Исследование динамики и причин изменения состояния и экологии атмосферыНИР

Studying the Dynamics and Causes of Change in the State and Ecology of the Atmosphere

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
11 1 января 2014 г.-31 января 2014 г. Исследование динамики и причин изменения состояния и экологии атмосферы
Результаты этапа: 1. Физика малых газовых примесей и аэрозоля. В сотрудничестве с Институтом народнохозяйственного прогнозирования РАН проводились исследования воздействия высоких температур и загрязнения атмосферного воздуха на показатели смертности населения как во время тепловых волн и волн холода, так и с учетом последствий аномально жаркой погоды и природных пожаров, наблюдавшихся летом 2010 г. В этот период отмечено дополнительно около 11 тыс. смертей (за исключением несчастных случаев). Впервые проведена оценка совместного вклада в смертность волны жары и загрязнения воздуха от природных пожаров. На основании статистического анализа ежесуточных показателей смертности, метеорологических показателей, концентраций РМ10 и озона разработана балльная шкала оценки опасности этих показателей по 4 градациям. Исследовались количественные характеристики воздействия города на поле малых газовых примесей и взвешенных частиц (РМ10 и РМ2,5). Проанализированы различия режима аэрозольного загрязнения в Московском и ряде западноевропейских мегаполисов. Сделаны выводы о значительной роли климатических условий и различающихся источников аэрозольного загрязнения в регионах, разнесенных на тысячи километров. Показано, что чаще всего в Москве фиксируются аэрозольные эпизоды, обусловленные локальными эмиссиями при неблагоприятных метеорологических условиях, но практически ежегодно имеют место и двух-трехсуточные эпизоды, обусловленные дальним переносом взвешенных частиц. В тесном сотрудничестве с Гидрометцентром РФ проводились исследования влияния метеоусловий на формирование повышенного уровня загрязнения атмосферного воздуха, оценки вкладов отдельных метеопредикторов. Показано различие формирования эпизодов высокого уровня загрязнения воздуха зимой и в теплый сезон. Разработана типизация метеорологического потенциала загрязнения (МПЗ), предназначенная в первую очередь для прогнозирования метеорологических условий, способствующих резкому увеличению или сохранению высокого уровня загрязнения приземного воздуха. 2. Динамика и турбулентность в пограничном слое атмосферы. 2.1. Проводилось изучение механизмов и разрабатывались методы статистического описания турбулентного перемешивания в пограничном слое атмосферы. Проведен анализ изменения скорости роста ветра с высотой в зависимости от условий термической стратификации, а также анализ взаимодействия адиабатических и несжимаемых турбулентных флуктуаций в атмосфере и роли адиабатических движений в переносе энергии турбулентности по спектру. 2.2. Проведены работы по изучению синоптической изменчивости скорости ветра в АПС по натурным данным дистанционных измерений. Исследованы корреляционные связи между скоростью диссипации турбулентных неоднородностей и структурными функциями энтропии. 3. Динамика среднемасштабных процессов и облачности Испытана созданная аналитическая нелинейная трехслойная модель обтекания среднемасштабных гор. Программа учитывает изменения скорости и устойчивости в натекающем потоке и позволяет учитывать короткие волны. Расчеты по этой модели показали, что стратификация скорости натекающего потока может существенно влиять на характер орографических возмущений, а стратификация его устойчивости взияет на орографические возмущения в гораздо меньшей степени. 4. Волны и поля в случайно-неоднородных геофизических средах 4.1.Исследована статистика боковых смещений луча при отражении от слоя с регулярной рефракцией и случайными неоднородностями диэлектрической проницаемости. Вычислены среднеквадратичные смещения луча от его невозмущенного положения при отражении от параболического ионосферного слоя, вызванные рассеянием на случайных неоднородностях. Полученные аналитические выражения для дисперсий и функций корреляции горизонтальных смещений луча на выходе из слоя численно проанализированы для различных условий ионосферного зондирования. Показано, что при рассеянии на изотропных неоднородностях диэлектрической проницаемости регулярная рефракция приводит к анизотропии флуктуаций этой характеристики радиосигнала. 4.2. Из лучевых уравнений геометрической оптики с использованием системы координат параболического цилиндра получены динамические стохастические уравнения типа уравнений Ланжевена, которыми описывается процесс рассеяния в случайно-неоднородной среде с линейным профилем регулярной диэлектрической проницаемости. Приближение Марковского процесса позволяет перейти от динамических уравнений к уравнению Эйнштейна-Фоккера для плотности вероятностей направления и положения лучей. Вычислены матричные коэффициенты для уравнения Э-Ф в задаче о совместной диффузии двух лучей в такой среде при условии малоуглового рассеяния. 5. Изучение процессов взаимодействия океана и атмосферы. Проведено сопоставление параметров скорости испарения, установленных в эксперименте, с расчетными моделями и данными изменений из независимых источников. Получены экспериментальные данные о пульсациях влажности на различных горизонтах вблизи поверхности воды.
