расширения корабельного следа как диффузию одномерного слоя турбулизованной жидкости от импульсного источника.

СМИРНОВ В.В. — 2010 г.

Изучено влияние характеристик ионизации атмосферы и физико-химического состояния ядер конденсации на электрическое состояние конвективных ячеек. По результатам экспериментов в адиабатической камере объемом 3200 м3 выяснено, что при повышениях относительной влажности воздуха Н от 40 до 95% с эквивалентной скоростью подъема 100–400 см/с на ядрах могут накапливаться избыточные заряды порядка и более 103 элементарных зарядов в см3. Знак заряда зависит от химического состава гигроскопических ядер. Так, для сред с нерастворимыми ядрами (пористые кремнеземы и др.) характерны преимущественные отрицательные заряды, с растворимыми ядрами (поваренная соль и др.) – положительные. При Н = 60–90% электризацию растворимых ядер можно интерпретировать в рамках диффузионно-кинетических моделей ионной зарядки аэрозолей. Значительные отрицательные объемные заряды, появляющиеся на нерастворимых гигроскопических ядрах при росте влажности с 40 до 70%, объясняются структурированием поверхностных пленок воды, которые проявляют сродство к отрицательным легким ионам. При высоких значениях Н > 90% необходимо учитывать сродство обводняющихся поверхностей к положительным легким ионам. Впервые показано, что при интенсивностях ионообразования 3 и 1010 пар ионов/(см3 с) различия в величинах объемного заряда и скоростях обводнения ядер конденсации оказались незначительными. Делается вывод, что во многих метеорологических ситуациях первым этапом электризации облачных сред конвективного происхождения является ионная зарядка ядер конденсации.

ГОЛИЦЫН Г. С. — 2010 г.

Рассматриваются проблемы возбуждения волн ветром на поверхности океана. Для этого привлекаются эмпирические законы разгона волн (fetch laws), устанавливающие изменения основных периодов и высот волн в зависимости от их разгона. Найдена связь разгона с физическим временем, а также зависимости от времени действия ветра основных характеристик волнения. Получено, что на рост высот волн, т.е. их энергии, идет порядка пяти процентов энергии ветра, диссипируемой в приводном слое воздуха, хотя эта величина зависит от возраста волн и показателя степени в законах разгона. С учетом оценок функций распределения вероятностей для ветра над Мировым океаном [11] найдено, что скорость диссипации энергии ветра в приводном слое порядка 1 Вт/м2. Расчеты волнения [19] для Мирового океана за 2007 г. позволили оценить средние значения характеристик цикла развития волнения и их сезонный ход. Анализ данных расчетов [19] показывает, что водной поверхности передается порядка 20% ветровой мощности. Остальные 80% тратятся на генерацию турбулентности в приводном слое. Около 2%, т.е. десятая часть передаваемой воде мощности, идет на генерацию турбулентности вследствие неустойчивости вертикального профиля скорости дрейфового течения Стокса и на диссипацию энергии в зонах прибоя. Из оставшихся 18% пять идет на непосредственный рост волн, а 13% расходуется на генерацию турбулентности в процессе обрушения волн и на мелкомасштабную часть спектра. Эти среднегодовые и среднеглобальные оценки испытывают сезонный ход с амплитудой порядка 20% в абсолютных значениях, но меньший – в относительных. В среднем за год высота волн оценена в 2.7 м, а их возраст величиной 1.17 согласно [19] и результатам этой работы.

БОНДУР В. Г., ГРЕБЕНЮК Ю. В., САБИНИН К. Д. — 2009 г.

По результатам анализа характеристик течений и температуры, измеренных в акватории б. Мамала (о. Оаху, Гавайи), исследованы основные свойства поля короткопериодных внутренних волн, которое отличается большой сложностью. Основное внимание уделено анализу спектральных характеристик и параметров орбит для волн с периодом 20 мин. По результатам исследований установлено, что в исследуемом районе наблюдаются два типа короткопериодных внутренних волн: достаточно интенсивные и быстрые волны, распространяющиеся преимущественно в океан, и более слабые и медленные волны, которые распространялись в основном к берегу. Высказано предположение о механизмах образования этих волн: быстрые и интенсивные волны, скорее всего, связаны с распадом локально генерируемых внутренних приливов, происходящим у края шельфов; медленные и слабые и очень короткие волны возбуждаются, по-видимому, в результате специфического взаимодействия пикноклина и сильных приливных течений над крутым склоном.

