- Объединения
- Лаборатория взаимодействия атмосферы и океана (ЛВАО)
Лаборатория взаимодействия атмосферы и океана (ЛВАО)
О лаборатории
Проблема исследования взаимодействия атмосферы и гидросферы 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 в 1985 году Лаборатории взаимодействия атмосферы и океана в Институте физики атмосферы РАН было прямым следствием возрастающего интереса к роли океана в процессах формирования погоды и климата. Первым ее заведующим стал известный океанолог, специалист по исследованию обменных процессов в приводном слое атмосферы 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 РАН И.А. Репина.
Направления деятельности
- Теоретические и экспериментальные исследования процессов на границе раздела атмосферы и водной поверхности, в частности, динамики морского волнения, турбулентного энерго- и газо- обмена, конвективного переноса, радиационного обмена, в том числе в полярных регионах.
- Исследование взаимодействия атмосферы с водоемами суши (болота, озера, водохранилища, реки). С использованием экспериментальных и теоретических методов изучаются процессы эмиссии и поглощения климатически активных веществ водными экосистемами, а также механизмы углеродного обмена.
- Исследование структуры приземного (приводного) и пограничного слоев атмосферы над неоднородными поверхностями, в том числе в прибрежных зонах и в городских условиях. Исследования ведутся с использованием мезомасштабного и вихреразрешающего моделирования и данных специализированных экспериментов. Разрабатываются параметризации турбулентных процессов для моделей земной системы.
- Анализ параметров ветрового волнения на основе численного моделирования с использованием ветро-волновых моделей, прямых измерений и анализа спутниковых данных.
- Мезомасштабное моделирование атмосферных процессов в прибрежной зоне и в полярных регионах.
- Разработка и модификация измерительной аппаратуры для исследования пограничного и приводного слоя атмосферы и структуры поверхности, в том числе с использованием беспилотных летательных аппаратов.
- Разработка методов измерения атмосферной турбулентности и анализа данных в морских и наземных условиях.
- Разработка алгоритмов интерпретации спутниковых данных, в том числе для анализа состояния морской поверхности и ледяного покрова. С целью валидации спутниковых экспериментов и мезомасштабных моделей проводятся сравнения сеточных данных и данных специализированных морских и наземных экспериментов.
Достижения
- Разработаны методы расчета характеристик энерго- и газообмена в системе атмосфера-водная поверхность (в том числе в условиях ледяного покрова) для различных фоновых условий с использованием стандартной метеорологической и спутниковой информации.
- Предложена методика расчета параметра шероховатости заснеженных и покрытых льдом поверхностей и коэффициента сопротивления над всторошенной поверхностью и поверхностью с разводьями и снежницами.
- Предложено объяснение физического механизма подавления турбулентного трения при ураганных ветрах над морской поверхностью, при снежных буранах и пыльных бурях.
- Исследована структура и динамика конвективных и устойчивых атмосферных пограничных слоев в полярных районах. Предложены параметризации для описания турбулентных процессов в условиях сильно устойчивой и неустойчивой стратификаций.
- Разработаны методики диагностики состояния морского волнения с использованием оптических и радиолокационных дистанционных средств, а также атмосферные коррекции для методики определения характеристик морского ледяного покрова по данным пассивного микроволнового зондирования.
- Разработаны критерии применимости теории подобия Монина-Обухова для расчета турбулентного обмена в прибрежных зонах при различных условиях стратификации атмосферы, в городской застройке и над неоднородным лесным рельефом с озерами.
- 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 методика исследования акваторий со сложным рельефом дна и изрезанной береговой линией с использованием ветро-волновых моделей WAVEWATCHIII и SWAN.
- С использование негидростатического мезомасштабного моделирования исследована динамика атмосферного пограничного слоя в условиях холодных вторжений и над полыньями и разводьями. Объяснен механизм деформации поля ветра при холодных вторжениях и конвективного теплообмена в зонах разрывов льда.
- С помощью адаптированной к полярным условиям совместной модели атмосферы, океана, морского волнения и морского льда показано, что учет взаимодействия атмосферы и морского волнения в условиях новоземельской боры приводит к существенному увеличению турбулентных потоков тепла в прибрежной зоне, причем величина потоков сильно зависит от выбора параметризации коэффициента шероховатости.
- Проведен анализ климатологии экстремальных ветров в Арктике и сопутствующих им опасных явлений на основе различных источников данных, выявлен генезис сильного ветра в каждом районе. Обнаружены значимые корреляции между трендами характеристик подветренных бурь и изменениями крупномасштабной циркуляции, как в Арктике, так и в средних широтах. Составлена карта районов, опасных для движения судов и самолетов из-за большой вероятности обледенения и возникновения зон интенсивной турбулентности.
- По данным комплексных экспериментов оценен вклад различных элементов ландшафта высокоширотных болот и полигональной тундры в эмиссию и поглощение парниковых газов. Разработана методика оценки экосистемных потоков метана и углекислого газа с болотных ландшафтов.
- Разработаны методики определения турбулентных потоков, параметра шероховатости и коэффициентов обмена для рек и озер различных типов.
- По результатам исследования водохранилищ в разных климатических зонах РФ разработана уникальная методика оценки углеродного баланса искусственных водных объектов.
- Разработан комплекс аппаратуры для измерения характеристик атмосферной турбулентности в условиях морского волнения.
- Для проведения измерений характеристик турбулентности над неоднородной поверхностью, а также на различных высотах в атмосферном пограничном слое разработаны беспилотный летательный аппарат «Цимлянин» гибридной схемы (с возможностью вертикального взлета и посадки) и также его бортовой измерительный комплекс.
- Разработаны методики применения беспилотных летательных аппаратов для решения различных задач в области метеорологии и физики атмосферы, включая мониторинг вертикальных профилей температуры, влажности и скорости ветра, измерения в режиме “летающей метеостанции” в труднодоступных местах (например, над полыньями), картирование термической неоднородности различных поверхностей. Разработана методика измерения скорости ветра с использованием навигационных данных квадрокоптера.
- При участии лаборатории создана сеть обсерваторий для исследования атмосферной турбулентности в условиях неоднородного ландшафта.
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.
| Контактный номер телефона: | +7 (495) 951-85-49 |
119017, Москва, Пыжевский переулок, комнаты 317, 115
| Репина Ирина Анатольевна | Заведующий лабораторией, главный научный сотрудник | Руководитель |
| Артамонов Арсений Юрьевич | Научный сотрудник | |
| Варенцов Михаил Иванович | Научный сотрудник | |
| Голицын Георгий Сергеевич | Главный научный сотрудник | |
| Лазарев Александр Иванович | Ведущий электроник | |
| Логунова Елена Евгеньевна | Инженер 1 категории | |
| Марчук Екатерина Артемовна | Младший научный сотрудник | |
| Мысленков Станислав Александрович | Старший научный сотрудник | |
| Пашкин Артём Денисович | Младший научный сотрудник | |
| Плахина Инна Николаевна | Старший научный сотрудник | |
| Троицкая Юлия Игоревна | Ведущий научный сотрудник | |
| Трубакова Каринэ Юрьевна | Инженер-исследователь | |
| Чечин Дмитрий Геннадьевич | Старший научный сотрудник | |
| Шестакова Анна Андреевна | Старший научный сотрудник |