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

КРУПЧАТНИКОВ В. Н., ЛЫКОСОВ В. Н. — 2009 г.

Представлен краткий обзор результатов исследований российских ученых, выполненных в области динамической метеорологии в 2003–2006 гг. Обзор основан на материале, подготовленном Комиссией по динамической метеорологии Национального геофизического комитета РАН и включенном в общий информационный отчет Секции метеорологии и атмосферных наук на XXIV Генеральной ассамблее Международного союза геодезии и геофизики.

РОМАНОВ Н. П. — 2009 г.

Для зависимости давления насыщенных паров жидкой воды Е от температуры вместо обычно используемой в настоящее время аппроксимационной формулы вида ln(E(t)/E(0)) = [(a – bt)t/(c + T)] предложена новая, значительно превосходящая по точности аппроксимационная формула вида ln(E(t)/E(0)) = [(A Bt + Ct2)t/T], где t и T – температура в °С и К соответственно. Для этой формулы с параметрами А = 19.846, В = 8.97 ? 10-3, С = 1.248 ? 10-5 и Е(0) = 6.1121 гПа при температурной шкале ITS-90 для диапазона температур от 0 до 110°С относительная разность аппроксимации 6-ти параметрической формулой У. Вагнера (W. Wagner) и А. Пруса (A. Pru?) 2002 г., разработанной для положительных температур, не превышает 0.005%, что примерно в 15 раз меньше достижимой с использованием формулы первого вида. С увеличением диапазона температур относительная разность увеличивается, но и для диапазона температур от 0 до 220°С она не превышает 0.1%. Для отрицательных температур относительная разность нашей формулы с формулой Д.М. Мерфи (D.M. Murphy) и Т. Купа (T. Koop) 2005 г. не превышает 0.1% при температурах выше –25°С. В работе приводятся также значения коэффициентов для аппроксимации рекомендованной ВМО формулы Гоффа-Грача. Процедура получения точки росы Тр по известному значению давления паров воды еn на основании нашей формулы сводится к решению алгебраического уравнения третьей степени, коэффициенты которого приводятся в данной работе. Для упрощения этой процедуры в работе предложено аппроксимационное соотношение с использованием приведенного выше коэффициента А, имеющее вид Tp(en) = +0.08662 + 0.011610/3, где = ln(en/E(T0)). Это соотношение имеет погрешность восстановления точки росы не более 0.005 К в диапазоне температур от 0 до 50°С.

БРЕУС Т. К., ЗАСОВА Л. В., ИВАНОВ А. Ю., ИГНАТЬЕВ Н. И., ИЗАКОВ М. Н., КОРАБЛЕВ О. И., КРИВОЛУЦКИЙ А. А., МАЙОРОВ Б. C., ПЕТРОВА Е. В., РОДИН А. В., ТРОХИМОВСКИЙ А. Ю., ФЕДОРОВА А. А. — 2009 г.

Представлен обзор результатов российских исследований планетных атмосфер в 2003–2006 гг., подготовленный в Комиссии по планетным атмосферам Национального геофизического комитета для Национального отчета по метеорологии и атмосферным наукам к XXIV Генеральной ассамблее Международного союза геодезии и геофизики (г. Перуджа, 2–13 июля 2007 г.).

СИТНОВ С. А. — 2009 г.

Анализ данных высокоширотных канадских станций баллонного зондирования озона, показывает, что в максимуме 11-летнего цикла солнечной активности (СА) содержание озона в нижней стратосфере выше, чем в минимуме СА, кроме того в максимуме СА нижняя стратосфера теплее, а тропосфера холоднее, чем в минимуме. Отклики озона и температуры на экваториальную квазидвухлетнюю цикличность (КДЦ), проявляющиеся в противоположных фазах 11-летнего цикла СА также обнаруживают существенные различия: в максимуме СА эффекты КДЦ в озоне и температуре охватывают больший диапазон высот, максимумы эффектов обнаруживаются на 5–10 км выше, а их амплитуды превышают амплитуды эффектов в минимуме СА. Полученные результаты свидетельствуют, что КДЦ является одним из “проводников” влияния 11-летнего цикла СА в канадском секторе Арктики.

