Тема АТМОСФЕРА Развитие теоретических моделей, анализ физических механизмов, разработка и применение методов измерений и алгор

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.

1. Численное исследование нелинейной устойчивости, взаимодействия организованных структур различного масштаба, их вклада в общий энергобаланс и перенос тепла и импульса в температурно-стратифицированном турбулентном пограничном слое с учетом турбулентной спиральности, взаимодействия среднего течения с турбулентностью, переноса пыли и аэрозолей. Обработка и анализ данных измерений в атмосферном пограничном слое, полученных в ходе экспедиций 2003, 2005 г.г.

1.1. Рассмотрена локальная структура турбулентной спиральности. Показано, что из точных соотношений для спиральной составляющей тензора парных тройных корреляций, полученных ранее (Чхетиани 1996), являющихся аналогом «закона 4/5» А.Н.Колмогорова для потока спиральности (подтвержденных в независимых численных экспериментах и недавних измерениях турбулентной циркуляции в атмосферном пограничном слое), можно определять диссипацию спиральности по одновременным измерениям скорости и отдельных компонент завихренности. По результатам экспедиций 2003, 2005 гг. получены оценки диссипации спиральности и построены экспериментальные смешанные структурные функции скорости и завихренности 3-го порядка, спектр которых указывает на действие указанной зависимости (закона 2/15).

1.2. Получено уравнение для спектра спиральности, схожее с уравнением Яглома (1949) для пассивного скаляра, следствием которого при предположении о постоянстве асимметрии являются спектр спиральности -5/3 , ранее получавшийся лишь качественно, и, наблюдаемый как в естественных условиях, так и при численном моделировании. Как частный случай возможен также и более гипотетический спектр спиральности -4/3 для области. спирального каскада. Спектр-5/3 получается также и при использовании ( как дополнительного управляю-щего параметра) эффективного угла между скоростью и завихренностью.

1.3. Для слоя (30-700) атмосферы выполнен пространственно-временной анализ вихревых структур, которые непосредственно обеспечивают вынос и дальний перенос тонкодисперсного (d < 5 мкм) пустынного аэрозоля по данным акустического зондирования атмосферного пограничного слоя системой содаров, полученным в ходе экспедиции в Калмыкии летом 2007 г. Предложена и реализована процедура идентификации вихревых когерентных структур. Приведены оценки величины вариаций вертикальной и горизонтальных компонент скорости ветра, а также масштабов, характерных для таких структур.

1.4. На основе данных натурных измерений в прикаспийской пустыне и оценок гидроди-намических параметров в вязком термическом погранслое вблизи поверхности почвы получены асимптотики для массовой концентрации мелкодисперсного аэрозоля. Внешними параметрами в рассматриваемой задаче являются динамическая скорость трения и приповерхностный градиент температуры в термическом погранслое. В качестве возможного механизма выноса аэрозоля рассмотрена модель пористого слоя почвы с описанием в ней динамики воздуха с помощью уравнения Дарси. Получены оценки критических параметров, при которых имеет место термическое перекатывание частиц песка в порах почвы. Рассмотренный эффект является преобладающим в условиях слабых ветров. Он действует постоянно и может иметь быть одним из источников пыли, например, для условий Марса, характеризующихся высокими уровнями пороговой скорости сальтации.

1.5. Исследовано развитие структур при слабо-неустойчивой стратификации, получены критерии линейной устойчивости. Рассмотрены эффекты влияния турбулентной спиральности на потоки тепла. Исследованы процессы захвата тяжелых частиц вихревыми структурами пограничного слоя. Определены критерии захвата и удержания. На основе ранее разработанной модели атмосферного пограничного слоя для нейтральных условий проведено моделирование подъёма и дальнего переноса примесей. Предложена параметризация эффекта в региональных моделях атмосферного погран слоя.

Чхетиани О.Г. О локальной структуре спиральной турбулентности. // ДАН, т.422 (5), 618-621, 2008.

Chkhetiani O.G., Golbraikh E. Helicity spectra and dissipation. // Physics Letters A, 372, 5603-5604, 2008

Chkhetiani O.G., Koprov B.M., Koprov V.M., Ponomarev V.M., Shestakova L.V. Cascade of helicity in the atmospheric boundary layer.// iTi Conference on Turbulence III, Oct.12-15, 2008, Bertinoro, Italy, Book of Abstracts, pp.29-30, 2008

Гранберг И.Г., Крамар В.Ф., Кузнецов Р.Д., Чхетиани О.Г., Каллистратова М.А., Куличков С.Н., Артамонова М.С., Кузнецов Д.Д., Перепелкин В.Г., Перепелкин Д.В., Погарский Ф.А. Исследование пространственной структуры атмосферного пограничного слоя сетью доппле-ровских содаров. // Известия РАН, Физика атмосферы и океана (принята в печать)

Гледзер Е.Б., Гранберг И.Г., Чхетиани О.Г. Динамика воздуха вблизи поверхности почвы и конвективный вынос аэрозоля. // Известия РАН, Физика атмосферы и океана (направлена в печать)

Гледзер Е.Б., Гранберг И.Г., Чхетиани О.Г. Вынос мелкодисперсного аэрозоля в сильно конвективных условиях. // ДАН (направлена в печать)

Чхетиани О.Г., Шестакова Л.В. Динамика и взаимодействие вихревых структур в атмосферном пограничном слое. // Вычислительная механика сплошных сред (готовится к печати).

