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

АРЖАНОВ М. М., ДЕМЧЕНКО П. Ф., ЕЛИСЕЕВ А. В., МОХОВ И. И. — 2009 г.

Проведены оценки будущих изменений климата внетропических регионов суши Северного полушария с помощью климатической модели промежуточной сложности КМ ИФА РАН (включающей в себя детальную схему термо- и гидрофизических процессов почвы) при задании парникового и сульфатного антропогенного воздействия по данным наблюдений для XIX–XX веков и по сценариям SRES B1, A1B и A2 для XXI века. Получено, что среднегодовое потепление поверхности почвы вне тропиков достигает 2–5 К (3–10 K) в зависимости от сценария антропогенного воздействия к середине (концу) XXI века относительно 1961–1990 гг. с бoльшими значениями в Северной Америке, чем в Евразии. Потепление зимой сильнее, чем летом, что выражается в уменьшении амплитуды годовой гармоники температуры поверхности почвы на 1–4 K (и больше) в средних и высоких широтах Евразии и Северной Америки. Общая площадь распространения многолетнемерзлых грунтов Sp в КМ ИФА РАН мало меняется вплоть до конца XX века, составляя около 21 млн. км2, а затем сокращается до 11–12 млн. км2 в 2036–2065 гг. и до 4–8 млн. км2 в 2071–2100 гг. В конце XXI века вечная мерзлота остается только в Тибете и в центральной и восточной Сибири. В указанных регионах глубины сезонного протаивания при этом превышают 1 м (2 м) при сценарии SRES B1 (A1B или A2). Суммарная площадь суши, где отмечается сезонное протаивание или промерзание, уменьшается от современного значения 54–55 млн. км2 до 38–42 млн. км2 в конце XXI века. Площадь снежного покрова Северного полушария в феврале также сокращается от современного значения 45–49 млн. км2 до 31–37 млн. км2. Для бассейнов крупнейших рек внетропических широт Северного полушария отмечается рост стока в центральной и восточной Сибири. На европейской части России и в южной Европе речной сток уменьшается. Для западной Сибири (водосбор Оби) сток растет при сценариях SRES A1B и A2 вплоть до 2050–2070-х гг., а затем уменьшается до значений, близких к современным; при сценарии антропогенного воздействия SRES B1 рост стока продолжается вплоть до конца XXI века. Общий сток рек Евразии в Северный Ледовитый океан в КМ ИФА РАН в XXI веке возрастает на 8–9% в зависимости от сценария. Сток рек Северной Америки в Северный ледовитый океан существенно не меняется на протяжении численного экспериментов с КМ ИФА РАН.

АЛЕКСЕЕВ Г. В., ДАНИЛОВ А. И., ИВАНОВ Н. Е., КАТЦОВ В. М., КУЗЬМИНА С. И. — 2009 г.

Сокращение площади, занимаемой морскими льдами в Северном полушарии, ускорилось в конце 1990-х годов, когда стали отмечаться последовательно рекордные минимумы летней площади с абсолютным минимумом в сентябре 2007 г. Столь радикальное сокращение опережает проекции глобальных моделей и вызывает интерес к достоверности модельных расчетов будущего морских арктических льдов. В статье приводятся результаты анализа связи между потеплением в Арктике и сокращением площади льдов по данным наблюдений и моделирования ансамблем глобальных моделей климата.

КИСТОВИЧ А. В., ЧАШЕЧКИН Ю. Д. — 2009 г.

Система уравнений движения, описывающих распространение гравитационных волн в слое тяжелой идеальной жидкости, преобразована в новое нелинейное интегральное уравнение для возвышений свободной поверхности. В предельных случаях полученное интегральное уравнение описывает линейные и нелинейные периодические, а также известные типы уединенных волн. При этом дисперсионное уравнение возникает в результате пренебрежения возмущениями второго и более высокого порядка малости. Интегральное уравнение допускает распространение неизменных поверхностных возмущений произвольной формы, если их пространственный спектр сосредоточен вблизи малых (по сравнению с обратной амплитудой волны) значений волновых чисел. Приведены некоторые примеры решений.

