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

ВОЛОДИН Е.М., ГУСЕВ А.В., ДИАНСКИЙ Н.А. — 2013 г.

Рассматриваются результаты моделирования изменений климата в XIX–XXI веках с помощью модели климатической системы INMCM4 (Institute of Numerical Mathematics Climate Model, version 4) в рамках программы CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project, Phase 5). Эта модель, как и предыдущая версия INMCM3, обладает низкой чувствительностью к учетверению концентрации СО2, равной 4.0 К. Глобальное потепление к концу XXI века при сценарии RCP4.5 составляет в модели 1.9 К, а при сценарии RCP8.5 – 3.4 К. Пространственное распределение изменения температуры и осадков при увеличении парникового эффекта близко к тому, что было по данным модели INMCM3. Однако поток тепла в океан, а также рост уровня моря вследствие термического расширения в модели INMCM4 примерно в 1.5 раза превосходят эти показатели в модели INMCM3 при аналогичном сценарии. Рассматривается уменьшение площади морского льда, изменение потоков тепла, меридиональной циркуляции в океане при глобальном потеплении, а также некоторые аспекты естественной изменчивости климата в модели.

НАГОВИЦЫНА Е.С., ПОДДУБНЫЙ В.А. — 2013 г.

На основе хорошо известного метода статистики обратных траекторий (СОТ) разрабатывается новый подход к оценке полей загрязнения атмосферы по данным локальных измерений. Метод СОТ позволяет на основе результатов приборных измерений в одной или нескольких точках мониторинга и информации о динамике атмосферы (в данной работе – обратные траектории движения воздушных частиц) оценивать пространственную структуру полей измеряемой величины. Представлены результаты решения упрощенной демонстрационной задачи оценки пространственного распределения объемной концентрации тонкодисперсной фракции аэрозоля, полученные при анализе данных фотометрических измерений за 2004–2010 гг. в шести пунктах мониторинга сети AERONET на территории России: Звенигород, Москва, Екатеринбург, Томск, Якутск, Уссурийск.

ИНГЕЛЬ Л. Х., КАЛАШНИК М. В., ЧХЕТИАНИ О. Г. — 2013 г.

В рамках упрощенной аналитической модели исследована задача о стационарных конвективных течениях над неоднородно нагреваемой волнистой поверхностью. Показано, что периодический по горизонтали нагрев такой поверхности может приводить к эффекту “теплового ветра” – генерации однородного горизонтального потока вдали от поверхности.

БУЛАТОВ В. В., ВЛАДИМИРОВ Ю. В. — 2013 г.

Построены асимптотические представления решений, описывающих дальние поля внутренних гравитационных волн в стратифицированной среде переменной глубины. Выявлен эффект пространственно-частотного “запирания” волнового поля для реального океанического шельфа. В зависимости от частотных характеристик волнового поля и геометрии рельефа дна дальние поля внутренних волн или локализуются в некоторой ограниченной пространственной области (захваченные волны), или распространяются при отсутствии точек поворота на достаточно большие по сравнению с глубиной моря расстояния (прогрессивные волны). Пространственная область, куда проникают прогрессивные волны, полностью определяется наличием точек поворота, местоположения которых зависят от стратификации среды и неоднородностей рельефа дна.

ДОБРЫШМАН Е.М., КОЧИНА В.Г., ЛЕТУНОВА Т.А. — 2013 г.

Используются точные решения уравнений гидродинамики в цилиндрической системе координат для построения моделей вихревых структур и вычисления полей динамических характеристик моделей: скорости, вихря скорости и спиральности. В исходных уравнениях учитываются компоненты центростремительного ускорения и ускорения Кориолиса. Вводятся понятия внутренних и внешних решений. Для первых решений в правой части уравнений движения отсутствуют возмущения поля давления. Для вторых решений эти возмущения учитываются. Построение моделей осуществляется так, чтобы отчетливо было видно влияние учета пространственных координат на структуру указанных полей. Показано, что в моделях с центростремительным ускорением кинетическая энергия вращательного движения переходит в кинетическую энергию радиальной и вертикальной компонент скорости. В моделях с ускорением Кориолиса четко проявляется эффект Россби. Для построения внешних решений используется метод “обратной задачи” – каково может быть поле давления при заданных компонентах скорости. Вычисления показали, что основной вклад в модуль вихря скорости и спиральности на начальной стадии вносят их тангенциальные компоненты.