ЕВТУШЕНКО А. А., МАРЕЕВ Е. А. — 2009 г.

Предложена и численно проанализирована в одномерном приближении система уравнений квазигидродинамики для электрического поля, зарядов и концентраций облачных частиц и легких аэронов воздуха в стратифицированной области мезомасштабных конвективных систем. В рамках предложенной системы уравнений рассмотрена электризация тающих гидрометеоров вблизи нулевой изотермы. Установлена важная роль слоев экранирующего заряда, обусловленного легкими ионами. Показано, что как неиндукционная, так и индукционная зарядка частиц, связанная с таянием, при соответствующих аэродинамических условиях может приводить к образованию узкого интенсивного слоя положительного заряда вблизи нулевой изотермы, причем особое значение имеет высота, на которой вертикальная компонента скорости меняет знак, по отношению к высоте нулевой изотермы. С учетом индукционного механизма зарядки и реальной структуры скорости восходящего потока за время около 30 минут формируется распределение зарядов и напряженности поля (с максимумом порядка 100 кВ/м), описывающее наблюдаемые в экспериментах профили. Учет поляризации тающих агрегатов и капель воды в электрическом поле при прилипании к ним аэроионов приводит к снижению скорости генерации слоев электрического заряда. Таким образом, полученные решения описывают структуру и динамику пространственно разделенных областей электрического заряда в стратифицированной области и позволяют дать удовлетворительное объяснение экспериментальным данным. Результаты важны для объяснения аномально высокой молниевой активности мезомасштабных конвективных систем, их роли в инициации в средней атмосфере и поддержании квазистационарного состояния глобальной электрической цепи.

КАРНАУХОВ А. С., НОВОТРЯСОВ В. В. — 2009 г.

В работе с использованием инструментальных измерений течения в прибрежной зоне Японского моря исследуется нелинейное взаимодействие внутренних волн приливного периода с низкочастотным внутренним волнением синоптического масштаба. В ходе спектрального анализа данных инструментальных измерений обнаружено, что максимум в спектре кинетической энергии прибрежных вод в окрестности полусуточной частоты 0 окружен максимумами-сателлитами, частоты которых удовлетворяют соотношению s = 0 ± , где – характерная частота внутреннего волнения синоптического масштаба. Аналогичную стуктуру в окрестности 0, а также ее 1-й и 2-й гармоник имеет спектр антициклональной компоненты течения. С использованием общей теории нелинейного взаимодействия слабодисперсных волн решена задача о модуляции и параметрическом усилении приливных внутренних вод в прибрежной зоне низкочастотным узкополосным внутренним волнением. Судя по литературе, эффект параметрической модуляции внутренних волн приливной частоты низкочастотным внутренним волнением синоптического масштаба зарегистрирован в прибрежной зоне приливного моря впервые.

АЗИЗЯН Г. В., КОПРОВ Б. М., КОПРОВ В. М., СОКОЛОВ Д. Ю. — 2009 г.

Статья посвящена анализу результатов эксперимента по синхронной регистрации быстрых колебаний температуры, компонент скорости ветра и напряженности электрического поля в приземном слое воздуха (частота регистрации 16 Гц). В эксперименте была обнаружена четкая корреляция между вариациями температуры и напряженности, а также между вариациями напряженности и компонент скорости. Для ее объяснения выдвинуто предположение о том, что имеет место эмиссия заряда с поверхности Земли, в результате чего формируется стратификация плотности заряда, подобная стратификации температуры, и возникает турбулентный поток заряда. Это предположение обосновывается с привлечением данных о корреляциях между температурой и концентрациями примесей, выделяемых с поверхности или оседающих на нее (H2O, СО2, О3). В своем анализе мы опираемся на описание корреляций в рамках схемы линейного статистического прогноза, а также на экспериментальные данные о когерентных структурах поля температуры.

ГАРДАШОВ Р. Г., ГАРДАШОВА Т. Г. — 2009 г.

