Открытый доступ
Доступ предоставлен
Только для подписчиков
Том 59, № 3 (2023)
Статьи
Симметричная устойчивость вертикальных бароклинных вихрей с теплым ядром
Аннотация
Сделана попытка связать морфологические характеристики интенсивных конвективных вихрей, таких как (водяные) смерчи и пыльные вихри, с их гидродинамической устойчивостью. Рассмотрена симметричная устойчивость циклострофически сбалансированных вертикальных бароклинных вихрей, радиус максимального ветра которых зависит от высоты. Показана устойчивость узких, близких к цилиндрическим в своей нижней части вихрей с радиусом, который затем с возрастающей скоростью увеличивается с высотой и становится бесконечным на конечном уровне над поверхностью Земли. Напротив, более широкие вихри конической формы удовлетворяют необходимому условию неустойчивости, и высказывается гипотеза о том, что это отчасти объясняет более диффузный, неорганизованный характер подобного рода пыльных вихрей. Рассмотрена возможность постановки задачи с учетом общего вращения.
251-264
Изменчивость струйных течений в атмосфере Северного полушария в последние десятилетия (1980–2021 гг.)
Аннотация
На основе данных реанализа получены количественные оценки кинетической энергии высотных струйных течений Северного полушария (Ек СТ СП) и ее изменений в годовом ходе и межгодовой изменчивости для периода 1980–2021 гг. при разных условиях для минимальной скорости ветра Vm в области СТ. Сделаны соответствующие оценки доли общей кинетической энергии атмосферы Северного полушария, связанной с СТ (PЕк СТ). Оценена также доля объема атмосферных слоев в области СТ в СП в общем анализируемом слое атмосферы 500–100 гПа (PV СТ). Существенные изменения отмечены для летних сезонов, в том числе значимые тренды ослабления Ек, PЕк и PV в июле и августе при Vm ≥ 20 и Vm ≥ 30 м/с. В зимние сезоны значимые изменения отмечены только для PV – тенденции уменьшения при Vm ≥ 20 и Vm ≥ 30 м/с. Отмечены сезонные особенности связи СТ с явлениями Эль-Ниньо, наиболее значимо проявляющиеся с января по апрель.
265-274
Субмезомасштабные волнообразные структуры в атмосферном пограничном слое и их параметры по данным содарных измерений в Подмосковье
Аннотация
В работе представлены результаты исследования параметров волнообразных структур на основе данных многолетнего непрерывного содарного мониторинга атмосферного пограничного слоя (АПС). Рассматриваются субмезомасштабные внутренние гравитационные волны (ВГВ) неорографического происхождения, захваченные в устойчиво-стратифицированном АПС (УАПС). Приводятся статистические данные о параметрах двух классов ВГВ: внутренних гравитационно-сдвиговых волн (ВГСВ) типа валов Кельвина-Гельмгольца (ВКГ) и волн плавучести (ВП). Идентификация и классификация ВГВ производилась путем визуального анализа содарных эхограмм. Были использованы данные измерений, проводимых в сельской местности в Подмосковье. Были исследованы сезонная и суточная изменчивости частоты регистрации волн обоих классов, проанализированы значения параметров наблюдавшихся волн, а также проведено сопоставление диапазонов и средних значений этих величин.
275-285
Бароклинная модель Большого Красного пятна Юпитера
Аннотация
В работе предлагается квазигеострофическая бароклинная модель Большого Красного пятна на Юпитера как локализованного вихревого образования в непрерывно стратифицированной вращающейся атмосфере под действием горизонтального течения со сдвигом в приближении f-плоскости. На основе теории эллипсоидальных вихрей получена аналитическая связь геометричеких размеров вихря, потенциальной завихренности вихревого ядра и характеристик фонового течения. Использованы измерения ряда характеристик как вихря, так и фонового течения в миссиях Voyager 1 (1979), Galileo (1996), Cassini (2000). На основе теории получена оценка вертикального размера Большого Красного пятна Юпитера, согласующаяся с экспериментальными данными космического зонда Voyager 1 (1979).