ГОЛУБЕВА Е. Н., КРУПЧАТНИКОВ В. Н., КРЫЛОВА А. И., КУЗИН В. И., МАРТЫНОВА Ю. В., ПЛАТОВ Г. А. — 2009 г.

Работа посвящена исследованию динамики климата и гидрологии поверхности Северной Евразии в условиях изменения глобального климата на основе совместных моделей общей циркуляции атмосферы и океана. Делается оценка и анализ обратных связей для некоторых параметров атмосферы и гидрологии поверхности. Исследуется роль биосферы в динамике климата XXI века, в состав которой входят приземный слой, растительный слой, почва и гидросфера. Исследуются особенности динамики морей Северной Атлантики в периоды, соответствующие различным фазам индекса Северо-Атлантических колебаний (САК).

ТЕПТИН Г. М., ХУТОРОВА О. Г. — 2009 г.

Представлены результаты экспериментальных исследований мезомасштабных процессов в приземном слое на основе данных многолетних синхронных ежеминутных измерений атмосферных параметров и примесей сетью из пяти станций, разнесенных на расстоянии от 1 до 6 км. Синхронно измерялись концентрации диоксида серы, окиси углерода, окиси и двуокиси азота, массовая концентрация аэрозоля, температура, давление, скорость и направление ветра, относительная влажность. Получены поляризационные соотношения вариаций всех измеряемых параметров для различных периодов и длин волн. Обнаружена зависимость азимутов распространения мезомасштабных волн в зависимости от скорости среднего ветра. Показано, что зависимость плотности упругой и горизонтальной энергии мезомасштабных волн существенно различны для разных масштабов.

АРТАМОНОВА М. С., ГРАНБЕРГ И. Г., КАЛЛИСТРАТОВА М. А., КРАМАР В. Ф., КУЗНЕЦОВ Д. Д., КУЗНЕЦОВ Р. Д., КУЛИЧКОВ С. Н., ПЕРЕПЕЛКИН В. Г., ПЕРЕПЕЛКИН Д. В., ПОГАРСКИЙ Ф. А., ЧХЕТИАНИ О. Г. — 2009 г.

Исследования, проведенные в 1991–2004 гг. ИФА им. А.М. Обухова РАН и НИФХИ им. Л.Я. Карпова, позволили получить информацию о структуре приземного (до 20 м), подынверсионного и инверсионного слоев до 800 м – 1 км, где происходит вынос аридного аэрозоля. Одной из главных задач экспедиции 2007 г. состояла в регистрации пространственно-вихревых структур в слое 30–700 м, которые непосредственно обеспечивают вынос и дальний перенос тонкодисперсного (<5 мкм) пустынного аэрозоля. В работе описана постановка и представлены некоторые результаты эксперимента по дистанционному зондированию атмосферного пограничного слоя системой содаров во время проведения эксперимента “Хар-Гзыр–2007” (“Черные Земли–2007”) по исследованию конвективного выноса аридного аэрозоля с опустыненных земель. Система содаров, предназначенная для изучения пространственной структуры когерентных вихревых структур, состояла из трех идентичных минисодаров (несущая частота 3.8 кГц), разнесенных по углам треугольника со сторонами около 3.5 км, и одного содара (несущая частота 1.7 кГц). Определялись вертикальные профили трех компонент скорости ветра и характеристик температурных флуктуаций. Описана процедура идентификации вихревых когерентных структур. Приведены оценки величины вариаций вертикальной и горизонтальных компонент скорости ветра, а также масштабов, характерных для таких структур.

ЕЛАНСКИЙ Н. Ф. — 2009 г.

Данный обзор содержит наиболее значимые результаты работ в области исследований атмосферного озона, выполненные в 2003–2006 гг. Он является частью Национального отчета России по метеорологии и атмосферным наукам, подготовленного для Международной ассоциации по метеорологии и атмосферным наукам (IAMAS). Отчет был рассмотрен и одобрен на XXIV Генеральной ассамблее Международного геодезического и геофизического союза (IUGG).

БЕРЕЗИНА Е. В., ЕЛАНСКИЙ Н. Ф. — 2009 г.