Сформулирована и решена обратная задача в виде интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода для определения плотности распределения числа зеркальных точек трехмерной гауссовой морской поверхности. Ядро этого уравнения выражается через плотность распределения гауссовой кривизны в точках зеркального отражения. На основе численных экспериментов, а также изображений солнечных бликов показано, что по известной плотности распределения интенсивности отраженного излучения можно определить плотности распределения как числа зеркальных точек, так и радиусов кривизн в этих точках.

КИТАЙГОРОДСКИЙ С. А. — 2009 г.

Обсуждаются новые экспериментальные данные, позволяющие объяснять и предсказывать наблюдаемую изменчивость величины диссипации турбулентной энергии в поверхностном слое моря. Для этой цели используется полученная в работе Филлипса и др. [1] зависимость скорости диссипации энергии опрокидывающихся ветровых волн от скорости их распространения. Найденные ранее значения диссипации турбулентной энергии, полученные прямым методом [2, 3], сопоставляются с результатами радарных измерений индивидуальных случаев опрокидывания (breaking event), приведенными в [1]. На основе такого сопоставления подтверждена найденная ранее чисто эмпирически сильная зависимость величины диссипации турбулентной энергии от стадии развития волнения, характеризуемого отношением Ua/cp (Ua – скорость ветра, cp – фазовая скорость пика спектра ветрового волнения). Более того, показано, что характер такой зависимости 4, найденного теоретически, не противоречит имеющимся эмпирическим данным. Полученные результаты открывают впервые возможность проведения научно обоснованных расчетов обмена парниковыми газами (в частности СО2 между океаном и атмосферой).

БОЛЬШАКОВА Л. Г. — 2009 г.

Проанализированы требования, накладываемые на спектральные характеристики светофильтров для переносных оптических озонометров, при удовлетворении которых общее содержание озона в атмосфере можно определять с точностью, не уступающей точности, достигаемой сложными спектральными щелевыми приборами. Для измеряемого с помощью двух светофильтров немонохроматического излучения рассмотрен эффект зависимости рассчитываемых коэффициентов поглощения озона от спектральных характеристик фильтров и общего содержания озона в атмосфере. Проведены оценки роли контрастности и допустимых величин фонового пропускания фильтров в диапазоне 294.8–400 нм. С учетом этих оценок в двухфильтровых озонометрах рекомендуется использовать интерференционные фильтры с максимумами пропускания в областях 305.5–307 и 326–330 нм при спектральной ширине их полос на половине высоты максимального пропускания, равной 2–5 нм.

ГАНЬШИН А. В., КАРПЕЧКО А. Ю., КИВИ Р., КОРШУНОВ Л. И., КЮРЁ Э., ЛУКЬЯНОВ А. Н., МАТУРИЛЛИ М., ФОМЕЛЬ Х., ХАЙКИН С. М., ЮШКОВ В. А. — 2009 г.

Данная работа посвящена изучению процессов массообмена через тропопаузу во внетропических широтах. С этой целью были проанализированы баллонные данные озона и водяного пара, полученные во время полевой кампании LAUTLOS, а также применялась траекторная модель для анализа происхождения воздушных масс и для расчета потоков через тропопаузу. Результаты наблюдений и траекторного моделирования показали, что во время кампании тропосферные воздушные массы проникали в стратосферу не более чем 2.5 км над уровнем тропопаузы. В этом слое смешивания присутствуют как тропосферные, так и стратосферные частицы. Обратные траектории показали, что на границе антициклона тропосферный воздух проникает в стратосферу в виде тонких нитеобразных структур (филаментов). Также были проведены количественные оценки потоков через тропопаузу с помощью Wei-метода с применением прямых и обратных траекторий. Пространственная структура потоков через тропопаузу совпадает с областями наклона тропопаузы и ее складок. Абсолютная величина потоков, рассчитанных по Wei-методу, уменьшается в зависимости от продолжительности траекторий за счет отфильтровывания неглубокого обратимого обмена. Показано, что глубина обмена может определяться как вертикальными потоками в тропосфере, так и изменением уровня самой тропопаузы. Использование изоэнтропических и 3-х мерных траекторий позволило оценить вклад неадиабатических процессов в строатосферно-тропосферный обмен.

КУХАРЕЦ В. П., НАЛБАНДЯН О. Г., ШМАКОВ А. В. — 2009 г.

