2.4. Фундаментальные и прикладные научные исследования планеты Земля

Тема КЛИМАТ. Изучение изменчивости климатических параметров и природные катастрофы разных масштабов: развитие и анализ физических механизмов, разработка современных методов обработки данных космического мониторинга климатических и экологических процессов. Научные руководители д.т.н. Лупян Е.А., д.ф.-м.н. Е.А.Шарков.

Энергетические потоки и массоперенос в системе океан-атмосфера происходят в широком спектре интенсивностей и пространственных и временных масштабов. Они связывают между собой функционирующие структуры всех геосфер планеты. Эти связи и сами геофизические процессы, оказываются сложными, нелинейными и многопараметрическими. Изучение структуры и изменчивости гидрометеорологических параметров и эволюции крупно- и мезомасштабных термодинамических процессов в системе океан-атмосфера важно и для изучения изменчивости климата и для оценки степени упорядоченности атмосферы.

Особый интерес представляет эволюция спектрального состава движений во времени и широтный перенос тепла и момента количества движения. Наиболее влиятельными атмосферными процессами, оказывающими воздействие на транспортные и диссипативные свойства атмосферы и климатическую систему в целом являются общая циркуляция атмосферы, крупномасштабные квазистационарные центры действия в системе океан-атмосфера (депрессии и антициклоны), а также такие энергоемкие и динамичные природные процессы как Южное Колебание – Эль-Ниньо (ЮКЭН) и глобальный тропический циклогенез (ГТЦ).

Колебания климата имеют характерные времена от десятилетий до значительно более длительных периодов, порядка столетий и тысячелетий. Оценки скорости векового замедления вращения Земли можно связывать не только с приливным замедлением, но и с климатическими изменениями, например, с таянием ледниковых щитов Гренландии и Антарктиды.

С проблемами климатологии и гидрологии тесным образом переплетаются проблемы изучения, мониторинга и определения характеристик снежного и лесного покрова планеты, поскольку снежный покров и леса оказывают огромное влияние на климат, рельеф, гидрологические и почвообразовательные процессы. В связи со сказанным выше особенно важными представляются:

- сбор данных о природных процессах, формирование баз разнородных данных и организация удобного доступа к ним;

- анализ связей между эволюцией климата, с одной стороны, и многомасштабной структурой крупномасштабных термодинамических процессов в системе океан-атмосфера;

- анализ связей между временной изменчивостью метеорологических характеристик метеорологических процессов с процессами в гелио- геодинамической цепочке энергообмена нестандартными современными математическими методами;

- разработка моделей изучаемых природных процессов и сред; выявление управляющих природными процессами физических механизмов;

- интересен также анализ политических инициатив, связанных с попытками оказать воздействие на изменение климата.

В результате исследований, проведенных по этим направлениям, получено следующее.

1. Исследование взаимовлияния между зональной циркуляцией атмосферы и глобальными вариациями климата.

Выявлена тесная связь между многолетними флуктуациями скорости вращения Земли и долговременной изменчивостью климатических характеристик, в частности с температурой поверхности (глобальной и полушарными) и с циклами процесса Южное Колебание – Эль-Ниньо (ЮКЭН).

ЮКЭН – один из интереснейших процессов планетарного масштаба, протекающий в системе океан-атмосфера, и вносящий заметный вклад в низкочастотную изменчивость практически всех гидрометеорологических характеристик системы. Одноименные фазы ЮКЭН повторяются циклично через 2-7 лет и одной из особенностей периодов ЮКЭН является кратность (в той или иной мере) периодам нутаций географических полюсов Земли (вынужденной – 18,6 лет и свободной – 1,2 года).

Анализ показывает заметную нестабильность циклов ENSO во времени: возникнув на одних частотах, они через некоторое время затухают и возбуждаются уже на других. Эта нестабильность хорошо коррелирует с флуктуациями скорости вращения Земли и с изменениями солнечной активности (так, например, сбои циклов ЮКЭН происходят в периоды ослабления солнечной активности, а характер экстремумов и структура функции перемежаемости для индексов Южного Колебания и чисел Вольфа практически повторяют друг друга).

Известно, что многолетние флуктуации скорости вращения Земли тесно связаны с эпохами атмосферной циркуляции, с климатическими характеристиками и, соответственно, с вариациями климата планеты. Так периоды ускорения Земли (уменьшения длительности суток) или замедления совпадают с эпохами различных типов циркуляции атмосферы. В первом случае увеличивается масса льда в Антарктиде, ослабевает интенсивность зональной циркуляции и возрастают темпы повышения температуры северного полушария. Во втором случае, в периоды замедления вращения Земли, усиливается зональная циркуляция и снижаются темпы роста температуры северного полушария.

Таким образом, существует тесная связь между многолетними флуктуациями вращения Земли, изменениями эпох атмосферной циркуляции и изменениями климата, по крайней мере, северного полушария.

Астафьева Н.М. Смена типов зональной циркуляции атмосферы и изменчивость метеорологических параметров. Подготовлено к печати.

Астафьева Н.М., Раев М.Д., Комарова Н.Ю. Локализованный спектральный анализ в геофизике. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2004. Стр. 37.

д.ф.-м.н., в.н.с. Н.М. Астафьева, 333-21-45, ast@iki.rssi.ru

2. На основе многолетнего массива данных дистанционного радиофизического зондирования сформировано глобальное радиотепловое поле, демонстрирующее эволюцию динамических процессов в системе океан-атмосфера.

При формировании глобального радиотеплового поля системы океан-атмосфера использованы массивы радиотепловых многочастотных данных с космических аппаратов F10-F15 серии DMSP (многоканальных радиометрических приборов SSM/I) за 2001 год. Радиометрические приборы SSM/I предоставляют радиотепловые поля на частотах 19, 22, 37 и 85 Ггц. В анимации использованы данные каналов: 19 Ггц (поверхность суши, океана, облачного слоя); 22 Ггц (водяной пар); 85 Ггц (основная влага, капли крупные). Разработанные методики обработки спутниковых данных позволили построить полные глобальные радиотепловые поля (два кадра в сутки), используя для дополнения данные всех космических аппаратов F10-F15 серии DMSP.

Глобальные радиотепловые поля представлены в меркаторской проекции. Для удобства разворот по экватору дополнен 120°, что дает возможность наблюдать структуру атмосферных процессов над каждым из океанов планеты полностью. В качестве примера в нижней части рисунка подробно показаны структуры разного масштаба (циклон средних широт, тайфун, облачная структура).

Известно, что радиояркостная температура хорошо коррелирует с динамическими характеристиками системы океан-атмосфера. Таким образом, полученные данные эволюции радиотеплового поля системы океан-атмосфера позволят исследовать динамику глобальных и мезомасштабных движений, волны Россби, многолетние волны в атмосфере, вариации (декадные, сезонные, межгодовые) спектрального состава атмосферных движений планеты и, в частности, эволюцию широтного энерго- массопереноса.

Астафьева Н.М., Раев М.Д, Шарков Е.А. Глобальное радиотепловое поле системы океан-атмосфера. Доклад на Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». 2004, подготовлено к печати.

д.ф.-м.н., в.н.с. Н.М. Астафьева, 333-21-45, ast@iki.rssi.ru

к.ф.-м.н., зав. лаб. М.Д. Раев, 333-43-01, mraev@iki.rssi.ru

д.ф.-м.н., зав. отделом Е.А. Шарков, 333-13-66, esharkov@iki.rssi.ru

3. Создание комплексной базы гелио- геофизических данных, выявление их роли в процессах формирования и развития циклонических образований в атмосфере и их возможной связи с возмущениями в ионосфере.

3.1. Продолжалась работа по расширению комплексной базы данных гелио- геофизических.параметров данными по океанологии, средней атмосфере, ионосфере, энергичным частицам в околоземном пространстве, солнечному ветру и УФ-эмиссиям. В связи с тем, что на предыдущем этапе выявлена корреляция циклонической активности с 27-дневным периодом активности Солнца, особое внимание было уделено поиску климатических экспериментальных данных с достаточным временным разрешением (~1 дня), поскольку в мировых центрах данных экспериментальные данные усреднены за периоды от 5 до 30 дней (с разработкой соответствующего программного обеспечения).

3.2. Продолжался анализ временных рядов интенсивности тропического циклогенеза для выявления его связи с солнечной активностью. Показано, что несмотря на ярко выраженную 11-летнюю вариацию активности Солнца (индекс F10.7 изменяется в ~5 раз), величина интенсивности циклогенеза I(t) не имеет явно выраженных временных трендов и остается практически постоянной за исключением ярко выраженных полугодовых, сезонных вариаций (см. рисунок). Функция накопления циклогенеза нарастает практически линейно со временем (коэффициенты корреляции для глобального I(t) равен 1.00 до 1996 и 0.998 после 1996 г.), что говорит о постоянной величине интенсивности циклонообразования (или о постоянной величине ежесуточной скорости образования ТЦ) и полном отсутствии межгодовых вариаций. Внизу под рисунком указаны коэффициенты корреляции CorrXY и Подпись:
Функция накопления временного ряда интенсивности циклогенеза. наклон регрессионных кривых ka. Небольшие гармонические компоненты на кривых соответствуют полугодовым вариациям Наклон регрессионных кривых, величина ka (1/сутки), физически представляет собой дифференциальную скорость образования циклонов в сутки. В течении 1983-1996гг. ежесуточный дифференциальный темп рождения ТЦ на земном шаре составлял 1,719 циклонов в сутки, из них 1,264 в Северном и 0,455 - в Южном полушариях. Изменение темпов генерации после 1996 г. (глобальный темп – 2,285 и соответственно для полушарий – 1,496 и 0,789 ) можно было бы связать с глобальным процессами на планете («потеплением» климата), однако высокие значения коэффициентов корреляции (³0.999 до 1996 г. и ³0.990 после) свидетельствуют о постоянстве механизма генерации ТЦ, и поэтому изменение наклона кривых (скорости образования ТЦ) связано, по-видимому, с использованием более детальных подходов к систематике начальных форм ТЦ и значительным улучшением работы метеорологических служб слежения за ТЦ в связи с внедрением компьютерных технологий сети Internet.

Шарков Е.А., Афонин В.В. Глобальный тропический циклогенез и 27-дневные вариации солнечной активности. Подготовлено к печати.

В.В. Афонин, Л.М. Зеленый, Е.А. Шарков Глобальный тропический циклогенез и солнечная активность. Доклады РАН (в печати).

к.ф.-м.н., с.н.с. Афонин В.В., 333-10-23. vafonin@iki.rssi.ru

д.ф.-м.н., зав. отделом Е.А. Шарков, 333-13-66, esharkov@iki.rssi.ru

Работа по подтеме велась при поддержке гранта РФФИ № 03-05-64143.

4. Формирование массива данных и организация WEB интерфейса электронной коллекции данных глобального тропического циклогенеза с системой поиска на естественных языках.

Накоплены результаты радитепловой съемки океанических зон системой спутников NASA DMSP (F10, F13. F14, F15) c 1996 по 2003 годы в объеме 150 Gb для формирования графических материалов коллекции.

Выполнен анализ программных средств для создания WEB интерфейса электронной коллекции, базовым форматом которой будет наиболее адекватный требованиям к распространению научных материалов кроссплатформенный формат PDF. Такой формат обеспечивает представление графических материалов с сохранением качества исходных изображений и текстовых материалов с возможностью поиска на естественных языках.

Раев М.Д., Астафьева Н.М., Ермаков Д.М., Суслов А.И., Шарков Е.А. Электронная база многолетних данных глобального радиотеплового поля системы океан-атмосфера в контексте задач исследования вариаций климата планеты и атмосферных катастроф. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2004. Стр. 119.

науч. сотр. Суслов А. И., 333-4366, asuslov@asp.iki.rssi.ru

5. Формирование массива данных многолетнего космического мониторинга глобальных радиотепловых полей системы океан-атмосфера в контексте задач исследования вариаций климата планеты и атмосферных катастроф.

Результаты первого этапа работы направлены на формирование и накопление радиотепловых многочастотных и многолетних данных с космического аппарата DMSP (прибора SSM/I) с целью использования этих данных для решения динамических задач вариаций климата планеты, глобального тропического циклогенеза и задач дистанционного определения глобальных и региональных характеристик снежного покрова, в том числе определения границы снеготаяния. Принципиальной и отличительной особенностью созданной базы данных является создание общедоступного WEB интерфейса.

Авторами был установлен надежный контакт с GHRC – глобальным гидрологическим исследовательским центром, являющимся основным хранителем всех данных аппаратов серии DMSP. В результате были накоплены данные за 1995 – 2004 годы по F10 – F15 аппаратам DMSP. Общий объем данных составил величину ~ 150 Гб. Одновременно проводились работы по отработке методики использования накопленных данных. Были разработаны программы по выделению данных для определенных областей, задаваемых географическими координатами. Для нескольких точек, в которых расположены гляциологические наземные станции и имеется многолетний ряд непрерывных наблюдений, для периода с октября по декабрь 1995 года были получены соответствующие имеющимся наземным данным многоканальные радиометрические данные приборов SSM/I с F10 и F13 аппаратов DMSP.

В настоящее время продолжается накопление данных, проводятся работы по использованию пакета GREENESTONE для создания базы экспериментальных данных с системой поиска на естественных языках и WEB интерфейсом и ведется совершенствование методики применения этих данных для решения ряда научных задач.