из почвы в атмосферу для различных регионов России. х вариаций концентрации 222Rn в приземном слое атмосферы над континентальной территорией России по данным экспедиций TROICA (Transcontinental Observations Into the Chemistry of the Atmosphere). Измерения проводились с передвижной лаборатории, передвигавшейся в составе пассажирских поездов по Транссибирской железнодорожной магистрали от Москвы до Владивостока. Определены факторы, влияющие на пространственное распределение, суточный ход и сезонные вариации концентрации 222Rn в приземном воздухе: вертикальная устойчивость атмосферы, геологические особенности исследуемой территории, атмосферные осадки. Проанализировано влияние температурных инверсий на процесс накопления 222Rn в приземном слое атмосферы. Выполнены оценки потоков 222Rn из почвы в атмосферу для различных регионов России.

ИНГЕЛЬ Л. Х., КАЛАШНИК М. В., КАХИАНИ В. О., ПАТАРАШВИЛИ К. И., ЦАКАДЗЕ С. Д. — 2009 г.

Представлены результаты лабораторного моделирования процесса геострофического приспособления в слое мелкой воды во вращающемся параболоиде. В соответствии с теорией Россби-Обухова, во вращающейся жидкости этот процесс приводит к возбуждению нестационарного волнового и стационарного вихревого (геострофического) компонентов движения. В выполненных экспериментах волновой и вихревой компоненты возбуждались путем извлечения их центральной части параболоида предварительно погруженной полусферы (создавалась неоднородность начального распределения глубины жидкости). При таком способе возбуждения в центральной части формируется ярко выраженный циклонический вихрь, структура которого удовлетворительно описывается линейной теорией адаптации. Наряду с экспериментами на мелкой воде, проанализированы описанные в литературе эксперименты по моделированию процесса геострофического приспособления в двухслойной системе. Построено простое аналитическое решение соответствующей задачи теории приспособления, которое хорошо согласуется с экспериментом.

ЕРМАКОВА О. С., МАЛЬКОВ Ю. А., СЕРГЕЕВ Д. А., ТРОИЦКАЯ Ю. И. — 2009 г.

Проведено экспериментальное исследование перемешивания, вызванного стоячими поверхностными волнами в жидкости. Показано, что основным механизмом, приводящим к возникновению перемешивания, являются средние течения, генерируемые стоячими волнами. Режим таких течений сильно зависит от амплитуды поверхностных волн. Для волн с амплитудами, близкими к критическим, наблюдается интенсивная турбулизация средних течений. Получены картины среднего поля скорости с помощью использования техники Particle Imaging Velocimetry для различных амплитуд поверхностных волн. Полученные результаты могут быть использованы для оценки перемешивания в приповерхностном слое океана.

КАЛАШНИК М. В. — 2009 г.

В рамках квазигеострофического приближения исследована задача об устойчивости течения стратифицированной вращающейся жидкости с постоянными вертикальным и горизонтальным сдвигами. Показано, что учет горизонтального сдвига приводит к качественному изменению динамики волн Иди – волновых решений с нулевой потенциальной завихренностью. Основная особенность связана с эффектом врeменного экспоненциального роста неустойчивых волн, т.е. роста на конечном временнoм промежутке. Этот эффект проявляется в чередовании стадий гладкого осциллирующего проведения (во времени) со стадиями экспоненциального (взрывного) роста конечной продолжительности. Дана кинематическая интерпретация эффекта врeменного экспоненциального роста, связанная с прохождением зависящего от времени волнового вектора возмущения через область экспоненциальной неустойчивости, существующей в отсутствие горизонтального сдвига. Наряду с динамикой отдельных волн Иди, исследован также процесс генерации этих волн начальным возмущением, заданным одной пространственной фурье-гармоникой. Показано, что этот процесс сопровождается возбуждением немодальных волн с изменяющимися во времени горизонтальным и вертикальным волновыми числами и потенциальной завихренностью, отличной от нуля. Взаимодействие немодальной волны с фоновым потоком приводит к алгебраическому росту волны Иди на начальной стадии циклогенеза.