12 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Исследование динамики и причин изменения состояния и экологии атмосферы
Результаты этапа: 1.1. Физика малых газовых примечей и аэрозоля. Проводился анализ данных о загрязнении атмосферного воздуха в Москве и выявлению неблагоприятных метеорологических факторов влияния на уровень загрязнения воздуха. Выполнен анализ эпизодов повышенного загрязнения в 2014-2015 годах. Показано, что имеются метеорологические предпосылки увеличения повторяемости неблагоприятных метеорологический условий в теплый сезон, а также в утренние и вечерние часы. Проанализированы тенденции изменения содержания в атмосферном воздухе в Москве РМ10, оксидов азота, диоксида серы и озона за 12 лет и проведена соответствующая оценка изменения вклада 10 основных канцерогенов, содержащихся в выбросах автотранспорта, уровней суммарных канцерогенных рисков. Показано, что основной вклад в уровни канцерогенного риска на обследованной территории Москвы вносят выбросы автотранспорта. Разрабатывались и усовершенствовались модели множественной нелинейной регрессии для определения концентраций загрязняющих веществ. Показано, что при моделировании рядов среднесуточных концентраций загрязняющих веществ применение нелинейной регрессии с использованием относительно коротких обучающих выборов дает существенно большую корреляцию рассчитанных и полученных по данным наблюдений значений концентраций и меньшее среднеквадратичное отклонение по сравнению с моделью инерционного прогноза. 1.2. Динамика и турбулентность в пограничном слое атмосферы. Разработаны элементы теоретических представлений о взаимосвязи адиабатических и несжимаемых движений в турбулентной среде. Получены экспериментальные данные о связи скоростей диссипации кинетической и доступной потенциальной энергии турбулентных движений, а также их связи со скоростью диссипации энтропии и с энергией быстрых адиабатических (акустических) флуктуаций. Проведены измерения вертикальных профилей ветра и температуры в АПС над Москвой и в прилегающих пригородах. Получены характеристики и вертикальные профили стохастической мезомасштабной изменчивости скорости ветра и температуры в АПС. Выполнены энергетические оценки мезомасштабных движений и ветровых порывов, не описываемые в синоптических моделях. 1.3. Динамика среднемасштабных процессов и облачности. Проведено моделирование Новороссийской боры. Исследована возможность детального модельного расчета компонент возмущений скорости. Проведен анализ возможностей трехслойной модели обтекания гор с постоянной скоростью натекающего потока для изучения возмущений атмосферы над горами Северного Урала. 1.4. Волны и поля в случайно-неоднородных геофизических средах. С использованием метода геометрической оптики исследованы стохастические свойства амплитуды радиосигналов в случайно-неоднородных ионосферных слоях. Решено уравнение переноса для уровня (амплитуды) волн, отраженных от ионосферных слоев на частотах, близких к МПЧ. Для параболической модели регулярного ионосферного слоя получены аналитические выражения для дисперсий и функций корреляции амплитуды в самом слое и на выходе из него. Показано, что при рассеянии на изотропных неоднородностях диэлектрической проницаемости регулярная рефракция приводит к анизотропии амплитудных флуктуаций радиосигнала. В системе координат параболического цилиндра записаны лучевые уравнения геометрической оптики для получения динамических стохастических уравнений типа уравнений Ланжевена. Вычислены матричные коэффициенты для уравнения Эйнштейна-Фоккера в задаче о совместной диффузии двух лучей в такой среде при условии малоуглового рассеяния.
