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

БРАССЁР Г. П., ГРУЗДЕВ А. Н. — 2007 г.

Цель работы состоит в анализе изменений амплитудных и фазовых характеристик годового хода (ГХ) общего содержания озона (ОСО) по данным наземных и спутниковых (TOMS) измерений и в их интерпретации с помощью двумерной фотохимической модели. По данным наземных измерений ОСО отмечены два характерных типа квазидесятилетних вариаций фазы годовой гармоники (ГГ) ОСО: в фазе и в противофазе с вариациями солнечной активности (СА). Противофазные с солнечной активностью изменения фазы ГГ ОСО отмечены в высоких широтах Североатлантического региона и в тропическом поясе, а софазные изменения – в средних и субтропических широтах обоих полушарий. Выявлены также вариации амплитуды ГГ ОСО (и соответственно амплитуды ГХ ОСО) и среднегодового содержания ОСО, обычно в фазе с циклом СА. По спутниковым данным показано, что 0-фаза ГХ и фаза ГГ среднезонального значения ОСО в средних широтах испытывают вариации, синхронные с 11-летним циклом СА. Модельные расчеты показали, что при высоком уровне СА возрастает приток стратосферного озона в средние широты в осенне-зимний период. Этот динамичный механизм обеспечивает до 30% зимнего увеличения содержания озона в слое озонного максимума в средних широтах Южного полушария в период максимума СА по сравнению с периодом минимума СА, а в средних широтах Северного полушария он вносит основной вклад в изменения содержания озона в этом слое во второй половине зимы при вариациях СА. Изменение величины притока стратосферного озона под действием вариаций СА отражается на характеристиках ГХ озона.

ГОЛИЦЫН Г. С. — 2007 г.

Частотный спектр возвышений поверхности моря хорошо известен при волнении. На этой основе можно оценить частотный спектр вертикальных скоростей в поверхностных волнах. Из-за несжимаемости жидкости такую же частотную зависимость должен иметь и спектр горизонтальных скоростей. Использование дисперсионного уравнения для волн на поверхности тяжелой жидкости позволяет перейти к пространственному спектру скоростей. Отсюда, в свою очередь, можно оценить пространственную структурную функцию поля скорости. Для коротких волн и больших глубин структурная функция растет как r1/2, где r – расстояние между точками наблюдений. Для длинных волн и малых глубин h этот рост пропорционален r. Коэффициент турбулентного перемешивания K(r) пятен загрязнения размером r на поверхности моря теперь оценивается как произведение размера пятна на среднеквадратичную разность скоростей. В итоге, в зависимости от r и h показатель степени в зависимости K(r) от rn может находиться в интервале от 1.25 до 1.5. Это объясняет наблюдавшийся многими экспериментаторами разброс в значениях показателя n.

КУЛЕШОВА В. А., МАНУЙЛОВА Р. О., СЕМЕНОВ А. О., ЯНКОВСКИЙ В. А. — 2007 г.

В работе представлена новая модель электронно-колебательной кинетики продуктов фотодиссоциации озона и молекулярного кислорода в средней атмосфере Земли. В модели учитывается 45 возбужденных состояний молекул кислорода v = 0 2), O2(a1g, v = 0 5), и v = 1 35), и метастабильного атома O(1D), и более 100 аэрономических реакций. Учтена зависимость квантовых выходов образования молекул O2(a1g, v = 0 5) в синглетном канале фотолиза озона в полосе Хартли от длины волны фотолитического излучения. Учет электронно-колебательной кинетики важен для восстановления вертикальных профилей концентрации озона из измеренных интенсивностей эмиссий Атм и ИК Атм полос кислорода выше 65 км и приводит к увеличению концентрации озона, восстановленной из эмиссии 1.27 мкм, по сравнению с предыдущей моделью чисто электронной кинетики. Проведен анализ чувствительности новой модели к вариациям концентраций атмосферных компонент ([O2], [N2], [O(3P)], [O3], [CO2]), температуры газа, констант скоростей реакций и квантовых выходов продуктов реакций. Выявлена группа реакций, оказывающих наибольшее влияние на погрешность восстановления озона из измерений интенсивностей атмосферных эмиссий молекулярного кислорода v) и O2(a1g, v).

БЕЛИКОВ И. Б., ВИНОГРАДОВА А. А., ГИНЗБУРГ А. С., ЕЛАНСКИЙ Н. Ф., СКОРОХОД А. И., ФЕДОРОВА Е. И. — 2007 г.

