Лаборатория геофизической гидродинамики (ЛГГ)

Основные направления исследований:

• Исследования по геофизической гидродинамике, динамическим системам и динамике атмосферы  
• Лабораторные исследования геофизических течений
• Установка для генерации вихревых течений МГД-методом  
• Установка для исследования вращающихся течений   

Исследования по геофизической гидродинамике, динамическим системам и динамике атмосферы

Получено:
   

• описание динамики крупномасштабных геофизических течений и их перехода к стохастическим режимам;
• редукции уравнений Навье-Стокса, описывающие турбулентные каскады передачи энергии и спиральности;
• гамильтново описание вихревых и волновых взаимодействий в стратифицированных течениях;
• теория квазидвумерных течений жидкости;
• теория распространения и кластеризации примести в течениях со случайными полями скорости;

Лабораторные исследования геофизических течений

Установка для генерации вихревых течений МГД-методом

    а) формирование структуры в течении Колмогорова

    б) укрупнение вихрей в затухающей квазидвумерной турбулентности

Установка для исследования вращающихся течений

    а) влияние вращения на структуру вихрей, возбуждаемых одинаковым внешним форсингом

   б) лагранжевы структуры в нестационарном вихревом течении

Лаборатория является одним из мировых лидеров в области исследований спиральности в физике атмосферы от турбулентных до глобальных масштабов. В этом направлении объединены усилия и возможности с экспериментаторами и радиоакустиками из РАЛ.

Наиболее значимые результаты, полученные в Лаборатории в 70-е и 80-е годы состоят в следующем.

1) теоретическое (А.М.Обухов, Е.Б. Гледзер, В.М. Пономарев) и экспериментальное (А.М.Обухов, Ф.В. Должанский, Ю.Л. Черноусько) открытия эллиптической неустойчивости, более, чем на 10 лет опередившие аналогичные исследования западных ученых;

2) на основе введенного А.М. Обуховым понятия систем гидродинамического типа (СГТ) построены дискретные модели развитых трехмерной и двумерной турбулентностей, воспроизводящие энергетические спектры в соответствующих инерционных интервалах и, что самое главное, позволяющие теоретически оценить константу  в законе Колмогорова-Обухова (Е.Б. Гледзер);

3) найдена прямая гидродинамическая трактовка уравнений Эйлера-Пуассона движения тяжелого волчка и их теоретико-групповая аналогия с уравнениями Буссинеска движения тяжелой расслоенной жидкости на основе которых строится простейшая модель конвекции вращающейся жидкости, воспроизводящая фундаментальные свойства глобальных бароклинных течений (С.М. Вишик, Ф.В. Должанский);

4) лабораторное моделирование (А. Батчаев, В.А. Довженко) и построение нелинейной теории устойчивости течения Колмогорова (А.М. Обухов, В.И. Кляцкин, Ф.В. Должанский, В.М. Пономарев), в результате чего была открыта ( Ф.В. Должанский) фундаментальная роль придонного трения на формирование и устойчивость вторичных вихревых течений (циклогенез);

5) магнитогидродинамическим методом и методом источников и стоков массы экспериментально смоделированы баротропный атмосферный циклогенез в квазидвумерных сдвиговых течениях (В.А. Довженко, В.А., В.А.Крымов) и волны Россби во вращающихся кольцевых каналах (Ю.Л. Черноусько) и построены их нелинейные теории устойчивости (Должанский Ф.В., Д.Ю. Манин, Курганский);

6) путем сопоставления теории с результатами лабораторных экспериментов решена задача Эйнштейна о спиндауне и спинапе в цилиндре малой высоты (Ф.В. Должанский, В.А. Крымов, Д.Ю. Манин);

7) на основе гамильтонова подхода развита нелинейная теория распространения внутренних и гравитационных волн в стратифицированных средах применительно к земной атмосфере (Н.Н.Романова);

8) опираясь на идею, выдвинутую А.М. Обуховым в 1962 г., М.В.Курганский и М.С.Татарская разработали новый метод диагноза крупномасштабных атмосферных процессов, основанный на использовании поверхностей постоянной потенциальной завихренности и потенциальной температуры в качестве естественных координатных поверхностей;

9) развит функциональный метод анализа стохастических динамических систем с флуктуирующими параметрами (В.И. Кляцкин);

10) разработан метод анализа стохастических краевых волновых задач на основе метода погружения (В.И. Кляцкин);

11) построена статистическая теория распространения волн в случайных средах, справедливая в области сильных флуктуаций (В.И. Кляцкин совместно с В.И. Татарским).

После кончины А.М. Обухова в 1989 г. в ЛГГ, которую в 1986 г. возглавил его ученик Ф.В. Должанский, помимо развития уже сложившейся тематики были сформулированы три новых направления:

1) разработка эффективного метода измерения лабораторных двумерных полей скорости и их характеристик (завихренность, двумерная дивергенция, частотные и пространственные спектры и т.п.) и завершение на основе сопоставления измеренных и теоретических характеристик нелинейной теории устойчивости квазидвумерных сдвиговых течений;

2) численное и лабораторное моделирование развитых квазидвумерных вихревых течений при больших числах Рейнольдса на предмет выяснения фундаментальных свойств квазидвумерной турбулентности;

3) лабораторное, численное и теоретическое исследование механизмов распространения пассивной примеси в развитых квазидвумерных вихревых течениях.