Исследуется вертикальный перенос пассивной примеси в среде при наличии как турбулентного, так и конвективного перемешивания. Показано, что несмотря на некоррелированность турбулентных и конвективных потоков, аддитивный механизм перемешивания не имеет место. В результате анализа теоретической модели и сравнения с модельными расчетами показано, что при наличии в среде и турбулентного, и конвективного перемешивания, возникают эффекты взаимного влияния турбулентного и конвективного механизмов переноса. Этот эффект проявляется в том, что наличие конвекции уменьшает величину коэффициента турбулентного переноса, а наличие турбулентности уменьшает величину коэффициента конвективного переноса, причем эффект зависит от параметра неоднородности (вытянутости) конвективных потоков. Проведены оценки относительного вклада каждого из механизмов в суммарный перенос. Показано, что взаимное влияние турбулентности и конвекции приводит к анизотропии коэффициента турбулентного переноса в изотропном турбулентном поле скоростей. Влияние коэффициента молекулярной диффузии полагается пренебрежимо малым и при анализе модели его влияние не рассматривается. Взаимное влияние турбулентного и конвективного механизмов переноса объясняется включением дополнительного механизма, уменьшающего расстояние прямолинейного распространения частицы.

БОНДУР В. Г., ГРЕБЕНЮК Ю. В., ЕЖОВА Е. В., КАЗАКОВ В. И., СЕРГЕЕВ Д. А., СОУСТОВА И. А., ТРОИЦКАЯ Ю. И. — 2009 г.

В большом опытовом бассейне с искусственной температурной стратификацией ИПФ РАН выполнено масштабное лабораторное моделирование нестационарной динамики плавучих турбулентных струй, формирующихся при истечении пресных вод из диффузоров подводных коллекторов. При взаимодействии всплывающих струй с пикноклином происходит интенсивная генерация внутренних волн. Анализ зависимости амплитуды волн от управляющего параметра, пропорционального скорости истечения жидкости из диффузора коллектора, показал, что она хорошо описывается функцией, характерной для присутствия в системе бифуркации Хопфа, которая имеет место при мягком режиме возбуждения автоколебаний глобально неустойчивой моды. Для проверки условий возбуждения глобально неустойчивой моды был проведен вспомогательный эксперимент в малом бассейне с солевой стратификацией в постановке, аналогичной эксперименту в большом бассейне. Методом Particle Image Velocimetry было измерено поле скорости во всплывающей струе и построены профили продольной скорости в нескольких сечениях. При приближении струи к пикноклину на краях струи формируется противотечение. Анализ устойчивости полученных профилей скорости течения методом нормальных мод показал, что для участков струи с противотоком выполняется условие абсолютной неустойчивости по критерию Бриггса для осесимметричных колебаний струи, что является признаком возбуждения глобально неустойчивой моды. Оценки частот колебаний глобально неустойчивой моды находятся в хорошем количественном согласии с измеренным спектром колебаний струи.

ДАНИЛОВ А. И., ЛАГУН В. Е. — 2009 г.

Представлен обзор результатов российских полярных исследований в 2003–2006 гг., подготовленный в Комиссии по полярной метеорологии Национального геофизического комитета для Национального отчета по метеорологии и атмосферным наукам к XXIV Генеральной ассамблее Международного союза геодезии и геофизики (г. Перуджа, 2–13 июля 2007 г.).

АБШАЕВ А. М., АБШАЕВ М. Т., МАЛКАРОВА А. М., МИЗИЕВА Ж. Ю. — 2009 г.

Рассматриваются метод и впервые полученные результаты радиолокационных исследований приведенной (интегрированной по высоте) и интегральной (интегрированной по объему) водности мощных кучево-дождевых облаков. Установлено, что в градовых облаках Северного Кавказа приведенная водность варьирует в пределах от 8 до 50 кг/м2, в ливневых облаках – от 0.5 до 12 кг/м2, в слоисто-дождевых облаках – обычно менее 0.5 кг/м2, а в облаках с моросящими осадками – менее 0.05 кг/м2. Основное водосодержание градовых облаков в стадии развития сосредоточено в их переохлажденном слое, в стадии зрелости – в слое от земли до высоты 8–10 км, а в стадии диссипации – в приземном слое. Соотношение приведенной водности переохлажденной и теплой частей облака позволяет оценить градоопасность облаков и стадию их развития. Показано, что объем градовых облаков варьирует в пределах от 103 до 5 ? 104 км3, а их интегральная водность – от 105 до 6 ? 106 тонн. Область локализации града занимает 5–25% объема облака, но его вклад в интегральную водность составляет 30–60%. Скорость осадкообразования в мощных градовых облаках составляет 1 ? 104 5 ? 105 тонн/мин, и такой же порядок величины имеет скорость спада интегральной водности в стадии их диссипации.