КОЗЛЕНКО С. С., МОХОВ И. И., СМИРНОВ Д. А. — 2009 г.

Проведено исследование взаимосвязи процессов в экваториальных широтах Тихого и Атлантического океанов на основе анализа причинности по Грейнджеру и моделирования фазовой динамики с использованием индексов Эль-Ниньо/Южного колебания (ЭНЮК) и экваториальной Атлантической моды (ЭАМ). В качестве индексов ЭНЮК и ЭАМ использовались данные для среднемесячной температуры поверхности океана за период 1870–2006 гг. в областях Nino-3 (5S–5N, 150W–90W) и Nino-3,4 (5S–5N, 170W–120W) в Тихом океане и Atlantic-3 (20W–0, 3S–3N) в Атлантическом океане. Отмечено статистически значимое влияние ЭАМ на ЭНЮК. Время инерционности этого воздействия оценено в 2 месяца. Значимого обратного воздействия не выявлено. Проявляется усиление влияния ЭАМ на ЭНЮК во второй половине ХХ века.

РЕУТОВ В. П., РЫБУШКИНА Г. В., ШАГАЛОВ С. В. — 2009 г.

Исследуется механизм формирования крупномасштабных вихревых структур в зональных струйных течениях (атмосферные блокинги, циклонические и антициклонические вихри). В приближении бета-плоскости рассмотрены нелинейные возмущения, возникающие при развитии баротропной неустойчивости длинноволновой моды в слабодиссипативных слабонадкритических струйных течениях с симметричным профилем скорости. Анализ проводится в рамках асимптотической теории, основанной на концепции нелинейного критического слоя. Выведены уравнения, описывающие взаимодействие волны с возмущениями завихренности в критическом слое. Отдельно рассмотрены режимы квазистационарного и нестационарного нелинейного критического слоя. Предложены составные эволюционные уравнения, охватывающие основные режимы развития неустойчивости. В рамках численного моделирования полученных уравнений доказано существование структур автоволнового типа, характеризующихся балансом между поступлением энергии к волне и ее диссипацией. Изучена зависимость параметров генерируемых автоволновых структур от формы профиля зональной струи и от уровня надкритичности течения.

2009

ДИАНСКИЙ Н. А., ЕЛИСЕЕВ А. В., МОХОВ И. И., МУРЫШЕВ К. Е. — 2009 г.

Подготовлена новая версия климатической модели (КМ) ИФА РАН с использованием океанической модели общей циркуляции вместо статистически-динамического блока океана в предыдущей версии. Пространственное разрешение нового океанического блока составляет 3° по широте и 5° по долготе с 25 неравномерно распределенными уровнями по глубине. В предыдущей версии океанического блока, как и в блоке атмосферы, горизонтальное разрешение составляло 4.5° широты и 6° долготы с четырьмя слоями по глубине (верхний квазиоднородный слой, сезонный термоклин, глубокий океан и слой придонного трения). Коррекция потоков тепла и импульса между атмосферой и океаном в новой версии КМ ИФА РАН не используется. Проведены численные эксперименты с КМ ИФА РАН при современных начальных и граничных условиях, а также при увеличении содержания углекислого газа в атмосфере. Основные модельные атмосферные и океанические поля достаточно хорошо согласуются с данными наблюдений. Равновесная температурная чувствительность новой версии КМ ИФА РАН к удвоению содержания углекислого газа в атмосфере составила 2.9 К. Это значение находится в середине диапазона оценок (2–4.5 К) по расчетам с современными климатическими моделями различной сложности.

ГРУЗДЕВ А. Н., ЕЛОХОВ А. С. — 2009 г.