13 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Исследование динамики и причин изменения состояния и экологии атмосферы
Результаты этапа:
14 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Исследование динамики и причин изменения состояния и экологии атмосферы
Результаты этапа:
15 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Исследование динамики и причин изменения состояния и экологии атмосферы
Результаты этапа: Изучена недельная цикличность концентраций газовых примесей и аэрозоля в приземном слое атмосферы Москвы, проведена оценка многолетней динамики загрязнения на отдельных территориях, исследовано задымление европейской территории России (ЕТР) и Белоруссии в июле 2016г., сопоставлены данные наземных измерений и данные измерений спутниковыми спектрорадиометрами. C помощью модели SILAM проведены расчеты полей концентраций примесей для нескольких периодов 2014 года. Рассмотрены два сценария, в первом использовались эмиссии инвентаризации TNO, а во втором - оцененные в ходе НИР 2018 г. Проведено сопоставление пространственной и временной изменчивости полей концентраций с данными наблюдения (средними за период расчетов пространственного распределения приземной концентрации примесей, а также вертикальных профилей с использованием модельных расчетов и данных измерений). Выполнен статистический анализ данных многолетних измерений вертикальных профилей скорости ветра и температуры в воздушном бассейне Московского мегаполиса и прилегающей местности с целью изучения пространственных неоднородностей турбулентного перемешивания в крупном городе. Получены численные характеристики повторяемости различных значений термической стратификации и сдвига скорости ветра на разных высотах и в разное время суток, изучена их межгодовая изменчивость. Проведено сопоставление результатов моделирования возмущений атмосферы над горами Крыма с результатами измерения пространственных характеристик волновых облаков. Показано, что созданная нелинейная аналитическая стационарная модель адекватно предсказывает не только фазы, но и амплитуды орографических волн, наблюдаемых над горами среднего масштаба. Впервые проведено моделирование орографических возмущений над реальными горами (район г. Новороссийск) во всем диапазоне изменений свойств натекающего потока. Показано, что резонансные эффекты отсутствуют; закономерность уменьшения возмущений при росте волнового масштаба выполняется лишь в среднем, а в отдельных частях диапазона его изменений возмущения увеличиваются до десятка процентов; энергетику возмущений при боре можно оценивать по скорости струйного течения у подветренного склона гор. Исследованы статистические свойства эйконала (фазового пути) необыкновенной волны, отраженной от неоднородной магнитоактивной ионосферной плазмы, содержащей случайные неоднородности электронной плотности. Численно определены траектории лучей при распространении на магнитном экваторе. Найдены пространственные коэффициенты автокорреляции эйконала при различных углах входа луча в ионосферу. Для неоднородного слоя среды, содержащего одномерные случайные неоднородности диэлектрической проницаемости произвольного масштаба, показана возможность в рамках метода плавных возмущений (МПВ) найти как многократное рассеяние вперед, так и многократное обратное рассеяние. Получено выражение для комплексного коэффициента отражения обратно-рассеянных волн. Продолжены исследования процессов взаимодействия между водой и воздухом при различных разностях температур воды и воздуха на установке в лаборатории кафедры Для оценки потока тепла на испарения и оценки его вклада в общий поток тепла, полученный с помощью термозондирующего устройства, выполнены измерения пульсаций влажности вблизи границы раздела вода/воздух при различных условиях. Показано, что поток на испарения составляет более 50% от общего теплообмена между водой и воздухом. Сделаны оценки периодичности пульсаций влажности в зависимости от разности температур двух сред. Получены количественные оценки вклада антропогенных воздействий, характеризуемых