Лаборатория взаимодействия атмосферы и океана (ЛВАО)

Основные направления исследований:

• Экспериментальное изучение атмосферной турбулентности

• Исследование структуры и динамики атмосферного пограничного слоя над неоднородными поверхностями при различных условиях атмосферной стратификации

• Изучение взаимодействий в системе атмосфера-лед-океан в Полярных районах (Арктика и Антарктика)

• Разработка новых алгоритмов интерпретации спутниковых данных

• Исследование особенностей динамики атмосферы в высоких широтах по данным спутниковых наблюдений, регионального климатического моделирования и реанализа

• Моделирование ветрового волнения

• Анализ изменений прозрачности и аэрозольной оптической толщины атмосферы

Экспериментальное изучение атмосферной турбулентности

Осуществляется разработка методов измерения атмосферной турбулентности в морских условиях. Измерения пульсаций метеопараметров и газовых концентраций проводятся со стационарных морских платформ, с борта судна, на береговых станциях и со льда. Для расчета потоков используются различные методики (инерционно-диссипационный, пульсационный (Eddy Covariance) метод, профильный методы), разрабатываются методы коррекции и фильтрации сигналов от различных шумов. В лаборатории разработан уникальный комплекс аппаратуры для пульсационных измерений концентраций углекислого газа и водяного пара. Измерения осуществлялись над различными поверхностями, в том числе в морских и городских условиях.

Исследование структуры и динамики атмосферного пограничного слоя над неоднородными поверхностями при различных условиях атмосферной стратификации

Проводится теоретическое и экспериментальное исследование структуры приземного (приводного) и пограничного слоев атмосферы над неоднородными поверхностями. В частности, исследуется влияния стратификации на турбулентные характеристики над неоднородной поверхностью, изучается влияние неоднородностей морской поверхности (сликов, пленок поверхностно-активных веществ), на характеристики турбулентного энергообмена в приводном слое атмосферы. Исследуется динамика атмосферного пограничного слоя в прибрежной зоне при береговых ветрах. Исследования ведутся с использованием мезомасштабного и вихреразрешающего моделирования и данных специализированных экспериментов.
Также в рамках данного направления деятельности исследуется эволюция атмосферного пограничного слоя в Арктике в условиях различной стратификации: от сильно неустойчивой (конвективной) во время холодных вторжений над океаном до сильно устойчивой над морским льдом во время полярной ночи. Одним из объектов исследований являются струйные течения низкого уровня, которые могут существенно влиять на характеристики турбулентности в пограничном слое. Исследования опираются на результаты идеализированного численного моделирования с помощью иерархии моделей различной сложности. Для верификации моделей привлекаются данные натурных наблюдений в Арктике.

Изучение взаимодействий в системе атмосфера-лед-океан в полярных районах (Арктика и Антарктика)

По результатам измерений атмосферной турбулентности в полярных районах изучаются особенности теплообмена через льды различной толщины и конфигурации; доказана важность учета при расчетах пространственных неоднородностей температуры льда; разработан алгоритм, позволяющий рассчитывать турбулентные потоки над разными типами льда; предложена методика расчета параметра шероховатости заснеженных и покрытых льдом поверхностей, разрабатываются параметризации для расчета потоков тепла, импульса, углекислого газа и метана в различных фоновых условиях.

Разработка новых алгоритмов интерпретации спутниковых данных

Совместно с коллегами из ИКИ РАН разработан метод расчета потоков тепла в системе океан-атмосферы по данным ИК- и СВЧ зондирования, разрабатываются методы определения потоков углекислого газа и метана. Совместно с ИКИ РАН разработан новый алгоритм определения характеристик морского ледяного покрова по данным пассивного микроволнового зондирования. Алгоритм позволяет определять сплоченность ледяного покрова, площадь разводий и полыней, наличие на льду снежниц различных стадий образования, характеристики снежного покрова.

Исследование особенностей динамики атмосферы в высоких широтах по данным спутниковых наблюдений, регионального климатического моделирования и реанализа

В рамках данного направления осуществляется сбор, обработка и анализ различных сеточных геофизических данных – продуктов реанализа, спутникового мониторинга и регионального климатического моделирования. С целью валидации спутниковых экспериментов и мезомасштабных моделей проводятся сравнения сеточных данных и данных специализированных морских и наземных экспериментов. По итогам сравнения производится оценка качества воспроизведения моделями и реанализом метеорологического режима и особенностей циркуляции атмосферы в пределах исследуемых территорий и акваторий.