Максименков Л.О., Чхетиани О.Г. Шестакова Л.В. Локальный и дальний транспорт инер-ционной примеси вихревыми структурами атмосферного пограничного слоя. // Известия РАН, Физика атмосферы и океана (готовится к печати).

Чхетиани Отто Гурамович, д.ф.-м.н., тел.8-495-333-22-23, ochkheti@mx.iki.rssi.ru

2. "На основе анализа результатов дистанционных и гидрологических наблюдений за 1983- 2008 гг. исследование взаимосвязи формирование циклогенеза и поля поверхностной температуры океана, рассматриваемой как среднемесячной многолетней (контактные измерения температуры в верхнем квазиоднородном слое океана), так и средней трех-месячной (дистанционные измерения температуры скин-слоя океана) каждого конкре-ного анализируемого года."

Достаточно давно сложившиеся представления о феноменологическом наборе так называемых «необходимых» геофизических параметров, при которых должна происходить генерация устойчивых вихревых систем в тропической атмосфере ( в климатологическом аспекте ) подвергается в настоящее время серьезной критике. Одним из главных пунктов этого набора являются высокие значения поверхностной температуры акватории, превышающей (обязательно) 26 °С, где (26,2-26,8) °С так называемая критическая температура или температура «отсечки») при глубоком верхнем квазиоднородном слое океана (глубоком термоклине). Указанная проблема несомненно актуальна в плане дистанционных исследований, поскольку при строгом доказательстве наличия «резкой отсечки» в поле поверхностной температуры возможно создание своего рода дистанционных обнаружителей, которые могли бы лечь в основу решения проблем предсказуемости кризисных ситуаций в атмосфере.

Проведено сопоставление характеристик пространственно-временных полей генерации начальных форм и циклогенеза зрелых форм в поле поверхностной температуры, определенных при помощи стандартных океанологических измерений ( in situ – на глубине 1м) и по дистанционным данным (поле температуры в поверхностном скин–слое ) по морским акваториям циклоногенерующих областей Мирового океана (региональный циклогенез). Представлены экспериментальные результаты, указывающие на принципиальные различия в циклоногенеующих акваториях – как наличие достаточно широкого (размытого) диапазона поверхностных температур, при которых происходят процессы генерации первичных форм и их трансформация в зрелые формы и отсутствие «критической» (пороговой) температуры, так и практически дельтообразная зависимость вероятности генерации от значения поверхностной температуры. Последняя рассматривается как значение среднемесячной многолетней, так и при трехмесячном усреднении каждого конкретного наблюдаемого года.

Шарков Е.А., Покровская И.В. Особенности региональных тропических циклогенезов в поле поверхностной температуры Мирового океана по данным дистанционного зондирования. Шестая всероссийская открытая ежегодная конференция «Современные проблемы дистан-ционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 10-14 ноября 2008 г., Сборник тезисов конференции, thesis_1329.html, 2008.

Шарков Евгений Александрович, д.ф.м.н., тел.333-13-66, e.sharkov@mail.ru

3. Развитие методики численных расчетов энергетических и спиральных характеристик поля скорости в условиях возникновения спирально-вихревой неустойчивости атмосферы

3.1. В 2008 г. совместно с сотрудниками Гидрометцентра РФ были проведены расчеты спи-ральных характеристик поля скорости развитых тропических циклонов с помощью регио-нальной ЕТА модели атмосферы (горизонтальный шаг 22 км). Совместно с американской группой профессора М.Т.Монтгомери (Naval Postgraduate School, Monterey, California - http://met.nps.edu/~mtmontgo/personnel.html ) начата обработка данных, полученных в результате облачно-разрешающего RAMS моделирования (пространственное разрешение в расчетах не хуже 2-3 км), для вычисления спиральных характеристик атмосферы на стадии зарождения тропических циклонов. В рамках руководства студенческими работами продолжен анализ спиральных эффектов в конвекции Рэлея-Бенара, результаты которого необходимы для последующего атмосферного моделирования, т.к. позволяют отработать важные элементы диагностики спиральной неустойчивости на простых примерах и при небольших затратах вычислительных ресурсов.

3.2. В численных экспериментах, проведенных с Гидрометцентром РФ, изучалась возмож-ность применения теоретического критерия – ²индекса спиральности², предложенного ранее М.В. Курганским (Известия АН. Физика атмосферы и океана. 2008. Т.44. № 1. С.67-74), для оценки интенсивности тропических циклонов. Расчеты были проведены для двух тропических циклонов – Wilma (2005) в акватории Карибского моря и Man-Yi (2007) в Тихом океане. Показано, что указанный теоретический критерий полне адекватно отражает поведение основ-ных метеорологических параметров, таких как давление и сила ветра, в процессе развития ураганов и позволяет оценивать интенсивность и разрушительную силу атмосферных вихрей.