Шарков Е.А. Атмосферные катастрофы: эволюция научных знаний и роль дистанционного зондирования. Доклад на конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». 2004. Стр. 29-30.

к.ф.-м.н., зав. лаб. М.Д. Раев, 333-43-01, mraev@iki.rssi.ru

д.ф.-м.н., зав. отделом Е.А. Шарков, 333-13-66, esharkov@iki.rssi.ru

6. Исследование данных радиофизического зондирования в целях изучения явлений теплового и динамического взаимодействия в океане и атмосфере.

6.1. Проведен критический анализ результатов аэрокосмических дистанционных исследований одного из разрушительных катастрофических природных явлений – тропических циклонов – за последние несколько десятилетий. Основное внимание уделено критическому анализу существующих концепций генезиса катастрофических вихревых систем в земной атмосфере. В первую очередь речь идет о понимании роли тропического циклогенеза в формировании массо- и энергообмена в системе океан-атмосфера.

Анализ существующих и перспективных аэрокосмических экспериментов, а также средств и методов накопления первичной информации и методик ее обработки показал следующее. В перспективных проектах по изучению крупномасштабных природных катастроф в системе океан-атмосфера необходимо предусмотреть проведение комплексных экспериментов с помощью приборов дистанционной диагностики, предназначенных для измерения характеристик различных геофизических сред: поверхность океана – приводный слой, тропосфера, стратосфера – озонный слой, ионосфера.

Шарков Е.А. Научно-технические концепции и космические миссии в контексте исследования и мониторинга крупномасштабных атмосферных катастроф. Доклад на международной конференции «Трансформация волн, когерентные структуры и турбулентность». 2004.

6.2. На основе использования создаваемой нами базы радиотепловых многочастотных и многолетних данных с космического аппарата DMSP (прибор SSM/I) выполнены предварительные оценки широтного переноса запасенного скрытого и явного тепла из тропических областей земного шара в более высокие средние широты. Исследовался перенос, совершаемый такими динамичными и энергоемкими атмосферными вихрями, как тропические циклоны.

Оценки говорят о том, что перенос посредством глобального тропического циклогенеза оказывается по порядку величины близким к меридиональному переносу, совершаемому глобальной циркуляцией атмосферы. Тем самым показана принципиальная важность корректного учета вклада глобального тропического циклогенеза в широтную изменчивость термодинамической структуры системы океан-атмосфера.

Астафьева Н.М. Крупномасштабные структуры в системе океан-атмосфера и их влияние на климат планеты. Трансформация волн, когерентные структуры и турбулентность. 2004. Стр. 356-361.

Руткевич П.Б., Шарков Е.А. Новый механизм генерации атмосферных катастроф: возможности дистанционных методов. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2004. Стр. 120.

Sharkov E. Passive Microwave Remote Sensing of the Earth: Physical Foundations. Springer/PRAXIS. Berlin, Heidelberg, New York, etc. 2003. 613p. ISBN 3-540-43946-3.

д.ф.-м.н., в.н.с. Н.М. Астафьева, 333-21-45, ast@iki.rssi.ru

к.ф.-м.н., зав. лаб. М.Д. Раев, 333-43-01, mraev@iki.rssi.ru

д.ф.-м.н., зав. отделом Е.А. Шарков, 333-13-66, esharkov@iki.rssi.ru

7. Определение характеристик снежного покрова равнинных территорий севера Евразии, по данным дистанционного зондирования на основе микроволновых моделей.

7.1. С использованием данных наземных наблюдений проведена количественная оценка пространственной изменчивости и тенденций многолетних изменений параметров снежного покрова для севера Евразии в целом и ее крупных физико-географических регионов.

Оценка пространственно-временных изменений продолжительности залегания снежного покрова и запасов воды в снежном покрове проведена для севера Евразии. В качестве основных характеристик использованы, наблюдаемые на метеостанциях, запасы воды в снежном покрове, даты образования и разрушения устойчивого снежного покрова, расчетная продолжительность залегания снега. В соответствии с общими климатическими условиями и орографическими факторами, распределение снегозапасов Восточно-Европейской равнины имеет зональную картину. На распределение снегозапасов в Сибири влияют Уральские горы и среднегорья Сибири, деятельность Сибирского барического максимума и Алеутского барического минимума. Пространственная изменчивость сроков залегания снежного покрова имеет ярко выраженное зональное распределение. Продолжительность залегания может составлять менее месяца на юге и до десяти и более месяцев на севере при изменчивости снегозапасов от 20 до 350 мм.

Рассчитанные для исследуемых параметров значения линейных трендов, незначительно превышая величину среднеквадратичного отклонения, указывают на тенденцию увеличения снежности севера Евразии. Для севера Евразии в целом характерно увеличение снегозапасов со скоростью +0.345 мм/год. На фоне увеличения запасов воды в снеге увеличивается продолжительность залегания устойчивого снежного покрова, в основном за счет появления более раннего образования и более позднего разрушения снежного покрова. При этом соответствии со значениями трендов, более значимыми для увеличения снежности являются условия осени, определяющие все более ранние сроки наступления снежного периода. При наличии положительного тренда многолетних изменений снегозапасов, для севера Евразии в целом имеет место значительная региональная неоднородность его изменчивости. Заметные тенденции уменьшения снегозапасов зафиксированы лишь в нижнем течении р. Колымы и в центральной части Восточноевропейской равнины, при увеличении запасов воды в снеге в Предуралье и центральной Сибири.

Возможно, в зимний период имеет место увеличение скорости прохождения циклонов через Восточноевропейскую равнину и более интенсивная разгрузка осадками восточнее. Увеличение снегозапасов Камчатки связано с усилением влияния на эту территорию Алеутского барического минимума, для области распространения которого, в частности, характерно незначительная многолетняя тенденция снижения давления. Продолжительность периода с устойчивым снежным покровом увеличивается практически на всей исследуемой территории и, прежде всего, в связи с более ранними датами его образования. Обращают на себя внимание также отрицательные тренды температуры осеннего сезона основных климатических областей арктического побережья Евразии: -0.13 в Североевропейской, -0.17 в Западносибирской, -0.12 в Восточносибирской и -0.02 градуса/год в Чукотской, с чем связана тенденция появления более ранних сроков образования снежного покрова.

7.2. Для пяти конкретных наземных станций, в которых имеются ряды наземных наблюдений, были построены временные выборки по всем семи каналам SSM/I (аппараты DMSP-F13 и DMSP-F14) для периода наблюдений с сентября 1995 года по март 1996 года.

Для пяти конкретных наземных станций, в которых имеются ряды наземных наблюдений, были построены временные выборки по всем семи каналам SSM/I(аппараты DMSP-F13 и DMSP-F14) для периода наблюдений с сентября по декабрь 1995 года и с января по март 1996 года. Для выбранных участков степной зоны установление снежного покрова в 1995 году отмечено в середине ноября. Во всех случаях отмечены две оттепели, в течение которых происходило полное разрушение ранее сформировавшегося снежного покрова. В целом период установления снежного покрова составил здесь около трех недель. Для ключевых участков зоны тундры, в связи с суровостью климата, снежный покров установился в 1995 году в конце сентября одномоментно.

Ход изменений снежного покрова для всех участков полностью соответствует ходу температуры воздуха – как и положено в контрфазе. При этом, поскольку снежный покров неустойчив, корреляция между его изменчивостью и изменчивостью температуры воздуха отсутствует. Радиояркостные температуры медленно снижаются с увеличением мощности снежного покрова. Имеет место значимая на уровне 95% корреляция приземной температуры воздуха и радиояркостных температур, которая выше в зоне тундры (0.80-0.92) и ниже в степной зоне (0.65-0.80). Кроме того, имеет место тенденция лучшей корреляции приземной температуры воздуха и радиояркосной температуры диапазона 85.5 Ггц. Радиояркостные температуры, полученные разными спутниками, различаются не боле чем на 5-6%. В этом же диапазоне различаются данные восходящих и нисходящих витков. Соответственно климатической зональности, радиояркостные температуры ключевых участков степной зоны превышают радиояркостные температуры тундры, что связано, по-видимому, с особенностями климатической зональности.

7.3. В двухпотоковом приближении теории переноса излучения создана модель излучательной способности снежного покрова.

Разработана структурно-зависимая модель излучательной способности снежного покрова. Восходящее и нисходящее излучение внутри снежного слоя предполагалось диффузным и использовалась двухпотоковая теория Кубелки и Мунка. Снежный покров представлялся средой, состоящей из дискретных рассеивателей. В случае сухого снега рассеивателями являлись зерна льда. Для влажного снега рассмотрены две геометрические конфигурации водной компоненты: смесь зерен льда и водяных капель, а также смесь зерен льда, покрытых водяной оболочкой, и водяных капель. Предполагалось, что рассеиватели имеют сферическую форму и их размеры подчинены логарифмически-нормальному распределению.

к.ф.-м.н., ст.н.с. Д.А. Боярский, 333-31-00, dmitri.boyarskii@asp.iki.rssi.ru

к.ф.-м.н., ст.н.с. к.ф.-м.н. В.В. Тихонов, 333-31-00, vtikhonov@asp.iki.rssi.ru

Работа по подтеме выполнялась при поддержке грантов РФФИ № 03-05-64374 и № 02-02-16119.

8. Оценка физических процессов и законов, лежащих в основе политических инициатив, осуществление которых может прямо или косвенно привести к воздействию на климат.

За истекший год не была сформулирована ни одна крупномасштабная политическая инициатива, способная оказать воздействие на изменение климата. Мы живем уже несколько лет под влиянием Киотского протокола, но создается впечатление, что время наибольшего внимания к этому протоколу уже прошло. Решение России ратифицировать протокол по существу ничего не изменило в ожидаемых результатах (а они близки к нулевому исходу во многом благодаря отказу США поддержать эту инициативу).

Гораздо более радикальные инициативы по переходу к новой энергетике, не оказывающей воздействия на парниковый эффект, носят долгосрочный характер. Речь идет, во-первых, о перспективе перехода на термоядерную энергию. В этом году намечены некоторые подвижки в развитии проекта международного термоядерного реактора (проект "Интор"), но возникли затруднения с определением места сооружения первой экспериментальной модели, которая должна продемонстрировать положительный баланс энергии. В конечном итоге вопрос связан со стоимостью проекта (порядка 10 миллиардов долларов) и может быть решен, если ему будет уделено более значительное политическое внимание.

Второй проект связан с предложением Руббиа (ЦЕРН) о создании реактора на ториевом топливе, работа которого непрерывно поддерживается пучком протонов высокой энергии. По сравнению с урановой энергетикой подобный реактор Руббиа способен перерабатывать все радиоактивные отходы производства и обеспечить радиационно чистый процесс. К сожалению, информация о прогрессе в этом направлении за последние годы отсутствует. Но и это направление связано с большими начальными инвестициями, что потребует серьезных политических решений.

Наконец, пока что также не четко ясны перспективы перевода транспорта на водородное топливо, но такие исследования продолжают широко вестись во многих странах. Не похоже, что ситуация заметно изменится в течение нескольких предстоящих лет.

к.ф.-м.н., с.н.с. С.Н. Родионов, 333-43-02, Stan.Rodionov@asp.iki.rssi.ru

Астафьева Н.М. Крупномасштабные структуры в системе океан-атмосфера и их влияние на климат планеты. Трансформация волн, когерентные структуры и турбулентность. 2004. Стр. 356-361.

Астафьева Н.М. Смена типов зональной циркуляции атмосферы и изменчивость метеорологических параметров. Подготовлено к печати.

Астафьева Н.М., Раев М.Д., Комарова Н.Ю. Локализованный спектральный анализ в геофизике. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2004. Стр. 37.

В.В. Афонин, Л.М. Зеленый, Е.А. Шарков Глобальный тропический циклогенез и солнечная активность. Доклады РАН (в печати).

Раев М.Д., Астафьева Н.М., Ермаков Д.М., Суслов А.И., Шарков Е.А. Электронная база многолетних данных глобального радиотеплового поля системы океан-атмосфера в контексте задач исследования вариаций климата планеты и атмосферных катастроф. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2004. Стр. 119.

Руткевич П.Б., Шарков Е.А. Новый механизм генерации атмосферных катастроф: возможности дистанционных методов. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2004. Стр. 120.

Sharkov E. Passive Microwave Remote Sensing of the Earth: Physical Foundations. Springer/PRAXIS. Berlin, Heidelberg, New York, etc. 2003. 613p. ISBN 3-540-43946-3.

Шарков Е.А. Научно-технические концепции и космические миссии в контексте исследования и мониторинга крупномасштабных атмосферных катастроф. Доклад на международной конференции «Трансформация волн, когерентные структуры и турбулентность». 2004.

Шарков Е.А. Атмосферные катастрофы: эволюция научных знаний и роль дистанционного зондирования. Доклад на конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». 2004. Стр. 29-30.

Шарков Е.А., Афонин В.В. Глобальный тропический циклогенез и 27-дневные вариации солнечной активности. Подготовлено к печати.

Тема ОКЕАН. Физические основы космического дистанционного зондирования поверхности океана в микроволновом диапазоне.

