Том 60, № 2 (2024)
Статьи
Стационарные режимы и параметризация экмановского трения в кармановской модели течения вязкой жидкости, возбуждаемого внешней вихревой объемной силой
Аннотация
С помощью численного моделирования кармановской модели течения вязкой жидкости под действием внешней вихревой объемной силы, выделены и подробно исследованы два различных стационарных режима – с малой (режим Бэтчелора) и существенной (режим Стюардсона) вторичной циркуляцией. Построена диаграмма существования стационарных режимов в зависимости от основных параметров течения – числа Россби и малого числа Экмана. Для течения, затухающего к стационарному течению в режиме Бэтчелора, предложена теоретическая модель на основе которой получено стационарное решение задачи, а также параметризация коэффициента экмановского трения, скорости экмановской накачки, стационарного давления через средние характеристики течения. Предложена параметризация стационарного течения в режиме Стюардсона и проведено численное исследование декремента затухания течения к стационарному состоянию. Показано хорошее согласие теоретических результатов с численными расчетами.
123–134
Байесовы оценки изменения стока российских рек в XXI веке на основе результатов ансамблевых модельных расчетов CMIP6
Аннотация
По расчетам с ансамблем климатических моделей CMIP6 (Coupled Models Intercomparison Project, phase 6) с использованием байесова осреднения проведен анализ изменений в XXI в. стока ряда российских рек — Волги, Оби, Енисея, Лены, Амура и Селенги. Байесовы веса учитывали качество воспроизведения моделями стока (многолетнего среднего стока, линейного тренда стока на временном интервале с доступными наблюдениями за стоком, межгодовой и междесятилетней изменчивости). Качество воспроизведения характеристик стока отдельными моделями ансамбля CMIP6 наиболее сильно различается для среднего многолетнего стока, тренда стока и, в меньшей степени, для межгодовой изменчивости. В XXI в. средний по ансамблю сток увеличивается для большинства анализируемых рек, за исключением Волги. Это увеличение более выражено при сценариях с большими антропогенными воздействиями. Особенно оно значимо для сценария SSP5-8.5 (Shared Socioeconomic Pathways, 5-8.5), при котором тренд увеличения стока в 2015–2100 гг. относительно его современного среднего многолетнего значения составляет (10 ± 4)% для Оби, (16 ± 3)% для Енисея, (39 ± 7)% для Лены, (36 ± 7)% для Амура и (18 ± 6)% для Селенги. Основной причиной изменения ансамблевого среднего стока в XXI в. в моделях при всех сценариях SSP является изменение осадков. Учет различий качества моделей при воспроизведении стока рек в среднем для 2015–2100 гг. уменьшает межмодельные отклонения относительно соответствующих значений при однородном взвешивании результатов модельных расчетов на 6–26% в зависимости от сценария SSP и речного водосбора.
135–156
Естественные стоки и источники CO2 и CH4 в атмосфере российских регионов и их вклад в изменения климата в XXI веке по расчетам с ансамблем моделей CMIP6
Аннотация
Проведен анализ естественных потоков CO2 и CH4 в атмосферу с территории России в XXI в. с использованием результатов расчетов с ансамблем глобальных климатических моделей международного проекта CMIP6. Оценки природных потоков CO2 для российских регионов сильно различаются для разных моделей. Их значения для начала XXI в. находятся в пределах от –1 до 1 ГтС/год. В XXI в. различия модельных оценок потоков растут и в конце XXI в. при сценарии с наибольшими антропогенными воздействиями SSP5-8.5 находятся в диапазоне от –2.5 до 2.5 ГтС/год. Оценки естественных эмиссий метана в атмосферу с территории России также сильно различаются для разных моделей – современные эмиссии метана оцениваются в диапазоне от 10 до 35 МтCH4/год, при этом рост в XXI в. может достигать 300%. В ансамблевых модельных расчетах проявляются общие тенденции для изменений естественных потоков парниковых газов. Для большинства моделей ансамбля CMIP6 характерно достижение максимума поглощения CO2 наземными экосистемами и его дальнейшее сокращение к концу XXI в., а естественные эмиссии метана в атмосферу для всех моделей и сценариев антропогенных воздействий растут на протяжении XXI в. Кумулятивный температурный потенциал естественных потоков CO2 на территории России в XXI в. оценен, в зависимости от сценария антропогенных воздействий, от –0.3 до 0.1 K, а ускоряющее потепление воздействие естественных эмиссий CH4 – в диапазоне 0.03–0.09 K.