3.3. При работе с американскими коллабораторами создан комплекс программ на языке IDL для расчета и графического представления спиральных характеристик поля скорости по данным, полученным с помощью региональной модели атмосферы RAMS. Этому предшест-вовало изучение структуры данных, выдаваемых RAMS, и специфики их обработки на IDL, а также изучение языка IDL. К настоящему времени рассчитаны поля полной спиральности и трех ее составляющих в атмосферной области с размерами X×Y×Z = 276×276×20 км с пространст-венным разрешением 3 км по горизонтальным направлениям и 500 м по высоте для первых 72 часов жизни вихревого возмущения (шаг по времени 10 мин), которое развилось в тропическую депрессию. На основе этих же данных получен ряд интегральных характеристик поля скорости, необходимых для диагностики спирально-вихревой неустойчивости атмосферы. Полученные результаты представляют интерес для исследований электромагнитных механизмов генерации вращения и формирования спиральных движений в крупномасштабных вихрях включая тропические циклоны, для диагностики спирально-вихревой неустойчивости атмосферы в зонах формирования ТЦ и понимания динамики формирования неоднородной, самоподдержи-вающейся структуры этих вихрей.

Левина Г.В. Диагностика спирально-вихревой неустойчивости в атмосфере на стадии зарож-дения тропических циклонов. Конференция молодых ученых, г. Пермь, 29 февраля – 3 марта 2008 г. Сборник статей. Пермь: ИМСС УрО РАН, 2008, стр. 117-122.

Levina G.V., Glebova E., Naumov A. and Trosnikov I. Application of helical characteristics of the velocity field to evaluate the intensity of tropical cyclones. Progress in Turbulence III. Proceedings of the iTi Conference in Turbulence 2008. Series: Springer Proceedings in Physics, Volume package Progress in Turbulence (in press).

Glebova E., Kurgansky M., Levina G.V., Naumov A., Trosnikov I. Estimation of tropical cyclone intensity on the basis of helicity. International Conference «Mesoprocesses in Meteorology and Air Pollution», 15-17 September 2008, Odessa (Ukraine). Book of Abstract, pp. 47-48, 2008.

Гомзикова В.В., Левина Г.В., Панкратова О.Д. Численное моделирование спиральных вихревых структур в неоднородно нагретой вращающейся жидкости. XVII Всероссийская школа-конференция молодых ученых и студентов. Математическое моделирование в естественных науках. Пермь, 1-4 октября 2008 г. Сборник тезисов, ПГТУ: Пермь, стр. 29, 2008.

Levina G., Glebova E., Naumov A. and Trosnikov I. Application of helical characteristics of the velocity field to evaluate the intensity of tropical cyclones. Proceedings of international conference “iTi Conference on Turbulence III. October 12-15, 2008, Bertinoro, Italy. Book of Abstracts, pp.103-104, 2008.

Левина Галина Владимировна, к.ф.м.н., тел.8-495-333-41-00, galchonok2002@yahoo.co.uk

4. Применение методов мультифрактального анализа и вейвлет-преобразования для аппроксимации измеряемых атмосферных данных с помощью набора динамических систем, принадлежащих различным масштабам, в целях классификации этих данных на предмет принадлежности различным процессам структурообразования

4.1. Проведены работы по применению непрерывного и дескретного вейвлет-преобразований для численного решения систем уравнений гидродинамического типа на модели конвекции типа Крейчнана-Орзага. В отличии от обычного использования вейвлет-преобразования (для галер-кинского разложения по временному или пространственному аргументу) в наших работах вейвлет преобразование было применено к вероятностной мере т.е. искомое решение для данной модели, имеющей стохастическое поведение, изначально считалось стохастическим. Использованный метод является обобщением метода полиномиального хаоса, развитого ранее в модели Орзага и др. (Phys. Fluids, v.10, 1967), но в качестве базиса нами были взяты базисные вейвлеты с компактным носителем. Как известно, в обычной модели Орзага решение, пол-чаемое разложением полиномиального хаоса, является сильно осциллирующим и потому не воспроизводит свойств исходной модели, например, бифуркационные точки (существует соответствующая no-go теорема). Предварительный численный анализ нашей модели, осно-ванной на вейвлет-галеркинском разложении вероятностной меры, пока не обнаружил опасных осцилляций. Адекватность получаемого решения точному численному решению еще не установлена и требует дальнейших исследований, которые будут выполняться в 2009 г.

4.2. Проведены теоретические исследования по изучению влияния скорости потока на шеро-ховатость интерфейса, растущего согласно уравнению Кардара-Паризи-Занга. Однако наши расчеты, проведенные во втором порядке теории возмущений, показали отсутствие такой зависимости. Исследованы методы экспериментального изучения частотно–волнового спектра (пространственных спектров) пульсаций давления на обтекаемой поверхности. Показано, что пространственная фильтрация компонент поля давления возможна при использовании волновых фильтров: протяженных преобразователей пульсаций давления со специально формируемыми пространственно-временными свойствами. В результате волновые фильтры выборочно реаги-руют на заданные длины волн компонентов поля давлений. Представлены результаты экспе-риментальных исследований частотно-волнового спектра турбулентных пульсаций давления в пограничном слое.