СОЛОВЬЕВ Ю. П. — 2013 г.

Представлены результаты измерений атмосферной турбулентности в слое от 1.5 до 21 м над ур. моря и сопротивления морской поверхности при ветре с горного склона длиной 4 км и средним уклоном 11°. Измерения профилей скорости ветра и ее флуктуации на нескольких уровнях, волнения и основных метеорологических параметров проводились осенью 2005 г. и 2008 г. со стационарной платформы, установленной в Черном море на расстоянии около 1 км от южного берега Крыма. Показано, что при слабом синоптическом ветре в ночное время над морем развивалось струйное течение с максимумом скорости до 5–6 м/с на высоте около 6 м над уровнем моря, индуцированное катабатическим ветром на береговом склоне. По приблизительным оценкам горизонтальный масштаб струйного течения может достигать нескольких десятков километров. Для этого течения характерны постоянные по высоте скорость диссипации энергии турбулентности и коэффициент турбулентной вязкости, а также низкочастотные флуктуации скорости, связанные с гравитационными волнами и адвекцией турбулентности с берега. Показано, что нижняя часть пограничного слоя (до высоты 3 м) адаптирована к морской поверхности. Зависимости коэффициента сопротивления от скорости ветра или от возраста волн более устойчивые по сравнению с данными для открытого моря. Однако возраст волн не является универсальным параметром на больших и коротких разгонах.

КУЛИЧКОВ С. Н., ПЕРЕПЁЛКИН В. Г., ЧУНЧУЗОВ И. П. — 2013 г.

На основе моделей переходного и симметричного слоя Эпштейна получены выражения для коэффициента частичного отражения K от слоистых неоднородностей в пограничном слое атмосферы в зависимости от трех безразмерных параметров: относительной высоты слоя, относительной толщины слоя и относительного изменения эффективной скорости звука в слое. Получены выражения для относительной высоты слоя, на которой возникает полное внутреннее отражение, и исследовано поведение функции K на высотах, близких к этому значению. Показано существенное ослабление зависимости коэффициента K от относительной толщины слоя в этих условиях, что позволяет регистрировать частично отраженный сигнал в широком диапазоне длин волн или частот зондирующего сигнала. В остальных случаях коэффициент частичного отражения K существенно зависит от толщины слоя. По экспериментальным данным об изменении амплитуды принимаемых акустических сигналов с ростом расстояния источник–приемники была разработана методика параметризации дополнительного импедансного ослабления звука, распространяющегося над земной поверхностью, и получены экспериментальные оценки этих параметров для различных условий стратификации и частоты зондирующего сигнала. Были выделены и систематизированы множество записей фоновых акустических шумов, характерных для того или иного места измерений, разработана методика оценки минимальной амплитуды сигнала, различимой на фоне шумов и проведены соответствующие оценки. На основе полученных данных и технических характеристик трех различных, выпускаемых промышленностью акустических источников были получены оценки предельных параметров метода частичных отражений, обеспечиваемых этими источниками.

ЗАЛЕСНЫЙ В.Б., КОРОТАЕВ Г.К., МАРЧУК Г.И., ПАТОН Б.Е. — 2013 г.

Проводится анализ методов оперативной океанографии, основой которых являются измерения с искусственных спутников земли, наблюдения со свободно дрейфующих платформ и попутных судов, а также современные модели циркуляции морей и океанов, адекватно воспроизводящие реальные процессы, протекающие в морях и океанах, а также исторический обзор исследований в этой области, проводившихся и проводящихся в СССР, Украине и России. Обсуждаются принципы создания эффективного информационно-вычислительного комплекса (ИВК) для решения задач оперативной океанографии и реализация его прототипа на примере Черного моря в рамках проекта совместных исследований Российской академии наук (РАН) и Национальной академии наук Украины (НАНУ) – “Черное море как имитационная модель океана”. Оценивается эффективность применения метода многокомпонентного расщепления при построении моделей морской циркуляции и специализированных ИВК, включающих алгоритмы вариационной ассимиляции данных наблюдений. Развивается концепция использования Черного моря как тестового бассейна для отработки инноваций, основанная на сходности черноморской динамики с процессами, протекающими в Мировом океане. Дается характеристика используемых в проекте численных моделей циркуляции Черного моря, обсуждаются направления их развития и формулируются требования к наблюдательной системе Черного моря.