изменениями концентрации парниковых газов в атмосфере, и естественной изменчивости, характеризуемой Атлантической мультидесятилетней осцилляцией (АМО), в тренды глобальной приповерхностной температуры (ГПТ) по данным наблюдений с середины XIX века на основе трёхкомпонентных авторегрессионных моделей с анализом причинности по Винеру–Грейнджеру. Проведен анализ роли естественных и антропогенных факторов в формировании температурных трендов для разных широтных зон: арктических, средних и тропических широт Северного полушария. Проведён анализ изменений продолжительности навигационного периода (ПНП) на Северном морском пути (СМП) по расчётам с климатическими моделями ансамбля CMIP5 (Coupled Models Intercomparison Project, phase 5) с использованием байесова осреднения. Получено, что в целом ожидаемая продолжительность навигационного периода на Северном морском пути при использованных сценариях антропогенных воздействий RCP составит 2-3 мес. в середине XXI века и 3-6 мес. в его конце при значительном межмодельном разбросе изменения ПМП на СМП. Разработана модификация схемы Прайса-Ринда для вычисления частоты молний (ЧМ), которая может быть использована при расчётах с большим шагом по времени и по пространству. Модифицированная версия схемы внедрена в климатическую модель (КМ) ИФА РАН. Результаты расчётов характеристик молниевой активности с модифицированной схемой лучше согласуются со спутниковыми данными для ЧМ, чем с исходной версией. В КМ ИФА РАН при глобальном потеплении (похолодании) ЧМ увеличивается (уменьшается) во все сезоны.
16 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Исследование динамики и причин изменения состояния и экологии атмосферы
Результаты этапа: 1. Выполнены исследования особенностей метеорологических условий и загрязнения приземного слоя атмосферы Москвы в августе-сентябре 2018 года и других эпизодов с неблагоприятными метеорологическими условиями. Получены данные о химическом составе взвешенных частиц в атмосферном воздухе г. Москвы в разрезе территорий различного функционального назначения и источников выбросов. Получены оценки вкладов городских источников и трансграничного переноса в аэрозольное загрязнение городской атмосферы. Проведены расчеты с помощью модели SILAM для 2014 года с целью определения оптимального пространственно-временное распределения городских источников загрязняющих примесей: CO, NO, NO2, SO2. При этом были рассмотрены несколько сценариев эмиссий загрязняющих примесей, проводятся работы по сопоставлению полученных результатов с данными наблюдений сети станций МосЭкоМониторинга. эмиссий с городской инфраструктурой и погодными условиями, верификация работы химико-транспортных моделей и валидации по данным спутниковых измерений. 2. Выполнены запланированные исследования поведения в суточном и годовом ходе временных рядов кинетической и доступной потенциальной энергии турбулентности, турбулентных потоков тепла и импульса, масштаба Монина-Обухова, потокового числа Ричардсона и частоты Брента-Вяйсяля. Рассчитаны численные характеристики межгодовой изменчивости повторяемости скоростей ветра на разных высотах и термической стратификации в разное время суток. Получены статистические оценки пространственных вариаций термической стратификации и скорости ветра и выполнено их сопоставление с модельными расчетами. 3. Выполнено сопоставление результатов моделирования возмущений атмосферы над горами Крыма с результатами экспедиционных измерений пространственных характеристик волновых облаков. Показано, что созданная нелинейная аналитическая стационарная модель адекватно предсказывает фазы и амплитуды волновых возмущений над горами, в том числе возможность устойчивого существования роторного возмущения в течение 3.5 часов. Тем самым показано, что в природе орографические волны существенно более устойчивы, чем предполагалось ранее. Проведено моделирование орографических возмущений при боре в г. Новороссийск. Показано, что стратосфера отражает волновую энергию лишь частично; закономерность уменьшения возмущений при росте волнового