157–172
Влияние условий моделирования на оценку скорости сухого осаждения аэрозольных частиц на сильно неоднородные подстилающие поверхности
Аннотация
Предложен и численно исследован подход к оценке скорости сухого осаждения аэрозольных частиц на подстилающие поверхности характерные для арктических районов, где преобладают поверхности, покрытые снегом, открытая водная поверхность, тундра и хвойный лес. Предложены оптимальные условия моделирования, учитывающие характерные размеры и плотности аэрозольных частиц, вовлекаемых в перенос в пограничном слое атмосферы, и взаимодействие воздушных потоков с подстилающей поверхностью на основе динамической скорости u*, рассчитанной по модели WRF-ARW. Проведено сравнение предложенного подхода с другими известными моделями и экспериментальными данными. Выполнены оценки зависимости скорости сухого осаждения полученной по предложенному подходу от диаметра, плотности аэрозольных частиц и динамической скорости u* для подстилающих поверхностей в районах Крайнего Севера.
173–182
Исследование характеристик приземного слоя при наличии взвешенных снежных частиц с помощью данных наблюдений и вихреразрешающего моделирования
Аннотация
Ветровой перенос снега представляет собой двухфазный поток, состоящий из воздуха и взвешенных частиц. При наличии снежных частиц в воздухе в приземном слое появляется дополнительная устойчивость за счет градиента плотности. Градиент плотности подавляет турбулентность и влияет на процессы обмена в приземном слое. Поэтому для описания свойств потока с включенными в него частицами снега необходимо привлечение дополнительных параметризаций. В данной работе представленно описание параметризации приземного слоя с наличием взвешенных частиц снега. Влияние взвешенных частиц учитывается изменением формулировки турбулентного масштаба длины Обухова. Новая параметризация приземного слоя позволяет учесть влияние частиц снега на турбулентный поток и позволяет уточнить оценки скорости трения и высоты пограничного слоя. Описываемая в данной работе параметризация была успешно проверена на данных наблюдений. Описание влияния частиц снега было включено в вихреразрешающую модель (Large-Eddy Simulation, LES). Численные эксперименты показывают увеличение устойчивости приземного слоя. Механизм влияния взвешенных частиц на приземный слой аналогичен термической устойчивости потока, при котором отрицательная плавучесть подавляет крупномасштабную компоненту течения и способствует уменьшению турбулентной кинетической энергии.
183–195
Динамика изменения температуры воздуха в атмосферном пограничном слое во время солнечного затмения 29 марта 2006 года
Аннотация
Приведены данные измерений профилей температуры воздуха в атмосферном пограничном слое атмосферы (АПС) во время полного солнечного затмения 29 марта 2006 года на центральной линии тени в г. Кисловодске и на Высокогорной научной станции (ВНС) Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН. Солнечное затмение длилось с 14 ч 08 мин по 16 ч 27 мин местного времени, полная фаза затмения началась в 15 ч 15 мин и продолжалась 2 мин 32 с. В развитие результатов, полученных нами в предыдущей работе, проведено сравнение данных профилей температуры воздуха в двух пунктах – Кисловодске и ВНС. Исследовано влияние местных условий. Было показано, что местные условия существенно влияют как на амплитуду пульсаций атмосферного давления, вызванных солнечным затмением, так и на их фазу, а также на характер изменения спектральной плотности температуры воздуха с высотой в диапазоне периодов, соответствующих длительности солнечного затмения.
