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

МОХОВ И. И. — 2009 г.

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

АЛЕКСАНДЕР Л., КИКТЁВ Д. Б., СИЗЕ Д. — 2009 г.

Рассмотрены методика и результаты объективного сравнения полей многолетних средних и исторических трендов для ежегодных экстремумов температуры и осадков по результатам наблюдений и численных экспериментов по моделированию климата ХХ века. Использованы экспериментальные климатические реализации пяти совместных моделей атмосферы и океана, представленных в 4-м Докладе Межправительственной группы экспертов по вопросам изменения климата. Оценивается эффект использования ансамблей климатических реализаций (в том числе мультимодельных) для задач моделирования климатологии и климатических изменений ежегодных метеорологических экстремумов. В результатах прослеживается позитивный эффект ансамблевого подхода в случаях, когда индивидальные члены ансамбля достаточно успешны.

ПОЛНИКОВ В. Г. — 2009 г.

Рассматриваются имеющиеся в литературе подходы к построению численных моделей, описывающих зависимость параметров приводного слоя атмосферы от параметров волнения (динамический приводный слой). Для моделей, предложенных Заславским [1] и Макиным с Кудрявцевым [2], детально разработаны их численные алгоритмы, выполнены расчеты и проведено сопоставление коэффициентов сопротивления Cd как функции параметров взволнованной поверхности, состояние которой задано модельным двумерным спектром волн в представлении работы [3]. Показано, что при одном и том же спектре результаты расчетов по разным моделям дают расхождения в оценке величины Cd более чем в два раза, но тенденции в зависимости Cd от возраста волн и силы ветра близки между собой и к данным наблюдений. Проведен анализ возможных недостатков обоих подходов и сделаны предложения по их устранению. Обсуждены требования, предъявляемые к постановке специализированных экспериментов, необходимых для верификации теоретических моделей динамического приводного слоя.

АНОШИН Б. А., ГОРЧАКОВ Г. И., КАРПОВ А. В., КОЛЕСНИКОВА А. Б., СЕМУТНИКОВА Е. Г. — 2009 г.

Выполнено сопоставление статистических характеристик вариаций в приземном слое атмосферы концентраций метана, неметановых и ароматических углеводородов, углекислого газа и формальдегида с характеристиками вариаций концентрации угарного газа в воздушном бассейне г. Москвы. Выявлены различия в годовом ходе концентраций матана, углекислого газа, неметановых углеводородов и угарного газа. Установлено, что для большинства постов с повышенным уровнем загрязнения приземного воздуха и для города в целом максимальная концентрация угарного газа, как правило, наблюдается в летний сезон. Проанализирована сезонная изменчивость среднего суточного хода концентраций метана, углекислого газа, неметановых и ароматических углеводородов в г. Москве.

МЕЛЬНИКОВА О. Н., ПОКАЗЕЕВ К. В. — 2009 г.

Экспериментально исследуется усиление плоских волн малой крутизны на начальной стадии генерации безотрывным потоком в лабораторной установке. Обнаружено изменение формы волны вихрями, образующимися в вязком слое безотрывного потока воздуха на подветренном склоне: поверхность воды поднимается под действием вихрей, образуя склон сложной формы. Расчетные и экспериментальные данные для нелинейных волн малой крутизны на чистой воде хорошо соответствуют друг другу. Показано, что при наличии масляной пленки область отрыва вихрей захватывает и впадину из-за стекания масла и утолщения пленки при переходе со склона во впадину. Подъем поверхности воды вихрями во впадине ограничивает рост амплитуды и крутизны волны.

ПАЛЫМСКИЙ И. Б. — 2009 г.

В трехмерной постановке рассмотрена задача о конвекции несжимаемой жидкости между двумя горизонтальными плоскостями при подогреве снизу. Горизонтальные границы предполагаются свободными от касательных напряжений и изотермическими. Рассчитанный временной спектр температурных пульсаций в центре конвективной ячейки при надкритичности 410 хорошо согласуется с измеренным экспериментально. Для пульсаций скорости получены спектры Болджиано–Обухова (БО) k-11/5, k-3 и k-5. Для температурных пульсаций получены спектры Колмогорова k-5/3 и k-2.4. Наличие ясно идентифицируемых спектров в исследуемом конвективном течении позволяет характеризовать данный процесс как развитую турбулентность.

ГОЛУБЕВА Е. Н., ПЛАТОВ Г. А. — 2009 г.