Проведено сопоставление данных о содержании NO2 в вертикальном столбе атмосферы, полученных с помощью прибора OMI (Ozone Monitoring Instrument) с борта американского спутника EOS-Aura в период с октября 2004 г. по октябрь 2007 г. с результатами наземных измерений на Звенигородской научной станции (55.7° N, 36.8° E). Сравнение выполнено для “незагрязненной” части общего содержания NO2 в столбе атмосферы, представляющей главным образом стратосферу, и для значений содержания NO2 в вертикальном столбе тропосферы, включающем нижний слой, подверженный загрязнению. Коэффициент корреляции между результатами наземных и спутниковых измерений “незагрязненной” части общего содержания NO2 составляет 0.9. При этом значения содержания по результатам измерений с помощью прибора OMI в среднем на (0.30 ± 0.03) ? 1015 см-2, или на (11 ± 1)%, меньше, чем по результатам наземных измерений, при среднеквадратичном расхождении между спутниковыми и наземными данными 0.6 ? 1015 см-2. Содержание NO2 в вертикальном столбе тропосферы по результатам спутниковых измерений в среднем на (1.4 ± 0.5) ? 1015 см-2, или примерно на 35%, меньше, чем по результатам наземных измерений, а среднеквадратичное расхождение составляет около 200%. Коэффициент корреляции между этими данными 0.4. Причины значительного расхождения, по-видимому, заключаются в сильной пространственной (горизонтальной) неоднородности и временнoй изменчивости поля NO2 во время эпизодов загрязнения, что приводит к различным (и зачастую нескоррелированным) оценкам содержания NO2 в нижней тропосфере из-за разного пространственного разрешения при измерениях с поверхности Земли и со спутника.

МАХОТКИНА Е. Л., ПАНКРАТОВА Н. В., ПЛАХИНА И. Н. — 2009 г.

Обобщены результаты анализа вариаций оптической толщины вертикального столба атмосферы по тридцатилетним (1976–2006 гг.) рядам наблюдений российской актинометрической сети. Исследование выполнено на основе специализированной базы данных “Прозрачность атмосферы”, созданной в ГГО им. А.И. Воейкова на основе наблюдений, проводимых на актинометрических станциях Росгидромета. Выявлены общие закономерности пространственных изменений АОТ по территории России – монотонное убывание с юго-запада на северо-восток c очагами локализации районов с различной аэрозольной нагрузкой, обусловленные глобальными и региональными факторами ее формирования. Исследована пространственно-временнaя структура аномалий годовых значений АОТ в рассматриваемом временнoм интервале, включающем два крупных вулканических извержения: Эль-Чичон (1982 г.) и Пинатубо (1991 г.).

АРЕФЬЕВ В. Н., КАШИН Ф. В., СЕМЕНОВ В. К., СИНЯКОВ В. П. — 2009 г.

Представлены результаты анализа данных измерения в течение 25 лет общего содержания двуокиси азота в вертикальном столбе атмосферы сумеречным методом. Его средние месячные и годовые величины (средние арифметические утренних и вечерних) в целом выросли на 6, несмотря на имевшее место резкое уменьшение NO2 в 1991–1995 гг. вследствие извержения вулкана Пинатубо. Показатель линейного тренда составил 0.23% в год. Среднее годовое значение за весь период наблюдений равно (3.18 ± 0.05) ? 1015 мол/см2, а амплитуда сезонных вариаций – (2.39 ± 0.04) ? 1015 мол/см2. Спектральный анализ экспериментальных данных выявил составные колебания с периодами от 6 до 253 мес, величины которых не противоречат литературным данным. Большая часть этих колебаний – негармонические. Простая статистическая модель удовлетворительно описывает временные изменения средних месячных и годовых содержаний NO2 со средними квадратичными отклонениями 4 и 1% соответственно.

ГЛАЗУНОВ А. В. — 2009 г.

Представлена численная вихреразрешающая модель, предназначенная для расчета нестационарной трехмерной динамики несжимаемой жидкости или газа при очень больших числах Рейнольдса. В модели используется консервативная схема высокого порядка точности и смешанное локализованное замыкание динамического типа. Сравниваются различные подходы к построению динамического замыкания. Обсуждаются характерные особенности расчетов турбулентных течений с применением методологии вихреразрешающего моделирования.

ЯКОВЛЕВ Н. Г. — 2009 г.