Научный руководитель д.ф.-м.н., профессор Е.А.Шарков

Научные исследования настоящей темы (Гос. Регистрация № 01.20.0200163) проводятся в соответствии с пунктами 6.18 и 1.4.8 "Основных направлений фундаментальных исследований РАН" (постановление Президиума РАН от 1 июля 2003г.), а также в соответствии с Программами фундаментальных исследований РАН «Радиоэлектронные методы в исследованиях природной среды и человека» (ОФН-15) и «Проблем радиофизики» (ОФН-14).

В соответствии с решением Отделения физических наук РАН на отдел «Исследование Земли из космоса» ИКИ РАН ( отдел 55 ) была возложено выполнение двух проектов: по Программе фундаментальных исследований РАН «Радиоэлектронные методы в исследованиях природной среды и человека» ( ОФН-15) проекта «Радиоэлектронные дистанционные активно-пассивные методы в исследованиях окружающей среды шельфовой зоны окраинных морей РФ» и по Программе фундаментальных исследований РАН «Проблем радиофизики» (ОФН-14) проекта «Теоретическое и экспериментальное исследование поверхностного волнения и течений в океане на основе данных радиолокационного зондирования». Отдел также проводил работы по II-ому этапу НИР "МТВЗА-Ветер", выполняемой на основании договора между ФГУП «Центр космических наблюдений» ( Роскосмос ) и ИКИ РАН №889 от 27.03.2003 и по проекту РФФИ 04-02-16629 и проекту CRDF RG1-2341-MO-02 .

Проект «Радиоэлектронные дистанционные активно-пассивные методы в исследованиях окружающей среды шельфовой зоны окраинных морей РФ»

( ОФН-15).

Основные цели проекта:

развитие теоретических моделей, анализ физических механизмов, разработка и применение радиофизических дистанционных активно-пассивных методов измерений и алгоритмов обработки натурных и дистанционных данных в целях выявления закономерностей и особенностей проявлений внутриокеанических, атмосферных процессов и антропогенных воздействий на взволнованной морской поверхности шельфовой зоны окраинных морей РФ.

Задачи, поставленные на 2004 год:

1. Подготовка и отладка проблемно-ориентированной программы обработки данных РЛС СА космического базирования для радиоэлектронного мониторинга прибрежной зоны. Выработка методик обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности моря из космоса. Разработка критериев необходимых для разделения процессов, связанных с поверхностным загрязнением от поверхностных проявлений процессов, имеющих похожие радиолокационные образы, таких как апвеллинг, «ветровая тень», дождевые ячейки.

2. Экспериментальные и пуско-наладочные работы по модернизации дистанционно-контактного пункта наблюдения ( г. Геленджик ). Модернизация и опрабирование в натурных условиях уникального дистанционно-контактного комплекса, включающего микроволновую аппаратуру для дистанционного зондирования морской поверхности, (многочастотные и многополяризационные радиометры, скаттерометры, РЛС с высоким разрешением ), оптическую цифровую камеру и метеокомплекс для комплексного радиоэлектронного и оптического мониторинга окружающей среды шельфовой зоны.

3. Проведение экспериментальные и теоретические исследований радиогидрофизических характеристик морской поверхности при различных гидрометеоусловиях и под воздействием внешних естественных и искусственных возмущений..

Экспедиционная программа «Геленджик-2004» : экспериментальные и наладочные работы по модернизации дистанционно-контактного пункта наблюдения

(г. Геленджик )

Экспедиционные работы 2004 года на базе Южного отделения Института океанологии (ЮОИО) РАН продолжили серию натурных экспериментов, проводившихся в 1999-2003 гг. сводным отрядом сотрудников ряда институтов Российской Академии наук и университетов под общим руководством Института космических исследований (ИКИ РАН). Основная цель комплексной экспедиции состояла в решении ряда фундаментальных задач радиофизической диагностики природных сред.

Эффективность применения космических средств дистанционного зондирования в большой мере зависит от наличия адекватных моделей, связывающих характеристики принимаемого спутниковым прибором микроволнового излучения с параметрами морской поверхности и атмосферы над ней. Для разработки и последующей валидации таких моделей необходимы натурные измерения характеристик электромагнитных волн, излучаемых и рассеянных морской поверхностью, с помощью оборудования, аналогичного тому, что устанавливается на борту космических аппаратов. Самостоятельный интерес представляют как подспутниковые измерения, выполняемые с самолетов, судов и фиксированных платформ, так и независимые от космических съемок измерения. Непременным условием результативности натурных экспериментов является тщательный контроль параметров атмосферы и морской поверхности, осуществляемый как дистанционными, так и контактными датчиками.

Необходимость экспериментальной проверки предложенных научным коллективом ИКИ РАН оригинальных методов дистанционного зондирования океана потребовала как создания дистанционно-контактного пункта наблюдения в прибрежной зоне, так и осуществления комплексных натурных экспериментов, которые и были проведены на полигоне ЮОИО РАН вблизи г. Геленджика в 1999-2004 гг. В состав экспедиции 2004 года входили научные сотрудники ИКИ РАН, ИРЭ РАН, Акустического института им. Андреева, а также студенты МГУ ( физический факультет ) .

Основной целью комплексных экспедиционных работ являлось дальнейшее развитие методик дистанционной диагностики динамических процессов в системе океан-атмосфера, основанных на измерении параметров электромагнитных волн, излучаемых и рассеиваемых на границе атмосферы и водной поверхности. Особое внимание уделялось измерению поляризационных параметров теплового микроволнового излучения морской поверхности в широком диапазоне углов зондирования. При планировании комплексных экспедиционных работ 2004 года были намечены следующие основные задачи:

· Экспериментальная проверка методики восстановления скорости и направления ветра над поверхностью океана на основе поляризационных радиотепловых измерений в сантиметровом и миллиметровом диапазоне длин волн. Уточнение коэффициентов, характеризующих зависимость азимутальной анизотропии поляризационных параметров теплового радиоизлучения морской поверхности от скорости приповерхностного ветра;

· Экспериментальное исследование пространственного спектра гравитационно-капиллярных волн в прибрежной зоне и изучение эффектов модуляции его параметров конвективными движениями, длинными гравитационными волнами, процессами в пограничном слое океана и атмосферы;

· Тестирование методики восстановления интегрального влагосодержания атмосферы из двухчастотных разностных измерений в линии поглощения водяного пара 22,235 ГГц.

Аппаратура и методики измерений. Приборы дистанционного зондирования окружающей среды и контактные датчики метеорологических параметров были размещены на конце пирса длиной приблизительно 200 м в Голубой бухте, вблизи г. Геленджика (Рис. 1). Глубина моря в месте проведения измерений составляла приблизительно 7 м. Установка радиометров на пирсе имеет ряд преимуществ по сравнению с использованием корабля, самолета или дирижабля. К ним относятся: 1) возможность точной юстировки диаграмм направленности антенн и положения плоскости поляризации; 2) возможность проведения абсолютных калибровок радиометров с высокой точностью; 3) возможность проведения метеорологических измерений, совмещенных в пространстве и времени с дистанционными микроволновыми измерениями; 4) возможность проведения длительных серий круглосуточных измерений.

Основу экспериментальной аппаратуры, задействованной для проведения натурных измерений, составлял разработанный в ИКИ РАН радиометрический комплекс, состоящий из поляризационного радиометра на длину волны 0,8 см, двухчастотного радиометра на длины волн 1,5 и 1,35 см, модуляционного микроволнового радиометра на длину волны 8 см и радиометра теплового инфракрасного диапазона на длины волн 8-12 мкм. Радиометры были установлены на высоте около 3 м над морской поверхностью на управляемую поворотную платформу, разработанную в ИКИ РАН и обеспечивающую сканирование от надира до зенита в диапазоне азимутальных углов более 300 градусов (Рис. 2). Для уменьшения влияния на радиотепловые измерения элементов конструкции платформа вынесена за пределы пирса на 6 м. Управление платформой осуществлялось от компьютера, при этом можно было проводить непрерывные измерения в течение нескольких суток, осуществляя сканирование по заданному алгоритму. Основные технические параметры радиометров приведены в Таблице 1.

Таблица 1.

Прибор	Диапазон длин волн, см	Поляризация	Чувствительность, К/с	Ширина луча, град.
RP-08	0,8	V, H, ±45	0,15	8
RD-15/135	1,5 и 1,35	H	0,2	8
R-8	8	V	0,1	15
R-IR	8-12´10^-4		0,1	1

Параметры приводного слоя атмосферы измерялись с помощью метеорологического комплекса МК-15 разработки НПО "Тайфун", в состав которого входили датчики температуры, относительной влажности, атмосферного давления и акустический анемометр (Рис. 3). Акустический анемометр обеспечивал измерение с частотой 6 Гц трех координат скорости ветра, скорости звука и пульсаций температуры воздуха.

Измерения температуры воды на глубине 1 м проводились с помощью термисторного термодатчика; аналогичные датчики использовались для измерения температуры воздуха на высоте 2,5 м над поверхностью и температуры "черного тела" (поглотителя микроволнового излучения), которое применялось для калибровки микроволновых радиометров..

Исходя из поставленных задач, основное внимание в ходе экспедиционных работ 2004 года было уделено исследованию азимутальных и угломестных зависимостей поляризационных характеристик (параметров Стокса) теплового радиоизлучения взволнованной морской поверхности. Угловые характеристики теплового радиоизлучения исследовались с помощью радиометров и поляриметров, установленных на автоматизированной поворотной платформе. Сканирование по азимуту и углу места могло осуществляться по любому заданному программно алгоритму. Типичный цикл измерений продолжительностью 30 мин. включал вертикальное сканирование в диапазоне углов по отношению к надиру от 15 до 170 градусов и обратно, выполняемое последовательно в шести азимутальных направлениях через каждые 46 градусов. Использовались также режимы как азимутального сканирования при фиксированных углах места, так и продолжительных измерений при фиксированных углах наблюдения.

Ввиду сильной зависимости радиояркостной температуры от угла места (до нескольких градусов Кельвина на угловой градус), особое внимание было уделено точному измерению угла места и юстировке диаграмм направленности антенн, для чего использовались дублирующие друг друга потенциометрические датчики, а также прецизионные инклинометры (обеспечивающие точность угловых измерений не хуже 0,1°), как установленные на платформе, так и встроенный в поляриметр 8-мм диапазона длин волн. Для повышения точности радиометрических измерений производилась периодическая калибровка радиометров с помощью "черного тела", размещенного на несущей конструкции платформы таким образом, что один раз за цикл измерений оно попадало в поле зрения антенн радиометров; физическая температура "черного тела" регистрировалась с помощью встроенного термодатчика. Необходимая точность измерения температуры также обеспечивалась периодической калибровкой датчиков.

Характеристики гравитационного волнения измерялись с помощью решетки струнных волнографов. Известно, что для разработки методов дистанционного зондирования (в данном случае - восстановление параметров волнения), обязательной является наличие информации об изучаемом объекте. В экспедициях прошлых лет, для определения параметров волнения использовался струнный волнограф. Исследования показали, что получаемая с его помощью информация о структуре волнового поля не является полной. Кроме этого, схема работала на постоянном токе, что приводило к искажению результатов за счет обрастания струны солями и, соответственно, изменению коэффициента смачивания струны.

Использование в экспедиции "Геленджик - 2004" новой схемы пятиструнного волнографа позволило получать информацию о пространственной структуре волнения. Разработанная схема позволила определять направление прихода волн, мгновенные значения уклонов поверхности и, соответственно, направление волнового вектора. Внешний вид установки представлен на Рис.1.

На каждую из пяти струн был установлен отдельный блок управления и регистрации (БУИ). Схема БУИ (Рис. 5) состоит из тактового генератора 1, токовых ключей 2, балансного моста 3, с измериельным резистором 4, параметрического усилителя 5, синхронного выпрямителя 6, фильтра НЧ 7.

Тактовый генератор вырабатывает прямоугольные импульсы с частотой 5 Гц, с возможностью подстройки необходимой скважности сигнала. На токовые ключи сигнал с ТГ подаётся как прямой, так и инвертированный. Нагрузкой токовых ключей является балансный мост (БМ). Параметрический усилитель измеряет разность напряжений пропорциональную изменению сопротивления измерительного резистора 4, который погружён в воду. На выходе синхронного выпрямителя создаётся прямое напряжение пропорциональное уровню воды. ФНЧ отфильтровывает ВЧ импульсы, которые появляются в результате работы выпрямителя.

Технические характеристики прибора приведены в Таблице 2.

Таблица 2.

Напряжение питания:	220 В переменного тока, 50 Гц
Нижний предел выходного сигнала:	- 15 В ±10%
Верхний предел выходного сигнала:	+ 15 В ±10%
Минимальное сопротивление датчика ИП:	5 Ом
Минимальное входное сопротивление прибора подключенного к выходу:	10 КОм
Частота измерений прибора:	10 КГц
Коэффициент усиления прибора:	10, 20, 50, 100, 200, 40-500

Получаемые каждым из пяти БУИ данные записывались на ПК с использованием стандартной программы PowerGraph.

В настоящее время ведется работа по обработке данных, полученных с помощью данного прибора, и осуществляется его доработка с учетом выявленных замечаний.

Рисунок 1. Контейнерная лаборатория на пирсе ЮО ИО РАН с приборным комплексом ИКИ РАН. Цифрами обозначены: 1 – поворотная платформа с радиометрами; 2 – метеокомплекс; 3 – волнограф; 4 – термодатчики.