ЛЫКОСОВ В. Н., МАЧУЛЬСКАЯ Е. Е. — 2009 г.

В работе с помощью одномерной модели тепловлагопереноса в почве и взаимодействия ее с атмосферой проведен анализ основных факторов, определяющих тепловой режим грунтов, характерный для холодных регионов. На основе численных экспериментов с глобальной моделью общей циркуляции атмосферы исследовано влияние этих факторов на состояние многолетней мерзлоты и современного климата в целом. Показано, что уменьшение коэффициента теплопроводности верхнего слоя почвы, который можно интерпретировать как слой неразложившихся растительных остатков и мха, приводит к значительному увеличению площади, занятой многолетней мерзлотой. Введение зависимости коэффициента теплопроводности от фазового состояния воды в грунте также увеличивает площадь, занятую многолетней мерзлотой, и уменьшает глубину слоя ее сезонного протаивания на этой территории. Установлено также, что чем больше относительное количество воды, которое может находиться в грунте в переохлажденном состоянии, тем выше его температура, больше глубина деятельного слоя и меньше площадь, занятая многолетнемерзлыми породами.

ПРОКОПОВ О. И. — 2009 г.

Рассматривается схема выделения фактических сезонов в границах замкнутого годового цикла. Зимняя и летняя модификации фактических сезонов, или базовые периоды, выделяются по положению на календарной шкале года трехмесячных интервалов с экстремальными, в границах годового цикла, значения средней температуры. Весенняя и осенняя модификации сезонов вводятся как промежутки между базовыми периодами. Эта модель более гибко, чем стандартная процедура деления годового цикла на сезоны, учитывает эпизоды воздействия на структуру вод Черного моря относительно холодных или теплых воздушных потоков. В рамках альтернативной модели сезоны приобретают свойства, нехарактерные для их календарных аналогов.

ЗАПЕВАЛОВ А. С. — 2009 г.

Анализируется влияние более длинных, чем брегговские компоненты, морских поверхностных волн на обратное рассеяние радиоизлучения сантиметрового диапазона. Анализ проводится на основе данных прямых натурных измерений уклонов морской поверхности. Рассмотрена ситуация, когда длинными по отношению к брегговским составляющим являются волны длиной более 10 см. Получены численные оценки увеличения сечения обратного рассеяния для зондирования на горизонтальной и вертикальной поляризации, обусловленного присутствием длинных волн. Нелинейные эффекты в поле поверхностных волн, следствием которых является отклонение распределения уклонов морской поверхности от распределения Гаусса, приводят к изменению сечения обратного рассеяния. При угле зондирования 35° изменение может достигать 15% по сравнению с рассчитанным для гауссовой поверхности.

АЛОЯН А. Е. — 2009 г.

Рассматривается гидродинамическая модель региональных атмосферных процессов для воспроизведения атмосферной циркуляции при лесных пожарах. Для моделирования динамики используется усовершенствованная модель свободной конвекции с учетом выбросов теплового потока из зоны горения. На фоне формировавшихся течений рассматривается задача эволюции и формирования спектров аэрозольных частиц выбросами лесных горючих материалов из зоны горения. Эволюция спектров сажевых частиц описывается на основе решения кинетических уравнений конденсации и коагуляции. Приводятся результаты численных расчетов развития процесса с учетом конденсации водяного пара во влажной атмосфере.

ВОЛОДИН Е. М., ДЫМНИКОВ В. П., КУЛЯМИН Д. В. — 2009 г.

В работе рассмотрена проблема моделирования квазидвухлетних колебаний (КДК) зональной скорости в экваториальной стратосфере в моделях общей циркуляции атмосферы. В соответствии с результатами первой части работы на основе моделей, разработанных в ИВМ РАН, исследована возможность реализации в них механизмов возбуждения КДК от взаимодействия планетарных волн со средним течением и обрушения коротких гравитационных волн. Создана новая версия модели ИВМ РАН 2° ? 2.5° ? 80 с высоким вертикальным разрешением, кратко описано воспроизведение климата двумя версиями модели ИВМ РАН 2° ? 2.5° ? 39 и 2° ? 2.5° ? 80, приведены результаты спектрального анализа волновой активности на экваторе и подробно исследованы процессы формирования КДК в этих моделях. Для новой модели 2° ? 2.5° ? 80 получены реалистичные КДК зонального ветра как результат действия обоих механизмов.