ИОНОВ Д. В., ТИМОФЕЕВ Ю. М. — 2009 г.

Представлено краткое описание действующей спутниковой аппаратуры для оперативного глобального мониторинга содержания NO2 в атмосфере – ERS-2 GOME, Envisat SCIAMACHY, Aura OMI, MetOp GOME-2. Показано, что точность измерений общего содержания NO2, составляющая 10 для фоновых условий содержания NO2 в тропосфере, существенно снижается в районах с антропогенным загрязнением. Приведены примеры практического использования данных многолетних спутниковых измерений для регионального мониторинга содержания NO2 в тропосфере: картирование тропосферного NO2 на территории Российской Федерации, выделение недельного и годового циклов в вариациях тропосферного NO2 для городских мегаполисов с оценкой долговременнoго линейного тренда в 1995–2007 гг. (Санкт-Петербург, Москва и Париж).

КРИВОЛУЦКИЙ А. А. — 2009 г.

Представлен обзор результатов российских исследований средней атмосферы в 2003–2006 гг., подготовленный Комиссией по средней атмосфере Секции метеорологии и атмосферных наук Национального геофизического комитета для Национального отчета по метеорологии и атмосферным наукам к XXIV Генеральной ассамблее Международного союза геодезии и геофизики (г. Перуджа, 2–13 июля 2007 г.).

ПОЛНИКОВ В. Г. — 2009 г.

Ветровые волны на поверхности воды рассматриваются в качестве промежуточного мелкомасштабного стохастического процесса на границе раздела сред, который существенным образом модулирует среднемасштабные процессы динамики пограничных слоев в воздухе и воде. Показано, что для цели количественного описания указанного влияния можно использовать численные модели ветровых волн, в которые включены специальные блоки динамического приводного слоя атмосферы (ДПСА) и динамического верхнего слоя воды (ДВСВ). Дана математическая формализация расчета скорости передачи энергии и импульса от ветра в верхний слой воды путем привлечения известных представлений о механизмах эволюции спектра ветровых волн. Количественная задача решается путем введения специальных параметров системы: относительной скорости притока энергии к волнам IRE и относительной скорости ее диссипации DRE. Для двух простых ситуаций волнообразования получены конкретные оценки величин IRE и DRE и приведены примеры расчета влияния состояния волнения на характеристики как приводного слоя атмосферы, так и верхнего слоя воды. Полученные результаты позволяют утверждать, что модели ветровых волн нового (пятого) поколения, снабженные блоками ДПСА и ДВСВ могут быть существенным звеном обобщенной модели циркуляции океана и атмосферы.

МАРЕЕВ Е. А., СТАСЕНКО В. Н. — 2009 г.

Представлены результаты российских исследований в области атмосферного электричества для Национального отчета по метеорологии и атмосферным наукам к XXIV Генеральной ассамблее Международного союза геодезии и геофизики (г. Перуджа, 2–13 июля 2007 г.)

ТИМОФЕЕВ Ю. М., ШУЛЬГИНА Е.М. — 2009 г.

За истекший период Российская комиссия по атмосферной радиации совместно с заинтересованными ведомствами и организациями провела два Международных симпозиума стран СНГ “Атмосферная радиация”, участники которых обсуждали актуальные проблемы современной физики атмосферы – перенос излучения и атмосферная оптика, парниковые газы, облака и аэрозоли, изменения климата, дистанционные методы измерений, новые данные наблюдений. В настоящем отчете представлены пять направлений, охватывающих весь спектр исследований, проводимых в области атмосферной радиации.