Рисунок 2. Поворотная платформа с комплексом радиометров. У основания платформы закреплено "черное тело" для калибровки микроволновых радиометров.

Прямоугольная выноска: 10 Прямоугольная выноска: 2 Прямоугольная выноска: 9 Прямоугольная выноска: 8 Прямоугольная выноска: 7 Прямоугольная выноска: 5 Прямоугольная выноска: 4 Прямоугольная выноска: 3 Прямоугольная выноска: 1

Рисунок 3. Комплекс метеорологический МК-15 с анемометром акустическим. Цифрами обозначены:

1 Монитор ПК

2 Датчик относительной влажности воздуха Д2М4 в радиационной защите

3 Рея для датчиков температуры и влажности

4 Акустический анемометр МАЕК.416312.005

5 Кабель связи АД-БЦ МАЕК.686622.004

6 Блок питания МАЕК.436234.001

7 Блок центральный БЦ МАЕК.468172.001 с датчиком давления

МИДА-ДА-13ПК 01

8 Кабель связи БЦ-ПК

9 Датчик температуры ТСПТ204 в радиационной защите

10 Системный блок ПК

Рис.4 Внешний вид пятиструнного волнографа

выход

Подпись: 1
ТГ      Подпись: 2
ТКл        Подпись: 3
БМ          Подпись: 5
ПУ           Подпись: 6
СВ         Подпись: 7
ФНЧ

Подпись: 4
ИР

Рис.5 Структурная схема БУИ

В результате натурных исследований, проведенных по этим направлениям, получен большой массив экспериментальных натурных и дистанционных данных, который настоящее время подвергается процедурам первичной архивации и формированию предварительных баз данных по следующим экспериментальным программам .

Экспериментальные программы «Слик» и «Нефть».

В августе – сентябре 2004 года на базе Южного отделения Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН проводились одновременные спутниковые, береговые оптические, in-situ и вертолетные наблюдения за сликовыми полосами в прибрежной зоне Черного моря.

Основная задача исследований: выяснение связи между пространственными характеристиками сликов и локальных морских течений. Особое внимание уделялось выявлению вихрей, диаметр которых составлял от нескольких сот метров до нескольких десятков километров. Для решения поставленных задач была заказана радиолокационная съемка с европейских спутников ERS-2 и Envisat. К настоящему времени получено и проанализировано 34 радиолокационных изображений. В дни пролетов спутников проводилась оптическая съемка с берега и с вертолета. In-situ измерения проводились с надувной лодки.

Предварительный анализ полученных данных показал, что сликовые полосы в прибрежной зоне вытягиваются вдоль течений, а не по ветру. В исследуемом районе регулярно наблюдаются вихревые структуры небольших масштабов, которые играют значительную роль в процессах перемешивания и циркуляции в прибрежной зоне.

Проведены подспутниковые радиолокационные и оптические измерения ветрового волнения в сликах синхронно с изображением сликов радиолокатором с синтезированной апертурой (спутник ERS-2). Исследованы РЛ и оптические контрасты (степени гашения сигнала в сликах). Продолжена работа по изучению вихревых структур в атмосфере и океане по данным радиолокационного спутникового зондирования. Выявлено, что на радиолокационных изображениях океанические вихри визуализируются благодаря сликовым полосам (полосам выглаживания), которые образуются в результате наличия в прибрежных водах большого числа поверхностно активных веществ (ПАВ), как естественного, так и искусственного происхождения. ПАВ вовлекаются в орбитальные движения и, таким образом, как бы “прорисовывают” вихри на радиолокационных изображениях.

Важным направлением исследований являлось выявление районов загрязнений нефтепродуктами. Получен большой объем дистанционных данных по мониторингу акватории Каспийского моря. Совместный анализ вертолетных оптических и спутниковых радиолокационных снимков позволил с большой точностью определить нефтяные загрязнения в 400 метровой прибрежной зоне . В то же время, спутниковая радиолокация обладает большими возможностями и с большой вероятностью вне зависимости от времени суток и погодных условиях позволяет обнаружить нефтяные загрязнения во всей области захвата. Для снимков высоко разрешения (разрешение 25 метров) область захвата составляет 100 х 100 км; для снимков среднего разрешения (разрешение 150 метров) область захвата составляет 400 х 430 км.

Было проведено исследование определения особенностей проявлений нефтяных загрязнений на радиолокационных снимках в зависимости от типа нефтепродуктов, скорости ветра и состояния приводного слоя атмосферы.

Ермаков С.А., Лаврова О.Ю., Макаров Е.В., Сергиевская И.А., Щегольков Ю.Б Натурные эксперименты по растеканию пленок нефтепродуктов и их радиолокационное зондирование // Тезисы Второй открытой Всероссийской конференций "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", Москва, 16-18 ноября 2004.

Лаврова О.Ю., Митягина М.И., Костяной А.Г., Литовченко К.Ц. // Тезисы Второй открытой Всероссийской конференций "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", Москва, 16-18 ноября 2004.

Лаврова О.Ю., Бочарова Т.Ю. "Satellite SAR observations of atmospheric and oceanic vortex structures in the Black Sea coastal zone”. (статья направлена в Advance Space Research).

Лаврова О.Ю. Слики как индикаторы вихревой активности в прибрежной зоне// Тезисы Второй открытой Всероссийской конференций "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", Москва, 16-18 ноября 2004.

Olga Yu. Lavrova, Marina I. Mityagina, Tatiana Yu. Bocharova Radar and optical observations of oceanic and atmospheric phenomena in the Black Sea shore area // Proceedings of Envisat & ERS Symposium, Salzburg 6-10 Sept. 2004.

Ответственный исполнитель к.ф.м.н. Лаврова О. Ю.

Экспериментальная программа «Зайчик».

Цель - экспериментальное исследование мелкомасштабной структуры солнечных бликов на взволнованной морской поверхности с целью выявления мезомасштабных спектральных компонент морского волнения и их пространственных и временных характеристик при помощи оптической съемки цифровой камерой FinePix S7000.

Методика. Съемка производится в двух видах – панорама и детальная ( с помощью теленасадки и соответствующего времени экспозиции для последующего получения поля микробликов ). Предусмотрена строгая фиксацию угла места и азимута Солнца, наблюдателя и направления и скорости ветра ( использован метеокомплекс). Проведено два варианта съемок – с пирса и с максимально возможной высоты ( около 60 м ) .

При фиксированной геометрии съемок предусмотреть возможность последовательной анимации одного и тоже участка поверхности в режиме солнечной дорожки и в режиме искусственной вспышки ( проверялась дальность действия вспышки в ночных условиях). Варьировать время экспозиции времени между кадрами с целью фиксирования времени жизни и пространственных размеров и форм микроблика.

Ответственный исполнители - к.ф.м.н. Раев М. Д.

Проект «Теоретическое и экспериментальное исследование поверхностного волнения и течений в океане на основе данных радиолокационного зондирования» (ОФН-14).

Основные цели проекта:

1) получение экспериментальных данных для разработки новых моделей, описывающих физические механизмы рассеяния электромагнитных волн морской поверхностью при настильных углах зондирования;

2) определение по результатам радарных измерений динамики волновых систем, возникающих на морской поверхности в различных метеоусловиях.

В 2004г. (сентябрь-октябрь) ИКИ РАН на базе Южного отделения ИО РАН были продолжены начатые в 2003г. натурные исследования динамики морской поверхности методами микроволнового зондирования а также завершена обработка результатов микроволновых экспериментов 2003г Исследования велись с помощью некогерентного 3-х см. двухполяризационного радиолокатора, обеспечивающего разрешение по дальности 5 м. Локатор был установлен на высоте H=8 м над уровнем моря. В азимутальной плоскости зона обзора морской поверхности определялась шириной диаграммы антенны, которая составляла 1⁰. В пределах зоны обзора угол зондирования относительно надира менялся от 88⁰ до 89.6⁰. Измерения проводились на горизонтальной ( hh )и вертикальной (vv ) поляризациях попеременно, в течение 10-15 мин на каждой из поляризаций.

Методика радиолокационных наблюдений динамики морской поверхности основывалась на представлении данных радиолокационного зондирования в формате "время - расстояние", обычно называемом ( - диаграммой. При фиксированном азимутальном угле зондирования такие диаграммы в прямоугольных координатах можно получить, если сформировать матрицу, каждая строка которой представляет собой значения интенсивности сигналов, рассеянных элементами поверхности, расположенными на одинаковом удалении от антенны. Число строк такого радиоизображения ( число сканов дальности) определяется числом элементов разрешения в пределах зоны обзора, а число столбцов - числом отсчетов за время наблюдения. Оцифровка сигнала на выходе приемника радиолокатора осуществлялась 8 – разрядным АЦП с дискретом по времени 40 нс, его двоичное представление записывалось в память персонального компьютера в виде последовательности сканов, состоящих из 256 стробов, соответствующих расстоянию по дальности 1224м. Результирующая выборка, соответствующая одному скану дальности и используемая для визуализации и последующей обработки, формировалась путем 4-х кратного усреднения значений, полученных при однократном просмотре зоны обзора. Ближнюю границу зоны обзора можно было выбирать, регулируя время запуска АЦП относительно заднего фронта зондирующего импульса.

На сформированном таким образом радиоизображении ( рис.1 ) движущиеся вдоль луча антенны рассеиватели радиоволн отображаются в виде наклонных линий - «треков», яркость которых определяется интенсивностью рассеянного сигнала, наклон - скоростью движения, их проекции на ось дальности - расстояниями, пройденными рассеивателями в направлении к радару или от него, а проекции на ось времени - продолжительностью отдельных актов рассеяния ("временем жизни" рассеивателей).

Рис.1. Радиоизображения морской поверхности, полученные на вертикальной и горизонтальной поляризациях и представленные в формате « время-дальность».

Если движение рассеивателей связано с поверхностными волнами, то двумерное преобразование Фурье радиолокационных изображений, полученных в (-плоскости ( пространственно-частотный спектр флюктуаций интенсивности обратного рассеяния морской поверхности вида " частота - волновое число" ) характеризует дисперсионные зависимости поверхностных волн, движущихся в направлении зондирования ( рис.2 ).

Рис.2. Пространственно-частотные спектры радиоизображений, полученные при смещении спектрального окна по оси времени диаграммы « время-дальность» (hh- верхний ряд, vv- нижний ряд )

Радиолокационные измерения сопровождались измерениями рассеяния электромагнитных волн, выполненными с помощью двухполяризационного скаттерометра 8-ми мм. диапазона с непрерывным излучением зондирующего сигнала.

Максимальная излучаемая мощность скаттерометра составляла 1 Вт, чувствительность приемного устройства была равна -139дБ/Вт. В качестве приемной и передающей антенн использовались два конических круглых рупора со спиральной нарезкой на внутренней поверхности для формирования диаграммы направленности с малым уровнем боковых лепестков. Ширина диаграммы направленности по уровню 0.5 составляла 5⁰, уровень боковых лепестков не превышал –60 дБ. Угол зондирования в процессе измерений мог меняться от надира до горизонта. Для регистрации сигналов в приборе осуществлялось двойное преобразование частоты, в результате которого сигнал переносился на частоту 2.5 кГц, а затем оцифровывался аналого-цифровым преобразователем с частотой опроса 10 кГц и записывался на жесткий диск персонального компьютера.

На рис.3 показаны последовательности допплеровских спектров, полученных на вертикальной и горизонтальной поляризациях в скользящем окне, длительность которого и смещение центра составляли 5 сек. Значения скорости движения рассеивателей , отложенные по оси абсцисс, получены путем пересчета значений допплеровских частот по формуле , где -длина электромагнитной волны, а -угол зондирования. Время осреднения было выбрано порядка периода энергонесущей волн, что позволило проанализировать изменение допплеровского спектра в зависимости от спектрального состава волнового пакета. Угол зондирования, при котором выполнялись измерения, составлял 86⁰, при этом размер антенного пятна в направлении зондировапия был порядка 70м. Такая геометрия антенного пятна позволила выявить влияние как орбитальных, так и фазовых скоростей крупных волн на характеристики допплеровских спектров. Как следует из графиков рис.3, все спектры имеют преимущественно двухмодовую структуру, максимумы спектральных плотностей достигаются при двух значениях скорости движения рассеивателей.

Рис.3 Эволюция допплеровских спектров рассеянных сигналов при прохождении в пятне антенны волновых пакетов

( верхний ряд - вертикальная поляризация, нижний ряд - горизонтальная, на каждом графике показаны спектры, полученные в последовательности : 1-черный, 2-синий, 3-голубой, 4-красный в течение 5 сек. каждый )

Совместный анализ дисперсионных кривых, полученных по данным радиолокационных наблюдений, спектров возвышений, полученных с помощью струнного волнографа и допплеровских спектров, полученных с помощью когерентного скаттерометра, позволил объяснить особенности механизма формирования допплеровских спектров рассеянных сигналов особенностями динамики волновых пакетов.