Представленная работа завершает цикл исследований, проведенных с численной моделью невысокого пространственного разрешения, для области Северной Атлантики и Северного Ледовитого океана севернее 65° N, без учета Гудзонова залива по восстановлению среднемесячного состояния в период 1948–2002 гг. В работе дается подробное описание физической постановки задачи, используемых приближений и параметризаций, используемых параметров атмосферного и океанского внешнего воздействия. В целом автор следует требованиям протокола проекта сравнения моделей Северного Ледовитого океана (АОМIР). В работе анализируются основные среднемесячные характеристики: толщина льда, скорость дрейфа льда, толщина снега, скорость течений, температура и соленость, полученные как среднемноголетнее среднее за 1958–2002 гг. Отмечается хорошее воспроизведение характеристик морского льда: толщина льда, области распространения, сплоченности и скорости дрейфа. Так, средняя скорость дрейфа льда в течение года примерно 3.33 см/с, что согласуется с данными, полученными с дрейфующих буев, которые дают среднегодовую скорость дрейфа льда 3.65 см/с. Вместе с тем отмечаются проблемы с воспроизведением наблюдаемого распределения толщины снега. Благодаря использованию параметризаций горизонтальной турбулентности типа “эффекта Нептуна” и вихревого переноса скаляра удается сохранить циклоническую циркуляцию в слое атлантических вод, несмотря на то, что низкое пространственное разрешение не позволяет воспроизвести узкую топографическую струю явно. В заключении кратко обсуждаются основные нерешенные проблемы, прежде всего – проблема воспроизведения содержания пресной воды. Модель и ее дальнейшие версии будут использованы в проекте Европейской Комиссии DAMOCLES для оценки чувствительности Северного Ледовитого океана к параметрам внешнего форсинга и для исследования роли приливов в формировании климата СЛО.

ЯКОВЛЕВ Н. Г. — 2009 г.

Представлены результаты восстановления состояния ледового и снежного покровов Северного Ледовитого океана за период 1948–2002 гг., полученные с посмощью совместной модели циркуляции океана и эволюции морского льда. Рассматривается область Северной Атлантики и Северного Ледовитого океана к северу от 65° N, без учета Гудзонова залива. Aнализируются среднемесячные площади льда и площади области, занятой морским льдом. Тренды этих площадей рассчитываются отдельно по периодам 1970–1979, 1979–1990 и 1990–2002 гг. Наблюдается систематическое небольшое занижение моделью площади, занятой льдом. Оценка показывает, что такая ошибка соответствует ошибке в 100 км в определении положения кромки льда, т.е порядка разрешения модели. Отмечается, что летом модель не воспроизводит многочисленные полыньи, отмечаемые в наблюдениях: по данным наблюдений в центральной части СЛО сплоченность составляет порядка 0.8, модель дает порядка 0.99. Средний тренд за период 1960–2002 гг. составляет для области распространения льда –13 931 км2/год, или примерно 2% за декаду, площадь льда имеет тренд –17 643 км2/год, или 3% за декаду. Это примерно в 3 раза меньше данных, полученных со спутников. Рассчитанная толщина льда в конце зимы колеблется от 3.5 до 4.8 м, выделяются периоды толстого льда (60–70-е годы) и относительно тонкого льда (80-е годы), начиная с 1995 г. толщина льда быстро уменьшается. Максимальное накопление льда отмечается в 1977 и 1988 г, при этом средний тренд отрицательный –121 км3/год (или 5.5% за декаду). В 1996–2002 гг. среднее изменение толщины льда составило +1.7 см/год. Это говорит о том, что в это время шло относительно быстрое исчезновение тонких фракций льда. Модель дает также некоторое снижение массы снега с трендом –2.5 км3/год (это примерно 0.35 мм снега в год, или 0.1 мм жидкой воды в год). Анализ среднемесячной скорости дрейфа льда говорит о хорошем качестве модели. Приводятся данные по средней скорости дрейфа и сравнение результатов расчетов со спутниковыми данными в конкретные месяцы. Сравнение с данными наблюдений за 1990–1996 гг. в проливе Фрама показывает, что модель дает среднюю за период толщину льда 3.28 м против примерно 3.26 м. За тот же период модель дает среднемесячный перенос 291.29 км3, в сравнении с 237.17 км3, полученными по наблюдениям. Сравнение измеренных и рассчитанных скоростей дрейфа в проливе Фрама показывает, что модель дает среднюю скорость дрейфа порядка 9.78 см/с, что сравнимо с измеренными 10.2 см/с. Отмечаются проблемы с описанием перераспределения льда по градациям толщины, что иллюстрируется сравнением с данными по толщине льда в проливе Фрама.

ВИШЕРАТИН К. Н., МАКАРОВА М. В., ПОБЕРОВСКИЙ А. В., ПОЛЯКОВ А. В. — 2009 г.

