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.
Гос. регистрация № 0120.0 602986
Научные руководители: д.ф.-м.н. Ерохин Н.С., д.ф.-м.н. Шарков Е.А.
Анализ влияния спиральности на формирование крупномасштабных вихревых структур в экмановском пограничном слое атмосферы и процессы транспорта
Рассмотрено влияние турбулентной спиральности на формирование крупномасштабных вихревых структур и транспортные процессы в экмановском пограничном слое атмосферы. На основании анализа экспериментальных данных получена оценка границ влияния турбулентной спиральности на вихревую вязкость в пограничном слое атмосферы. Учет спиральности приводит к значительному изменению критического числа Рейнольдса и параметров вторичных возмущений в особенности, когда знак турбулентной спиральности противоположен знаку спиральности основного течения либо первая возрастает с высотой в погранслое.
Для турбулентного АПС формирование ролловой структуры можно рассматривать в качестве одного из элементов каскада энергии и спиральности. Результаты численного моделирования неплохо согласуются с теоретическими представлениями об ослаблении энергетического каскада в сторону мелкомасштабных мод и преимущественном взаимодействии спиральных мод одного знака, а также численными оценками по данным измерения характеристик турбулентности в АПС.
Построена подсеточная модель турбулентности атмосферного пограничного слоя, учитывающая генерацию спиральности. Исследовано влияние спиральности на турбулентные скейлинги пассивного скаляра в рамках расширенной модели Крейчнана. Показано, что обусловленное спиральностью нарушение зеркальной симметрии не влияет на аномальные скейлинги. Однако, спиральность оказывает сильное влияние на устойчивость асимптотических режимов, в которых имеют место аномальные скейлинги. Эффективная диффузия примеси на крупных масштабах сильно зависит от интенсивности спиральности и времени корреляции. Исследована вихревая устойчивость неоднородных турбулентных МГД-течений. Показано, что рост возмущений сопровождается генерацией кинетической спиральности и накоплением ее в крупных масштабах.
O.G.Chkhetiani O.G., Hnatich
M., Jurcinova E., Jurcisin
M. Influence of helicity on scaling regimes in model
of passive scalar advected by the turbulent velocity
field with finite correlation time.// Czecho-slovak
Journal of Physics, v.56(8), pp.627-650, 2006.
Chkhetiani O.G., Hnatich
M., Jurcinova E.E., Jurcisin
M., Mazzino A. and Repajan
M. Influence of helicity on anomalous scaling of a
passive scalar advected by the turbulent velocity
field with finite correlation time: Two-loop approximation. // Phys. Rev. E,
v.74, 036310(1-26), 2006.
O.G.Chkhetiani O.G., Eidelman A., Golbraikh E. Large-
and small-scale turbulent spectra in MHD and atmospheric flows. // Nonlinear Processes in
Geophysics, v.13, pp.613–620, 2006.
О.Г.Чхетиани, д.ф.-м.н., тел.333-22-23, e-mail: ochkheti@mx.iki.rssi.ru
Моделирование интенсивных спиральных вихрей в конвективно-неустойчивой вращающейся жидкости
В целях отработки методики расчетов для реализации в численных моделях атмосферы выполнено исследование конвекции Буссинеска при одновременном действии силы Кориолиса и спирального форсинга, предлагаемого для параметризации в метеорологических моделях. Линейный анализ устойчивости решений показал существование области параметров, при которых влияние форсинга является доминирующим. На примере конвекции Рэлея-Бенара средствами численного моделирования показано, как в этих условиях происходит генерация ненулевой средней спиральности течения и действует положительная обратная связь между горизонтальной и вертикальной циркуляциями, позволяющая преобразовать энергию дополнительного спирального источника в кинетическую энергию интенсивного крупномасштабного спирального вихря.
Левина Г.В. О параметризации спиральной турбулентности для численных моделей интенсивных атмосферных вихрей // Доклады АН, т.411, № 3, 2006.