Ответственный исполнитель - зав. лаб., к.ф.-м.н. М.Г. Булатов

НИР "МТВЗА-Ветер"

В отчете по 2-му этапу НИР "МТВЗА-Ветер" «АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ С ЦЕЛЬЮ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫЗЫВАЕМЫХ ВЕТРОМ РАДИОЯРКОСТНЫХ КОНТРАСТОВ» , выполняемой на основании договора между ФГУП «Центр космических наблюдений» и ИКИ РАН №889 от 27.03.2003 и который представлен отделом и принят Заказчиком, проведен сравнительный анализ экспериментальных данных, характеризующих изменение радиояркостной температуры морской поверхности в результате воздействия на нее ветра.

Обобщены результаты радиометрических измерений теплового микроволнового излучения морской поверхности, проводившихся в ИКИ с борта самолета-лаборатории Ан-12 в 1980-х гг. и с прибрежного пирса в 1999-2002 гг., и произведено сопоставление этих экспериментальных данных с результатами зарубежных исследований, проводившихся с использованием самолетов и дирижаблей, океанографических платформ, а также спутников дистанционного зондирования Земли. Особое внимание уделено экспериментальным исследованиям вызываемой ветром азимутальной анизотропии собственного теплового радиоизлучения морской поверхности.

Ответственный исполнитель - с.н.с., к.ф.-м.н. М.Н.Поспелов .

Проект РФФИ 04-02-16629

В рамках проекта РФФИ 04-02-16629 ( рук. к.ф.-м.н. Митягина М.И.) рассмотрено бистатическое рассеяние электромагнитных волн для модельной среды, состоящей из трех однородных слоев без потерь – атмосфера, пленка и толща воды – разделенных двумя статистически-шероховатыми поверхностями раздела. Описание рассеяния проведено в рамках методов геометрической оптики, применимость которых к данной задаче обусловлена малостью длины электромагнитной волны по сравнению с размерами радиуса кривизны в каждой точке поверхности (зыбь, гравитационные волны). Рассмотрено многократное рассеяние во внутреннем слое, приводящее к интерференции волн, отраженных по разным направлениям, что в свою очередь может привести как к усилению, так и к ослаблению отраженного сигнала. Получено аналитическое решение относительно амплитуды рассеянного поля на малом фрагменте морской поверхности как функции частоты и поляризации падающей электромагнитной волны, угла падения и толщины пленки.

Лаврова О.Ю., Митягина М.И., Костяной А.Г., Литовченко К.Ц. Радиолокационный спутниковый мониторинг нефтяных загрязнений в прибрежной зоне российских морей // Тезисы Второй открытой Всероссийской конференций "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", Москва, 16-18 ноября 2004;

Митягина М.И., Чурюмов А.Н.Рассеяние электромагнитных волн на морской поверхности в присутствии нефтяных пленок// Тезисы Второй открытой Всероссийской конференций "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", Москва, 16-18 ноября 2004;

M.Mityagina, A. Churyumov and O.Lavrova, Problems in detecting oil pollution in black sea coastal zone by satellite radar means // Proceedings of Envisat Symposium, Salzburg 6-10 Sept. 2004.

Проект CRDF RG1-23-MO-02

В ходе работ по проекту CRDF RG1-2341-MO-02 (рук. д.ф.-м.н. Ю.А. Кравцов) проведено аналитическое описание крутых и обрушающихся волн и разработаны аппроксимации для радиолокационных сигналов, рассеянных этими элементами поверхности. Предложенные аналитические модели подвергнуты верификации на основе точных численных методов вычислительной механики жидкостей и электромагнетизма. При помощи экспериментальных данных проведены оценки корректности подхода в целом. Полученная в результате работы над проектом физическая модель рассеяния от поверхности океана является первой, в которой учтены потенциально важные эффекты крутых и обрушающихся волн.

Тема МОНИТОРИНГ. Разработка методов и технологий спутникового мониторинга для научных исследований глобальных изменений и обеспечения безопасности

Научный руководитель д.т.н. Е.А Лупян

В 2004 году в рамках темы выполнялись работы по следующим направлениям:

Разработка методик построения и базовых элементов автоматизированных систем сбора, хранения и распространения спутниковых данных. Разработка методик поиска и представления информации в распределенных архивах центров приема и обработки спутниковых данных.

По данному направлению в ИКИ РАН в 2004 году были проведены следующие работы:

· была проведена опытная эксплуатация и доработка системы автоматической обработки и архивации данных спутников TERRA и AQUA. Доработанная система была введена в опытную эксплуатацию в центрах приема НИЦ «Планета» (г. Москва), ЗапСибРЦПОД (г Новосибирск), ДВРЦПОД (г, Хабаровск), ИЛ СО РАН (г. Красноярск) и ЮНИИТ (г. Ханты-Мансийск). Во всех центрах организованы однотипные автоматически ведущиеся каталоги данных с однотипной системой поиска данных. Доступ к этим каталогам можно получить по адресу (http://smis.iki.rssi.ru/dataserv/rus_ms/modis_tlm.htm). В зоне видимости этих центров приема данных находится практически вся территория России. Это позволит согласованно использовать ресурсы данных центров для реализации различных научных и прикладных проектов мониторинга окружающей среды, выполняемых на территории Северной Евразии.

· Модернизировано программное обеспечение для полностью автоматической привязки данных прибора MODIS;

· Разработана система автоматического получения данных прибора MODIS из архивов NASA (http://edcimswww.cr.usgs.gov). Создана автоматизированная система обработки данных, обеспечивающая их конвертацию в вид, удобный для построения различных безоблачных композитов, необходимых для исследования динамики различных наземных экосистем. Создана автоматически пополняющаяся система хранения данных прибора MODIS по различным регионам России. Доступ к ресурсам системы можно получить по адресу (http://smisdata.iki.rssi.ru/modis_products/html/catalog_mod_2.shtml?coords=coords).

· в рамках проекта РФФИ № 03-07-90358 проводились работы по созданию отраслевого информационного ресурса на основе распределенной системы сбора, хранения и обработки данных с использованием современных спутниковых и телекоммуникационных технологий. Была разработана схема интеграции данных из разнородных архивов на основе стандартов OPENGIS и технологии WMS.

· в рамках проекта РФФИ № 02-07-96006-р2002подмосковье_в был разработан информационный сервер для доступа к архивам спутниковых данных по территории Подмосковья http://mosreg.infospace.ru.

· в рамках федеральной целевой научно-технической программы “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники” на 2002-2006 годы, блок 2 "Поисково-прикладные исследования и разработки", раздела «Экология и рациональное природопользование» совместно с ИРЭ РАН проводилась разработка элементов информационной технологии доступа потребителей к данным космических наблюдений за изменениями природной среды и климата. Были созданы новые интерфейсы для работы с распределенными архивами спутниковых данных (http://smis.iki.rssi.ru/archive/).

Ведение и поддержка архивов спутниковых данных для научных исследований глобальных изменений и обеспечения экологической безопасности.

В рамках этих работ в 2004 году в ИКИ РАН:

· продолжалось накопление архивов данных, поступающих со спутников серии NOAA по европейской территории России и Западной Сибири (http://smisdata.iki.rssi.ru/noaa-cgi/cat_reg.pl?db=noaa&lang=russian);

· организовано ведение архивов данных прибора MODIS (спутники TERRA и AQUA) по различным регионам России (http://smisdata.iki.rssi.ru/modis_products/html/catalog_mod_2.shtml?coords=coords).

· совместно с КЦСМ продолжалось накопление информации о состоянии облачности, температуры морской поверхности и ледовой обстановки в районах Баренцева, Белого, Балтийского, Черного, Каспийского, Японского Охотского и Берингова морей

(http://x4n9.iki.rssi.ru/noaa-cgi/cat_all_prod.pl?db=center_noaa_products);

· продолжилось ведение многолетнего архива данных инструмента SPOT-Vegetation на всю территорию Северной Евразии, в виде стандартных продуктов данных S10, представляющих собой композицию наблюдений, выбранных за десятидневный период по критерию максимума NDVI;

· совместно с ФГУ «Авиалесоохрана», ИСЗФ СО РАН, ЦЭПЛ РАН и различными центрами приема и обработки спутниковых данных накоплен архив информационных продуктов спутникового мониторинга лесных пожаров на территории России в 2004 году (http://www.2004.aviales.ru)

· Продолжено ведение и развитие архивов метеоданных по территории России (http://meteo.infospace.ru/wcarch/html/index.sht).

· совместно с НИЦ «Планета» в рамках программы «Мировой океан» осуществлялась поддержка системы архивации продуктов, полученных в результате обработки спутниковых данных;

· совместно с НИЦ «Планета» и ЗапСибРЦПОД осуществлялось ведение архивов и системы доступа к данным прибора МСУ-Е (http://smis.iki.rssi.ru/dataserv/rus_ms/meteor_tlm.htm).

Разработка методов и технологий спутникового мониторинга для научных исследований глобальных изменений и обеспечения безопасности. Разработка алгоритмов и методик анализа разновременных спутниковых данных. Мониторинг индикаторов изменений климата и устойчивого развития бореальных экосистем.

· Разработан метод картографирования повреждений растительного покрова пожарами по данным спутниковых наблюдений. Создана база данных о повреждениях наземных экосистем Северной Евразии за период 2000-2004 годов.

Проведен комплекс научных исследований и разработок, позволивших создать новый метод и полностью автоматическую технологию выявления и картографирования повреждений растительного покрова пожарами на основе совместного использования данных наблюдений спутниковыми инструментами SPOT-Vegetation и Terra/Aqua-MODIS. Высокая эффективность метода и достоверность получаемых им результатов была подтверждена в ходе валидации, включавшей в себя использование репрезентативной выборки спутниковых данных высокого разрешения Landsat-ETM+ и Метеор-3М/МСУ-Э, а также самолетных и наземных обследований. Использование разработанного метода впервые позволило сформировать базу данных о повреждениях растительного покрова на всей территории Северной Евразии за период 2000-2004 годов (рис. 1). Этим положено начало формированию базы многолетних данных о воздействии пожаров на бореальные экосистемы, необходимой для моделирования взаимодействия наземных экосистем и изменяющегося климата планеты. Дальнейшие планируемые исследования в данном направлении связаны с распространением географии использования метода на глобальный уровень бореальных экосистем планеты, количественной оценкой изменения продукционных характеристик наземных экосистем и объемов эмиссий углекислого газа в атмосферу в результате воздействия огня.

Рис. 1. Повреждения наземных экосистем Северной Евразии пожарами в 2000-2003 годах по данным спутникового инструмента SPOT-Vegetation

· Разработана новая карта «Леса России».

Новая карта «Леса России» (рис. 2), разработанная ИКИ РАН совместно с Центром по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН, Greenpeace и проектом Global Forest Watch Института Мировых Ресурсов, отражает современное состояние лесного покрова на территории России и получена на основе совместного использования следующих информационных источников:

- карта наземных экосистем Северной Евразии, разработанная ИКИ РАН в сотрудничестве с Центром по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН и Объединенным исследовательским центром Европейской Комиссии на основе использования данных Vegetation со спутника SPOT (С.А. Барталев, 2003)

- карта сомкнутости полога древесной растительности, разработанная Университетом Мериленд США по данным радиометра MODIS со спутника Terra (Global 500m Tree Cover Product from MODIS, 2002);

- карта «Леса СССР» масштаба 1:2,5 млн., изданная в 1990 году на основе использования агрегированных данных инвентаризации лесов (Ред. А.С. Исаева)

- карта "Растительность СССР" масштаба 1:4 млн., изданная в 1990 году (Ред. Т.И. Исаченко).

Рис. 2. Карта «Леса России», созданная на основе использования, полученных по данным спутниковых наблюдений, информационных продуктов

· Проведены исследования возможностей использования спутниковых данных Landsat-TM и ETM+ для выявления вырубок в лесах таежной зоны.

На сегодняшний день не существует объективных и достоверных количественных оценок изменений в лесах, вызываемых вырубками. Использование наблюдений c современных спутниковых систем, в частности, таких как Landsat-TM и ETM+, позволяет осуществлять мониторинг лесов на больших территориях. ИКИ РАН разрабатываются методы детектирования и классификации изменений в лесных массивах на основе анализа разновременных спутниковых данных Landsat-TM и ETM+. Одним из важных этапов используемых методов является построение карт лесов и других типов земного покрова на основе классификации спутниковых данных. Получаемые на основе построенных карт маски лесов различных типов используются для взаимной радиометрической нормализации разновременных изображений с целью компенсации негативного влияния различий в атмосферных условиях и фенологическом состоянии лесной растительности во время спутниковых наблюдений. Использование алгоритма выявления изменений в лесах, основанного на поиске статистически значимых различий спектральной яркости между парами взаимно нормализованных спутниковых изображений, позволило построить карты крупномасштабной динамики лесного покрова за период с конца 1980-х до начала 2000-х годов на тестовых участках в республиках Коми и Карелия. Для детектирования тонких изменений в лесах, вызываемых, например, селективными вырубками лесов, был апробирован метод анализа спектральных смесей. Оценка спектральных сигнатур для заданного набора чистых компонентов получается с помощью построенной на предыдущем этапе карты лесов и спутникового изображения. В настоящее время проводится валидация полученных результатов на тестовом участке в республике Коми. В последующем предполагается разработка полностью автоматических алгоритмов для детектирования изменений в лесах на больших территориях с использованием доступных данных дистанционного зондирования со спутников, включая данные MODIS-Terra/Aqua и MERIS-Envisat.

Разработка предложений по организации системы мониторинга бореальных экосистем.