Исследованы временные изменения приземных концентраций двух парниковых газов (углекислого газа и метана) в атмосфере большого города по данным наблюдений за 2003–2005 гг. на московской станции экологического мониторинга, созданной на базе передвижной обсерватории TROICA на территории метеостанции географического факультета МГУ на Воробьевых горах. Предложена методика выделения “фоновых” концентраций парниковых газов в городских условиях и выполнена оценка превышения концентраций CO2 и СН4 над “фоновыми” в различные сезоны и время суток. Показано, что концентрации CO2 и СН4 имеют летом значительно более выраженный суточный ход, чем зимой. Проанализированы основные причины временнх изменений приземных концентраций CO2 и СН4 в городских условиях и отличия средних концентраций этих парниковых газов в Москве от средних значений на территории России. Показано, что вариации приземных концентраций углекислого газа и метана разных временных масштабов обусловлены различными атмосферными процессами (глобальная циркуляция, мезомасштабные гравитационные волны, приземные инверсии температуры и т.д.).

ПОГОРЕЛЬЦЕВ А. И. — 2007 г.

Выполнен ряд численных экспериментов с использованием Модели средней и верхней атмосферы (МСВА) по расчету атмосферного отклика на внешнее возбуждение в тропосфере и моделированию внутренних стратосферных васцилляций, обусловленных взаимодействием стационарных планетарных волн (СПВ) со средним зональным потоком. Показано, что МСВА воспроизводит хорошо известные высокочастотные глобальные резонансные отклики атмосферы на внешнее возбуждение. Результаты моделирования показывают, что стратосферные васцилляции, возникающие в результате взаимодействия СПВ и среднего потока, ответственны за генерацию низкочастотных нормальных мод в нижней и средней атмосфере. Отмечается, что возрастание активности нормальных атмосферных мод в тропо- и стратосфере происходит одновременно с развитием внезапных стратосферных потеплений (ВСП). Однако, чтобы понять, какой процесс первичен, необходим дополнительный анализ результатов численных экспериментов и стратосферных данных. Сделан вывод, что для адекватного моделирования стратосферных васцилляционных циклов и/или событий ВСП, модели общей циркуляции атмосферы должны быть способны воспроизводить глобальные резонансные свойства атмосферы.

БУКРЕЕВ В. И. — 2007 г.

Приведены результаты лабораторных опытов, показывающие, что при таянии куска льда ограниченных размеров (“айсберга”) в теплой соленой воде под ним формируется струйное течение, проникающее на большую глубину. Это связано с тем, что коэффициент молекулярной диффузии тепла примерно на два порядка больше коэффициента молекулярной диффузии соли.

КИСТОВИЧ А. В., ЧАШЕЧКИН Ю. Д. — 2007 г.

Методом медленно меняющихся амплитуд рассчитано отражение поверхностных капиллярно-гравитационных волн от областей регулярной поверхностной конвекции в приближении идеальной и однородной вязкой жидкости. Используется модель квазистационарного распределения температуры. Выделенные условия слабого (нерезонансного), когда волна практически полностью проходит через конвективную зону, и сильного резонансного взаимодействия. Когда взаимодействие является сильным, перед областью конвекции формируются стоячие волны, меняется спектральный состав у волнового пакета. Вязкость и сопутствующие пограничные слои приводят к расширению запрещенных зон. Их ширина увеличивается с ростом номера резонансной гармоники.

БЕЛИКОВ И. Б., ЕЛАНСКИЙ Н. Ф., ЛОКОЩЕНКО М. А., СКОРОХОД А. И., ШУМСКИЙ Р. А. — 2007 г.

Обсуждаются результаты непрерывных ежеминутных измерений концентраций приземного содержания озона, окиси и двуокиси азота, окиси углерода и двуокиси серы в 2002–2004 гг. на экологической станции ИФА РАН и Географического факультета МГУ. Показано, что условия юго-западной части Москвы, удаленной от крупных локальных источников загрязнения, отражают общие закономерности изменчивости примесей в городской атмосфере. Это проявляется в средней годовой величине отношения NO/NO2 (немногим менее единицы), в пониженных дневных значениях О3, повышенных уровнях остальных примесей по сравнению с фоновой местностью и в наличии вторичного ночного максимума в суточном ходе О3. Обсуждаются особенности годового и суточного хода концентрации веществ, выбранных для анализа. В суточном ходе первичных продуктов сгорания NO и CO в теплое и переходное время отмечено превышение утреннего максимума по сравнению с вечерним, а летом – более высокие значения ночного минимума по сравнению с дневным. Вероятной причиной обоих выявленных эффектов служат особенности температурной стратификации, полученные по многолетним данным акустического зондирования в МГУ. Годовой ход содержания приземного озона характеризуется наибольшими значениями весной и летом. Годовой ход NO, NO2, CO и SO2 не показывает очевидных сезонных закономерностей. Выявлена значительная сезонная изменчивость отношения NO/NO2, связанная с окислительными свойствами городской атмосферы. Приводятся рекордно высокие значения содержания газовых примесей в Москве и обсуждаются метеорологические условия их накопления.