ГОРДЕЕВ Е.И., КУЛИЧКОВ С.Н., МАХМУДОВ Е.Р., ФИРСТОВ П.П. — 2013 г.

На полуострове Камчатка в пункте Начики (НЧК) работает акустическая станция IS44, входящая в международную систему инфразвукового мониторинга (IMS) режима соблюдения Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ), а в поселке Паратунка работает станция Камчатского филиала Геофизической службы РАН. Эти станции позволяют вести мониторинг сильных эксплозивных извержений андезитовых вулканов. Рассмотрены кинематические и динамические параметры акустических сигналов, сопровождавших извержения вулканов Безымянного, который расположен на расстоянии 361 км от пункта НЧК в 2009–2010 гг. и вулкана Кизимен, расположенного на расстоянии 275 км во время извержения 31 декабря 2011 г. Обнаружена низкочастотная фаза разряжения длительностью более 60 c в начальной части записи акустических сигналов, сопровождающих сильные извержения. Показано, что фаза разряжения возникает в результате резкой конденсации перегретого ювенильного пара, поступающего в атмосферу во время таких эксплозий. На основании акустических сигналов, зарегистрированных во время рассмотренных выше извержений, сделана оценка количества пепла, выброшенного в атмосферу, которая заключена в пределах (3.2–7.3) ? 106 м3.

ДОРОФЕЕВ В.Л., КОРОТАЕВ Г.К., СУХИХ Л.И. — 2013 г.

В работе с помощью междисциплинарной трехмерной физико-биогеохимической модели, разработанной для Черного моря, исследуется долговременная эволюция морской динамики и экосистемы. Гидрофизические поля рассчитаны по модели циркуляции Черного моря с ассимиляцией данных гидрографических съемок и спутниковых измерений за срок с 1971 по 2001 гг. Модель циркуляции хорошо воспроизводит явления различных масштабов как по пространству, так и во времени, в частности, сезонный ход и межгодовую изменчивость основных гидрофизических полей. Полученные поля течений используются затем для расчета долговременной эволюции компонентов нижнего уровня пищевой цепи экосистемы Черного моря. Биогеохимическая модель, использовавшаяся в расчетах, основана на азотном цикле и включает в себя параметризацию основных биологических и химических взаимодействий и процессов в верхнем слое Черного моря. Проведенные численные эксперименты показали, что биогеохимическая компонента модели достаточно успешно воспроизводит основные черты и тренды эволюции экосистемы Черного моря за рассматриваемый период: рост биомассы фитопланктона в период эвтрофикации, изменение сезонных циклов основных компонентов экосистемы. Также показана важная роль гидрофизических процессов для достоверного воспроизведения долговременных изменений экосистемы.

АБДУЛЛАЕВ С. Ф., МАСЛОВ В. А., НАЗАРОВ Б. И. — 2013 г.

Для выяснения закономерностей влияния пыльной мглы на тепловой режим приземного слоя воздуха изучены данные по измерениям температуры воздуха, полученные на метеорологических станциях Душанбе, Термеза, Байрам-Али, Репетека и Курган-Тюбе. Установлено, что до 90-х годов при мощных пыльных бурях резкое понижение дневной температуры воздуха и небольшое повышение ночной температуры приводили к снижению температуры в приземном слое воздуха. В более позднее время чаще наблюдается пылевая мгла длительностью от 3 до 8 дней с пульсирующим изменением горизонтальной дальности видимости, которая, в зависимости от ее мощности, приводит либо к нагреву, либо к охлаждению приземного слоя атмосферы.

ДЕВЯТОВА Е. В., КОЧЕТКОВА О. С., МОРДВИНОВ В. И., ОЗНОБИХИНА О. А. — 2013 г.