В 2004 году ИКИ РАН принял активное участие в координации разработки научного плана Международной партнерской инициативы в области наук о Земле в Северной Евразии NEESPI, подготовка к реализации которого осуществляется в тесной кооперации с рядом институтов РАН и Национальным Агентством по аэронавтике и освоению космического пространства США NASA. NEESPI представляет собой широкомасштабную интегрированную программу региональных научных исследований динамики наземных экосистем Северной Евразии во всем комплексе их взаимодействий с обществом, биосферой, атмосферой и гидросферой Земли, разработки методов мониторинга и прогнозирования изменений для поддержки принятия взвешенных и обеспеченных информацией решений по вопросам окружающей среды и климата в регионе и в целом на планете.

Основные направления программы NEESPI включают в себя исследования динамики наземных экосистем, биогеохимических циклов, циклов энергии и воды, землепользования, связей общества и экосистем, взаимодействия экосистем и климата, а также изучение процессов в холодных регионах и прибрежных зонах, атмосферных аэрозолей и загрязнений. В научном плане программы NEESPI приводится обоснование целей и задач, а также основных путей реализации научной программы.

Ожидается, что исследования в рамках программы NEESPI позволят получить следующие важные результаты:

- Разработать интегрированную базу данных наблюдений по состоянию окружающей среды Северной Евразии, включающую широкий набор продуктов по данным дистанционного зондирования

- Развить математические модели, описывающие основные процессы на земной поверхности во всех их взаимодействиях, включая социальные аспекты

- Создать прототипы наборов глобальных и региональных моделей, учитывающих характерные для региона связи и процессы в наземных экосистемах Северной Евразии, которые позволили бы развить научное понимание, необходимое для прогноза будущих климатических и экологических изменений, а также информационно обеспеченных решений по землепользованию и политики в области охраны окружающей среды

- Разработать, в кооперации ученых и отраслевых партнеров, информационные системы для решения задач раннего предупреждения / управления / смягчения последствий опасных для общества ситуаций в связи с пожарами, наводнениями, засухами и другими чрезвычайными природными явлениями

Дополнительные детали о программе и Научном плане NEESPI могут быть получены на Web сайте по адресу http://neespi.gsfc.nasa.gov/.

Разработка научно-методических основ построения систем мониторинга ресурсов и опасных явлений.

· в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы (далее – Программа) блока 1 «Ориентированные фундаментальные исследования», раздела «Экология и рациональное природопользование» совместно с ЦЭПЛ РАН проводились работы по теме «Разработка технологий и методик использования космических средств и методов наблюдения для изучения крупномасштабных процессов в бореальных лесах Евразии». Были проведены работы по развитию система накопления спутниковых данных и формирования их архивов для проведения оценок последствия действия лесных пожаров;

в рамках работ по контрактам Федерального агентства лесного хозяйства проведена опытная эксплуатация системы и доработаны блоки сбора, архивации и оперативного распространения данных, необходимых для ведения работ по обнаружению и тушению лесных пожаров. Разработан регламент работы системы на этапе промышленной эксплуатации.

· в рамках работ развитию и поддержке Информационной системы дистанционного мониторинга лесных пожаров создана распределенная автоматизированная система обработки данных прибора MODIS для получения оперативной информации о подозрениях на действующие пожары;

· разработана система оценки площадей, пройденных лесными пожарами, на основе данных приборов SPOT VGT и MODIS;

· в рамках ФЦП «Электронная Россия» (проект создания «Федеральной системы мониторинга и обеспечения безопасности населения, критически важных объектов и особо опасных грузов») разработана технология интеграции в информационную систему проекта оперативных данных о действующих пожарах в районах расположения различных объектов, получаемых из информационной системы дистанционного мониторинга лесных пожаров МПР РФ.

Разработка элементов системы мониторинга районов сельскохозяйственной деятельности.

· Продолжено развитие действующего макет автоматизированной системы сбора, обработки и интеграции в отраслевую ИС данных спутникового мониторинга сельскохозяйственных районов (http://www.agrocosmos.gvc.ru):

o разработаны блоки оперативного получения данных по территории Краснодарского края, Липецкой, Калужской и Ленинградской областям.

o по территориям Краснодарского края, Ростовской, Липецкой, Калужской и Ленинградской областям сформированы архивы данных прибора MODIS.

o разработана система сбора, обработки и представления интегральной информации о состоянии растительности на Европейской территории России и Юге Западной Сибири.

o Разработана новая система интерфейсов, обеспечивающих удаленным пользователям возможность оперативного доступа и анализа данных

· Разработаны методы определение состояния сельскохозяйственных земель по спутниковым данным MODIS-Terra/Aqua.

В разрабатываемой в ИКИ РАН системе мониторинга сельскохозяйственных земель одним из основных источников спутниковых данных в настоящее время являются данные среднего разрешения (250 м) прибора MODIS со спутников Terra и Aqua (см. рис.3). Главными задачами мониторинга являются определение площадей, засеянных различными культурами, и чистого пара, а также оперативный мониторинг динамики развития посевов. С этой целью были разработаны методы первичной обработки спутниковых данных, включающие в себя маскирование пикселов, непригодных для анализа, в том числе из-за влияния снежного и облачного покровов, а также построения очищенных от влияния указанных факторов композитных изображений. Построенные композитные изображения имеют значительно меньший объем по сравнению с исходными данными и позволяют упростить дальнейшие этапы обработки.

Рис 3. Пример изображений сельхозугодий в Ростовской и Краснодарской областях (Прибор MODIS спутник TERRA).

Тематическая обработка спутниковых данных основана на анализе временных серий вегетационных индексов, таких как нормализованный разностный вегетационный индекс NDVI и менее зависимый от яркости почвенного покрова перпендикулярный вегетационный индекс PVI. Разработанные методы позволяют проводить детектирование чистого пара по итогам сезона (1 сентября), а детектирование озимых – после прекращения осеннего периода вегетации (31 декабря), а также посевов подсолнечника. Проведено сравнение полученных результатов с данными полевых исследований и с данными официальной статистики. Планируется расширить применение методов на другие аграрные регионы России. Для уточнения данных о площадях и для проведения более точной классификации планируется использование цифровых карт границ сельскохозяйственных угодий, полученных с использованием спутниковых изображений высокого разрешения, таких как Landsat-ETM+, Метеор-3М/МСУ-Э.

Результаты исследований по теме Мониторинг в 2004 году были представлены на 12-и научных конференциях, семинарах и совещаниях. По теме в 2004 году было опубликовано и направлено в печать 44 работы.

Тема АТМОСФЕРА Развитие теоретических моделей, анализ физических механизмов, разработка и применение методов измерений и алгоритмов обработки натурных данных в целях исследования, мониторинга и прогноза состояний атмосферы.

Научные руководители: д.ф.-м.н. Н.С. Ерохин, д.ф.-м.н. Е.А. Шарков,

( п.п. 1.3.10, 1.6.5., 2.2.2., 6.1., 6.20, 6.22 - основных направлений фундаментальных исследований РАН )

1. Исследование влияния плазмоподобных подсистем на квазистационарную фазу вихря и динамику атмосферных движений в области кризисных явлений.

На основе сбора и систематизации экспериментальных данных по имеющимся публикациям проведен анализ комплекса взаимодействий крупномасштабных атмосферных вихрей с ионосферой при учете космических факторов и выяснена их важная роль в тайфуногенезе (включая механизмы образования и разделения зарядов в атмосфере, возможности трансформации волн и различные волновые режимы обмена энергией). Получена самосогласованная интегральная система кинетических уравнений квазистационарной фазы спирального крупномасштабного атмосферного вихря с учетом электромагнитных взаимодействий и наблюдаемого распределения зарядов и токов в облачных структурах ТЦ. Выявлена модуляция спиральных характеристик ТЦ под действием электромагнитных структур. Построена упрощенная физико-математическая модель развитой стадии ТЦ с учетом влияния возникающих плазмоподобных подсистем вихря на динамику атмосферных движений.

Артеха С.Н., Ерохин Н.С. Электромагнитные силы и вихревые процессы в атмосфере. – Международная Конференция МСС-04 «Трансформация волн, когерентные структуры и турбулентность» 23-25 ноября 2004 г. Сборник трудов, М.: Рохос, 2004, с. 326-332.

Н.С.Ерохин, С.Л.Шалимов. Ионосферные эффекты, инициированные интенсивными атмосферными вихрями. В сборнике ²Международная конференция МСС-04 ²Трансформация волн, когерентные структуры и турбулентность² (Mode conversion, coherent structures and turbulence), Изд-во УРСС, Москва, с.426-434, 2004.

С.Н.Артеха, к.ф.-м.н., тел.333-53-56, E-mail: arteha@mx.iki.rssi.ru

Н.С.Ерохин, д.ф.-м.н., тел.333-41-00, E-mail: nerokhin@mx.iki.rssi.ru

2. Анализ спектров мощности флуктуаций и структурных функций турбулентных потоков тепла в тропосфере и стратосфере. Экспериментально доказано существование скейлингового дипазона для спектров и структурных функций турбулентного потока тепла на вертикальных разрезах в тропосфере и стратосфере. Масштабы скейлинга 100 – 1000 м для тропосферы и 100 – 600 м для стратосферы. Некоторое уменьшение скейлингового дипазона вероятно может быть обьяснено различными факторами вызывающими турбулентность. Если в тропосфере – это силы плавучести, то в стратосфере – неустойчивость внутренних волн.

Известно, что спектры мощности турбулентных флуктуаций скорости ветра в тропосфере и стратосфере описываются степенными законами Колмогорова-Обухова ”–5/3” для ветра и Болджиано-Обухова ”-11/5”для температуры. В рамках поставленной темы была сделана попытка экспериментально обнаружить аналогичные скейлинговые зависимости для спектров и структурных функций потоков тепла <W’T’> (где W’ – пульсации горизонтальной скорости ветра на вертикальном разрезе, а T’ – пульсации температуры) в тропической атмосфере.

Для обработки использовались данные радиозондовых измерений вертикальных профилей скорости ветра в атмосфере, выполненных при участии автора во время экспедиций 1989-90 гг. в тропическую часть Тихого Океана. Общее количество обработанных вертикальных разрезов составило: 278 для тропосферы (диапазон высот 500 – 13300 м) и 150 для стратосферы (диапазон высот 17000-29800 м) с вертикальным разрешением 25 м.

Спектры турбулентного потока тепла для тропосферы и стратосферы приведены на Рис. 1. Хорошо видно, что для вертикальных волновых чисел, соответствующих масштабам 100-1000м, закон спадания спектров соответствует степенным зависимостям. Поведение энергетических спектров турбулентного потока тепла <W’T’> хорошо согласуются с измерениями других авторов. Нами получено значение наклона спектра потока тепла –2.2 для тропосферы и –2.1 для стратосферы. В работе [1] для приводного слоя получено значение наклона – 7/3, согласие с нашими результатами лежит в рамках ошибок измерений и расчетов.

Также был проведен анализ структурных функций турбулентного потока тепла для тропосферы и стратосферы. Результаты для тропосферы подтвердили наличие скейлингового диапазона для масштабов 50 – 1000 м. (см. Рис. 2). Для стратосферы диапазон скейлинга был существенно меньшим от 50 до 600 м.

Лазарев А.А., к.ф.-м.н., тел.: 333-41-67, e-mail: alazarev@iki.rssi.ru

Рис. 1. Энергетические спектры потоков тепла для тропосферы (нижняя кривая) и стратосферы (верхняя кривая). Линии регрессии соответствуют наклонам –2.2 и –2.1, соответственно. Диапазон скейлинга от 100 м до 1000 м.

Рис. 2. Структурные функции высоких порядков для турбулентного потока тепла в тропосфере. Хорошо виден диапазон скейлинга в масштабах от 50 до 1000 м. Степень структурных функций нарастает от 1 до 5 по левой границе оси Х снизу вверх.

3. Разработка С++ кода для численного исследования уравнений для моментов масштабных компонент поля скорости несжимаемой жидкости.

3.1. В большом числе прикладных гидродинамических задач описываемыми нелинейными дифференциальными уравнениями в частных производных появляются локализованные решения с обострением, обработка которых обычными методами требует уменьшения шага сетки в зависимости от степени сингулярности решения. Альтернативным подходом к таким задачам является использование в качестве базисной функции галеркинского разложения вейвлетов. Нами построена библиотека программ для выполнения вейвлет-галеркинского разложения дифференциальных операторов по ортогональным вейвлетам Дебоши (DAUB8 – DAUB20). Библиотека реализована в виде С++ кода с использованием методов объектно-ориентированного программирования (совместно с В.А.Крыловым) . Вейвлет-преобразование реализовано в общем случае d-измерений, распараллелинивание производится с использованием фредов. Код использовался под ОС Linux (6 – 9) при числе процессоров 2^d. Практическое использования для уравнений Навье-Стокса d = 3 (Бюргерса d = 1) Ограничивается скоростью вычисления матричного элемента нелинейного члена. В настоящее время исследуется возможность оптимизации кода для эффективного решения трехмерных задач, а также возможное введение зависимости вязкости от масштаба.

M.V.Altaisky, Wavelets: Theory, Applications,Implementation. UniversitiesPress 2004, Hyderabad, India, 2004, chapter 6.