масштаба выполняется лишь в среднем, а в отдельных частях диапазона его изменений возмущения могут увеличиваться на десятки процентов под влиянием изменений уровня отражения энергии от верхних слоев атмосферы; энергетику возмущений при боре можно оценивать по скорости струйного течения у подветренного склона гор. 4. С использованием метода геометрической оптики и теории возмущений исследованы статистические свойства группового пути и времени группового запаздывания необыкновенной волны при наклонном отражении от плоскослоистой магнитоактивной ионосферы, содержащей случайные неоднородности электронной плотности. Построены траектории лучей при распространении на магнитном экваторе. Построены высотные зависимости углов между направлением луча и направлением волновой нормали. Найдены и проанализированы дисперсии и пространственные коэффициенты автокорреляции группового пути на выходе из слоя при различных углах входа луча в ионосферу. 5. Изучена изменчивость влажности в 10-сантиметровом слое воздуха над водой при различных температурах воды и воздуха, а также при наличии обдува водной поверхности. Получены качественные оценки изменчивости влажности на разных горизонтах для случаев, когда температура на несколько градусов больше температуры воздуха, на несколько градусов меньше температуры воздуха, и при наличии искусственного обдува поверхности со скоростями 0.5 м/с и 1 м/с. 6. Выполнен анализ длительности навигационного периода Северного морского пути в XXI веке по данным ансамбля климатических моделей ансамбля CMIP с учётом короткопериодной межгодовой климатической изменчивости. Неопределенность оценки изменения характеристик навигационного периода (НП) на Северном морском пути (СМП) в XXI веке уменьшена за счёт использования байесовых статистических методов, применяемых для анализа численных экспериментов с климатическими моделями ансамбля CMIP5 (Climate Models Intercomparison Project, phase 5) при сценариях RCP (Representative Concentration Pathways). Получено, что оценки среднего по ансамблю (СА) мало чувствительны в отношении выбора байесовых правдоподобий. Напротив, межмодельные стандартные отклонения (МСО) зависят от предположений об этих правдоподобиях. При сценарии RCP 8.5 (RCP 4.5) АС НП начинается в начале июня (конце июня) в середине XXI века и в мае (начале июня) в конце XXI века. Соответствующие даты СА закрытия НП приходятся на сентябрь-октябрь (октябрь) в середине XXI века и ноябрь (конец октября) в его конце. Длительность СА НП близка к 3 месяцам в середине 21-го века для обоих сценариев RCP и увеличивается до 6 месяцев (с 3 до 4 месяцев) при сценарии RCP 8.5 (RCP 4.5). Для всех характеристик НП стандартные отклонения ансамбля на порядок больше, чем соответствующие межгодовые стандартные отклонения. Межгодовое стандартное отклонения уменьшается во второй половине XXI века, что упрощает прогноз характеристик НП в отношении межгодовой изменчивости. Выполнены запланированные работы по подготовке версии модели Земной системы ИФА РАН (КМ ИФА РАН), учитывающей изменение параметров орбиты Земли на климатоообразующие процессы. Модель дополнена возможностью учёта параметров орбиты Земли на состояние климата. В частности, в модель включена программная реализация соотношений, позволяющая вычислять широтные и сезонные особенности инсоляции на верхней границы атмосферы в зависимости от основных параметров орбиты — наклона оси собственного вращения Земли к плоскости эклиптики, долготы перигелия и эксцентриситета. Кроме того, в модель включён программный код, позволяющий вычислять значения указанных параметров орбиты в зависимости от календарного года (в соответствии с соотношениями А. Берже). Полученная таким образом версия КМ ИФА РАН реалистично воспроизводит широтные и сезонные особенности распределения инсоляции на верхней границе атмосферы в основные климатические эпохи плейстоцена (современный период, максимумы оледенений, средний голоцен). Выполнен анализ вклада воздействий различной природы на изменения климата в последние тысячелетия. Для оценки глобальных и региональных изменений климата в течение последних 10 тысяч лет проведены численные расчеты с глобальной климатической моделью ИФА им. А.