Г.В.Левина, к.ф.-м.н., тел.333-41-00,
e-mail: nerokhin@mx.iki.rssi.ru
Развитие базы данных тропического циклогенеза
Одним из важных аспектов исследования системы океан-атмосфера является изучение вклада интенсивных вихревых возмущений (типа тропических циклонов) в термодинамику и кинематику тропической атмосферы на различных временных масштабах. В настоящее время экспериментальная задача о выявлении количественных различий в интенсивностях циклогенеза полушарий Земли является весьма актуальной в связи с определением роли мезо-масштабной изменчивости глобальных циркуляций и явления ENSO в формировании тропи-ческого циклогенеза. Был сформирован блок базы данных за 1997-2004 г.г на основе ежесуточной информации, полученной по каналам Internet с сайта Астрономической обсерватории Гавайского университета (URL http:// www.solar.ifa.hawaii.edu/), где поступающая первичная информация из JTWC (Флорида) и региональных метеоцентров (Токио, Майами, Нью-Дели, Дарвин, о. Фиджи, о. Реюньон и др.) суммировалась и поступала в систему Internet в виде ежедневных пакетов «сырых» данных. Этот блок информации обладает существенно большей полнотой описания событий, происходящих в тропической зоне Мирового океана, чем информация за 1983-1996 г.г.
Была развита методика формирования и накопления статистического сигнала по дистанционным данным тропического циклогенеза первичных ( после 1997 г.) и развитых (1983-2004 г.г.) форм, рассматриваемого по полушариям и по времени нахождения тропических циклонов (условно - интенсивность ) в соответствующем широтном поясе. Оказалось, что учет первичных форм (произведенный после 1997 г. ) резко увеличивает как максимальную интенсивность в распределении, так и среднее значение (по распределению ). При этом широты, на которых достигаются максимальные значения интенсивности и средние значения интенсивности практически не изменились. Важно отметить, что жестко сохраняется сильная асимметрия в положении широт для этих характеристик для Северного ( 20 градусов с.ш. ) и Южного ( 10 градусов ю. ш. ) полушария. Кроме того отсутствует явная зависимость от фазы ENSO.
Г.А.Ким, И.В.Покровская, Е.А.Шарков. Глобальный тропический циклогенез: широтное распределение энергозапаса по данным спутникового мониторинга. //«Соврем. проблемы дистанц. зондирования Земли из космоса (физич. основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды». ИКИ РАН. Москва, 14-17 нояб. 2005. Москва, 2006, с.287-295.
Е.А. Шарков, д.ф.-м.н.,
333-13-66, e-mail: easharkov@iki.rssi.ru
Применение непрерывного вейвлет-преобразования к стохастическим задачам, а также в геофизике и квантовой теории поля
Проводились исследования, связанные с применением непрерывного вейвлет-преобразования к стохастическим задачам, в квантовой теории поля и теории турбулентности. Для численного моделирования корреляций между флуктуациями различных масштабов была разработана программа на языке С++, позволяющая моделировать динамику Изинговского типа (система спинов, локально взаимодействующие вихри и пр.) на решетке с периодическими граничными условиями в пространстве произвольной размерности d измерений. С ее помощью исследовались межмасштабные корреляции. Для экспериментального исследования межмасштабных корреляций, в сигналах генерируемых сложными динамическими системами – атмосферной турбулентностью, волнами в нелинейных геофизических системах, экономическими рядами и пр. – было написано программное обеспечение в среде MSWindows. Проведен анализ выборки, содержащей турбулентность со степенным спектром амплитуд и локализованные в пространстве когерентные структуры, характерной для геофизических полей. Показано, что при наличии когерентных структур среднего уровня амплитуд и масштабов, которые значительно меньше длины выборки и приблизительно равномерно распределены по длине выборки, дальние корреляции ослабляются. Однако в рассмотренных условиях фрактальные размерности, вычисленные для вейвлет-коэффициентов, ведут себя примерно одинаково для случаев наличия когерентных структур и при их отсутствии.
М.В.Алтайский. Многомасштабная теория турбулентности в вейвлет-представлении. //Доклады РАН, т.410, вып.3. стр.326-330, 2006.
М.В.Алтайский. Многомасштабное стохастическое квантование. // Нелинейный мир, т.4, вып. 4/5. стр.246-255, 2006.