М.В.Алтайский, к.ф.-м.н., тел.333-53-56, E-mail: altaisky@mx.iki.rssi.ru

3.2. Предложен и изучен метод разделения турбулентного сигнала и помехи, когда значительная часть вибраций оказывается коррелированной с турбулентными пульсациями. Турбулентность изучается как система с широкополосным набором различных компонент движения и внутренних сил, среди которых важную роль играют мелкомасштабные и высокочастотные составляющие. Разработаны активные методы подавления вибраций, характерные масштабы которых определяются энергонесущими компонентами поля турбулентных пульсаций давления. Новые методы пространственной фильтрации поля турбулентных пульсаций давления в турбулентном пограничном слое подтверждены в серии экспериментов на объектах сложной формы.

Разработан функциональный подход для экспериментального определения вероятностной структуры турбулентных полей давления. Предложены и исследованы алгоритмы наблюдения характеристического функционала гидродинамической турбулентности. Обнаружено, что функциональный подход при анализе вероятностных характеристик турбулентных пульсаций давления обеспечивает диагностику гидродинамических шумов обтекания. На основе экспериментального метода восстановления характеристического функционала по результатам измерений обеспечивается возможность экспериментального исследования многомерных функций распределения турбулентных пульсаций давления. Функциональный подход позволяет свести задачу экспериментального определения характеристического функционала и многомерных распределений поля турбулентных давлений к измерению ограниченного числа параметров и зависимостей.

Kudashev E.B. Experimental investigation of the characteristic functional of turbulent pressure fluctuations // Proceedings International Conference "Mode conversion, coherent structures and turbulence”(Трансформация волн, когерентные структуры и турбулентность). III. Турбулентность. С. 454-460. – ИКИ РАН: Москва, 2004.

E. B. Kudashev. Methods of near-wall-presure fluctuations measurements in the presence of vibration // Journal of Fluids and Structures, Issue 19 (8). P. 1129 – 1140. 2004.

Е.Б. Кудашев, д.т.н., тел.: 333-12-34, e-mail: kudashev@iki.rssi.ru

4. Разработка способа определения углового увеличения пучка, прошедшего через рассеивающий слой.

Задача определения угловых искажений пучка, распространяющегося в рассеивающей среде, является весьма актуальной. Решение этой задачи с одной стороны позволит увеличить точность измерения базовых параметров среды (коэффициенты экстинкции, поглощения, обратного рассеяния), с другой стороны появится перспектива измерить микроструктуру рассеивающих объектов (плоских поверхностей, слоев и т. д.). Одно из возможных решений проблемы обсуждается на примере лидара с двухпозиционной схемой зондирования. В этой схеме поле зрения одного из приемных каналов совпадает с зондирующим пучком (ДПС(2)). Рассмотрен наиболее простой случай рассеяния на малые углы и отсутствия эффектов многократного рассеяния. При распространении в такой среде энергия пучка частично переходит в энергию диффузного гало. Использована схема измерений на трассе с фиксированной дальностью, которая ограничена поверхностью тест-объекта. В качестве исследуемого объекта выбран случайный пропускающий экран (СПЭ). Этот экран представляет собой тонкую прозрачную плоскость с хаотично распределенными на ней непрозрачными пятнами. После установки СПЭ в непосредственной близости от лидара с ДПС(2) сигнал от поверхности тест-объекта, находящегося на конце трассы, уменьшается из-за увеличения углового размера пучка и полей зрения приемных каналов. Для моделирования углового искажения пучка обосновано использование следующей функции

z_g^-2=p²z^-2+(1-p²)z_h^-2 (1)

Здесь p – коэффициент пропускания СПЭ, z – дистанция до тест-объекта, z_g – дистанция, измеряемая по увеличению перекрытия зондирующего пучка с полем зрения второго приемного канала, z_h – дистанция, измеряемая по отношению сигналов с угловым размером пучка равным угловому размеру гало. В левой части (1) трассовая зависимость убывания сигнала при наличии искажений пучка для основного приемного канала, поле зрения которого совпадает с зондирующим пучком. Для ДПС(2) дистанцию z_g можно найти из трассовой зависимости отношения сигналов от тест-объекта или локальной калибровки для неискаженного пучка. Угловое искажение пучка определяется как

φ_g= φ₀ z/z_g (2)

Здесь φ₀ - угловой размер неискаженного пучка. При таком подходе параметр углового размера гало z_h может быть найден из (1) поскольку является единственным неизвестным (об измерении коэффициента поглощения см отчет за 2003 г.). Угловой размер гало φ_h находится как

φ_h= φ₀ z/z_h (3)

Угол φ_h определяет угол дифракции зондирующего пучка на отдельном пятне экрана. Для интерпретации диффузного гало используется граничная дифракционная волна. Данный подход применим для протяженных рассеивающих объектов. При замене СПЭ на рассеивающий слой все выводы справедливы за исключением замены коэффициента пропускания р СПЭ на коэффициент пропускания слоя exp(-kΔz). Для слоев с малой оптической толщей коэффициент поглощения равен kΔz.

Данный подход не требует существования угловых моментов для индикатрисы рассеяния. Существует оптимальный для измерения размер пятен, который определяется оптическими параметрами ДПС(2) и схемой измерений. Погрешность измерения углового искажения пучка определяется по данным локальной калибровки. Таким образом, описанным способом на базе лидара с ДПС(2) может быть реализован метод измерения углового искажения пучка, распространяющегося в рассеивающей среде.

А.В.Бухарин, Г.П.Арумов. «Определение микрофизических параметров эффективной рассеивающей среды по данным, полученным двухпозиционными схемами зондирования». Тезисы докладов Всероссийской конференции «Дистанционное зондирование Земли из космоса» ИКИ РАН, Москва – 2004 г.

Г.П.Арумов, к.ф.-м.н., тел.333-31-33, E-mail: garumov@mx.iki.rssi.ru

5. Построение самосогласованной модели стратифицированного турбулентного пограничного слоя, учитывающего генерацию турбулентной спиральности. Определение эффективного тепло и массообмена с учетом вклада вторичных вихрей и параметризации спиральности.

5.1. Построена полуэмпирическая модель стратифицированного атмосферного пограничного слоя с учетом производимой в нем турбулентной спиральности. Оказалось, что присутствие спиральности приводит к дополнительным поперечным потокам тепла и импульса на нижней границе пограничного слоя и перенормировке турбулентной вязкости и диффузии. Численные коэффициенты полученной модели могут быть определены по наблюдаемым корреляциям скорости и температуры на границе с приземным слоем. Более точные расчеты турбулентной вязкости и диффузии требуют учета вклада т.н. двухпетлевых диаграмм в рядах теории возмущений. Количественные результаты сильно зависят от времени корреляции в рассматриваемых моделях турбулентности.

В рамках дальнейшего анализа модели получено и проанализировано стационарное, модифицированное спиральностью, течение Экмана для различных линейных и нелинейных (самосогласованных) представлений для турбулентных обычной и спиральной вязкостей. Получены оценки влияния спиральности на сопротивление подстилающей поверхности планетарного пограничного слоя. Показано, что учет турбулентной спиральности не нарушает логарифмическую структуру приземного профиля скорости, слегка меняет динамическую скорость и высоту пограничного слоя. Это подтверждает результаты, полученные ранее в модели с постоянной вязкостью. В то же время линейные и нелинейные модели турбулентной вязкости показали сильную зависимость угла поворота спирали Экмана от потери зеркальной симметрии турбулентности. Особенно чувствительным к изменению угла поворота оказывается нелинейная самосогласованная модель турбулентной вязкости. Следует ожидать, что эти свойства течения существенно скажутся на характеристиках организованных структур в пограничном слое атмосферы и, тем самым, на переносе тепла и импульса.

Уравнения Рейнольдса решаются также на фоне адвективного потока, характерного для неустойчивых термоконвективных областей. Полученный вихрь является спиральным аналогом вихря Бюргерса-Ротта и характеризуется собственной спиральностью, обусловленной дополнительным вертикальным переносом вдоль оси вихря, повышенной интенсивностью вертикальной завихренности и уменьшением характерного масштаба. Спиральная структура вихря повышает его устойчивость к мелкомасштабным возмущениям и такие образования могут быть весьма долгоживущими благодаря редуцированной нелинейности и пониженной диссипации.

Для проверки полученной модели и оценок модельных коэффициентов в рамках гранта 04-05-79160 была совместно с группой экспериментаторов Института физики атмосферы им. А.М.Обухова под руководством Б.М,Копрова была проведена экспедиция по одновременному измерению трех компонент скорости и циркуляции и тепловых потоков атмосферной турбулентности на границе с приземным слоем (~50 м). Результаты первичной обработки указывают на присутствие турбулентной спиральности в условиях, как нейтрального пограничного слоя, так и слабонеустойчивой стратификации.

O.G. Chkhetiani, V.M.Ponomarev, Helical turbulence model of the stratified planetary boundary layer, Advances in Turbulence X, CIMNE, Barcelona 2004, 2004

Hnatic, M., Chkhetiani, O., Jurcisin, M.,Mazzino, A. and Repasan, M. Kraichnan model with synthetic helical velocity field Advances in Turbulence X, CIMNE, Barcelona 2004,

О.Г. Чхетиани Интенсификация завихренности в турбулентных течениях со спиральностью. Известия РАН, Физика атмосферы и океана. (принято в печать) т.41(3) 2005

В.М.Пономарев, О.Г. Чхетиани Параметризация турбулентной спиральности в полуэмпирической модели стратифицированного пограничного слоя атмосферы. Известия РАН, Физика атмосферы и океана. (принято в печать) т.41(4) 2005.

О.Г.Чхетиани, д.ф.-м.н., тел.333-53-56, E-mail: ochkheti@iki.rssi.ru

5.2. В связи с проблемой приема акустических сигналов в условиях турбулентной гидродинамической помехи выполнены экспериментальные исследования гидродинамических шумов пристенной турбулентности. Исследуется пространственное разрешение мелкомасштабных компонент пристеночных пульсаций давления. Выполнены экспериментальные измерения частотных спектров турбулентных пульсаций давления на поверхности всплывающего устройства.

Обнаружено, что размеры апертуры и ориентация акустического преобразователя в турбулентном потоке значительно влияют на регистрацию гидродинамических шумов обтекания. В спектрах псевдозвуковых пульсаций давления в серии экспериментов на всплывающих устройствах проявляется значительное изменение разрешающей способности приемников пульсаций давления в турбулентном пограничном слое. Развит метод восстановления истинных значений турбулентных пульсаций, основанный на построении корректировочных функций и учете погрешности измерений из-за искажающего влияния размеров приемника пульсаций давления. Метод основан на предварительном построении правдоподобных моделей турбулентных полей и отыскание на этой основе корректировочных функций.

Е.Б. Кудашев. Экспериментальные исследования шумов обтекания на всплывающих устройствах // Акустика океана. Доклады X Школы-Семинара акад. Л.М. Бреховских, совмещенной с XIV сессией Российского Акустического Общества. С. 523-529. – М.: ГЕОС. 2004.

Е.Б. Кудашев. Экспериментальные исследования шумов обтекания на всплывающем устройстве // Акуст. журн. Принято к печати. Т. 51. № 2. 2005.

Е.Б. Кудашев, д.т.н., тел.: 333-12-34, e-mail: kudashev@iki.rssi.ru

6. Исследование нелинейных процессов обмена теплом, массой и угловым моментом в однородно вращающемся сферическом слое жидкости и их влияния на транспортные и диссипативные свойства течений.

6.1. Представлены результаты численного моделирования нелинейных движений, формирующихся во вращающихся сферических слоях под влиянием некоторых физических факторов, определяющих структуру мезомасштабных и глобального масштаба термодинамических процессов в системе океан – атмосфера. Изучается тепло- и массоперенос во вращающемся с постоянной угловой скоростью слое жидкости жидкости в приближении Буссинеска с условиями на внешней границе, моделирующими неравномерный по меридиональному углу нагрев от Солнца. Показано, что ускоряющееся вращение слоя усиливает влияние внешней границы и приводит к формированию еще одного вихря меридионального течения с направлением циркуляции по часовой стрелке. Меридиональная циркуляция такого направления в сочетании с растущей силой Кориолиса перераспределяет азимутальное течение. В результате вращение внешней части приэкваториальной области ускоряется (эффект суперротации), а приполярные области замедляются.

На рис. 1 представлены некоторые результаты численного решения задачи о тепло- и массопереносе во вращающемся с постоянной угловой скоростью слое жидкости в приближении Буссинеска с условиями на внешней границе, моделирующими неравномерный по меридиональному углу нагрев от Солнца. Легко видеть, что при разных соотношениях значений числа Рейнольдса Re и параметра неравномерности нагрева t (параметра сдвига), в слое формируются качественно похожие на наблюдаемые в сферическом течении Куэтта типы меридионального течения: одновихревое с разным направлением циркуляции (как при ω = 0 или ∞) и двухвихревое с раcслоением по радиальной координате (как при ω < 0).

Рис. 1. Основные типы меридиональной циркуляции, формирующейся при Ra = 0 и разных t в слое с вращением (Re ¹ 0) и без него (Re = 0).