Представлены модельные расчеты, целью которых являлось воспроизведение климатических изменений в Северном Ледовитом океане, вызванных изменчивостью атмосферной циркуляции. В совместной численной модели океан–лед в качестве источника использовались данные реанализа NCEP/NCAR и его модифицированной версии CIAF о состоянии нижней атмосферы, радиационных потоках и осадках за период с 1948 г. по настоящее время. В ходе численных экспериментов выявлена реакция ледового покрова, циркуляции вод и термохалинной структуры Северного Ледовитого океана на вариации состояния атмосферы. Продемонстрировано существование периодов потепления и охлаждения в слое атлантических вод, а также существование режимов накопления пресной воды в Канадском бассейне и сброса ее через пролив Фрама и проливы Канадского архипелага. Численная модель воспроизводит перестройку циркуляции вод поверхностного и промежуточного слоя океана, сдвиг границы между атлантическими и тихоокеанскими водами и значительное сокращение площади льда.

АГОШКОВ В. И., ЛЕБЕДЕВ С. А., ПАРМУЗИН Е. И. — 2009 г.

Сформулирована и численно исследована задача вариационной ассимиляции данных спутников наблюдений о температуре поверхности океана с целью восстановления потоков тепла на поверхности с использованием разработанной в ИВМ РАН глобальной трехмерной модели гидротермодинамики океана и данных наблюдений, приближенных к реально наблюдаемым (по временнм интервалам). Разработаны и обоснованы алгоритмы численного решения задачи, создан блок ассимиляции данных, который был включен в глобальную трехмерную модель. Проведены численные эксперименты на примере акватории Индийского океана. В качестве данных наблюдений использовались данные о температуре поверхности океана за 2000 г. Численные эксперименты подтверждают полученные теоретические выводы и продемонстрировали целесообразность работы модели с блоком усвоения оперативных данных наблюдений о поверхностной температуре. м интервалам). Разработаны и обоснованы алгоритмы численного решения задачи, создан блок ассимиляции данных, который был включен в глобальную трехмерную модель. Проведены численные эксперименты на примере акватории Индийского океана. В качестве данных наблюдений использовались данные о температуре поверхности океана за 2000 г. Численные эксперименты подтверждают полученные теоретические выводы и продемонстрировали целесообразность работы модели с блоком усвоения оперативных данных наблюдений о поверхностной температуре.

РОМАНОВ Н. П. — 2009 г.

Для объяснения условий выпадения росы и загрязняющих примесей в штилевых условиях радиационного выхолаживания земной поверхности обращается внимание на роль неоднородностей температуры поверхности и возникающих вблизи их конвективных потоков воздуха. Для понимания механизма образования конвекции вблизи холодных пятен рассматривается схема цилиндров с адиабатическими стенками и холодным дном. Результаты этого рассмотрения согласуются с полученной в предыдущих расчетных и экспериментальных работах зависимостью числа Нуссельта от числа Релея в степени 1/5 с коэффициентом пропорциональности . Экспериментальное исследование количественных характеристик проводилось путем измерения вертикальных профилей температуры и наблюдения движения трассера вблизи холодных водных поверхностей круглой формы размерами около 30 см и 10 м. В результате получено, что для изолированных и плоскостных пятен разность температуры между поверхностью пятна и окружающей средой спадает по экспоненциальному закону, а движения воздуха от центра пятен к его краям имеют ламинарный характер. Для чисел Релея, построенных на использовании в качестве характерного размера отношения площади пятна к половине его периметра, средние значения коэффициента = 1.1 для изолированного пятна с Ra = 106 и = 0.7–0.8 для расположенных на уровне окружающей поверхности пятен с Ra = 106 5 ? 1010. Для заглубленных пятен наблюдается значительное замедление процессов теплообмена и изменение характера профилей температуры, зависящее от материала окружающих стенок. В приложении рассматривается процесс установления равновесной температуры изолированного пятна, обусловленный радиационным выхолаживанием и конвективным притоком тепла и влаги. Предлагается способ предотвращения радиационных туманов за счет осушения воздуха при конвекции вблизи окружающих холодных поверхностей, а также предлагаются принципы интенсификации сбора конденсационной влаги.

БАБАХАНОВ И. Ю., КУЗНЕЦОВ В. В., ЧЕРНЕВА Н. В. — 2009 г.

Приведены результаты экспериментов по исследованию влияния на атмосферное электрическое поле (АЭП) искусственного пароводяного облака (ПВО). Эксперименты проводились 19.09.2006 г. на Камчатском месторождении теплоэнергетических вод в районе действующей Мутновской электростанции. Измерялась напряженность АЭП тремя датчиками, электропроводность воздуха, потенциал скважины и метеопараметры одновременно в непосредственной близости от геотермальных скважин, открываемых и закрываемых на время наблюдений. Обнаружено различное поведение напряженности электрического поля в зависимости от содержания жидкой влаги в пароводяной смеси скважины в течение существования ПВО. Предложены модели, обсуждаются результаты эксперимента.

ДУЛОВ В. А., КОСНИК М. В. — 2009 г.