М.В.Алтайский, к.ф.-м.н.,
тел.333-41-67, e-mail: altaisky@mx.iki.rssi.ru
Некоторые особенности движения крупномасштабных структур во вращающейся атмосфере.
В приближении мелкой воды рассмотрены некоторые особенности движения крупномасштабных структур во вращающейся атмосфере, включающих в себя синоптические вихри в виде волн Россби и зональные ветры, определяющих значительный вклад в динамику и процессы переноса тепла и массы. Развитая методики позволяет изучать планетарные внутренние волны и полярный перенос в атмосфере Земли. При исследовании вихрей Россби в земной атмосфере можно приближенно пренебрегать скалярной нелинейностью и меридиональной зависимостью скорости Россби. Исходные уравнения, описывающие динамику волн на плоскости, касательной к точке наблюдения на сфере, состоят из уравнений непрерывности, движения и теплового баланса, в которых все гидродинамические параметры атмосферы (плотность, скорость и давление) рассматриваются как некоторые осредненные по вертикали величины. В горизонтально бароклинной атмосфере не сохраняется обобщенная завихренность, в отличие от баротропной атмосферы. Это приводит к тому, что система уравнений горизонтально бароклинной атмосферы допускает самопроизвольное рождение вихрей из незамкнутых линий тока.
На основе уравнения Чарни – Обухова рассмотрены свойства некоторых частных решений в виде дипольных вихрей (уединенных вихрей с внешней и внутренней областями вихря, разделенными границей) и вихревых дорожек. При определенном значении управляющего параметра решение в виде вихревых дорожек описывает течение типа зонального потока
Н.М.Астафьева. Структуры,
формирующиеся во вращающемся сферическом слое под влиянием условий, имитирующих
глобальные потоки тепла в атмосфере // Современные проблемы дистанционного
зондирования Земли из космоса. 2006, т.1, с.245-256.
Н.М.Астафьева. Вихри и волны в атмосфере и океане. Препринт ИКИ РАН. 2006. Подготовлено к изданию.
О.Г.Онищенко, Н.М.Астафьева. Волны Россби и зональные ветры в атмосферах планет // Тезисы докладов Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». ИКИ РАН. Москва. 13-17 ноября 2006 г.
Н.М. Астафьева, д.ф.-м.н., тел.333-21-45,
e-mail: ast@iki.rssi.ru
Исследование динамики формирования облачности в атмосфере с учетом высотного профиля давления насыщения для пара и равновесного распределения влаги
Влага нижних
слоев атмосферы обусловлена испарением с подстилающей поверхности. Моделируя
процесс образования облака, атмосферу можно разделить на три основные области,
которые назовем соответственно: подоблачный слой, собственно облако и
надоблачный воздух. В подоблачном слое абсолютная влажность воздуха достаточно
высока, однако в силу высокой температуры воздуха пар остается ненасыщенным.
Эта область ответственна за процесс переноса влаги от подстилающей поверхности
(суша или океан) к облаку и в модели образования облаков она является
источником влаги. Основной механизм переноса – конвекция. При этом температура
значительно спадает с высотой. Начиная с некоторой высоты, парциальное давление
пара достигает давления насыщенного пара (точка росы) и часть влаги
превращается в капли. Начиная с этой точки, образуется облако. Внутренняя часть
облака принципиально отличается от подоблачного слоя тем, что пар в нем
находится в состоянии насыщения, поэтому описание облака требует применение
термодинамики влажного воздуха. Конвекция
из нижних слоев переносит влагу вверх, и, если интенсивность испарения влаги
остаётся постоянной достаточно долгое время, толщина облака увеличивается.
Наконец, в надоблачной области в силу определенных факторов парциальное давление пара оказывается снова ниже давления насыщения, что означает прекращение образования капель и, следовательно, формируется верхняя граница облака. Важно отметить, что слой насыщенного водяным паром воздуха в облаке имеет более высокую температуру по сравнению с сухим воздухом. Поэтому, в области верхней границы облака образуется значительный градиент температуры, приводящий к достаточно интенсивной конвекции. Это в свою очередь приводит к быстрому распространению пара на большие высоты. Скорость роста облака при заданном вертикальном потоке пара будет увеличиваться вплоть до высоты тропопаузы, но в самой тропопаузе происходит инверсия распределения температуры. В области инверсии, во-первых, прекращается конвекция, и, во-вторых, значительно увеличивается давление насыщения для пара, поэтому по достижению высоты инверсии дальнейший рост облака прекращается. Такого рода модель образования облака является достаточно простой, но для её реализации необходимо знать распределение основных термодинамических параметров влажной атмосферы с высотой.
