Лаборатория моделирования атмосферного переноса (ЛМАП)

Основные направления исследований:

• Изучение микрофизических параметров и химического состава аэрозолей
• Влияние техногенного загрязнения атмосферы и погоды на человека
• Оценка интенсивности и месторасположения источников эмиссии примесей
• Изучение атмосферных течений под влиянием неоднородностей силы тяжести
• Исследование вихревых течений в различных природных явлениях

Изучение микрофизических параметров и химического состава аэрозолей

Комплексные исследования аэрозолей аридных зон
(совместные работы с ЛГГ, РАЛ)
 
  В 1992 г. совместно с НИФХИ им. Л.Я. Карпова в регионе Аральского моря были начаты многолетние комплексные исследования микрофизических параметров и химического состава аэрозолей аридных зон. Эти работы продолжены с 2009 г. для полупустынных районов Калмыкии:
- определены характерные значения массовой и счетной концентрации аэрозоля в летний период;
- исследована зависимость счетной и массовой концентрации аэрозоля от времени и параметров атмосферы;
- установлены различные механизмы образования и подъема аэрозольных частиц в атмосферу (сальтация - при наличии сильного внешнего ветра и термоконвективный подъем - при слабом ветре);
- изучен механический и химический состав песчаных и аэрозольных частиц в приземном слое. Преобладающей является фракция мелкого песка 1-5 мкм;
- элементный и минералогический анализ подтвердил идентичность химического состава аэрозоля и высокодисперсной фракции почвы. Мелкопесочная фракция характеризуется высоким содержанием микроэлементов (хром, марганец, рубидий, цирконий, висмут, сера).

Исследование меридионального распределения атлантического аэрозоля
 
Наблюдения проведены в 33-м рейсе НИС "Академик Иоффе" в период  18.03-28.04.2011 г. по маршруту от       г. Ушуайа (Аргентина) до г. Щетсина (Польша).
Анализ химического состава аэрозольных частиц с помощью атомно-эмиссионного спектрометра TRACE ICAP 61E выявил наличие  65 элементов.
Получено меридиональное распределение счетной и массовой концентрации субмикронного атлантического аэрозоля.
Определена динамика  изменения элементного состав аэрозоля на пути следования судна, выделены выносы аридного аэрозоля из пустынь Африки и антропогенного аэрозоля из Европы.

 
Маршрут НИС "Академик Иоффе" и ансамбли обратных траекторий (пятисуточные) воздушных масс, определяющие регион "сбора" аэрозоля



Влияние техногенного загрязнения атмосферы и погоды на человека

Разработана методика долгосрочного прогноза риска для здоровья при техногенном загрязнении атмосферы, основанная на использовании методов теории чувствительности, базирующихся на интегрировании конечно-разностного аналога трехмерного уравнения переноса и диффузии загрязняющих примесей, записанного в вариациях относительно невозмущенного состояния атмосферы. Методика позволяет выполнять оценку риска с учетом возможных изменений климата.
Система экологического страхования в стране и за рубежом ориентирована на случаи внезапных, интенсивных выбросов загрязняющих веществ и не предусматривает возмещение убытков и вреда, связанных с постоянным загрязнением атмосферы. В этой связи разработана методика использования особой формы страхования для снижения социально-экономических последствий для работников и населения от заболеваемости, обусловленной загрязнением воздуха объектами промышленности и транспорта, на основе хеджирования – способа стабилизации доходов, использующего производные финансовых инструментов – экологические деривативы, т.е. специальные контракты, в соответствии с которыми одна из сторон (например, житель загрязненной территории) "перекладывает" свой риск для здоровья на другую сторону (за вознаграждение, премию, которую, однако, оплачивает не сам житель, а источник выбросов – загрязнитель).
Совместно с Гидрометцентром России установлено, что на самочувствие людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями в разных районах ЕТР влияют различные показатели состояния атмосферы.
Предложены новые статистически значимые индексы комфортности погодных условий. Создана система "Светофор", на основе мезомасштабной модели WRF-ARW и индексов комфортности обеспечивающая прогноз на 5 сут  неблагоприятных погодных условий (НПУ) для людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями.