4.3. Продолжен анализ возможности использования вейвлет-техники для обработки геофизи-ческих данных с хаотизированными полями в целях последующей разработки методи-ки выявления в экспериментальных данных по атмосферной турбулентности локализованных когерентных структур.

Altaisky M.V. Consiocusness and quantum mechanics of macroscopic systems. New advances in physics, v.2, pp.79-97, 2008.

M.V.Altaisky M.V. and Rao V.S.R. Inverted Mexican hat potential in activation of receptor cells. Nonlinear Analysis B, v7, pp.231-141, 2008.

Алтайский Михаил Викторович, д.ф.м.н., тел.8-495-333-53-56, altaisky@mail.ru

5. Исследование особенностей распространения крупномасштабных вихревых образований средних и средневысоких широт в атмосфере над акваториями Тихого и Атлантического океанов по данным спутникового мониторинга в рамках программы DMSP.

5.1. Было продолжено изучение влияния крупномасштабных квазистационарных барических образований (центров действия атмосферы) на характер процессов переноса (тепла, массы, углового момента) над акваториями Тихого и Атлантического океанов и, в частности, на пути продвижения тропических циклонов. Исследование проведено на основе электронной коллекции глобальных радиотепловых полей Земли (http://www.iki.rssi.ru/asp/), сформи-рованной в 55 отделе ИКИ РАН с использованием данных спутникового мониторинга в рамках программы DMSP. Данные спутникового мониторинга сравнивались с теоретическими результатами изучения устойчивости и генерации зональных ветров и крупномасштабных вихревых структур — циклонов и антициклонов — в атмосфере. По результатам работы написан обзор, посвященный проблемам самоорганизации зонального ветра и вихрей в турбулентной баротропной атмосфере — крупномасштабных структур, определяющих основной вклад в динамику и процессы переноса в атмосферах планет. Исследована роль нелинейных эффектов в формировании вихревых мезомасштабных структур в виде циклонов и антициклонов, а также зональных ветров атмосферах планет.

5.2. Несмотря на богатое разнообразие волновых движений в атмосферах планет, изучение крупномасштабных вихрей и зональных ветров привлекало и продолжает привлекать особое внимание исследователей т.к. именно эти структуры определяют глобальный перенос воздушных масс, определяющий погоду и климат обширных регионов. Одной из основных особенностей планетарных волн Россби является присущая им самоорганизация, проявляющаяся в спонтанной генерации когерентных структур, таких как крупномасштабные вихри и зональные ветры. Зональный ветер (саморегулирующаяся система сдвиговых течений, где источником случит модуляционная неустойчивость волн Россби в турбулентной баротропной атмосфере, а стоком — неустойчивость Рэлея) существенно ослабляет процессы полярного переноса в атмосфере в направлении экватор – полюс. Такой механизм обеспечивает эффективный канал переноса энергии из области мелкомасштабной турбулентности волн Россби в область глобальных конвективных движений, соответствующих зональному ветру и играет важную роль в регуляризации турбулентности атмосферы.

Онищенко О.Г., Похотелов О.А., Астафьева Н.М., Шаталов С.И. Синергетика планетарных структур // Сборник трудов в рамках Программы П-16. 2008. (в печати).

Астафьева Н.М. Вихри и волны в атмосфере по данным спутникового мониторинга в микроволновом диапазоне // Тезисы докладов Международной конференции «Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность. Hydrodynamic instability and turbulence». МГУ, НииМех МГУ, ИПМ РАН. Москва. 24 февраля – 02 марта 2008г., с.37, 2008.

Онищенко О.Г., Похотелов О.А., Астафьева Н.М. Генерация крупномасштабных вихрей и зональных ветров в атмосферах планет. // Успехи физических наук РАН, т.178, № 6, с.605-618, 2008.

Астафьева Наталья Михайловна, д.ф.-м.н., в.н.с., тел.333-21-45, ast@iki.rssi.ru

6. Развитие теоретической основ и разработка методик комплексного использования данных спутникового дистанционного зондирования, различных по своей физической природе (активное и пассивное микроволновое зондирование, оптические и ИК данные), пространственному разрешению и размерности для исследования процессов и явлений в атмосфере над океаном (внутренние гравитационные волны, конвективные движения, волны вихри и вихревых структур, образующихся при обтекании природных пре-пятствий). Разработка методик и алгоритмов совместного использования данных, получаемых разными сенсорами с разных спутников, для получения количественных оценок процессов и явлений, проистекающих в приводном слое атмосферы

