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

РЫБУШКИНА Г. В., ТРОИЦКАЯ Ю. И. — 2008 г.

Предложена квазилинейная модель для определения коэффициента аэродинамического сопротивления поверхности моря и инкремента нарастания поверхностных волн в условиях ураганного ветра, позволяющая объяснить снижение (стабилизацию) коэффициента сопротивления при ураганных ветрах. Модель основана на решении уравнений Рейнольдса в криволинейных координатах с использованием аппроксимации вихревой вязкости, учитывающей наличие вязкого подслоя. Профиль средней скорости ветра находится с учетом нелинейных волновых напряжений (волнового потока импульса), а волновые возмущения, индуцированные в воздухе волнами на поверхности воды, определяются в рамках линейных уравнений. Проведена верификация модели путем сравнения результатов расчетов с экспериментальными данными для широкого диапазона скоростей ветра. Расчеты инкремента и коэффициента сопротивления для ураганных ветров проведены как с учетом коротковолновой части спектра волнения, так и без нее. На основании расчетов в рамках предложенной квазилинейной модели предложена простая параметризация коэффициента сопротивления и инкремента поверхностных волн при ураганных ветрах, удобная для использования в моделях прогноза ветра и волн.

МЕРЗЛЯКОВ Е. Г., СОЛОВЬЕВА Т. В. — 2008 г.

На основе данных о распределениях температуры и геопотенциала, полученных инструментом SABER (спутник TIMED) в феврале и августе 2002–2005 гг., исследуются различия в долготной структуре циркуляции в зимней стратосфере и мезосфере/нижней термосфере Северного и Южного полушарий. Проведено сравнение положений зимнего циклона и полярного вихря на высотах стратосферы и мезосферы в 2002–2005 гг. с климатическими данными за 1978–1998 гг. На высотах стратосферы среднее за несколько лет положение центра полярного вихря изменилось за указанные годы незначительно (несколько градусов по широте и долготе) как в Южном, так и Северном полушарии. На высотах мезосферы/нижней термосферы полярный вихрь занимает одно и то же положение в Южном полушарии каждый год в течение 2002–2005 гг., и это положение согласуется с оценками для 1996–1997 гг. Из данных о температуре и геопотенциале рассчитаны параметры стационарных планетарных волн с зональным волновым числом 1 (СПВ1) в полях температуры, геопотенциала и ветра. Высотные профили амплитуд и фаз СПВ1, рассчитанные из данных инструмента SABER для августа в Южном полушарии, хорошо согласуются с профилями амплитуд и фаз, полученными по результатам прямых измерений ветра приборами HRDI и WINDII. В параметрах СПВ1 в Северном полушарии наблюдается сильная межгодовая изменчивость. Расчет потока Элиассена–Палма и его дивергенции показал, что СПВ1 в основном проникает в мезосферу из стратосферы и тормозит средне-зональный поток. Однако в Южном полушарии существует регулярный дополнительный источник СПВ1 с центром на высоте около 65 км и широте 55°S. Для СПВ1 в Северном полушарии такой источник в среднем отсутствует за 2002–2005 гг., но в отдельные годы также возможен, например, в феврале 2004 г.

АНДРОСОВ А. А., ВОЛЬЦИНГЕР Н. Е. — 2008 г.

Для моделирования бароклинного прилива в Баб-эль-Мандебском проливе Красного моря решается трехмерная краевая задача в гранично-согласованных координатах для уравнений динамики, конституентов плотности и характеристик турбулентности. Приводятся результаты, относящиеся к моделированию баротропного прилива в Красном море и внутреннего прилива в Баб-эль-Мандебском проливе.

ВОЛОДИН Е. М., ДЫМНИКОВ В. П., КУЛЯМИН Д. В. — 2008 г.

В работе рассмотрена проблема моделирования квазидвухлетних колебаний (КДК) зональной скорости в экваториальной стратосфере. На основе малопараметрических моделей рассмотрены два механизма возбуждения КДК: через взаимодействие планетарных волн со средним течением на критических уровнях и через механизм обрушения гравитационных волн. Показана возможность получения аналога КДК с использованием каждого из этих механизмов, рассмотрены области значений параметров, при которых это возможно, изучены зависимости периода и амплитуды предельного цикла от параметров моделей. На основе совместной модели, объединяющей оба механизма, исследована относительная роль волн разных масштабов в формировании периода колебаний зонального ветра. Исследованы условия, необходимые для воспроизведения КДК в моделях общей циркуляции.