По измерениям температурных профилей восстановлены колебания разности атмосферного давления на уровне земной поверхности и на некоторой высоте, до которой измерялись профили температуры, равной 600 м. Показано, что амплитуда колебаний температуры воздуха, соответствующих периоду затмения, быстро убывает с высотой, а положение минимума температуры воздуха, вызванного солнечным затмением, в координатах: высота – время имеет разные траектории в случае г. Кисловодска и ВНС. Разница же траекторий минимумов температуры воздуха в Кисловодске и на ВНС определяет и разные задержки минимумов давления относительно начала затмения и временные задержки между колебаниями приземного давления в пунктах наблюдения в целом.
Также предложена новая методика определения скорость восходящих потоков воздуха с использованием данных о высотной зависимости момента времени достижения минимума во временных вариациях температуры, вызванного солнечным затмением. Сравниваются изменения спектральной плотности воздуха, с высотой, амплитуда восстановленных пульсаций атмосферного давления в Кисловодске и на ВНС, скорости восходящих потоков воздуха.
196–205
Анализ изменчивости концентрации приземного озона в Карадагском природном заповеднике
Аннотация
В работе представлены результаты исследования изменчивости концентрации приземного озона в Крыму на станции фонового экологического мониторинга Государственного природного заповедника “Карадагский” (СФЭМ) за 2012–2021 гг. с более подробным анализом последних шести лет с 2016 по 2021 гг. Выявлен значимо высокий уровень загрязнения воздуха приземным озоном в районе наблюдений, несмотря на отсутствие значимых антропогенных источников загрязнений в окрестностях станции.
Исследована взаимосвязь концентрации приземного озона с метео-параметрами, установлены характерные направления ветра, приводящие к повышенным уровням загрязнения приземным озоном. Проанализированы внутригодовые вариации, установлены факторы, вызывающие локальный летний минимум концентрации приземного озона в отдельные годы.
С использованием модели NOAA HYSPLIT и метеополей реанализа ERA5 проведен пространственный анализ картины атмосферной циркуляции в регионе; оценена повторяемость эпизодов превышения допустимого по рекомендации ВОЗ среднего за 8 ч уровня концентрации озона, равного 100 мкг/м3, и определены возможные причины возникновения этих эпизодов. Установлены механизмы дальнего переноса и их вклад в режим озона в районе станции. Годовые тренды приземной концентрации озона в период 2012–2021 гг. оценены как статистически незначимые.
206–220
Анализ полей серебристых облаков по данным сетевой наземной и самолетной фотосъемок
Аннотация
В статье анализируются поля серебристых облаков над территорией РФ, зафиксированные наземной сетью фотокамер с использованием также самолетной фотосъемки, в течение двух ночей в июне 2021 г. Продемонстрировано, что самолетная съемка может существенно улучшать покрытие территории вероятного появления серебристых облаков. Обнаруженные поля серебристых облаков сопоставляются с модельными областями конденсации водяного пара, полученными с помощью спутниковых измерений температуры и отношения смеси водяного пара. Предлагаются практические шаги по развитию самолетных наблюдений серебристых облаков.