Пример прогноза НПУ



Оценка интенсивности и месторасположения источников эмиссии примесей

Разработана методика идентификации источников загрязнения атмосферы на основе минимизации разности измеренных концентраций примесей и их значений, определенных с помощью функционала, построенного на решении сопряженной задачи переноса и диффузии. Методика позволяет с приемлемой погрешностью определять месторасположение источников и их вклад в общий уровень загрязнения.
Результат практического опыта идентификации источника мощных выбросов сероводорода (H2S), имевших место в Москве 10 ноября 2014 года, представлен на рисунке.


Поле интенсивностей источника выбросов сероводорода в Москве 10.11.2014 г. на уровне 50 м (область максимальных значений). В кружках приведены значения интенсивности выбросов в условных единицах: "10" соответствует максимальному значению выбросов – 3195 г/с. Оставшаяся вне кружков территория характеризуется значительно меньшими (в разы) значениями интенсивности выбросов.



Изучение атмосферных течений под влиянием неоднородностей силы тяжести

Возмущения фонового течения под влиянием НСТ
Совместно с НПО "Тайфун" выполнены теоретические исследования линейных возмущений фонового течения под влиянием НСТ.
Показано, что, вопреки распространенному мнению, НСТ не только деформируют состояние гидростатического баланса, но могут приводить и к возмущениям скорости фоновых течений. Впервые рассмотрены вызываемые НСТ возмущения геострофического течения над плоской горизонтальной поверхностью: вдали от нее характерен режим обтекания эквипотенциальных поверхностей, а вблизи этот режим нарушается, возникает пограничный слой, в котором нарушается  гидростатическое равновесие и генерируются возмущения горизонтальной скорости.
Установлено, что при учете теплообмена горизонтальные НСТ могут приводить к к изменению баланса горизонтальных сил и возникновению динамических возмущений (течений) в стратифицированной по плотности среде, горизонтальная скорость которых пропорциональна произведению отклонения геоида и частоты плавучести.
Показано, что воздействие на горизонтальный ветер неоднородностей поля силы тяжести может приводить к генерации внутренних гравитационных волн в атмосфере. Обнаруженный механизм их генерации ранее даже не обсуждался.

Исследование спиральности Азиатского муссона
Совместно с Гидрометцентром России впервые выполнен анализ спиральности поля скорости ветра в области Азиатского муссона, который показал, что ее переход в область положительных значений соответствует наступлению активной фазы муссона. Учет НСТ в численных экспериментах с моделью ОЦА Гидрометцентра России существенно приближает величины,временной ход и пространственное распределение спиральности к соответствующим характеристикам по данным реанализа.


Годовой ход интенсивности осадков по данным GPCP и спиральности S (м2/с2), рассчитанной по данным реанализа NCAR/NCEP и результатам численного моделирования. Заштрихованные голубым цветом области соответствуют положительным значениям S.



Исследование вихревых течений в различных природных явлениях

Установлено, что учет линейного экмановского трения обеспечивает пороговую по частоте вращения реализацию линейной диссипативно-центробежной неустойчивости и связанное с ней нарушение киральной симметрии в динамике лагранжевых частиц, приводящее к циклон-антициклонной вихревой асимметрии. Получено новое обобщение решения задачи Кармана об определении установившегося поля скорости в вязкой несжимаемой среде над вращающимся твердым диском большого радиуса, в котором дополнительно учтено линейное экмановское трение.

Ноябрь 1996 г. - создана Лаборатория моделирования процессов переноса и влияния орографии (ЛМППВО)
Апрель 2002 г. - переименована в Лабораторию моделирования атмосферного переноса (ЛМАП)
Основатель и первый заведующий лабораторией – И.Г. Гранберг