БОНДУР В. Г., ГРЕБЕНЮК Ю. В., ИБРАЕВ Р. А., САРКИСЯН Г. А. — 2008 г.

Исследуются поля течений в открытых акваториях с применением математической модели гидродинамики океана на примере района Гавайских островов. Модель, основанная на трехмерных уравнениях термогидродинамики, решается для области с открытыми границами, на которых ставятся адаптивные граничные условия. Анализируются результаты численных экспериментов с заданными среднемесячными климатическими условиями на поверхности океана и открытых боковых границах с учетом приливов M2, K1. Сравнительный анализ решений модели с данными наблюдений показал, что модель способна реалистично воспроизвести средние характеристики состояния океана и их изменчивость. В модельных решениях для исследуемого региона выявлен направленный на север поток в верхнем слое океана. Он четко проявляется в осредненных полях. Характеристики осредненных течений показали, что между островами Гавайи и Мауи, Молокай и Оаху в верхнем 100–150-метровом слое существует перенос вод с западной стороны на восточную сторону гряды островов. Полученные результаты и предложенная модель могут использоваться при мониторинге физических полей океана.

АРЖАНОВ М. М., ДЕМЧЕНКО П. Ф., ЕЛИСЕЕВ А. В., МОХОВ И. И., ХОН В. Ч. — 2008 г.

Разработана динамическая одномерная модель тепло- и влагопереноса в почве. Использование в качестве входных данных реанализа ERA-40 позволяет по заданным климатическим характеристикам атмосферы рассчитывать характеристики термического и гидрологического режимов почвы, включая сток с водосбора. Приведены результаты численных экспериментов по сравнению модельных оценок глубин сезонного протаивания с данными наблюдений по ряду станций Сибири. Для второй половины ХХ века построена карта изменения глубин сезонного протаивания и рассчитан сток с водосборов крупнейших сибирских рек. Разработанная модель воспроизводит наблюдаемые вариации стока. Для бассейна Оби модельные оценки стока хорошо согласуются с данными наблюдений при учете торфяных отложений в верхнем 2-метровом слое.

ГУРВИЧ А. С., ЧУНЧУЗОВ И. П. — 2008 г.

Предложена феноминологическая модель трехмерного (3D) спектра температурных неоднородностей, генерируемых внутренними волнами в атмосфере. Модель является развитием теории (Чунчузов, 2002), основанной на предположении, что поле лагранжевых смещений частиц среды, вызванных статистическим ансамблем внутренних волн со случайно-независимыми амплитудами и фазами, является стационарным, однородным, аксиально-симметричным в горизонтальной плоскости и гауссовым. Для согласования с измерениями спектров флуктуаций в стратосфере и мезосфере в модель введено дополнительное предположение о том, что анизотропия неоднородностей зависит от их вертикального размера. Приведено явное выражение 3D спектра. Модельный вертикальный спектр следует степенному закону с показателем степени –3. Горизонтальный спектр имеет три асимптотически степенных участка. Два с показателем –3 и промежуточный – с показателем от –1 до –3 в зависимости от скорости уменьшения анизотропии при увеличении вертикального размера температурных неоднородностей. Получены простые асимметрические формулы для горизонтального спектра. В диапазоне нескольких декад модель показала хорошее согласие с опубликованными результатами измерений спектров в верхней тропосфере, стратосфере и мезосфере.

ДОЦЕНКО С. Ф., РУБИНО А. — 2008 г.

В рамках эквивалентно-баротропной модели динамики многослойного океана рассмотрены нелинейные осесимметричные колебания теплого бароклинного вихря. Найден класс точных аналитических решений, описывающих чисто инерционные колебания вихревого образования. Толщины слоев в вихре изменяются по квадратичному закону, а горизонтальные проекции скорости в слоях линейно зависят от радиальной координаты. Благодаря усложненной структуре вихря, слабым ограничениям на вертикальное распределение плотности и явному виду решения, его можно рассматривать как обобщение ранее найденных точных аналитических решений такого вида для однородных и бароклинных вихрей в океане.

ПОДРЫГА В.О., СЛЕПЫШЕВ А.А. — 2008 г.