Продолжены работы, направленные на разработку критериев совместного анализа данных, получаемых разными сенсорами с разных спутников и методик извлечения взаимодопол-няющей геофизической информации из данных спутникового зондирования морской поверх-ности и прилежащего к ней слоя атмосферы. В ходе работ по космическому мониторингу прибрежной зоны российского сектора Азовского и Черного морей (апрель-октябрь 2008 года), проведено изучение влияния состояния атмосферы и процессов в приводном слое атмосферы на циркуляционные процессы и формирование течений в море. Особое внимание уделено усовер-шенствованию алгоритмов разделения сигнатур вихревых и волновых процессов, развиваю-щихся в океане и в приводном слое атмосферы на основе совместного использования разнородных спутниковых данных. В частности, был проведен анализ фрагмента (200 х 200) км спутниковых изображений участка акватории северо-восточной части Черного моря, полученных при помощи сенсоров, установленных на борту спутника Envisat ( цветосинтези-рованное изображение спектрометра MERIS; 04.05.2008, 07:33 UTC, размером 200 х 200 км с разрешением 250 м) и радиолокационного изображения радиолокатора с синтезированной апертурой. Показано, что хорошо различимый на радиолокационном изображении вихрь с диаметром 40 км мог быть ошибочно интерпретирован как океанический. Однако привлечение к рассмотрению оптических данных позволило с уверенностью отнести его к классу атмосферных явлений.

Mityagina M. and Lavrova O. Multi-Sensor Study of Eddy and Internal Wave Dynamics in the Northeastern Black Sea Coastal Waters. PORSEC 2008, 2-6 December 2008, Guangzhou, China. Book of Abstracts, 2008.

Митягина Марина Ивановна, к.ф.м.н., тел.8-495-333-50-78, mityag@mx.iki.rssi.ru

7. Разработка метода определения микрофизических свойств рассеивающих объектов двухпозиционными схемами зондирования. Разработка способов калибровки в задаче измерения микроструктуры рассеивающих объектов двухпозиционными схемами зондирования

На основе бистатической двухпозиционной системы (ДПС) разработаны способы калибровки для измерения микроструктуры рассеивающих объектов. В качестве простейшего рассеиваю-щего объекта выбран непрозрачный экран с отверстиями. Показано, что для полного сценария измерения микроструктуры рассеивающего объекта необходимы три стадии калибровок; пред-варительная калибровка, локальная калибровка, микрофизическая калибровка. Предварительная стадия включает в себя измерение углового параметра поля зрения премного канала и выбор оптимального параллакса между оптическими осями основного и дополнительного приемных каналов. Показано, что оптимальное значение параллакса определяется величиной параметра поля зрения приемного канала для данной дистанции (46 м). По результатам измерений с помощью точечного источника света значение этого параметра составило 0.9 (5%) мрад, а параллакса 40 мм. Основным результатом локальной калибровки является получение трассовой зависимости отношения сигналов для дополнительного и основного приемных каналов. Посредством этой зависимости измерен параметр углового размера ореола вокруг пучка, прошедшего простейший рассеивающий объект 1.5 мрад. Затем найдено значение параметра углового размера ореола в приближении плоской волны 1.25 мрад. Посредством микрофи-зической калибровки найден коэффициент, связывающий параметр углового размера ореола вокруг пучка в приближении плоской волны, прошедшей через экран с поперечным размером отверстий. По результатам измерений этот коэффициент оказался равным С₃= 0.8 (14%).

Арумов Г.П., Бухарин А.В. ²Проблема неопределенностей при экспериментальном опреде-лении угловой геометрии ореола от плоской волны, в рассеивающей среде². Сборник научных статей Пятой Всероссийской конференции ²Современные проблемы дистанционного зондиро-вания Земли из космоса², ИКИ РАН, Изд-во Азбука, Москва, вып.5, том 1, стр. 19-25, 2008.

Arumov G.P., Bukharin A.V., Perfil`eva I.M. “Refinement of the Method for Determinating of the Angular Size of the Halo from the Plane Wave Passed Through a Statistically Inhomogeneous Screen”. Physics of Wave Phenomena ,v.16, № 4, p.312-316, 2008.

Арумов Г.П., Бухарин А.В. Сравнение способов измерений поперечных искажений пучка при его распространении в рассеивающей среде. Тезисы докладов XLIV Всероссийской конферен-ции по проблемам математики, информатики, физики и химии. Секция Физики. РУДН, Москва, с.28-29, 2008.

Арумов Г.П., Бухарин А.В. Исследование основных стадий калибровки двухпозиционной системы в задаче определения микроструктуры простейших рассеивающих объектов. Тезисы докладов Шестой открытой Всероссийской конференции ²Современные проблемы дистан-ционного зондирования Земли из космоса², ИКИ РАН, Москва, 10-14 ноября 2008, с.109, 2008.

Арумов Гергий Петрович, к.ф.м.н., тел.8-495-333-31-33, arumov@iki.rssi.ru

Бухарин Алексей Владимирович, к.ф.м.н., тел.8-495-333-32-01, tumbul@iki.rssi.ru

8. Разработка аналитических аппроксимаций для характеристик плазменных подсистем крупномасштабного вихря. Исследование влияния заряженных плазмоподобных систем атмосферы на генерацию спиральности и крупномасштабные движения.