286-298
Изменения площади снежного покрова в Евразии в XXI веке по расчетам с ансамблем климатических моделей CMIP6
Аннотация
Проведен анализ изменений площади снежного покрова S в Евразии с использованием результатов расчетов с ансамблем глобальных климатических моделей международного проекта CMIP6 при сценарии антропогенных воздействий SSP2-4.5 для XXI века. В сопоставлении ансамблевых модельных расчетов при сценарии “historical” со спутниковыми данными CDR на фоне общего уменьшения площади снежного покрова в Евразии при потеплении выявлены особенности изменчивости S во взаимосвязи с изменениями приповерхностной температуры T в различные сезоны. Отмечено, что средние для ансамбля моделей оценки параметра чувствительности dS/dT для переходных сезонов весной и осенью могут быть значительно меньше по абсолютной величине, чем полученные на основе данных и для отдельных моделей. Согласно ансамблевым модельным расчетам, скорость сокращения площади снежного покрова в Евразии во второй половине XXI века уменьшается по сравнению с первой половиной XXI века во все сезоны. При этом максимальные значения скорости сокращения площади снежного покрова в Евразии характерны для переходных сезонов – осени и весны.
299-308
Эмиссия метана из озер севера Западной Сибири
Аннотация
В работе приведены результаты измерений удельных потоков (УП) метана в атмосферу из термокарстовых озер, расположенных на территории Российской Федерации в предгорьях Полярного Урала, на побережье Карского моря и в северо-западной части полуострова Ямал. Всего исследовано 13 водных объектов и измерено около 500 УП метана методом плавающих камер. Результаты показали, что 95% УП не превышает 8 мг СН4 м–2 ч–1. Для этих УП выявлена статистически значимая корреляция с приземной скоростью ветра во время измерения, которая во многом определяет интенсивность газообмена на границе “вода – атмосфера”. Исключениями из этой зависимости стали измерения в предполагаемой зоне выхода метановых сипов. Для большинства озер наибольший разброс измеренных УП наблюдался в мелководной части. Проанализирована суточная динамика УП метана, которая аппроксимирована синусоидальной функцией. Для представленных в работе озер диапазон оценок эмиссии метана составляет 0.23–775.38 г СН4 ч–1. Результаты, полученные в ходе работы, – важный материал для расчетов региональных оценок эмиссии метана с поверхности термокарстовых озер тундровой зоны.
309-321
Сравнения результатов численного моделирования и измерений содержания СО2 в атмосфере Санкт-Петербурга
Аннотация
Из-за увеличения содержания СО2 в земной атмосфере, значительный вклад в которое вносят антропогенные эмиссии мегаполисов, требуется повышать качество их оценок. Современные экспериментальные методы оценки антропогенных эмиссий углекислого газа основаны на решении обратной задачи при помощи высокоточных измерений содержания СО2 и численных моделей газового состава атмосферы. Качество подобных моделей значительно определяет погрешности оценок эмиссий. Поэтому для определения факторов, влияющих на погрешность оценки эмиссий, требуется проводить валидацию численных моделей переноса СО2. В текущей работе на примере российского мегаполиса Санкт-Петербурга за период с января 2019 по март 2020 гг. сравниваются временные изменения среднего отношения смеси СО2 в столбе атмосферы от поверхности Земли до ~70–75 км (ХСО2), полученные с помощью модели WRF-Chem и измеренные Фурье-спектрометром Bruker EM27/SUN. В ходе исследования было выяснено, что модель WRF-Chem хорошо повторяет измеренное временное изменение ХСО2 в районе Санкт-Петербурга за период более года (коэффициент корреляции ~0.95). Однако, при задании химических граничных условий на основе данных CarbonTracker v2022-1, модель заметно завышает измеренные ХСО2 почти в течение всего периода исследования – средняя разность достигает 4.2 ppm (1%) со стандартным отклонением 1.9 ppm (0.5%). Коррекция граничных условий на основе анализа влияния направлений ветра на ХСО2 позволяет почти в два раза минимизировать среднюю разность между результатами измерений и моделирования. При этом, значения ХСО2 на основе измерений и моделирования с нескорректированными граничными условиями имеют меньшие различия в вегетационный период, что, вероятно, говорит о компенсации средней разности ошибками в расчете биогенного вклада. Таким образом, причиной сохраняющейся средней разности между данными измерений и моделирования могут быть ошибки в химических граничных условиях для верхней тропосферы, а также в оценке биогенного вклада на содержание СО2.