Рассмотрены захваченные наклонным дном бароклинные топографические волны при реальной стратификации. Изучены дисперсионные свойства этих волн. Определяются характерные масштабы и амплитуды захваченных топографических волн, наблюдаемых в Норвежском море. Асимптотическим методом многомасштабных разложений исследуются нелинейные эффекты при распространении этих волн. Определяется среднее течение, индуцированное волной, во втором порядке малости по амплитуде волны. Получено эволюционное уравнение для огибающей – нелинейное уравнение Шредингера. Исследуется модуляционная неустойчивость этих волн. Показано, что захваченные топографические волны модуляционно неустойчивы.

ЛЕВИН Б. В., НОСОВ М. А. — 2008 г.

Предложен принципиально новый механизм генерации волн цунами в результате стока воды в быстро раскрывающиеся сейсмические трещины дна. Представлена математическая модель явления, развития в рамках линейной потенциальной теории. Выявлены основные параметры задачи, влияющие на характеристики образующейся волны.

ЕРМАКОВА О. С., КАПУСТИН И. А., ПАПКО В. В. — 2008 г.

Выполнено экспериментальное исследование динамики слоя турбулентности, возбуждаемого ребристой осциллирующей решеткой в однородной и стратифицированной жидкости. Получены зависимости толщины охваченной турбулентностью области от времени в однородной жидкости. В рамках полуэмпирической теории турбулентности показано, что зависимость координаты положения турбулентного фронта от времени может быть описана степенной функцией. Получено удовлетворительное согласие экспериментальных и теоретических зависимостей. Проведено исследование различных режимов динамики турбулентного слоя в жидкости с солевой стратификацией. В работе представлены результаты численных расчетов динамики турбулентного слоя в стратифицированной жидкости, удовлетворительно согласующиеся с экспериментальными данными. Полученные данные могут быть использованы для оценки эффективности перемешивания в толще океана.

ДАЦЕНКО Н. М., СОНЕЧКИН Д. М. — 2008 г.

Обсуждается вопрос о надежности недавно опубликованных реконструкций хода приземной температуры воздуха Северного полушария в течение последних 2000 лет. Для этого рассчитаны энергетические спектры двух наиболее известных реконструкций (Манна и др. и Моберга и др.) и сделано их сравнение со спектрами 150-летнего ряда температуры, основанного на инструментальных наблюдениях, и моделированного тысячелетнего ряда. Найдено, что реконструкция Манна и др. сильно занижает низкочастотные колебания температуры, а реконструкция Моберга и др. воспроизводит их гораздо лучше, хотя все же с некоторой недооценкой, а не переоценкой, как утверждали недавно Манн и его коллеги.

АЛМАЕВ Р. Х., СУВОРОВ А. А. — 2008 г.

Исследуются статистические характеристики интенсивности электромагнитной волны, распространяющейся в диссипативной случайно-неоднородной среде. Для режима распространения, соответствующего сильным флуктуациям интенсивности, получены асимптотические выражения для второго статистического момента интенсивности излучения. Проведен анализ поведения относительной дисперсии флуктуаций интенсивности для различных условий распространения. Показано, что в случае, когда внешний масштаб турбулентности превышает максимальный радиус корреляций интенсивности, вследствие случайного ослабления, насыщения относительной дисперсии флуктуаций интенсивности к единице не происходит. В зависимости от соотношения между структурными постоянными флуктуаций действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости, от степени их корреляций в этом случае относительная дисперсия флуктуаций интенсивности может быть как возрастающей, так и убывающей, а также и немонотонной функцией длины трассы, отклоняющейся от уровня соответствующего прозрачной турбулентной среде. Установлено, что насыщение к единице относительной дисперсии флуктуаций интенсивности в случайно ослабляющей среде происходит в области сильных флуктуаций при превышении радиусом корреляций интенсивности излучения внешнего масштаба турбулентности.

ДРУЖИНИН О. А. — 2008 г.

