Исследование динамики волновых и обменных процессов в атмосфере

Настоящий проект представляет собой комплекс экспериментальных, теоретических и модельных исследований динамики волновых и обменных процессов в атмосфере. Будут проводиться комплексные теоретические и экспериментальные исследования взаимодействия атмосферы с подстилающей поверхностью, развития и взаимодействия вихревых структур и турбулентности в атмосферном пограничном слое, распространения образующихся при этом внутренних и акустических гравитационных волн, турбулентности в свободной атмосфере и ее систематического влияния на результаты дистанционного зондирования. Таким образом, предлагаемые исследования будут рассматривать процессы во всей толще атмосферы до высот порядка 100 км – от приземного слоя до нижней термосферы.

Традиционные параметризации атмосферного пограничного слоя основаны на теории подобия и коэффициентах турбулентного переноса, описывающих взаимодействие атмосферы с земной поверхностью и диффузию примесей в оперативных моделях загрязнения воздуха, прогноза погоды и изменений климата. Но, по мере совершенствования моделей, отказа от гидростатического приближения и, особенно, по достижении высокого пространственного разрешения, традиционные параметризации атмосферного пограничного слоя перестают быть приемлемыми. Главные их недостатки, – неприменимость к экстремальным условиям стратификации и к течениям над сложными поверхностями (такими как морской лед, граница берег-море или штормовое море) не удаётся устранить, оставаясь в рамках классической теории, т.е. с помощью уточнения функций подобия или введения дальнейших поправок в традиционные турбулентные замыкания. Для разработки новых параметризаций необходимы, прежде всего, данные натурных наблюдений, наиболее полно описывающие движения различных масштабов в атмосферном пограничном и приземном слоях, а также характеристики подстилающей поверхности. Поэтому особое внимание в проекте уделяется проведению специализированных комплексных экспериментов по исследованию атмосферных процессов над различными типами подстилающих поверхностей и при различных метеорологических условиях.

Особое внимание уделяется исследованию взаимодействия вихревых структур различных масштабов в пограничном слое атмосферы. Мезомасштабные вихревые структуры в пограничном слое атмосферы играют принципиальную роль в процессах переноса примесей, во взаимодействии тропосферы с верхними слоями атмосферы, в установлении крупномасштабной циркуляции и турбулентного  режима всей атмосферы, а также влияют на распространение радиоволн, света и звука в атмосфере. Исследование физических механизмов образования этих структур и их статистических закономерностей позволит сделать шаг вперед в параметризации их влияния на динамику атмосферы, которое необходимо учитывать в моделях общей циркуляции атмосферы, прогноза погоды и переноса примесей, а также при прогнозировании распространения акустических и электромагнитных волн в атмосфере. Это обусловливает научную значимость решения поставленной в проекте проблемы.

Анализ динамики вихревых структур в атмосфере проводится с использованием оригинальных численных вихреразрешающих и мезомасштабных моделей и нелинейных методов в рамках гамильтоновой динамики. Для оценки эмпирических коэффициентов в разрабатываемых схемах замыкания будут проведены натурные эксперименты по измерениям характеристик атмосферной турбулентности  в приземном слое атмосферы над различными поверхностями. Результаты моделирования сравниваются с натурными данными, полученными в ходе выполнения проекта.

Важной фундаментальной задачей данного проекта являются комплексные экспериментальные исследования взаимодействия атмосферы и океана при различных фоновых условиях: при сильных, слабых, береговых ветрах и при наличии поверхностных неоднородностей, а также развитие ветро-волновых моделей и дистанционных методов определения характеристик взаимодействия атмосферы и океана. Итогом выполнения проекта станет разработка параметризаций для описания динамики и структуры приводного и пограничного слоев атмосферы для ветро-волновых, климатических, прогнозных и региональных моделей и разработки методов определения характеристик взаимодействия атмосферы и океана с использованием данных дистанционного зондирования Земли из космоса. Отдельная задача проекта – акустические исследования в прибрежных зонах с целью усовершенствования систем прогноза штормовых условий. Это совсем новая задача с использованием уровня шумов морского волнения и их спектрального состава.

Важной задачей проекта будет разработка на основе полученных экспериментальных данных модели возникновения крупномасштабных анизотропных неоднородностей в различных слоях атмосферы. Предполагается, что эта модель позволит объяснить общие статистические закономерности анизотропных флуктуаций для разных слоев атмосферы, позволит глубже понять сущность наблюдающихся в этой области процессов и явлений, а также даст возможность исследовать и достоверно прогнозировать особенности влияния атмосферы на распространение оптических, радио и акустических волн.

Одной из главных составных частей настоящего проекта является исследование атмосферной турбулентности, что является крайне важным для решения задач климатического моделирования, переноса примесей и оценки загрязнения атмосферы, дистанционного зондирования атмосферы, распространения сигналов в атмосфере и обеспечения безопасности полетов. Как известно, основы теории атмосферной турбулентности были разработаны в Институте физики атмосферы РАН на основе специализированных экспериментов и теоретических построений, и работы в этой области активно продолжаются, прежде всего по учету спиральности. Но разработка теории еще далека от завершения, что  указывает на актуальность проводимых работ. Данный проект предполагает проведение теоретических и экспериментальных исследований характеристик атмосферной турбулентности во всей толще атмосферы – от приземного слоя до термосферы. В частности, предполагается разработка методов определения параметров турбулентности по данным наблюдений интенсивности рассеянного в обратном направлении лазерного излучения. Принципиальная особенность разработки заключается в том, что она основана на использовании эффекта усиления обратного рассеяния, открытого советскими учеными в 1980-х годах. Прикладное значение этого результата, состоит в обосновании дистанционного метода оперативного определения положения зон турбулентности ясного неба, представляющих угрозу безопасности полетов гражданской авиации.

Одним из активно используемых в настоящее время  способов дистанционного зондирования является принцип радиозатменного зондирования, который заключается в использовании сигналов систем спутниковой навигации (GPS, ГЛОНАСС) Возросшее количество радиозатменных данных существенно увеличило их ценность как для задач численного прогноза погоды, так и для накопления временных рядов наблюдений для отслеживания глобальных изменений климата. В рамках данного проекта выполняется детальный статистический анализ данных радиозатменного зондирования, полученных начиная с 2006 г.. Будет разработана реалистичная модель радиозатменных наблюдений, позволяющую по сеточным полям метеопараметров решать задачу распространения радиоволн в атмосфере и строить искусственные радиозатменные данные. Модель будет включать не только регулярную атмосферную компоненту, но и случайные флуктуации метеополей за счет турбулентности и других подсеточных процессов.

Одним из итогов выполнения проекта станет создание теоретических основ современной системы комплексного мониторинга структуры и пространственно – временных вариаций состояния атмосферы на различных высотных уровнях с  использованием интегрированных дистанционных методов и новейших технологий  зондирования в диапазонах частот оптических, радио- и акустических волн  для последующих прогнозных оценок состояния атмосферы и  её климатических изменений на различных высотных уровнях.

зав.лаб. О.Г.Чхетиани – рук.

зав.отд., акад. Г.С.Голицын,

зав.лаб. М.Е.Горбунов

зав.лаб. С.Н.Куличков

зав.лаб. И.А.Репина

Научный состав проекта объединил 39 ведущих и молодых исследователей Отдела динамики атмосферы. Во вспомогательном составе – 11 человек.