Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана

Кратко описан пионерский вклад Г.С. Голицына в теорию подобия циркуляции планетных атмосфер, энергетику и статистику тропических и полярных ураганов, внетропических циклонов и антициклонов, а также в энергетику смерчей (торнадо). Дополнительно рассмотрены некоторые вопросы энергетики и статистики пыльных вихрей на Земле и на Марсе.

Модель Земной климатической системы Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (МЗС ИФА РАН) включает в себя блоки, описывающие состояние атмосферы, океана, деятельного слоя суши, биогеохимические циклы, и ряд процессов, связанных с атмосферным электричеством и химией атмосферы. Она относится к классу климатических моделей промежуточной сложности (МПС) и участвует в соответствующих международных проектах сравнения. Особенностью модели является параметризация синоптической изменчивости в атмосфере и океане, позволяющая ускорить вычисления на два порядка. Модель реалистично воспроизводит изменения климата за период инструментальных измерений и может использоваться для оценок прошлых и будущих изменений климата на временных масштабах от десятилетий до тысячелетий. С использованием МЗС ИФА РАН впервые в мире получен ряд важных результатов, связанных с выявлением причин изменения климата в разные эпохи, анализом влияния биогеохимических циклов на климатические изменения, причинно-следственных связей в Земной климатической системе и сравнительной роли различных внешних природных и антропогенных факторов.

Исследовано двухпараметрическое семейство вихрей, в которых движение воздуха вблизи оси вихря отличается от твердотельного вращения, и тангенциальная скорость возрастает по степенному закону. Показано, что такие вихри удовлетворяют уравнению баланса углового момента, дополненному моделью турбулентной вязкости, включающей как традиционный механизм вихревой вязкости, так и механизм отрицательной диффузии углового момента в вихре. Особое внимание уделено восстановлению радиального профиля падения давления в вихре в явном аналитическом виде. Приведены примеры двухпараметрического представления вихрей как для дискретных, целочисленных значений параметров, так и для непрерывного спектра их изменений. Полученные результаты применены к суперячейковым смерчам (торнадо). Показано, что ширина полосы на поверхности земли, заметаемой вихрем при его перемещении, и определяемая из условия, что ветер имеет ураганную силу, систематически уменьшается, когда движение воздуха вблизи оси вихря отклоняется от твердотельного вращения. Использование нисходящего потока спиральности в вихре как меры интенсивности торнадо, а также в определенной степени их «разрушительной силы», подтверждает эти результаты. Обсужден вопрос о наилучшей аппроксимации в рамках обобщенного двухпараметрического семейства вихрей радиального профиля тангенциальной скорости в известном вихре Салливана.

По данным измерений в сентябре 2021 г. на опустыненной территории в Астраханской обл. компонент скорости ветра, температуры воздуха и концентрации частиц аэрозоля в приземном слое атмосферы определены вертикальные турбулентные потоки тепла и пылевого аэрозоля. Выполнен статистический анализ вариаций метеопараметров и концентрации частиц аэрозоля. Проанализирована временная изменчивость горизонтальной и вертикальной компонент скорости ветра, температуры воздуха и концентрации частиц аэрозоля с использованием спектрального анализа. Выполнено сопоставление эмпирических функций распределения плотности потоков тепла и временной изменчивости скорости выноса тепла с подстилающей поверхности по данным синхронных измерений с помощью акустических метеостанций Метео-2 и Metek. Выявлены существенные различия пространственно-временной изменчивости вертикального турбулентного переноса тепла и пылевого аэрозоля на опустыненной территории. Определены 30-минутные средние значения динамической скорости, масштаба Монино-Обухова, турбулентных потоков тепла (90–160 Вт/м²) и пылевого аэрозоля (7.2–27.5 см^–2с^–1), а также скорости выноса тепла (14–21 см/с) и пылевого аэрозоля (10–16 см/с) с подстилающей поверхности. Показано, что временная изменчивость плотности потока пылевого аэрозоля обусловлена суперпозицией конвективных «низкочастотных» движений с масштабами примерно 3–15 мин и «высокочастотных вариаций с длительностью меньше примерно 10 с.