, где Ri – глобальное число Ричардсона. Развитие неустойчивости приводит к формированию вихревой структуры течения, состоящей из совокупности разнополярных квазидвумерных вихрей, располагающихся в горизонтальной плоскости вблизи продольной оси струи. На достаточно больших временах (Nt > 100, где N – частота плавучести, t – время) рост неустойчивости выходит на стадию насыщения, и далее флуктуации скорости и плотности затухают под действием вязкой диффузии. На этой стадии течение становится автомодельным, и временне зависимости максимума средней скорости и поперечной и вертикальной ширины струи согласуются с асимптотиками интегральных параметров течения, экспериментально наблюдаемыми в дальнем стратифицированном следе. Полученные результаты дают основание полагать, что развитие неустойчивости квазидвумерной моды может играть определяющую роль в динамике течения в дальнем стратифицированном следе. е зависимости максимума средней скорости и поперечной и вертикальной ширины струи согласуются с асимптотиками интегральных параметров течения, экспериментально наблюдаемыми в дальнем стратифицированном следе. Полученные результаты дают основание полагать, что развитие неустойчивости квазидвумерной моды может играть определяющую роль в динамике течения в дальнем стратифицированном следе.

РОМАНОВА Н. Н. — 2008 г.

На основании уравнений динамики вихреволновых возмущений двумерных стратифицированных течений в идеальной несжимаемости жидкости, записанных в гамильтоновой форме, рассмотрено резонансное взаимодействие волн дискретного и непрерывного спектра. Во взаимодействии участвуют гравитационно-сдвиговая волна, генерируемая на скачке плотности и завихренности невозмущенного течения и волна на слабом скачке завихренности, аналогичная волне непрерывного спектра. На основании записи уравнений в терминах нормальных переменных получена эволюционная система уравнений для амплитуд взаимодействующих волн. Получено условие устойчивости вихреволновых возмущений в рамках линейной теории. Показано, что учет кубичной нелинейности может приводить к стабилизации неустойчивых возмущений, если коэффициент при нелинейном члене положителен.

ЦЕСКИС A. Л. — 2008 г.

В работе приводятся основные результаты теории двумерной турбулентности. В рамках традиционного подхода, опирающегося на уравнение Кармана–Ховарта, описаны аномальные (резко отличающиеся от присущих обычной – трехмерной турбулентности) свойства двумерного турбулентного движения несжимаемой жидкости, в частности, передача энергии по спектру в направлении от больших к меньшим волновым числам и образование когерентных структур; происхождение последних оказывается связанным с достижением спектром формы -функции. Показано, как единообразным способом получаются автомодельные спектры двумерной турбулентности в инерционных интервалах. Рассматривается также проблема турбулентной диффузии пассивной примеси в двумерном случае; при этом оказывается, что соответствующие величины, как и относящиеся к динамическим характеристикам движения, могут при некоторых условиях обнаруживать аномальные свойства. Обсуждается связь излагаемых результатов с экспериментальными данными. В частности, находит свое объяснение наблюдаемая экспериментально “инверсия” спектров двумерной турбулентности в атмосфере.

РУДЕВА И. А. — 2008 г.

Для идентификации внетропических циклонов использовались данные давления на уровне моря для Северного полушария реанализа NCEP/NCAR с 1948 по 2004 гг. Положение циклонов определялось с временн@м интервалом 6 ч. Размеры циклонов получены с помощью численной схемы, основанной на повороте сферической системы координат таким образом, чтобы полюс новой системы координат совпадал с центром циклона. Определение размеров циклонов проводилось на каждом шаге траектории. За внешнюю границу циклона принималась последняя замкнутая изобара. В качестве характеристики интенсивности синоптического образования принимался дефицит давления в центре циклона. Оценка взаимосвязи количества циклонов и их размеров проводилась для всех внетропических циклонов Северного полушария, вне зависимости от стадии развития. Количество проанализированных случаев составило 1.5 ? 106. Площадь циклонов меняется от 0.13 ? 106 до 6.4 ? 106 км2. Восемьдесят процентов внетропических циклонов характеризуется интенсивностью 1–15 гПа. Показано, что распределение количества циклонов в зависимости от их интенсивности носит экспоненциальный характер. Распределения количества циклонов были аппроксимированы с очень высокой степенью точности, что свидетельствует о том, что полученные закономерности являются очень устойчивыми на протяжении нескольких последних десятилетий.

ГЕРЦЕНШТЕЙН С. Я., ПАЛЫМСКИЙ И. А., СИБГАТУЛЛИН И. Н. — 2008 г.