8.1. На основе имеющихся в литературе экспериментальных данных продолжена оцифровка графического материала и разработка аналитических аппроксимаций для вертикальных профи-лей электрического поля заряженных подсистем крупномасштабных вихрей в области высот до 16 км, характеризующегося весьма сильной пространственной вариабельностью. На основе аналитических аппроксимаций начато изучение структурных характеристик электрических флуктуаций атмосферы в грозовой облачности. Показано наличие инерционных интервалов для электрических флуктуаций на малых и средних вертикальных масштабах, численными рас-четами найдены скейлинговые экспоненты. Используя полученные ранее приближенные анали-тические аппроксимации профилей компонент скорости ветра в типичном ТЦ, распределения плотности, коррелятора (пульсационного члена) и упрощенного распределения зарядов, был проведен численный расчет упрощенной системы уравнений, описывающих процесс генерации спиральности в атмосфере при наличии заряженных плазмоподобных подсистем ТЦ. Обна-ружено, что в ряде областей вихря спиральность растет экспоненциально. Анализ полученных уравнений показывает, что такое поведение характерно для областей резкого изменения зарядов в стене глаза ТЦ, на границах заряженных областей и способствует турбулизации ветровых потоков, а также дает дополнительный вклад в механизм самоорганизации вихревой системы с генерацией когерентных структур. Более строгое рассмотрение с определением преимущест-венных ориентаций вихрей и выходом на режимы насыщения требует получения уравнений для компонент спиральности с учетом следующих членов разложения.

Erokhin N.S., Zolnikova N.N., Mikhailovskaya L.A., Shkevov R.A., Sheiretsky K. The structure properties of electric field fluctuations in clouds. Proceedings of international conference “Fundamental Space Research”, Solar-Terrestrial Influences Laboratory of BAS, Sunny Beach, Bulgaria, September 2008, pp.171-174, 2008.

Ерохин Н.С., Левина Г.В. Применение концепции спиральности для изучения тропического циклогенеза. Proceedings of international conference “Fundamental Space Research”, Solar-Terrestrial Influences Laboratory of BAS, Sunny Beach, Bulgaria, September 2008, pp.435-438, 2008.

Erokhin N.S., Mikhailovskaya L.A. and Zolnikova N.N. The structure functions calculation for vertical electric fields in thunderstorm clouds. Proceedings of International Symposium ²Topical Problems of Nonlinear Wave Physics. NWP-3. Global and synoptic nonlinear processes in the atmosphere², Ed. By A.Feigin, IAP RAS, Nizhny Novgorod, pp.32-33, 2008.

Erokhin N.S., Mikhailovskaya L.A. and Zolnikova N.N. The Analysis of Structure Functions for Electric Fields Measured in Thunderstorm Clouds. In : AIS-2008 ²Atmosphere, Ionosphere, Safety², Book of Abstracts, I.Kant State University, Kaliningrad, pp.140-141, 2008.

Ерохин Н.С., Артеха С.Н., Михайловская Л., Шкевов Р. Генерация спиральных структур в присутствии электрических структур в атмосферной грозовой облачности. Proceedings of Third International Conference ²Space, Ecology, Nanotechnology, Safety (SENS 2007)², Space Research Institute and Bulgarian Astronautical Society, Bulgarian Academy of Sciences, IKI BAS, Sofia, pp.32-36, 2008.

Ерохин Николай Сергеевич, д.ф.м.н., тел.8-495-333-41-00, nerokhin@mx.iki.rssi.ru

Артеха Сергей Николаевич, к.ф.м.н., тел.8-495-333-53-56, sergey.arteha@gmail.com

9. 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.

9.1. Несмотря на понимание основных физических механизмов циклогенеза, как атмосферного явления, необходимые и достаточные условия, возникновения циклона и его последующей динамики далеко не ясны. Поэтому наряду с физическим рассмотрением явления, эмпирический поиск новых потенциальных факторов, определяющих циклогенез, абсолютно оправдан и находится в русле традиционной метеорологии. Создана База Данных (БД) траекторий Тропических Циклонов(ТЦ) с данными по их интенсивности. Ввиду получения данных из разных источников БД организована в виде отдельных файлов c общим именем CYCLONES*, расширения характеризуют регион согласно указанному ниже:

1) ATL – Северная Атлантика;

2) EPC – Северо-Восточная часть Тихого океана;

3) WPC – Северо-Западная часть Тихого океана;

4) NIO – Северная часть Индийского океана;

5) SIO – Южная часть Индийского океана;

6) AUS – Австралийский регион, Тихий океан.

Все файлы БД охватывают 60-летний период – с 1945 по 2005 г.г., как имеющий наиболее достоверные данные. Пример формата отдельной записи файла данных для Северной Атлантики:

200511 KATRINA 2005 8 28 18 26.3 88.6 150 902

Позиции:

1-6 – Год и Номер ТЦ;

8-17 – Имя ТЦ по классификации ВМО;

19-22 – Год действия ТЦ;

24-25 – Месяц;

27-28 – Дата;

30-31 – Гринвичское время данной записи, часы;

35-38 – Координаты центра ТЦ, градусы широты (северной);

40-44 – Координаты центра ТЦ, градусы долготы (западной);

47-49 – Скорость ветра в ТЦ, узлы;

51-54 – Давление в центре ТЦ, мбар.

Примечания:

1) Временами для отдельных данных могут отсутствовать имя ТЦ или давление в центре ТЦ.