ЗАЛЕСНЫЙ В. Б., ТАМСАЛУ Р. — 2009 г.

Представляется математическая модель FRESCO (Finish Russian Estonian Cooperation), описывающая морскую гидроэкосистему. Методология численного решения основана на методе многокомпонентного расщепления по физическим и биологическим процессам, пространственным координатам и т.д. Модель используется для воспроизведения физико-биологических процессов в Балтийском море. Численные эксперименты проводятся для четырех вложенных друг в друга морских бассейна с разным пространственным разрешением: Балтийского моря, Финского залива, акватории Таллинн – Хельсинки и Таллиннского залива. Физические процессы описываются уравнениями негидростатической динамики и включают k – параметризацию турбулентности. Биологические процессы описываются трехмерными уравнениями водной экосистемы с использованием размерно-зависимой параметризации биохимических реакций. Основная цель данного исследования – проиллюстрировать эффективность разработанной численной техники и продемонстрировать важность высокого пространственного разрешения для водных бассейнов со сложным рельефом дна, каким является Балтийское море. Детализация атмосферного воздействия, топографии дна и береговой линии очень важна для описания прибрежной динамики и особенностей морской экосистемы. Эксперименты показывают, что пространственная неоднородность полей гидро-экосистемы вызывается совместным эффектом апвеллинга, турбулентного перемешивания, разрушения поверхностных волн и температурных изменений, влияющих на биохимические реакции.

АНИКИН П. П., ГОРЧАКОВА И. А., РОМАШОВА Е. В., СВИРИДЕНКОВ М. А., ТАРАСОВА Т. А. — 2009 г.

Проведены расчеты потока солнечного излучения на поверхности и аэрозольного радиационного форсинга для безоблачных периодов наблюдений на ЗНС летом 2004, 2005 гг. Были использованы пять моделей оптических параметров аэрозоля: стандартная модель континентального аэрозоля, полуэмпирическая модель, полученная по данным измерений, и три модели, полученные из расчетов по теории рассеяния Ми для среднего распределения аэрозольных частиц по размерам, восстановленного из ореольных измерений. Исследование чувствительности потока и форсинга к выбору модели аэрозоля показало, что относительная погрешность, связанная с выбором модели, невелика в падающем потоке (<5%) и достигает 120% в аэрозольном форсинге на верхней границе атмосферы. Величина аэрозольного радиационного форсинга на верхней границе атмосферы по результатам наших расчетов изменяется в диапазоне от –15 до –2 Вт/м2. Наличие данных о значениях альбедо однократного рассеяния и фактора асимметрии индикатрисы рассеяния на длине волны 550 нм для каждого периода наблюдений и учет этих параметров в радиационных расчетах позволяет существенно уточнить величину аэрозольного радиационного форсинга по сравнению с использованием в расчетах средних значений этих параметров за все периоды. Еще более точное определение величины аэрозольного радиационного форсинга возможно только при наличии данных о распределении азрозольных частиц по размерам и их химическом составе для конкретной анализируемой ситуации. В результате проведенного исследования чувствительности для использования в радиационных расчетах предлагаются две модели оптических параметров фонового аэрозоля: полуэмпирическая модель и средняя модель, полученная из расчетов по теории рассеяния. Обе модели используют значения альбедо однократного рассеяния и фактора асимметрии на длине волны 550 нм, восстановленные из измерений для каждого периода наблюдения.

ЕГОРОВА Т. А., КАРОЛЬ И. Л., ОЗОЛИН Ю. Э., РОЗАНОВ Е. В. — 2009 г.