Представлены результаты измерений содержания метана во всей толще атмосферы в районе Санкт-Петербурга за период 1991–2007 гг. Показано, что средний годовой ход общего содержания (ОС) метана за этот период характеризуется максимальными значениями в декабре–январе и минимальными в июне–августе при амплитуде годового хода 3.6. При этом годовые изменения ОС метана для отдельных лет могут существенно отличаться от полученного среднего годового хода. Статистически значимого линейного тренда ОС СН4 за период 1991–2007 гг. не выявлено. Полученные оценки показателя линейного тренда имеют противоположные знаки для зимних и летних месяцев (положительный для января 0.6 ± 0.2%/год и февраля 0.4 ± 0.2%/год и отрицательные для июля 0.3 ± 0.2%/год и августа 0.2 ± 0.1%/год), что свидетельствует о тенденции увеличения амплитуды годового хода ОС СН4. Проведенный спектральный анализ ряда общего содержания СН4 показал, что для периода 1991–2007 гг. с достоверностью 95% выделяются следующие гармоники: 12 мес (годовая гармоника), 32 мес (квадидвухлетние осцилляции), 55 мес (4.5 года), которые проявляются также в рядах метеорологических величин и общего содержания озона.

ПРОХОРОВ В. Е., ЧАШЕЧКИН Ю. Д. — 2009 г.

Экспериментально исследуется акустический способ возбуждения поверхностных волн с помощью подводного источника высокочастотного (950 кГц) звука. Поверхностные волны возбуждаются на частоте модуляции (3–55 Гц) звукового пучка. При нормальном падении на свободную поверхность модулированный звуковой пучок эффективно генерирует волны в гравитационно-капиллярном диапазоне. При этом обеспечивается гибкая электронная регилировка основных параметров волн (частоты, амплитуды) в пакетном и непрервыных режимах. Получены амплитудно-частотные характеристики процесса генерации поверхностных волн – расчетная (на основе уравнений для скорости акустического течения и распространения гравитационно-капиллярных поверхностных волн) и экспериментальная (по измерениям волнения оптическим и контактным методами). Обе характеристики хорошо согласуются: на фоне одинакового монотонного затухания с частотой они имеют локальный провал в окрестности минимума фазовой скорости и осцилляции в области частот свыше 20 Гц. Эксперименты по возбуждению волновых пакетов одиночными акустическими посылками различной длительности и мощности, а также падающими каплями воды показали, что во всех случаях фазовые характеристики удовлетворительно согласуются между собой, при этом время прихода сигнала в точку измерения определяется групповой скоростью.

БЕКОРЮКОВ В. И., ГЛАЗКОВ В. Н., КОКИН Г. А. — 2009 г.

По данным наземной мировой озонометрической сети за 1964–2006 гг. построены среднемесячные значения глобального (осреднение по поверхности Земли) общего содержания озона (ГО). Рассчитаны тренды. Обнаружена очень сильная связь ГО с солнечной активностью, в частности, c индексом F10.7, значительно превосходящая связь солнечной активности с другими метеорологическими параметрами. Неожиданно сильное уменьшение ГО наблюдающееся с середины 70-х до середины 90-х годов не может быть объяснено только антропогенным влиянием.

А ИСАКОВ А., ГРУЗДЕВ А. Н. — 2009 г.

требует специальных исследований, в том числе исследований состава аэрозоля. ми масштабами, то, как правило, вариации М на несколько суток запаздывают относительно вариаций . Изучение механизмов связи между параметрами М и требует специальных исследований, в том числе исследований состава аэрозоля.

ВИВЧАР А. В., МОИСЕЕНКО К. Б., СКОРОХОД А. И., ШУМСКИЙ Р. А. — 2009 г.

На основе данных измерений приземных концентраций NO и NO2 на фоновой наблюдательной станции Зотино (60°26 N, 89°24 Е, Красноярский край) рассмотрена задача об идентификации климатически значимых региональных антропогенных источников атмосферных эмиссий и оценке их вклада в наблюдаемую изменчивость окислов азота на станции мониторинга. Используемый подход основан на оценке условной вероятности прихода загрязненного воздуха из отдельных областей по результатам расчетов обратных лагранжевых траекторий в нижней тропосфере. Для эпизодов высоких концентраций окислов азота (>0.7 млрд.-1) установлен преобладающий вклад воздушной массы, приходящей из промышленных районов юга Красноярского края, по сравнению с городами юга Западной Сибири, влияние которых в целом невелико. Полученные результаты свидетельствуют о существенном влиянии антропогенных источников загрязнений на баланс малых газовых компонент в нижней тропосфере в региональном масштабе и необходимости учета данного фактора при анализе и интерпретации данных наблюдений на фоновой станции Зотино.

ЯРОШЕВИЧ М. И. — 2009 г.