2) Для файлов других регионов, например, Тихого и Индийского океанов долгота центра ТЦ меняется на восточную. Соответственно, для южных регионов, например, Австралийского, широта меняется на южную.

По аналогичным форматам и длительности охвата временного периода созданы БД для следую-щих параметров:

1) Индекса SOI, характеризующего активность явления Эль-Ниньо;

2) Чисел Вольфа, характеризующих количество солнечных пятен;

3) Геомагнитных индексов Аа и Ар, характеризующих активность в магнитосфере Земли.

Для визуализации трасс ТЦ разработана программа TRAVIEW, позволяющая на координатной сетке отображать трассы ТЦ с выделением различным цветом степени его интенсивности. Программа также позволяет выделять моменты аномальных изменений траектории ТЦ и, по желанию оператора, записывать их в отдельный файл для дальнейшего детального анализа совместно с картами температуры поверхности океана (ТПО).

9.2. Исследована корреляция солнечной/геомагнитной активности с тропическим циклогенезом в северо-западной части Tихого океана и Северной Атлантике. Статистический анализ показал следующее:

1. В Южно-Китайском море частота и длительность ТЦ коррелируют с солнечной активностью, характеризуемой числами Вольфа, с коэффициентом корреляции ~ - 0.6. Корреляция скорости ТЦ с SOI не обнаружена. Коэффициент корреляции между параметрами ТЦ и Аа и Ар достигают – 0.55 и – 0.6 со сдвигом 1 год;

2. В Филиппинском море корреляционные коэффициенты ТЦ с Аа, Ар и числами Вольфа незначительны, – 0.2 – 0.3. Однако коэффициент корреляции скорости ТЦ с SOI за период с (1961 – 1987) г.г. достигает – 0.67 ± 0.12 с задержкой на 1-2 года;

3. Для региона (145 – 180)⁰ E корреляционные коэффициенты ТЦ с Аа, Ар и числами Вольфа также незначительны. Получена положительная корреляция скорости ТЦ с SOI за период с (1980 – 2004) г.г. равная 0.67 ± 0.12 с задержкой на 1-2 года.

Полученные коэффициенты корреляции указывают на возможность существования связи солнечно-магнитосферной активности с ТЦ по сценарию: высыпания частиц приводят к уменьшению прозрачности верхней атмосферы, что приводит к уменьшению поступления солнечной энергии в атмосферу и уменьшает вероятность образования ТЦ. На основе метода максимальной энтропии исследована корреляция солнечной/геомагнитной активности с тропическим циклогенезом в северо-западной части Tихого океана и Северной Атлантике. Использование метода максимальной энтропии позволило выявить близкие к 11 годам периоды в частоте циклонов и длине сезона циклонов в обеих областях. Выяснилось, что периодичность наблюдается главным образом в изолированных географических областях, таких как Южно-Китайское море, Мексиканский залив и Карибское море. Интересно, что эти области совпадают с экваториальной зоной ночных высыпаний энергичных (10-100) кэВ заряженных частиц, расположенной в пределах ±20 ° вдоль геомагнитного экватора. В Южно-Китайском море антикорреляция с солнечным циклом достигает 75%. При этом амплитуда 11-летней перио-дичности частоты циклонов модулируется сильно сглаженной частотой солнечных пятен, а длина сезона – сильно сглаженной поверхностной температурой океана. В целом же корреляционные связи солнечно-магнитосферной активности с ТЦ оказываются весьма сложными и требуется разработка нелинейных физико-математических моделей, на основе которых можно давать аргументированную интерпретацию имеющихся экспериментальных данных.

Панков В.М., Гусев А.А., Лазарев А.А., Пугачева Г.И., Войсковский М.И. ²Связь тропиче-ского циклогенеза с солнечной и магнитосферной активностью². Научная сессия "МИФИ-2008", 21-27 января 2008 г., г. Москва, т.9., с.202-204, 2008.

Pankov V.M., Gusev A.A., Pugacheva G.I., Spjeldvik W.N. and Martin I.M. Decadal cycles in the tropical cyclogene, 37^thCOSPAR Assembly , Oceanic Processes and Operational Oceanography: Combining Space and In Situ Data with Models, A21-0005-08, July 13-20, Montreal, Canada, 2008.

Лазарев Андрей Алексеевич, к.ф.м.н., тел.8-495-333-41-67, feliscatus@mail.ru

Гусев Анатолий Александрович, к.ф.м.н., тел.8-495-333-30-45, vpan-iki@yandex.ru

10. Моделирование спектрального и углового распределения интенсивности уходящего излучения Земли в ИК-диапазоне спектра для задач фурье-спектрометрии дистанцион-ного зондирования атмосферы с высоким спектральным разрешением. Определение параметров окружающей среды по материалам аэрокосмических наблюдений для моделирования экологической обстановки.