Рассмотрено формирование спектра коротких ветровых волн гравитационно-капиллярного и капиллярного диапазонов под влиянием трехволновых взаимодействий. Для определения спектра кинетическое уравнение для волновых пакетов интегрируется по времени до установления решения. Трехволновые взаимодействия описаны интегралом столкновений без введения каких-либо дополнительных упрощающих задачу предположений. Процедура расчета воспроизводит теоретические спектры Захарова–Филоненко, соответствующие случаям “равнораспределения” энергии и “инерционного интервала”. Показано, что основная роль трехволновых взаимодействий состоит в переносе энергии из диапазона коротких гравитационных волн к волнам с меньшими длинами. Перенос осуществляется как локально в Фурье-пространстве, так и в результате взаимодействия коротких и длинных волн. Характерные его особенности – формирование “впадины” на спектре кривизны в области минимума фазовой скорости волн и образование “вторичного пика” в капиллярной области. Впадина заполняется и исчезает с ростом скорости ветра. Учет взаимодействия коротких и длинных волн повышает уровень спектра в капиллярной области в несколько раз, при этом в капиллярной области устанавливается баланс между притоком энергии от длинных волн и вязкой диссипацией. Сток энергии благодаря трехволновым взаимодействиям, вязкая диссипация и ветровая накачка не могут обеспечить устойчивость спектра коротких гравитационных волн.

СИТНОВ С. А. — 2008 г.

По данным спутниковых наблюдений содержания окиси углерода (СО) в столбе и общего содержания озона (ОСО) проведен анализ связи межгодовой изменчивости СО с квазидвухлетней цикличностью (КДЦ) экваториального стратосферного ветра и КДЦ ОСО. Обнаружено, что над бoльшей частью земного шара содержание СО в западной фазе КДЦ превышает содержание в восточной. Глобальное распределение амплитуд КДЦ СО обнаруживает локальный максимум над Индонезией, где размах квазидвухлетних колебаний СО составляет в среднем 15% от локального среднегодового содержания СО в этом регионе. Анализ показывает, что в период 2000–2007 гг. квазидвухлетние колебания СО четко синхронизированы с КДЦ ветра на уровне 50 гПа. Вместе с тем совместный анализ характеристик КДЦ СО и КДЦ ОСО свидетельствует об отсутствии прямой фотохимической связи вариаций ОСО и СО квазидвухлетнего масштаба.

ВИНОГРАДОВА А. А., МАКСИМЕНКОВ Л. О., ПОГАРСКИЙ Ф. А. — 2008 г.

Представлены результаты анализа распространения воздушных масс и антропогенных аэрозольных примесей от крупного промышленного региона, расположенного за полярным кругом на севере Кольского полуострова. Исходными данными являются ежедневные 5-суточные траектории движения воздуха от источника для января, апреля, июля и октября, рассчитанные на протяжении 20 лет с 1981 по 2000 гг. по данным реанализа метеорологических полей NOAA. Изучены сезонные и долговременные изменения средних концентраций мышьяка и тяжелых металлов (Ni, Cu, Pb, Cd, V) в приземном воздухе и в осадках над акваториями Белого и Баренцева морей. Результаты сопоставлены с приведенными в литературе данными натурных наблюдений, характерными для изучаемого региона. Показано, что в целом за год атмосферный поток стойких экотоксикантов с территории Кольского полуострова в воды Белого и Баренцева морей вполне сравним с вкладом впадающих рек, а для никеля и меди является преобладающим.

ДЕМКИН В. М., КРАСИЛЬНИКОВ А. А., КУЛИКОВ Ю. Ю., РЫСКИН В. Г. — 2008 г.

Приводятся результаты микроволновых наблюдений изменчивости содержания озона в верхней стратосфере и нижней мезосфере во время полного солнечного затмения 29 марта 2006 г. на Кисловодской высокогорной научной станции. Во время затмения зарегистрировано увеличение концентрации мезосферного озона. На высоте 60 км ее рост составил 40%. Это значение близко к величине суточных вариаций озона.

БУТУХАНОВ В. П., ЛОМУХИН Ю. Л. — 2008 г.

Приведены результаты регулярных измерений приземной концентрации озона (ПКО) в г. Улан-Удэ за шесть лет наблюдений с 1999 по 2004 гг. Установлен максимум суточного хода ПКО в местный полдень. Обнаружено, что радиационный режим оказывает существенное влияние только на значения минимумов в сезонном ходе ПКО. Установлено, что главные максимумы ОСО и ПКО в сезонном ходе сдвинуты в среднем на три месяца (максимум ОСО достигается в конце марта, максимум ПКО – в июне).

ПОНОМАРЕВ В. М., ХАПАЕВ А. А., ЯКУШКИН И. Г. — 2008 г.