322-335
Анализ результатов многолетних измерений содержания озона в тропосфере на станции СПбГУ в Петергофе
Аннотация
Тропосферный озон (ТО) является одним из основных парниковых газов и токсичным загрязнителем атмосферы. Кроме того, он играет ключевую роль в различных химических и фотохимических процессах в тропосфере. Содержание озона как в приземном слое атмосферы, так и в свободной тропосфере измеряется различными локальными и дистанционными методами. Станция СПбГУ в Петергофе (NDACC St. Petersburg) оснащена Фурье-спектрометром Bruker IFS 125HR, позволяющим измерять содержание озона в толще тропосферы, а также газоанализатором Thermo Scientific Model 49i для мониторинга приземных концентраций озона (ПКО). Проведен анализ временной изменчивости ТО в слое 0–8 км за период с апреля 2009 по октябрь 2022 г., а также ПКО за период с 2013 по 2021 гг., который позволил выявить сезонный ход ТО и ПКО, схожий с сезонным ходом общего содержания озона, но отстающий от него примерно на 1 и 1.5 месяца, соответственно. Максимум вариации ТО от среднего за период значения приходится на первую половину апреля ~+16%; минимум – около –(12–14)% наблюдается с середины октября до конца декабря. В середине лета также наблюдается небольшой рост вариации ТО на уровне +(7–8)%. Также было получено статистически значимое уменьшение содержания ТО на величину 0.34 ± 0.22% в год. Сопоставление осредненных за час данных по ТО с синхронизированными данными измерений ПКО выявило рост коэффициента корреляции (до 0.5 и больше) между двумя величинами спустя 3–4 ч после местного полудня в теплое время года, сопровождающийся увеличением ПКО. Рост корреляций хорошо согласуется с увеличением высоты пограничного слоя атмосферы.
336-345
Дальние поля на поверхности раздела бесконечно глубокого океана и ледяного покрова, возбуждаемые локализованным источником
Аннотация
Решена задача о построении асимптотик дальних волновых полей, возникающих на границе раздела льда и бесконечно глубокой однородной жидкости при обтекании локализованного источника возмущений. Получено интегральное представление решения и с помощью метода стационарной фазы построено асимптотическое представление решения для сверхкритических режимов волновой генерации. Проведено сравнение точных и асимптотических результатов, и показано, что асимптотики вдали от источника возмущений позволяют описать амплитудно-фазовую структуру дальних волновых полей.
346-351
Об акустическом и электромагнитном излучениях заряженной осциллирующей капли
Аннотация
Теоретическими методами классической математической физики исследуются акустическое и электромагнитное излучения, порождаемые капиллярными осцилляциями заряженной капли идеальной несжимаемой электропроводной жидкости в идеальной непроводящей среде. Обсуждаемые излучения обнаруживаются в аналитических асимптотических расчетах первого порядка малости по безразмерной амплитуде осцилляций капли. Найдены аналитические выражения для интенсивности акустического и электромагнитного излучений, которые на несколько порядков различаются по величине и приходятся на различные диапазоны частот. Акустическое излучение от жидко-капельных систем естественного происхождения: туманов, облаков, смогов – приходится на ультразвуковой диапазон частот, а вот акустическое излучение от крупных капель дождя идет в области слышимого звука. Электромагнитное излучение от жидко-капельных систем естественного происхождения идет на частотах от десятых долей мегагерца до единиц мегагерц.
352-372