Разработан метод определения радиационных и метеорологических характеристик облаков и подоблачного слоя атмосферы по интенсивности нисходящего излучения в ИК-диапазоне спектра. Метод основан на измерении угловой и спектральной структуры нис-ходящего излучения в «окнах прозрачности» и в полосах селективного поглощения. Температура нижней границы облаков определяется в результате решения системы уравнений переноса излучения и определения параметров, связанных с разложением функции пропускания атмосферы по воздушной массе. Проведен учет излучательной способности облаков, которая была определена по результатам измерений нисходящего и восходящего излучения с борта самолета. Определение градиента температуры в подоблачном слое дает возможность определить содержание водяного пара путем решения дифференциального уравнения переноса для стационарных условий при граничных условиях, заданных на двух уровнях.

Городецкий А.К. Спектрально-угловая методика зондирования системы «атмосфера-поверх-ность» в ИК-диапазоне спектра. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса : Сборник научных статей. М.: ООО "Азбука-2000", вып.5, т.1, с. 254-259, 2008.

Втюрин С.А., Князев Н.А. Построение прогнозных моделей развития экологических событий с учетом данных дистанционного зондирования Земли из космоса. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса : Методы и алгоритмы обработки спутниковых данных. Сборник научных статей. М.: ООО "Азбука-2000", вып.5, т.2, с. 452-457, 2008.

Козлов Е.М. "О дифференциации компонентного состава САП на основе спектрального подхода по спектральным измерениям в оптическом диапазоне длин волн в международном эксперименте Карибэ-88." // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса : Методы и алгоритмы обработки спутниковых данных. Сборник научных статей. М.: ООО "Азбука-2000", вып.5, т.1, с.126-131, 2008.

Втюрин С.А., Князев Н.А., Антохин А.М., Герасимов А.В., Палатов Ю.А., Фатеенков В.Н. Определение экологически значимых событий и их параметров по данным дистанционного зондирования Земли из космоса, // Оптика атмосферы и океана, 2008 (в печати).

Городецкий Александр Константинович, к.ф.м.н., тел.8-495-333-32-12, gora@mx.iki.rssi.ru

11. Исследование временной зависимости положения верхней границы мощной облачности и ее термодинамических параметров при развитии облака с учетом выделения скрытой теплоты конденсации пара, слоев инверсии температуры атмосферы и конвекции. Анализ распределения основных термодинамических параметров влажной атмосферы с высотой.

В 2008 году выполнены работы, в которых рассмотрены процессы преобразования масс холодного воздуха надвигающегося с берега на теплый океан и формирования облачности над океаном. Эти процессы являются очень важными для исследования вопросов циклогенезиса, при котором в воздух поступает большое количество тепла и влаги с поверхности океана. Полярные ураганы также часто возникают при вторжениях холодного воздуха на открытый океан.

Хорошо известно, что в этом случае над поверхностью океана образуется хорошо перемешанный турбулентный конвективный слой, толщина которого увеличивается. В работе Зилитинкевич С.С. (Теоретическая модель проникающей конвекции турбулентной атмосферы. Изв. АН СССР ФАО, Т 23, №6. 1987, стр. 593-610) описана модель такого турбулентного слоя для небольших высот над поверхностью воды. В подоблачном слое атмосферы такой процесс можно рассмотреть на основе теории развития турбулентного конвективного пограничного слоя. Такие конвективные слои растут по толщине с удалением от берега, однако океаном, начиная с некоторой высоты, парциальное давление пара достигает давления насыщенного пара (точки росы) и часть влаги превращается в капли (образуется облако). Внутренняя часть облака с термодинамической точки зрения принципиально отличается от подоблачного слоя тем, что пар в нем находится в состоянии насыщения, поэтому описание облака требует применение термодинамики влажного воздуха. Таким образом, начиная с этой высоты при исследовании развития конвективного слоя нужно учитывать фазовые переходы атмосферной влаги.

Наличие сконденсированной влаги внутри облака существенно изменяет термодинамику системы и, как результат, вертикальные профили всех параметров задачи. Для определения зависимости высоты конвективного слоя от расстояния от берега необходимо построить профили основных термодинамических величин внутри облака. Нагрев внутренней части облака в процессе его роста происходит за счет выделения скрытой теплоты конденсации пара. При этом, поступающая из нижележащих слоев влага (S.D. Smith. Journal of Geophysical Research. Coefficients for Sea Wind Stress, Heat Flux, and Wind profiles as a function of Wind Speed and Temperature. VOL.93, NO. C12, PAGES 15,467-15,472, DECEMBER 15, 1988) расходуется на насыщение воздуха паром и сопровождается образованием капель.

Руткевич П.Б., Руткевич П.П. Нелинейная конвекция в аксиальном вертикальном канале. Тезисы докладов 6-й всероссийской конференции ²Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса², Москва, ИКИ РАН, 2008, сборник тезисов конференции, thesis_1276.html, 2008.

Архипкин О.О., Руткевич П.Б. Модель тайфуна на основе аксиально-симметричной ста-ционарной конвекции. Тезисы докладов 6-й всероссийской конференции ²Современные проб-лемы дистанционного зондирования Земли из космоса², Москва, ИКИ РАН, 2008, сборник тезисов конференции, thesis_1348.html, 2008.

Руткевич Петр Борисович, д.ф.м.н., тел.8-495-333-25-01, peter_home@tarusa.ru