Для описания квазидвумерных вязких течений несжимаемой жидкости построена приближенная теория, учитывающая слабую циркуляцию в вертикальной плоскости и связанную с ней дивергенцию двумерного поля скорости. Анализируется роль нелинейных членов, обусловленных взаимодействием вихревой и потенциальной компонент скорости, и возможность учета соответствующих эффектов в рамках концепции придонного трения. Показано, что нелинейный характер трения является следствием трехмерного характера течения, приводящего к эффективному взаимодействию вихрей с вертикальной и горизонтальной осями. Получена аппроксимация влияния этого взаимодействия в квазидвумерных уравнениях с помощью коэффициента нелинейного трения. Проведено сравнение результатов, следующих из предлагаемого приближения, с данными лабораторных экспериментов по возбуждению пространственно-периодического течения жидкости.

КУРГАНСКИЙ М. В. — 2008 г.

Предложено рассматривать направленный вниз поток спиральности (через верхнюю границу вязкого турбулентного пограничного слоя) как меру интенсивности атмосферных вихрей, включая тропические циклоны, торнадо и пылевые смерчи. Этот поток определяется произведением куба максимальной скорости ветра на ширину полосы, заметаемой максимальным ветром при перемещении вихря, как это прямо следует из общего уравнения баланса спиральности, известного в литературе. Для интенсивных вихрей в их установившейся, зрелой фазе этот поток спиральности может также служить мерой скорости ее разрушения силами вязкого турбулентного трения. Даны примеры применения введенного понятия к диагностике смерчей (торнадо) и их классификации по разрушительной силе. Представлен сравнительный анализ (по значениям потока спиральности) пылевых вихрей на Земле и на Марсе, с одной стороны, и смерчей, с другой стороны.

АРЖАНОВ М. М., ДЕМЧЕНКО П. Ф., ДЕНИСОВ С. Н., ЕЛИСЕЕВ А. В., МОХОВ И. И. — 2008 г.

Климатическая модель ИФА РАН (КМ ИФА РАН) дополнена блоком термофизики почвы и метановым циклом, учитывающим отклик на вариации климата эмиссий метана болотными экосистемами. Эмиссии метана возможны только от незамерзших верхних слоев почвы с дополнительным ограничением по глубине расчетного слоя. Все болотные экосистемы считаются насыщенными влагой. Молярное количество метана, окисленного в атмосфере, добавляется к модельной атмосферной концентрации CO2. С полученной моделью проведены контрольный доиндустриальный эксперимент, а также численные эксперименты для XVII–XXI веков с учетом форсинга за счет парниковых газов и тропосферных сульфатных аэрозолей. Получено, что КМ ИФА РАН в целом воспроизводит доиндустриальные и современные характеристики сезонного протаивания/промерзания грунта и метанового цикла. В XXI веке при общем потеплении площадь распространения вечной мерзлоты сокращается на 4 млн. км2. Эмиссии метана болотными экосистемами, для доиндустриального и современного периода равные 130–140 МтСН4/год, к концу XXI века возрастают до 170–200 МтСН4/год. Концентрация метана в атмосфере при агрессивном сценарии антропогенного воздействия А2 монотонно возрастает до 3900 млрд-1. При более умеренных сценариях А1В и В1 она растет вплоть до середины XXI века, достигая 2100 2400 млрд-1, а затем уменьшается. Окисление метана в воздухе приводит к небольшому дополнительному росту концентрации углекислого газа в атмосфере. Учет взаимодействия процессов в болотных экосистемах и метанового цикла в КМ ИФА РАН приводит к дополнительному росту содержания метана в атмосфере на 10–20% в зависимости от сценария антропогенного воздействия и момента времени. Причинами этого служат температурная зависимость интегрального производства метана и увеличение длительности теплого периода в почве. Однако связанные с этим увеличение мгновенного парникового радиационного форсинга атмосферного метана и повышение средней приповерхностной температуры воздуха невелики (глобально < 0.1 Вт/м2 и < 0.05 К соответственно).

МЕЛЬНИКОВА О. Н. — 2008 г.

В экспериментальном исследовании обнаружено, что в головной волне, бегущей по сухому грунту (“стена воды” при прорыве плотины), у дна формируются крупные цилиндрические вихри. Вихри поднимаются к поверхности воды и выбрасываются в воздух перпендикулярно волновому склону. Вихри захватывают и переносят донный грунт.

ДОЛИН Л. С., ЛУЧИНИН А. Г. — 2008 г.

Исследовано влияние поверхностного волнения на характеристики батиметрических лидаров. Рассмотрены основные эффекты, приводящие к искажению батиметрической информации. Оценены величины смещения зондирующего пучка и его размытия в горизонтальной плоскости, среднестатистического изменения времени запаздывания сигнала, дисперсии времен прихода сигнала и увеличения длительности принимаемого импульса. Расчеты выполнены с учетом многократного рассеяния и поглощения света в воде.