П.Б.Руткевич, П.П.Руткевич. Конвективная неустойчивость в свободной атмосфере. // Совре-менные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 2006, т.1, вып.3, с.301-306.
П.Б.Руткевич, П.П.Руткевич. Конвекция во вращающемся облаке // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 2006, т.1, вып.3, с.307-312.
П.Б.Руткевич, д.ф.-м.н., тел.333-25-01, e-mail: peter_home@tarusa.ru
Развитие методов обнаружения и интерпретации процессов и явлений в атмосфере над океаном по их проявлениям на радиолокационных изображениях
Продолжены работы, направленные на развитие методов обнаружения и интерпретации процессов и явлений в атмосфере над океаном по их проявлениям на радиолокационных изображениях, получаемых с авиационных и космических носителей. Рассмотрены теоретические и практические аспекты анализа радиолокационных изображений морской поверхности, зарегистрированных в условиях неустойчивой стратификации пограничного слоя океан-атмосфера. Для интерпретации экспериментальных данных использована аналитическая модель, опирающаяся на приближение Буссинеска.. Показано, что изменения в типах проявления атмосферной конвекции на радиолокационных изображениях морской поверхности (масштабы и форма) связаны с уровнем термодинамической неустойчивости атмосферы. Полученные результаты подтверждают, что данные спутниковой радиолокации морской поверхности могут быть использованы для исследования закономерностей и особенностей возникновения и развития конвективных процессов в приводном слое атмосферы, и в частности, могут быть использованы для решения одной из центральных проблем исследования конвекции - проблемы реализуемости устойчивых течений.
При
космическом мониторинге прибрежной зоны российского сектора Азовского и Черного
морей (апрель-октябрь 2006 года), производилось изучение влияния состояния
атмосферы и процессов в приводном слое атмосферы на циркуляционные процессы и
формирование течений в море. Использовались радиолокационные данные высокого
разрешения, получаемые с помощью ASAR Envisat и ERS-2
SAR, а также данные сенсоров MODIS Aqua/Terra и AVHRR NOAA в оптическом и инфракрасном диапазонах.
На основе анализа фоновой прибрежной циркуляции у кавказского побережья,
восстановленной в результате обработки спутниковых радиолокационных данных, а
также данных оптического и ИК диапазонов спектра электромагнитных волн, сделан
вывод о непосредственной связи интенсивности Основного Черноморского Течения и
интенсивности ветровой накачки. Показано, что наблюдаемые изменения аномалий
уровня моря, определялись, в основном, сменой атмосферных синоптических
ситуаций и вариациями локального ветрового режима. Оценивалось влияние скорости
и направления ветра на формирование гидродинамических процессов в Керченском
проливе. Отмечались случаи возникновения интенсивных внутренних волн в
атмосфере в северной части пролива. Оценены их характеристики.
M.I.Mityagina.
Intensity of convective motions in marine atmospheric boundary layer retrieved
from ocean surface radar imagery // Nonlinear Processes in Geophysics, v.13(3), pp.303-308, 2006.
О.Ю.Лаврова, М.И.Митягина. Спутниковый мониторинг динамики вод в Керченском проливе // Тезисы докладов Четвертой всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 13-17 ноября 2006 г., с.