АКПЕРОВ М. Г., ЛАГУН В. Е., ЛУЦЕНКО Э. И., МОХОВ И. И. — 2007 г.

Проведен анализ характеристик полярных мезомасштабных циклонов (ПМЦ) в атмосфере над Северо-Европейским бассейном по данным о распределении облачного покрова за период 1981–1995 гг. Отмечены особенности годового хода и межгодовые изменения параметров арктических мезоциклонов, имеющих форму спирали и запятой. При значительных межгодовых вариациях значимые тренды характеристик арктических мезоциклонов над Северо-Европейским бассейном в конце ХХ века не выявлены. Показано, что кумулятивное распределение для повторяемости ПМЦ хорошо аппроксимируется экспоненциальной функцией в диапазоне размеров арктических мезоциклонов от 50 до 400 км. Проведен анализ применимости распределения Вейбулла в качестве аппроксимации распределения числа циклоно-дней в зависимости от размеров ПМЦ. Отмечено, что в 1990-х гг. соответствие реального распределения распределению Вейбулла ухудшилось по сравнению с 1980-ми гг., особенно по сравнению с первой половиной 1980-х гг. В значительной мере это связано с увеличением в 1990-х гг. локального максимума в распределении для арктических мезоциклонов с размерами (диаметрами) около 400 км. Этот локальный максимум был выявлен для всех типов мезомасштабных вихревых образований и для всех анализировавшихся 5-летних подпериодов в течение 1981–1995 гг. Отмечено существенное различие функций распределения повторяемости ПМЦ в зависимости от их размеров для разных типов арктических мезоциклонов.

БАБАХАНОВ И. Ю., КУЗНЕЦОВ В. В., ЧЕРНЕВА Н. В. — 2007 г.

Приведены предварительные результаты экспериментов по исследованию влияния на атмосферное электрическое поле (АЭП) искусственного пароводяного облака (ПВО). Эксперименты проводились 12.10.2004 г. на Камчатском месторождении теплоэнергетических вод в районе действующей Мутновской электростанции. Напряженность АЭП измерялась в непосредственной близости от открываемых во время наблюдений законсервированных глубинных геотермальных скважин. Обнаружен эффект понижения напряженности электрического поля в течение существования ПВО. Предложены модели, обсуждаются результаты эксперимента.

ГАЛИН М. Б. — 2007 г.

Кратко изложена с единой точки зрения теория как пространственных, так и временных эмпирических ортогональных функций (ЭОФ) как дискретного варианта разложения Карунена – Лоэва. Методами ЭОФ обработаны результаты численного эксперимента длительностью 1300 суток в режиме “постоянного” января с суточным шагом, что позволило выделить из общей изменчивости атмосферной циркуляции составляющую, обусловленную внутренними гидро-термодинамическими процессами. Для выделения внутрисезонной изменчивости (зимний сезон) главные компоненты поля высоты изобарической поверхности 500 гПа подвергались обработке с помощью фильтра, близкого к -образному и выделяющему полосу частот 0.1–0.01 сут–1. Пространственные главные компоненты анализировались методом временных ЭОФ. Полученные спектральные характеристики могут характеризовать внутрисезонную низкочастотную изменчивость и частично согласуются с эмпирическими данными.

КОСЦОВ В. С., МАКАРОВА М. В., ПОБЕРОВСКИЙ А. В. — 2007 г.

Проанализированы результаты измерений спектроскопическим методом общего содержания окиси углерода в районе Санкт-Петербурга в период лесных пожаров в августе–сентябре 2002 г. С помощью модели HYSPLIT рассчитаны траектории воздушных масс и получено распространение СО в мезомасштабе в период измерений. На основе расчетов по модели HYSPLIT и результатов измерений общего содержания окиси углерода получена оценка удельной интенсивности эмиссии СО в псковском лесном пожаре 28 августа–8 сентября 2002 г., которая составила 0.17–0.26 кг/м2. Данная оценка может быть использована для определения интегральной эмиссии СО в атмосферу за счет пожаров в лесах северо-запада РФ, а также для модельных расчетов полей концентрации СО в атмосфере. Оценка эмиссии СО при лесных пожарах, осуществленная для наземных измерений, может быть также реализована для спутниковых измерений в том случае, если они позволяют получать информацию о содержании СО в нижних слоях тропосферы (0–2 км).