Представлена одномерная ионно-фотохимическая модель газового состава атмосферы, описывающая образование D-слоя ионосферы. На основе этой модели проведены расчеты вертикальных профилей концентрации электронов и ионов в D-слое ионосферы, а также вертикальные распределения малых газовых составляющих атмосферы до высоты 86 км для невозмущенных условий и после мощной солнечной протонной вспышки (СПВ) в конце октября 2003 г. Расчеты показали, что СПВ приводят к значительному увеличению NOX в мезосфере полярных широт. В нижней мезосфере полярных шапок отношение смеси NOX возрастает на 20–50 млрд-1, а в верхней на 100 млрд-1 и более. Высокие уровни NOX в зонах образования могут сохраняться в течение нескольких недель, производя при этом долгосрочное, но сравнительно небольшое уменьшение озона в нижней мезосфере. Основное уменьшение озона вызвано краткосрочным возрастанием HOX после СПВ и также имеет кратковременный характер в условиях освещенной мезосферы. После СПВ в октябре 2003 г. модельные расчеты дают уменьшение концентрации озона на 40% в средней и верхней мезосфере на 75° S и на 70% на тех же высотах на 70° N. Результаты моделирования изменений NOX и O3 после СПВ в октябре 2003 г. хорошо согласуются с данными спутниковых измерений. Проведено сравнение изменений малых газов мезосферы после СПВ, рассчитанных по модели с параметризованными источниками HOX и NOX с изменениями, полученными в полной ионно-фотохимической модели. Довольно хорошее совпадение получается для изменений HOX, NOX и O3, а для ClO имеется заметное расхождение, особенно в нижней мезосфере. Так, на высоте около 60 км параметризованная фотохимическая модель вдвое занижает образование ClO после СПВ.

ЕЛИСЕЕВ А. В., МОХОВ И. И. — 2009 г.

С использованием климатической модели промежуточной сложности Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (КМ ИФА РАН) проведены ансамблевые численные эксперименты для оценки эффективности контролируемого воздействия на климат (геоинжиниринга) за счет эмиссий стратосферных сульфатных аэрозолей (ССА), компенсирующего глобальное потепление, развивающееся при сценарии антропогенного воздействия SRES A1B. При достаточно интенсивном компенсирующем воздействии в модели возможна полная (и даже избыточная) компенсация ожидаемого антропогенного потепления. Однако для членов ансамбля со значениями управляющих параметров, соответствующими полученным для извержения Пинатубо, глобальное потепление во второй половине XXI века замедляется не более чем на 0.46 K с остаточным ростом глобальной приповерхностной температуры Tg относительно 1961–1990 гг., равным 1.0–1.2 K к 2050 г. и 1.9–2.2 K к 2100 г. Наибольшее замедление глобального потепления (при заданных других параметрах численного эксперимента) отмечается не для для меридионального распределения концентрации ССА c максимумом в низких широтах (несмотря на наибольший по модулю глобальный компенсирующий мгновенный радиационный форсинг), а для однородного распределения таких аэрозолей по горизонтали и для распределения с максимумом концентрации ССА в средних и субполярных широтах Северного полушария. Различие эффективности компенсирующего воздействия в терминах Tg во второй половине XXI века между наиболее и наименее эффективным меридиональным распределением стратосферных аэрозолей различается до трети в завиcимости от значения других управляющих параметров. Для меридиональных распределений концентрации ССА, характеризующихся наибольшим замедлением глобального потепления, регионально такое замедление проявляется в наибольшей степени над сушей высоких и субполярных широт и в Арктике. Это, в частности, выражается в наименьшем сокращении площади морского льда и площади распространения вечной мерзлоты при потеплении климата в модели. Компенсирующее воздействие также уменьшает общий рост глобальных годовых осадков Pg при потеплении. Относительное уменьшение роста осадков в наибольшей степени проявляется в регионах суши вне тропиков, для которых в настоящее время наблюдается заметный дефицит увлажнения. В первое–второе десятилетия после возможного прекращения компенсирующего воздействия его температурный эффект исчезает с резким ускорением глобального и регионального приповерхностного потепления в этот период. Для отдельных членов проведенного ансамблевого эксперимента изменение глобальной температуры в этот период в пять раз больше, чем в эксперименте без компенсирующего воздействия, а регионально (на северо-востоке Сибири) – в десять раз.