Передача углового момента в слое существенным образом зависит от типа граничных условий. Так в случае твердых границ кинетическая энергия дифференциального вращения оказывается в несколько раз меньшей, чем в случае свободных границ. При свободных границах перенос углового момента осуществляется преимущественно рейнольдсовыми напряжениями и всегда направлен от полюсов к экватору. Ограничение на перенос углового момента, налагаемое действием твердых границ, состоит том, что при твердых границах основной вклад в перенос углового момента дает сила Кориолиса, действующая на меридиональную циркуляцию. Интенсивность меридиональной циркуляции при твердых границах оказывается значительно большей за счет экмановских пограничных слоев. Меридиональная циркуляция, вообще-то являющаяся вторичной, влияет на азимутальное течение и кинетическая энергия движения в слое перераспределяется не в пользу дифференциального вращения.

В рассмотренном случае имеем два фактора ¾ однородное вращение слоя и неоднородные граничные условия. В отсутствии вращения угловая скорость на внешней границе убывает в направлении экватора, что объясняется преимущественным влиянием напряжений, заданных на внутренней границе. Под их воздействием формируется меридиональная циркуляция с направлением вращения против часовой стрелки (Re = 0, в верхней части рис. 1), уносящая угловой момент из приэкваториальной области. Ускоряющееся с ростом числа Рейнольдса вращение слоя с постоянной скоростью усиливает влияние внешней границы и приводит к формированию еще одного вихря меридионального течения с направлением циркуляции по часовой стрелке. Меридиональная циркуляция такого направления в сочетании с растущей силой Кориолиса перераспределяет азимутальное течение таким образом, что внешняя часть приэкваториальной области ускоряется (эффект суперротации), а приполярные области замедляются (рис. 1 внизу справа). Отметим, что течение с одновихревой меридиональной циркуляцией более эффективно в передаче момента импульса, чем с двумя кольцевыми вихрями (с расслоением меридиональной циркуляции в радиальном направлении).

6.2. Представлены результаты численного моделирования нелинейных движений, формирующихся во вращающихся сферических слоях под влиянием некоторых физических факторов, определяющих структуру мезомасштабных и глобального масштаба термодинамических процессов в системе океан – атмосфера. Рассмотрено движение во вращающемся с постоянной угловой скоростью сферическом слое жидкости в приближении Буссинеска с условиями на внешней границе слоя, моделирующими неравномерный по меридиональному углу нагрев от Солнца, и с радиальным потоком тепла на внутренней сфере. Показано, что с ростом числа Релея взаимодействие потока тепла с однородным вращением слоя и заданными напряжениями на границах приводит к деформациям структуры меридиональной циркуляции. Система формирующихся в слое вихрей управляет переносом углового момента и тепла в слое. В результате можно наблюдать дифференциальное вращение жидкости (в частности, с экваториальным ускорением, эффект суперротации) и полосатую структуру полей скорости и температуры на внешней границе слоя.

На рис. 2 представлены некоторые результаты численного решения задачи о тепло- и массопереносе во вращающемся с постоянной угловой скоростью слое жидкости в приближении Буссинеска с условиями на внешней границе, моделирующими неравномерный по меридиональному углу нагрев от Солнца, и с учетом радиального потока тепла на внутренней сфере. Легко видеть, что с ростом числа Релея происходит постепенный рост интенсивности и деформация меридиональной циркуляции с появлением вихрей в приполярной области. Отметим, что чем слабее напряжения на границах, тем более ярко выражена описанная тенденция (вихри в приполярной области начинают формироваться при меньших значениях числа Релея).

Рис. 2. Изменение структуры меридиональной циркуляции с ростом числа Релея Ra во вращающемся слое (Re = 50°) при t = 10³ (вверху) и 10² (внизу).

Распределение в слое жидкости потока тепла и угловой скорости дифференциального вращения целиком определяется структурой меридиональной циркуляции — количеством и направлением вращения вихрей и их интенсивностью. Система вихрей формирует в слое жидкости систему ускоренных и замедленных (относительно однородного вращения W) зональных потоков — условно назовем их западными и восточными потоками. Горизонтальная компонента силы Кориолиса смещает жидкость из зон западных потоков в сторону экватора, а из зон восточных потоков — в сторону полюсов. Таким образом, сила Кориолиса оказывает определяющее влияние на формирование поля давления в слое жидкости.

На внешней границе слоя наблюдается дифференциальное вращение. Вихри меридиональной циркуляции с направлением вращения по часовой стрелке переносят тепло (и угловой момент) в направлении полюса, вихри с положительной циркуляцией (с направлением вращения против часовой стрелки) — в направлении экватора. Увеличение параметра сдвига (аналогичное усилению широтного градиента тепла на границе) ослабляет меридиональные кольцевые вихри в направлении циркуляции по часовой стрелке, т.е. отрицательную циркуляцию, и усиливает вихри с положительной циркуляцией. Таким образом, заданные на внешней границе условия (неравномерный по широте подогрев) действуют аналогично ее вращению в направлении, противоположном направлению вращения внутренней сферы.

Н.М.Астафьева. Крупномасштабные структуры в системе океан-атмосфера и их влияние на климат планеты. – Международная Конференция МСС-04 «Трансформация волн, когерентные структуры и турбулентность» 23-25 ноября 2004 г. Сборник трудов, М.: Рохос, 2004, с. 356-362.

Н.М.Астафьева, д.ф.-м.н., тел: 333-21-45, e-mail: ast@mx.iki.rssi.ru

7. Теоретическое и экспериментальное исследование пространственно-временной структуры и динамики волн, вихрей и вихревых дорожек, образующихся в атмосфере при обтекании воздушными потоками гор на восточном побережье Черного моря.

На основе данных дистанционного зондирования, полученных с помощью радиолокаторов с синтезированной апертурой, установленных на европейских спутниках ERS-2 и Envisat, проведено теоретическое и экспериментальное исследование пространственно-временной структуры и динамики волн, вихрей и вихревых дорожек, образующихся в атмосфере при обтекании воздушными потоками гор на восточном побережье Черного моря. Возможность заказывать и получать изображения района эксперимента предоставлялась Европейским космическим агентством (ESA) в рамках гранта АО3-24 "Investigation of perturbing action of atmospheric and internal oceanic processes on the waved sea surface using ocean remote sensing data".

Проведена систематизация накопленных экспериментальных данных и сопоставление радиолокационных образов проявлений подветренных структур в атмосфере с данными о географическом расположении районов съемки, орографии, сопутствующих гидрометеорологических условиях, расположении зон фронтогенеза, конвекции, облачности и осадков, возможных непосредственных источниках наблюдаемого возмущения, стратификации пограничного слоя океан-атмосфера. На основе адаптации существующих моделей изучена взаимосвязь вариаций интенсивности РЛ сигнала со скоростью и направлением воздушного потока, стратификацией среды и топографией местности. Из данных дистанционного зондирования морской поверхности установлены характеристики передачи энергии мелкомасштабных конвективных движений в область более крупных масштабов и показана возможность дистанционного распознавания крупномасштабных вертикальных движений, а также определения режима конвекции в приводном слое атмосферы.

Митягина М.И, Лаврова О.Ю., Бочарова Т.Ю. Наблюдение подветренных волн и вихревых структур за природными препятствиями в атмосфере при помощи радиолокационного зондирования морской поверхности // Исследования Земли из Космоса, 2004, №5, c. .

М.И.Митягина, к.ф.-м.н., тел.333-50-78, E-mail: mityag@iki.rssi.ru

8. Развитие стохастической модели ГТЦ и исследование характерных структурных свойств тропического циклогенеза в региональных зонах.

На основе имеющихся экспериментальных данных проведено исследование структурных характеристик тропического циклогенеза Северного и Южного полушарий Земли, а также их вариаций по отношению к воздействию явления ENSO. Показано, что значимое влияние явления ENSO имеется на временных масштабах порядка года.

Е.А.Шарков, д.ф.-м.н., тел.: 333-13-66, e-mail:

9. Исследование проблемы тропического циклогенеза и атмосферной конвекции на основе термодинамики фазовых переходов влаги и вращательной неустойчивости.

На основе термодинамики фазовых переходов влаги и вращательной неустойчивости рассмотрена проблема тропического циклогенеза и атмосферной конвекции, в том числе вертикальное и горизонтальное распределения давления в тропической части атмосферы Земли, которые устанавливаются в результате естественного широтного распределения температуры. В частности, показано, что для адиабатической атмосферы более прогретые области характеризуются некоторым понижением, а менее прогретые - повышением давления на уровнях средней тропосферы. Оценки амплитудных значений указанных аномалий согласуются с наблюдаемыми характеристиками атмосферы по знаку и порядку величины. Полученные результаты необходимо учитывать при построении динамический моделей ячейки Хэдли, а также при исследовании вопросов общей циркуляции атмосферы Земли.

Б.П. Руткевич, П.Б. Руткевич. Поле давления в тропической атмосфере. Труды международной конференции "Трансформация волн, когерентные структуры и турбулентность", УРСС, Москва, 23 - 25 ноября, 2004, c.144-149.

П.Б.Руткевич, к.ф.-м.н., тел.333-53-13, E-mail: peter@d902.iki.rssi.ru

10. Разработка метода определения фазового состава облаков.

Подготовлен макет фотометра для измерения рассеянного излучения облаков. Проведены наземные измерения спектрального пропускания водяных облаков и перистых ледяных облаков. На основе анализа данных спектроскопических коэффициентов поглощения жидкой воды и льда в области спектра ( 0.7 – 2.4 ) мкм и данных о спектральных коэффициентах поглощения основных атмосферных компонент ( водяного пара, углекислого газа и метана), определены интервалы спектра, наиболее информативные для задачи определения фазового состава облаков с использованием температурной зависимости положения полос поглощения воды и льда. В пределах интервалов спектра (1.6 – 1.8 ) и ( 2.0 – 2.4 ) мкм выделены участки спектра шириной Dl » 10 нм с наименьшим поглощением газовых компонент, в которых соотношение коэффициентов рассеяния и поглощения каплями воды и кристаллами льда в облаках характеризуется вероятностью выживания кванта (альбедо единичного рассеяния) 0.98 < l <1. Метод разделения фазовых компонент воды в облаках основывается на измерении спектральной яркости излучения, отраженного от верхней границы облаков I_l(j,q,t) и коэффициента R_nl₌ I_l(j,q,t) / S_l , где S_l- интенсивность излучения Солнца, j, q-углы падения и отражения излучения, t - оптическая толща облачного слоя, l - длина волны. Измерения проводятся в интервалах спектра, в которых для одной компоненты - капельной воды - спектральный градиент ¶R_l / ¶l @ 0, а для другой компоненты – льда выполняется ½¶R_l /¶l½> e, где e- порог чувствительности при измерениях. По модельным расчетам и данным измерений с самолета для ледяных облаков верхнего яруса Ci в области спектра 1.68 мкм для оптической толщи облаков t = 0,5..10 спектральный градиент 0,02 < ½¶R_l /¶l½< 1,2, и для водяных капель спектральный градиент достаточно мал. Таким образом, измерения ¶R_l /¶l дают возможность выделить три фазовых состояния - преобладание льда, воды и смешанный тип облаков. Для разделения фазовых компонент при малых оптических толщах t < 0,1 необходимо привлечение данных о интенсивности отраженной солнечной радиации в области полосы кислорода 763 нм и собственного теплового излучения в области ( 10 – 12 ) мкм. Выработаны исходные требования к измерительной аппаратуре.

Исходные информационные требования к аппаратуре:

Область спектра, мкм: 1,2-2,4

Спектральное разрешение, нм 10

Пороговый чувствительность, Вт/(см² срд мкм) 0,5*10^-5

Мгновенное полное поле зрения объектива, град 4

Угловое разрешение, мрад 1

Пороговая чувствительность приемника, Вт 0,5* 10^-11

Пространственное угловое сканирование в пределах углов, град +-45

Научно-технический отчет по теме НИР: ²Разработка и исследование методов бортовой калибровки ИК-спектрометров высокого спектрального разрешения в части методов поддержания и измерения температуры с требуемой точностью и разработки схемного решения бортового контрольного излучателя” (шифр темы: "ДИАТ-П-ИКИ"), по х/д № 963 от 12.07.2004 г., ИКИ РАН, сентябрь 2004 г.

А.К.Городецкий, к.ф.-м.н., тел.333-32-12, E-mail: gora@iki.rssi.ru

11. Разработка метода разделения вкладов поверхности и атмосферы в уходящее излучение в ИК- и оптическом диапазонах спектра.

Проведены исследование коэффициентов яркости естественных образований системы ²поверхность-атмосфера² по взаимным спектральным образам вариаций яркости многозональных измерений в комплексном многоуровенном эксперименте.

Васильев Л.Н., Козлов Е.М. Результаты исследований ковариации спектральной яркости системы ”водная толща-поверхность-атмосфера” в узких интервалах пространственных частот. Исследования Земли из космоса, (направлено в печать).

Е.М.Козлов, тел.333-51-66, E-mail: gora@iki.rssi.ru

12. Разработка автоматизированного космического комплекса контроля радиационной, химической и биологической обстановки.

Проведены численное моделирование и разработка программного комплекса обработки данных лидарного зондирования газовых и аэрозольных образований в атмосфере при наличии фона помех природного и антропогенного происхождения. По результатам выполненных исследований на 2-ю Всероссийскую конференцию «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов), Москва, 16-18 ноября 2004 г. представлены 3 доклада:

Князев Н.А., тел.333-51-66, E-mail: nknyazev@iki.rssi.ru