В последние годы получены следующие результаты:

• Созданы каскадные модели турбулентности с вращением и спиральностью, свободные от нефизичности, зачастую свойственной иным современным моделям этого направления и, поддерживающие естественное сохранение гидродинамических инвариантов. Обнаружены условия возникновения явлений обратного каскада энергии и когерентных состояний.
• Рассмотрен большой класс во­просов по динамике и воспроизводству спиральности в турбулентности и атмо­сферном пограничном слое, разработаны методы ее оценки по данным дистанцион­ного зондирования и реанализа, организо­ваны совместные с РАЛ полевые экспери­менты по измерению потоков спирально­сти и завихренности в атмосферном по­граничном слое на базе Цимлянской и Звенигородской научных станций Института
• Исследовано физическое явле­ние кластеризации, как частного случая статистического структурообразования в геофизических средах на основе новых методов анализа стохастических динами­ческих систем, связанных с идеями стати­стической топографии.
• Развиваются методы статистического анализа для временных рядов от турбулентных до климатических масштабов
• Изучены струйные механизмы пере­мешивания, инициированные рэлей-тей­лоровской неустойчивостью в неоднород­ных геофизических течениях.
• Разработаны новые методы исследования вихреволновых взаимодействий в стратифицированной атмосфере, основанные на гамильтоновских версиях контурной динамики для двух и трехмерных структур. В рамках указанного подхода изучены вихревые, стационарно вращающиеся структуры, возникающие в квазигеострофической баротропной жидкости.
• Выполнен цикл работ по теорети­ческим и экспериментальным исследо­ва­ниям эффектов нелинейного экмановского трения и циклон-антициклонной асиммет­рии.
• Впервые в лабораторном экспери­менте обнаружены и исследованы ус­тойчивые режимы с почти неподвижными анти­циклонами.       
• Исследованы механизмы формирования блокингов, полярных мезоциклонов, условий перехода к многорежимным состояниям, разработаны новые критерии их диагностики
• Исследована нелинейная про­блема о взаимодействии устойчивых и не­ус­тойчивых волн, как на границах сред с разными свойствами. Описаны воз­можные хаотические и колебательные режимы.
• Рассмотрен широкий класс задач, связанных с проявлениями бароклинной неустойчивости в атмосферных течениях с использованием новых аналитических и численных подходов.
• Исследована динамика и изменчивость планетарных высотных фронтальных зон и струйных течений их связи с развитием блокинговых состояний в последние десятилетия.
• Проведены систематические научные разработки теоретических моделей, исследования статистических свойств и связи активности пыльных вихрей в земных и марсианских условиях с ло­кальными метеоусловиями и характери­стиками погра­ничного слоя.
• Изучена связь перистой облачности и областей повышенной относительной влажности в верхней тропосфере с симметричной неустойчивостью, развивающейся на субтропической (антициклональной) стороне струйных течений.
• Исследованы условия формирования и свойства мезомасштабных и субмезомасштабных циркуляций в АПС, их роль в выносе и дальнем переносе примесей и аэрозолей.
• В ходе ежегодных летних комплексных полевых экспедиций на опустыненных территориях в республике Калмыкия и степных ландшафтах юга России Ростовской области (ЦНС ИФА, г. Цимлянск) исследуются пограничный слой атмосферы и эмиссии аэрозолей в условиях аридного и полуаридного климата.
• Найдены универсальные вертикальные профили распределения пылевого аэрозоля при слабых и умеренных ветрах, зависящие от ветровых режимов и связанные с развитием самоподобных термоконвективных турбулентных структур.
• Обнаружены физические механизмы выноса субмикронного аэрозоля в условиях слабых ветров, связывающие скорость и интенсивность эмиссии с конвективными движениями в приповерхностных слоях почвы и воздуха. Разработаны и внедрены в атмосферную негидростатическую модель параметризации эмиссии субмикронного аэрозоля.
• Разработаны новые параметризации турбулентных потоков импульса и тепла в пограничном слое атмосферы, учитывающие, в частности, воспроизводство спиральности экмановскими течениями, приспособленных для использования в моделях прогноза погоды (ECMWF, COSMO), атмосферных моделях климата (как ECHAM6) и связанных атмосфера-океан моделях климата (ECHAM-FESOM, MPI ESM).
• Для полярных мезоциклонов (ПМЦ) – экстремальных опасных и труднопрогнозируемых вихревых образований в Арктической зоне, – предложена новая оригинальная, простая диагностическая и прогностическая методика, использующая комбинацию интегральной спиральности и кинематического числа завихренности, которая может использоваться для повышения эффективности, скорости и точности методов прогнозирования, в частности с использованиеми методов машинного обучения.