М.И.Митягина, к.ф.-м.н., тел.333-50-78, е-mail: mityag@mx.iki.rssi.ru
О корректном
восстановлении микрофизических параметров рассеивающих сред при использовании
ДПС лидара
Проведен анализ возможности корректного решения задачи восстановления микрофизических параметров рассеивающих сред с использованием лидара с двухпозиционной схемой зондирования. Рассмотрен вопрос о том, при каких условиях можно производить дистанционные измерения размеров рассеивающих частиц с максимальной точностью. Оптимальным рассеивающим объектом является объект (слой) с вероятностью пропускания менее 0.6. В этом случае дифракционный угол можно измерить с погрешностью менее 5%. Размер пятен случайного пропускающего экрана (СПЭ), находящийся вблизи отношения длины волны зондирующего излучения к дифракционному углу, является оптимальным для измерения в случае непосредственного расположения СПЭ вблизи лидара. С увеличением расстояния между СПЭ и лидаром оптимальный размер пятен уменьшается. В простейшем случае монодисперсных пятен для микрофизической калибровки достаточно получить коэффициент, связывающий размер пятен с результатом отношения длины волны к дифракционному углу. Тем не менее, и в этом случае возможны промежуточные калибровки, целью которых является исследование зависимости от поверхностной плотности и размера пятен на СПЭ, а так же периодичности расположения их на СПЭ. При заданном размере пятен на СПЭ оптимальная дистанция должна находится в диапазоне, где трассовая зависимость отношения интенсивностей имеет максимальный наклон. Этот диапазон находится в пределах от 1.5 L до 2.5 L, где L = D / ψ, D – расстояние между оптическими осями приемных каналов лидара, ψ поле зрения каждого из приемных каналов. Таким образом, размер частиц определяет оптимальную геометрию зондирования. Показано, что минимальный набор калибровочных коэффициентов включает в себя коэффициент, связывающий отношение длины волны зондирующего излучения к угловому полю зрения приемного канала, с размером частицы, а так же коэффициент, связывающий измеренную концентрацию частиц с реальной концентрацией.
Г.П.Арумов, А.В.Бухарин, Н.С.Ерохин. Проблемы использования уравнения переноса излучения в задаче дистанционного определения углового размера гало. //Physics of wave phenomena 2006 г. (в печати)
Г.П.Арумов, к.ф.-м.н., тел.333-31-33, е-mail: garumov@mx.iki.rssi.ru
Исследование влияния электромагнитных взаимодействий на генерацию спиральных крупномасштабных вихрей в атмосфере
На основе имеющихся экспериментальных данных выполнена оцифровка графического материала и разработка аналитических аппроксимаций для вертикальных профилей электрического поля плазменных подсистем крупномасштабного вихря в области высот до 16 км. Проведены расчеты вертикального профиля обьемной плотности электрического заряда и возникающих электрических потенциалов. Характерные обьемные плотности электрического заряда оказались в диапазоне от единиц до десятков нанокулон на кубический метр, возникающие электрические потенциалы меняются в диапазоне от десятков до сотен МэВ. Выполнены предварительные оценки для механизма генерации спиральности от турбулентных пульсаций при наличии заряженных подсистем в ТЦ. Для этого в источнике генерации спираль-ности были выделены средние гидродинамические величины и учитывались все члены одного порядка (включая дивергентные, так как они тоже влияют на перераспределение локальной плотности спиральности). В качестве вязкости бралась турбулентная вязкость, учитывающая вклад высших корреляционных членов генерацию крупномасштабных движений. В качестве характерных масштабов при определении всех типов производных брались крупномасштабные характеристики. Обьемная плотность электрического заряда считалась заданной и на этом фоне рассматривалась генерация гидродинамической спиральности h = v rot v от электромагнитных сил. Выполненные предварительные оценки показывают, что данный механизм не может быть преобладающим для поддержания вращения всего ТЦ, но вносит существенный вклад в процесс возникновения в нем развитой турбулентности.