221–228
О возможности многоканальных оптических зондов обратного рассеяния для совместных баллонных и лидарных исследований аэрозольного состава средней атмосферы
Аннотация
Аэрозольные зонды обратного рассеяния в практике аэрологического зондирования наряду с лидарным зондированием применяются в ночное время для изучения и мониторинга полярных стратосферных облаков, тропосферного и стратосферного аэрозоля, перистых облаков, пироконвекции, вулканического аэрозоля, а также для верификации дистанционных методов и средств аэрозольных наблюдений наземного и спутникового базирования. Для аэрозольных зондов используется простая двухволновая методика измерений, позволяющая диагностировать по цветовому индексу изменения в составе аэрозоля. Возможности двухволновой методики имеют ограничения, которые рассматриваются в данной статье. Аэрологическое зондирование, совмещенное с лидарными наблюдениями, расширяет диапазон длин волн для многоволновых исследований, а прямые измерения температуры атмосферы повышают точность аэрозольного зондирования. В работе рассматривается вопросы применение 3-х и более волновых методик. Приводятся данные зондовых измерений с использований длин волн 470, 528, 850 и 940 нм и лидарного зондирования на длинах волн 355 и 532 нм.
246–251
Моделирование циркуляции Черного моря при использовании уравнений адвекции–диффузии тепла и соли, обладающих дискретными нелинейными инвариантами
Аннотация
В работе на основе результатов прогностических расчетов анализируется точность воспроизведения циркуляции Черного моря при использовании новых аппроксимаций нелинейных слагаемых в уравнениях переноса, обеспечивающих сохранение температуры и солености в степени больше двух. Проведено три численных эксперимента, которые отличались схемами расчета температуры и солености. В первом использовались традиционные схемы, обеспечивающие сохранение температуры и солености в первой и второй степенях, во втором – сохранялись температура в первой и пятой степени, соленость в первой и третьей, в третьем – температура в первой и третьей, соленость в первой и пятой степени. Расчеты выполнены на основе модели МГИ с разрешением 1.6 км и учетом реалистичного атмосферного форсинга за 2016 г. Валидация результатов проведена на основе сравнения модельных полей с данными контактных и спутниковых измерений температуры и солености в 2016 г. Анализ средних и среднеквадратических ошибок показал, что по сравнению с традиционной аппроксимацией новые разностные схемы уравнений адвекции-диффузии тепла и соли, обеспечивающие сохранение прогностических параметров в степени больше двух, улучшают точность воспроизведения солености Черного моря в верхнем 100-м слое в течение всего года. Среднеквадратические ошибки в поле солености уменьшаются на 15–20%, примерно на 10% точнее моделируются толщина верхнего перемешанного слоя в зимний период и глубина залегания верхней границы слоя скачка температуры летом в центральной части моря. По результатам трех экспериментов наименьшие отклонения от данных наблюдений получены при использовании аппроксимаций, обеспечивающих сохранение температуры в третьей степени и солености в пятой степени.
229–245
Экспериментальные оценки антропогенной эмиссии окислов азота с территории Санкт-Петербурга по данным многолетних мобильных измерений
Аннотация
Рассмотрены результаты серии спектроскопических измерений тропосферного содержания NO2, выполненных на замкнутом маршруте кольцевой автодороги (КАД) Санкт-Петербурга в различные сезоны в 2012, 2014, 2015 и 2016 гг. Единый подход к интерпретации всех экспериментальных данных с использованием численного моделирования распространения воздушного загрязнения и априорной информации о пространственном распределении его антропогенных источников позволил существенно повысить точность определения интегральной эмиссии NOx. Суммарный объем NOx, приведенный к валовому годовому антропогенному выбросу с территории Санкт-Петербурга, составил 81 ± 17 тыс. т. Эта величина несколько превышает официальные данные городской инвентаризации воздушного загрязнения (от 61 до 63 тыс. т в год), согласуясь в пределах погрешности с оценкой, полученной ранее на основе аналогичных мобильных измерений весной 2019 г. (75 ± 26 тыс. т в год).
252–264
Исследование реакции йодистого водорода с атомом хлора в атмосфере над морем
Аннотация
Методом резонансной флуоресценции (РФ) атомов хлора и атомов йода измерена константа скорости реакции атома хлора с йодистым водородом при температуре 298˚K. Значения констант реакции, измеренные обоими методами, оказались достаточно близкими. Обсуждена роль этой реакции в химии тропосферы над поверхностью океанов.
265–274