В рамках нестационарных уравнений Навье–Стокса методом Бубнова–Галеркина проводится прямое численное моделирование турбулентной конвекции в подогреваемом снизу горизонтальном слое жидкости. Основное внимание уделяется расчетам при сверхбольших надкритичностях. При этом для уменьшения вычислительных нагрузок на каждом шаге интегрирования используется метод расщепления. Предварительно продемонстрирована малость невязки системы исходных уравнений при подстановке в нее результатов численного расчета и ее зависимость от числа опорных функций и надкритичности. Кроме того, установлено хорошее соответствие результатов при различных схемах численной реализации метода Бубнова–Галеркина, в частности, при стохастических процессах при небольшой надкритичности, возникающих с образованием “странных” аттракторов, близких к листу Мебиуса. Проведены расчеты в широком диапазоне надкритичности: от 1 до 34 000. Показано хорошее качественное соответствие эксперимента и численного моделирования.

КУРБАТКИН Г. П. — 2008 г.

Представлены результаты совместного анализа: 1) доминирующих мод низкочастотной изменчивости атмосферы; 2) механизмов формирования аномалий годового хода; 3) внезапных экстремальных аномалий планетарного масштаба. Использованы данные реанализа NCEP/NCAR за 1958–1998 гг. и оперативного объективного анализа Гидрометеоцентра РФ за 2002–2007 гг. с месячным осреднением. Сделана попытка изучить случаи экстремальных среднемесячных аномалий общей циркуляции атмосферы и их последствия. Показана роль межгодовых зимних отрицательных аномалий температуры воздуха над континентами в стабилизации годового хода современного климата (наблюдавшейся в 50–60-е годы). Показана роль в ослаблении годового хода климата деформации Северо-Атлантического диполя в планетарную волну, ориентированную с запада на восток (деформации, наблюдавшейся в апреле 1997 г. и вновь в 2007 г.).

ПОЛЯКОВ А. В., ТИМОФЕЕВ Ю. М. — 2008 г.

) и временнм (15 мин) разрешением измерениям уходящего теплового излучения Земли с геостационарных спутников METEOSAT. Методика основана на измерениях с помощью прибора SEVIRI (8 ИК каналов) и с привлечением дополнительной информации о трехмерном поле температуры атмосферы и температуре поверхности, получаемой с полярных спутников (прибор AIRS). Обратная задача по определению ОСО решается методом нейронных сетей. При обучении нейронной сети используются также данные измерений ОСО с помощью прибора AIRS. Наземные измерения ОСО на международной озонометрической сети используются для контроля качества данных прибора AIRS, а также для оценки погрешностей предложенной методики определения ОСО по данным SEVIRI. Показано, что средняя и среднеквадратичная разности значений ОСО, полученных с помощью предложенной методики и значений ОСО по результатам измерений на международной озонометрической сети, составляют 1.5% и 6.5% соответственно. Приведены примеры распределений ОСО, восстановленных с высоким пространственным и временнм разрешением, показывающие перспективность разработанной методики для решения различных научных и прикладных задач и, в частности, для исследования динамики стратосферы. ) и временнм (15 мин) разрешением измерениям уходящего теплового излучения Земли с геостационарных спутников METEOSAT. Методика основана на измерениях с помощью прибора SEVIRI (8 ИК каналов) и с привлечением дополнительной информации о трехмерном поле температуры атмосферы и температуре поверхности, получаемой с полярных спутников (прибор AIRS). Обратная задача по определению ОСО решается методом нейронных сетей. При обучении нейронной сети используются также данные измерений ОСО с помощью прибора AIRS. Наземные измерения ОСО на международной озонометрической сети используются для контроля качества данных прибора AIRS, а также для оценки погрешностей предложенной методики определения ОСО по данным SEVIRI. Показано, что средняя и среднеквадратичная разности значений ОСО, полученных с помощью предложенной методики и значений ОСО по результатам измерений на международной озонометрической сети, составляют 1.5% и 6.5% соответственно. Приведены примеры распределений ОСО, восстановленных с высоким пространственным и временнм разрешением, показывающие перспективность разработанной методики для решения различных научных и прикладных задач и, в частности, для исследования динамики стратосферы. м разрешением, показывающие перспективность разработанной методики для решения различных научных и прикладных задач и, в частности, для исследования динамики стратосферы.