ВОЛКОВ Ю. А., ПОГАРСКИЙ Ф. А., ПОЛНИКОВ В. Г. — 2007 г.

Обсуждается проблема формирования профиля среднего ветра у поверхности взволнованной жидкости. Приводятся классические определения характеристик профиля, рассматриваются трактовки параметров логарифмического профиля и уточняется смысл основных понятий. На основе численной модели динамического приводного слоя Макина–Кудрявцева рассчитывается профиль среднего ветра для различных стадий эволюции волнения. Обсуждаются отличия расчетных профилей от классического логарифмического профиля. Дается трактовка установленных отличий.

КАНУХИНА А. Ю., НЕЧАЕВА Л. А., ПОГОРЕЛЬЦЕВ А. И., СУВОРОВА Е. В. — 2007 г.

Выполнен детальный анализ климатических трендов осредненной по долготе температуры, зональной составляющей скорости ветра и активности стационарной планетарной волны с зональным волновым числом 1 (СПВ1) для января. Полученные результаты показывают, что наблюдаются заметные климатические изменения температуры нижней атмосферы, которые имеют противоположный знак в низких и высоких широтах. Эти изменения вызывают соответствующие изменения интенсивности и расположения максимумов тропосферных струйных течений и тем самым – изменения условий распространения СПВ1. Расчеты распространения СПВ1 из тропосферы в верхнюю атмосферу, выполненные с помощью линеаризованной модели и использованием распределений среднезонального потока характерных для 60-х годов XX и начала XXI века, показывают, что за последние 40 лет условия распространения “в среднем” улучшились и рассчитанная амплитуда СПВ1 в стратосфере и мезосфере зимнего полушария существенно возросла. Анализ амплитуд зональной скорости ветра для СПВ1, полученных из данных NCEP/NCAR, согласуется с результатами моделирования и показывает, что действительно наблюдается некоторое усиление активности СПВ1 в нижней стратосфере за последние годы. Эти изменения в амплитудах сопровождаются также усилением межгодовой изменчивости СПВ1.

КАДЫГРОВ Н. Е., КРУЧЕНИЦКИЙ Г. М., ЛЫКОВ А. Д. — 2007 г.

Выполнен анализ сезонной и суточной изменчивости температуры атмосферного пограничного слоя (АПС), диагностированы особенности пространственной и временной изменчивости температуры АПС, обусловленные влиянием мегаполиса. Выполнено сравнение градиентов температуры в мегаполисе, его ближайшей окрестности и фоновых условиях. Построена мультипликативная модель сезонной суточной изменчивости температуры АПС и исследованы относительные частоты неустойчивой стратификации температуры АПС.

ЕРМАКОВ С. А., ЕРМАКОВА О. С., ТРОИЦКАЯ Ю. И. — 2007 г.

Выполнено экспериментальное исследование эволюции турбулентного слоя, возбуждаемого стоячими поверхностными параметрическими волнами. Получены зависимости глубины турбулизованной области от времени, при этом установлено, что закон заглубления описывается нелинейной зависимостью в отличие от ранее полученных теоретических результатов. В работе дано описание динамики заглубления турбулентного слоя на основе полуэмпирической теории с учетом предположения о постоянстве внешнего масштаба турбулентности, получено удовлетворительное согласие с экспериментальными данными. В рамках предложенной модели найдена связь величин, характеризующих турбулентность и поверхностные волны. Экспериментально получена зависимость крутизны поверхностных волн от ускорения дна. Полученные данные могут быть использованы для оценки генерации турбулентности при подводном землетрясении.

ЕРМАКОВ С. А., МАКАРОВ Е. В., СЕРГИЕВСКАЯ И. А. — 2007 г.