В работе исследуются низкочастотные возмущения, ответственные за возбуждение крутильных колебаний – вариаций интенсивности среднего зонального потока с характерным временнм масштабом 15–20 суток, распространяющихся вдоль меридиана в умеренных и низких широтах обоих полушарий [1]. При обработке данных наблюдений с помощью метода одноточечных корреляций над восточными частями континентов и западной частью океанов выделяются бегущие волны, пересекающие восточную часть континентов с северо-запада на юго-восток, и затем вдоль океанического побережья возвращающиеся на север. В западной части континентов при этом периодически возникают и разрушаются цепочки аномалий, ориентированные в зональном направлении. Моделирование распространения возмущений в геострофическом приближении позволило объяснить особенности одноточечных корреляций над континентами дисперсией двумерных волн Россби от бегущих источников. Был воспроизведен “круговорот” возмущений над Азией и цуги волн к западу от полюса одноточечных корреляций. Крутильные колебания, обусловленные дисперсией двумерных волн Россби, имеют на диаграмме “широта–время” характерный вид наклонных полос, “крутизна” которых определяется скоростью смещения вдоль меридиана источника завихренности. м масштабом 15–20 суток, распространяющихся вдоль меридиана в умеренных и низких широтах обоих полушарий [1]. При обработке данных наблюдений с помощью метода одноточечных корреляций над восточными частями континентов и западной частью океанов выделяются бегущие волны, пересекающие восточную часть континентов с северо-запада на юго-восток, и затем вдоль океанического побережья возвращающиеся на север. В западной части континентов при этом периодически возникают и разрушаются цепочки аномалий, ориентированные в зональном направлении. Моделирование распространения возмущений в геострофическом приближении позволило объяснить особенности одноточечных корреляций над континентами дисперсией двумерных волн Россби от бегущих источников. Был воспроизведен “круговорот” возмущений над Азией и цуги волн к западу от полюса одноточечных корреляций. Крутильные колебания, обусловленные дисперсией двумерных волн Россби, имеют на диаграмме “широта–время” характерный вид наклонных полос, “крутизна” которых определяется скоростью смещения вдоль меридиана источника завихренности.

АРЕФЬЕВ В. Н., КАШИН Ф. В., МИЛЕХИН В. Л., МИЛЕХИН Л. И., ТЕРЕБ Н. В., УПЭНЕК Л. Б. — 2013 г.

. Спектральный анализ средних месячных концентраций приземного озона выявил составные колебания с периодами от 3 до 60 месяцев. Для аппроксимации временнй динамики озона использована статистическая модель, которая удовлетворительно описывает его экспериментальные средние месячные и средние годовые концентрации. й динамики озона использована статистическая модель, которая удовлетворительно описывает его экспериментальные средние месячные и средние годовые концентрации.

ДЕМЕТРАШВИЛИ Д.И., КОРДЗАДЗЕ А.A. — 2013 г.

На основе анализа результатов моделирования и прогноза основных гидрофизических полей в юго-восточной части Черного моря за 2010–2012 гг. исследуются особенности внутригодовой изменчивости региональных циркуляционных процессов в этой части бассейна. Прогноз гидрологического режима производится на основе региональной прогностической системы, разработанной в Институте геофизики Тбилисского государственного университета им. Ив. Джавахишвили, в сотрудничестве с океанографическими центрами причерноморских стран в рамках международных научно-технических проектов Евросоюза ARENA и ECOOP. Региональная система является одним из компонентов системы диагноза и прогноза Черного моря в масштабах всего бассейна. Анализ материала, накопленного за отмеченный период, показывает, что юго-восточная акватория Черного моря представляет собой динамически активную зону, где непрерывно происходит формирование разных циркуляционных процессов, значительно отличающихся друг от друга.

БУДЯНСКИЙ М. В., ПОНОМАРЕВ В. И., ПРАНЦ С. В., УЛЕЙСКИЙ М. Ю., ФАЙМАН П. А. — 2013 г.

Развит лагранжев подход для изучения перемешивания и переноса пассивной примеси в морских заливах и бухтах, основанный на использовании методов теории динамических систем. Этот подход применяется для исследования горизонтального перемешивания и переноса вод в заливе Петра Великого Японского моря с использованием поля скорости прогностической численной гидродинамической модели циркуляции синоптического масштаба. Показано, что такие лагранжевы характеристики, как максимальный накопленный показатель Ляпунова, время нахождения частиц в заливе, их относительные смещения, число циклонических и антициклонических вращений позволяют описать движение вод, характер перемешивания и степень его хаотичности в заливе. Карты числа посещений частицами различных районов залива позволяют при интегрировании уравнений адвекции вперед и назад во времени выявить коридоры выноса частиц из залива и коридоры их проникновения в залив соответственно.

БЛАКИТНАЯ П.А., ГАЛИН В.Я., МАРЕЕВ Е.А., СМЫШЛЯЕВ С.П. — 2013 г.