Arteha S.N. and
С.Н.Артеха, к.ф.-м.н., тел.333-53-56,
e-mail: arteha@iki.rssi.ru
О связи циклогенеза с
солнечной активностью и SOI
Начато создание базы данных долговременных атмосферных, ионосферных и океанографических наблюдений, разработка программного обеспечения для описания, стандартизации форматов хранения, поиска и доступа к данным и их визуализации в целях исследования вариаций термодинамических характеристик системы океан-атмосфера под влиянием солнечной и магнитосферной активности и разработки комплексных методик научного анализа процессов в системе атмосфера-магнитосфера-межпланетная среда. На основе этих данных проведено исследование временного хода Южной осцилляции (SOI), влияющей на целый ряд климатических параметров (циклогенез, события Эль Ниньо и др.) в южной части Тихого океана, которое позволило выявить её возможную связь с солнечной активностью. Обнаружено, что большие отрицательные значения ЮО достигаются на фазах нарастания и спада солнечной активности 11-летнего солнечного цикла. Отрицательные значения ЮО коррелируют или антикоррелируют с вариациями солнечного ветра, что характерно при воздействии внешнего возмущения на систему обладающую собственной частотой. Полученный результат, возможно, поможет прояснить механизм формирования ЮО, которой в настоящее время непонятен. Исследование периодичности циклонов в северной части Атлантического и юго-западной части Тихого океана показало, что корреляция частоты циклонов с уровнем солнечной активности (характеризуемым числом солнечных пятен) определяется географическими особенностями рассматриваемого района. Корреляция максимальна в бассейнах частично изолированных от мирового океана: Мексиканский залив, Карибское и Южно-Китайское моря (для последнего корреляция близка к 100%) и значительно менее выражена в открытых океанских бассейнах. Отмеченное различие, скорее всего, связано с различным характером морских течений в рассмотренных областях. Полученный результат, возможно, окажется полезным в прояснении механизма возникновения тропических циклонов.
Pankov,
V.; Gusev, A. ; Pugacheva, G.; Voitskovsky, M.;
Martin, I. The dependence of southern oscillation index dynamics on the phase
of the 11-year solar activity cycle, COSPAR2006-A-00392; Session C2.1-0047-06.
Pankov,
V.; Gusev, A.; Pugacheva,
G.; Voitskovsky, M.; Prokhin,
V.; Martin, I. Influence of solar activity on the tropical cyclogenesis
in Western Pacific, COSPAR2006-A-01016; Session C2.1-0049-06.
В.М.Панков, тел333-30-45, e-mail: vpan-iki@yandex.ru
Усовершенствованная методика определения полной оптической толщи атмосферы в ИК-диапазоне спектра по спектрально-угловым измерениям излучения и методика выделения аэрозольной компоненты из полной оптической толщи атмосферы
Проведен анализ и разработана
усовершенствованная методика определения полной оптической толщи атмосферы в ИК-диапазоне спектра по спектрально-угловым измерениям
излучения и методика выделения аэрозольной компоненты
из полной оптической толщи атмосферы. Выделены интервалы спектра с наименьшим
вкладом селективного поглощения в
трансформацию излучения в атмосфере. Проведено численное моделирование задачи определения
интенсивности нисходящего излучения атмосферы прямым решением уравнения переноса излучения. Расчеты показывают существенное, до 2,5 раз
изменение интенсивности излучения атмосферы в пределах выделенного диапазона
частот (800-1000) см-1. Результаты
решения обратной задачи - определения полной оптической толщи t* по угловой
зависимости I(m)
показывают, что ошибка
восстановления t* в в пределах
(1-1,5) % соответствует среднему уровню невязки по интенсивности
излучения (1-4) × 10-4 w/m2/str/cm-1. Эти данные характеризуют соотношение ошибок
измерений и точности определения t*.
Разработанная методика регуляризованного решения
обратной задачи выделения аэрозольной
оптической толщи использует разность значений полной оптической толщи и
континуальной составляющей, рассчитываемой по измеряемой или восстанавливаемой
в ходе решения обратной задачи характеристике влажности воздуха.
Точность восстановления аэ аэрозольной оптической толщи составляет (10-15) % в
диапазоне значений t*а от
0,05 до 0,3.
Ф.С.Завелевич, Ю.М.Головин, А.В.Десятов, Ю.П.Мацицкий, А.Г.Никулин, А.К.Городецкий. Дистанционное зондирование Земли с помощью ИК Фурье-спектрометра. Тезисы доклада. Международная конференция MCAP-2006, Санкт-Петербург, 29-31 июня 2006
В.И.Сячинов, А.К.Городецкий. Идентификация фазового состояния воды в облаках. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, Москва, ИКИ РАН, 13-17 ноября 2006 г., т.1, с.123-127.
А.К.Городецкий, к.ф.м-.н., тел.333-32-12, e-mail: gora@iki.rssi.ru