Выполнена прямая экспериментальная проверка механизма резонансного (брэгговского) рассеяния радиоволн СВЧ – диапазона гравитационно-капиллярными волнами (ГКВ). Получены резонансные зависимости интенсивности сигнала обратного рассеяния от частоты и направления распространения ГКВ. Показано, что ширина резонансных кривых определяется шириной диаграммы направленности антенны скаттерометра. Исследованы возбуждение второй гармоники ГКВ и пространственная структура поля волнения на удвоенной частоте ГКВ. Определено соотношение амплитуд свободной волны и вынужденной гармоники, возникающих при возбуждении основной волны. Получена резонансная кривая, соответствующая рассеянию радиоволн II порядка – на вынужденных гармониках и на свободных ГКВ. Исследована поправка к сечению обратного рассеяния второго порядка малости относительно брэгговского слагаемого.

ВИШЕРАТИН К. Н. — 2007 г.

Для периода 1979–2005 гг. рассмотрены среднезональные (65°S–65°N, с шагом 5°) среднемесячные данные реанализа NCEP/DOE о скорости зонального ветра и температуре на уровнях 20–100 мб и данные TOMS версии 8 по общему содержанию озона (ОСО). Представлены результаты расчетов коэффициентов линейного тренда, коэффициентов корреляции, характерных времен затухания и данные спектрального анализа. В последние десятилетия уменьшение ОСО и выхолаживание нижней стратосферы сопровождалось ослаблением западного ветра. Для рядов с исключенным сезонным ходом оценка значимости линейных трендов методом Монте-Карло показала, что тренды ОСО значимы на уровне 0.99 во внетропических широтных зонах, тренды температуры – везде, кроме узкой экваториальной зоны и широт южнее 50°S, а тренды ветра – только на уровне 50 мб в широтном поясе 30–50° в обоих полушариях. По результатам спектрального анализа для большинства широтных зон в рядах температуры, ветра и ОСО наиболее стабильно проявляется триплет в области квазидвухлетних колебаний и колебания с периодами вблизи 4–6 и 9–13 лет. Максимальные коэффициенты корреляции рядов ОСО, ветра и температуры наблюдаются над экватором, а в зависимости от высоты и широты фаза вариаций ОСО может отставать или опережать вариации температуры и ветра. Широтные распределения значений характерных времен затухания показывают рост этого параметра в тропических и экваториальных поясах и противоположное поведение с высотой для полей температуры и ветра.

ВИНОГРАДОВА А. А. — 2007 г.

Воздухообмен между арктическими и среднеширотными районами – один из процессов, формирующих климат всего Северного полушария. Анализ ветрового режима вблизи границы Арктики (на широте 70°N) на рубеже ХХ и ХХI столетий (1997–2004 гг.) показал значительные изменения условий меридионального переноса воздуха между арктическими и среднеширотными районами по сравнению с предшествующими годами (1960–1990 гг.). В работе оцениваются ветровые потоки массы, тепловой (внутренней) и кинетической энергии без учета турбулентных и конвективных процессов. Анализируется роль пространственных, сезонных и межгодовых вариаций скорости ветра и температуры воздуха в формировании этих потоков. Показано, что на рубеже веков в нижнем 6-километровом слое тропосферы на широте 70°N почти круглый год происходил адвективный вынос энергии из северных широт. Лишь весной (в апреле) ветровые потоки приносили тепловую энергию с юга. Суммарное количество тепловой и кинетической энергии, уходящей за год из Арктики по этому каналу, вполне сравнимо со средним количеством этих видов энергии, содержащимся во всей атмосфере над территорией, ограниченной широтой 70°N. Приводимые в работе современные пространственные и временны?е распределения скорости ветра, а также меридиональных потоков массы и энергии могут служить дополнительной информацией при интерпретации данных различных натурных наблюдений в арктических районах.

ДЕМЫШЕВ С. Г., КНЫШ В. В., КОРОТАЕВ Г. К., САРКИСЯН А. С. — 2007 г.

В работе предложена методика совместной ассимиляции климатических гидрологических полей температуры и солености и климатического динамического уровня Черного моря в модели морской динамики. Среднемесячные поля динамического уровня получены по результатам ассимиляции в модели спутниковых альтиметрических измерений. Статистические характеристики ошибок прогноза уровня, солености и температуры считались пропорциональными статистическим характеристикам разностей между среднемесячными климатическими полями температуры, солености и уровня, рассчитанными посредством ассимиляции альтиметрических наблюдений уровня моря, и аналогичными климатическими гидрологическими полями. Выполнена реконструкция климатических полей течений и проведен их анализ. Усвоение климатического альтиметрического уровня дало возможность воспроизвести в полях течений квазистационарные синоптические антициклонические вихри, располагающиеся по периферии Основного черноморского течения.