Химико-климатическая модель нижней и средней атмосферы используется для исследования изменений температуры атмосферы при возмущении ее химического состава в результате грозовой активности, вызывающего вариации локального нагрева и охлаждения, а также переноса тепла и массы в атмосфере. Результаты модельных расчетов показали, что в результате изменчивости грозовой продукции окислов азота и результирующей изменчивости концентраций атмосферных газов температура более всего меняется в нижней и средней стратосфере в тропических и полярных районах. Количественно этот эффект, в среднем за период в несколько десятилетий, составляет несколько десятых градуса, но может достигать нескольких градусов на высотах нижней стратосферы в полярных районах. Уровень статистической значимости полученных оценок превышает 0.95 почти на всех высотных диапазонах для глобальной молниевой продукции, превышающей 6 ТгN/год.

БАРАБАНОВ В.С., ЕФИМОВ В.В. — 2013 г.

С использованием численной модели региональной атмосферной циркуляции воспроизведено развитие сильной боры в зимний период вблизи Южного берега Крыма. Рассмотрены характерные особенности полей скорости и температуры, определяющие формирование интенсивного приповерхностного течения над подветренным склоном горного хребта, такие как обрушение внутренних волн и блокирование воздушного потока. Рассмотрена эволюция термодинамических полей в процессе развития и затухания сильной боры, сопровождающаяся резким понижением температуры воздушного потока, формированием струйного приповерхностного течения и значительной пространственно-временной изменчивостью в широком диапазоне масштабов.

ЧУХАРЕВ А.М. — 2013 г.

Для описания турбулентной структуры приповерхностного слоя моря предложена модель, учитывающая различия в масштабах турбулентных вихрей, генерируемых разными механизмами. В качестве основных источников турбулентной энергии рассматриваются сдвиг скорости дрейфового течения, нелинейные эффекты поверхностных волн и их обрушения. Энергетический спектр разделяется по масштабам на участки, система уравнений для каждого диапазона волновых чисел решается численно. Результаты моделирования сопоставляются с экспериментальными данными и с другими известными на сегодняшний день моделями, показаны преимущества предложенного метода.

ПОБЕРОВСКИЙ А.В., ПОЛЯКОВ А.В., ТИМОФЕЕВ Ю.М. — 2013 г.

Приведены результаты наземных спектроскопических измерений общего содержания (ОС) хлористого водорода в атмосфере в Петергофе вблизи Санкт-Петербурга с апреля 2009 по март 2012 гг. Для интерпретации спектров солнечного ИК-излучения использовался известный компьютерный код SFIT-2 (Zephyr-2). Случайные и систематические погрешности измерений ОС HCl не превышали 3.8 и 4.5%. Сезонный ход ОС HCl в Петергофе характеризуется наличием максимума в марте–апреле и минимума в октябре–ноябре. Наблюдаются также экстремально малые значения ОС в январе–феврале. Временнй ход, полученный для Петергофа, хорошо согласуется с данными ближайших станций международной сети NDACC. Данные наземных измерений ОС HCl сопоставлены c результатами спутниковых измерений с помощью приборов ACE-FTS и MLS. Прямые сравнения спутниковых и наземных измерений, согласованных по времени (в течение суток) и месту (не далее 500 км), показали соответствие результатов в пределах их суммарных погрешностей. й ход, полученный для Петергофа, хорошо согласуется с данными ближайших станций международной сети NDACC. Данные наземных измерений ОС HCl сопоставлены c результатами спутниковых измерений с помощью приборов ACE-FTS и MLS. Прямые сравнения спутниковых и наземных измерений, согласованных по времени (в течение суток) и месту (не далее 500 км), показали соответствие результатов в пределах их суммарных погрешностей.

ПОБЕРОВСКИЙ А. В., СЕМАКИН С. Г., ТИМОФЕЕВ Ю. М. — 2013 г.

Приведены результаты первых в России наземных спектроскопических измерений общего содержания (ОС) азотной кислоты в атмосфере вблизи Санкт-Петербурга за период апрель 2009–октябрь 2011 гг. Эти измерения показали наличие существенного сезонного хода ОС HNO3 с максимальными значениями в зимний период и в начале весны и минимальными значениями в летнее время. Сезонный ход и вариации среднедневных значений ОС HNO3 вблизи Санкт-Петербурга в зимний и весенний период хорошо согласуются с наблюдениями на станции Kiruna международной сети NDACC.