Моделирование ветрового волнения

В группе моделирования ветрового волнения разработана современная модель четвертого поколения ветро-волнового взаимодействия атмосферы и океана, которая позволяет рассчитать по полю ветра не только состояние волнения, но и ряд характеристик приводного слоя атмосферы, а также параметры верхнего слоя моря. Разработана модель динамического приводного слоя атмосферы. Ее принципиальное отличие от аналогов заключается в использовании представления о трехслойной структуре взаимодействия в системе воздух-вода, включающей сплошной слой воздуха, слой волнения, где воздух и вода присутствует одновременно (зона волнения) и сплошной верхний слой воды. С использованием ветро-волновых моделей, данных реанализа и спутниковых данных проводится исследование ветро-волнового режима в Тихом и Индийском океанах на различных пространственно-временных масштабах. Выполняется оценка максимума и минимума высот и периодов волны; поиск районов с наиболее слабым и наиболее сильным волнением, исследование долговременных трендов изменения ветра и волнения.

Анализ изменений прозрачности и аэрозольной оптической толщины атмосферы

Совместно с ГГО проводятся с (с 1976 года по настоящее время) изменений прозрачности и аэрозольной оптической толщины (АОТ) атмосферы на территории РФ. Проводится анализ взаимной согласованности результатов наземного и спутникового мониторинга АОТ и приходящей солнечной радиации над Россией. Выполняется формирование объединённого архива суточных значений АОТ по независимым системам наблюдений: MODIS, AERONET, актинометрические наблюдения ГМС. Результаты анализа повысят качество восстановления АОТ по спутниковым данным и сделают более обоснованными оценки временных трендов аэрозольной составляющей атмосферы и ее вклада в формирование вариаций приходящей солнечной радиации.

Проблема исследования взаимодействия атмосферы и океана является одной из центральных в геофизике. В настоящее время очевидно, что без учета характеристик этого взаимодействия невозможно успешное развитие как моделирования атмосферной циркуляции, так и создаваемых на его основе методов долгосрочного и сверхсрочного прогнозирования состояния климатической системы. Создание Лаборатории взаимодействия атмосферы и океана в Институте физики атмосферы было прямым следствием возрастающего интереса к роли океана в процессах формирования погоды и климата. Лаборатория была основана в 1985 году. Первым ее заведующим стал известный океанолог Ю.А. Волков (1932-2007). С 2008 года лабораторию возглавлял академик Г.С. Голицын, а с 2014 по настоящее время – д.ф.-м.н., профессор И.А. Репина. Основная деятельность лаборатории связана с теоретическими и экспериментальными исследованиями процессов на границе раздела атмосферы и водной поверхности, в частности, динамики морского волнения, турбулентного энерго- и газо- обмена, конвективного переноса, радиационного обмена. В лаборатории разрабатываются модели атмосферного пограничного слоя и ветро-волнового взаимодействия атмосферы и морской поверхности, проводится работа с архивами данных, создаются новые методы обработки спутниковой информации. Сотрудники лаборатории многократно принимали участие в прибрежных, морских и океанских экспедициях, в том числе и в комплексных международных экспериментах (программы «Разрезы», HEXOS, ASTEX, CAPMOS, NABOS, исследования Международного полярного года 2007-2008 и другие). В последние годы особое внимание уделяется изучению взаимодействия атмосферы с различными типами поверхностей в полярных регионах нашей планеты. Лаборатория участвовала в организации наблюдений в Международной гидрометеорологической обсерватории в Тикси, наши сотрудники ежегодно работают в антарктических и арктических экспедициях. Проводится постоянная модификация измерительного оборудования и систем регистрации данных. Основным базовым направлением деятельности лаборатории является тема «Разработка методов параметризации потоков импульса,  тепла и влаги у поверхности океана» (регистрационный № 01201352219), но работы ведутся также по проектам РФФИ, РНФ, Мин.науки, Президиума РАН, ряду международных проектов. В лаборатории развивается сотрудничество с другими подразделениями ИФА им. А.М. Обухова РАН, а также институтами РАН и Росгидромета. Сотрудники активно участвуют в образовательной деятельности.