М. Обухова РАН (КМ ИФА РАН). Численные расчеты с КМ ИФА РАН проводились с учетом изменений параметров орбиты Земли, потока солнечного излучения, оптической толщины стратосферных (вулканических) аэрозолей (только для 500-2000 гг.), содержания в атмосфере парниковых газов (CO2, CH4, N2O), площади распространения пастбищ и пашен и плотности населения. При учете изменений содержания сульфатного аэрозоля в тропосфере предполагалось, что его уровень в середине 19 века характеризует распределение сульфатов естественного происхождения для всего голоцена. Получено, что на тысячелетнем и большем временных масштабах основной вклад в изменения климата связан с изменением параметров орбиты Земли. Современная среднегодовая глобальная приповерхностная температура в последние десятилетия 20 века превысила соответствующие значения для предыдущих 10 тысяч лет, в том числе в период так называемого “оптимума голоцена”. При этом современные температурные режимы для отдельных регионов, в частности в Европе, могут не достигать еще уровня максимального потепления в среднем голоцене. Вклад вариаций солнечной постоянной в изменения климата мал на всех временных масштабах. Выполнено исследование атмосферных блокирований и ансамблевые модельные оценки их изменений. Получены оценки изменений атмосферных блокирований на основе ансамблевых расчетов CMIP5 с современными климатическими моделями общей циркуляции с использованием различных критериев детектирования атмосферных блокингов и разных RCP-сценариев антропогенных воздействий для 21 века. Для оценки качества воспроизведения характеристик атмосферных блокингов по модельным расчетам проводилось сравнение меридиональных сезонных распределений повторяемости блокирований c полученными по данным реанализа. Полученные результаты свидетельствуют о целесообразности получения модельных оценок с выделением ансамблей “лучших” моделей. При выделении “лучших” моделей выявляется риск увеличения повторяемости блокингов при потеплении, что не отмечено при анализе ансамбля всех моделей.
17 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Исследование динамики и причин изменения состояния и экологии атмосферы
Результаты этапа: В результате выполнения этапа НИР 2020 г. получены новые экспериментальные, аналитические и численные данные по динамике атмосферы, изменениям ее состояния и экологии, связанным с естественными и антропогенными факторами. Полученные результаты могут быть использованы как для целей фундаментальных исследований физики атмосферы, так и в ряде практических приложений. 1. Выполнен запланированный объем работ по исследованиям экологии атмосферы мегаполиса на примере г. Москва. Выполнена оценка двух баз данных выбросов в атмосферу примесей для прогнозирования изменений состава атмосферы московского мегаполиса в двух моделях атмосферного переноса: SILAM и COSMO-ART. Для разных сезонов нескольких лет проведены расчеты с целью определения соответствующего пространственно-временного распределения городских источников различных загрязняющих атмосферу примесей CO, NO, NO2, SO2. Рассмотрено несколько сценариев эмиссий загрязняющих примесей. Выполнено сопоставление полученных результатов с данными наблюдений на сети станций МосЭкоМониторинга и на станции ИФА РАН. Проведена оценка влияния антропогенных и метеорологических факторов на недельный цикл и эффекты выходных дней атмосферного загрязнения в Москве. Среди антропогенных факторов основными являются автомобильный транспорт, работа системы центрального отопления в Москве и ее пригородах (октябрь–апрель), массовые выезды жителей из города на дачи в выходные дни. Метеорологические процессы проявляются в виде ежегодных колебаний повторяемости, длительности и интенсивности температурных инверсий, адвекции воздушных масс и конвективного перемешивания. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу и увеличение содержания NO, CO наиболее значительны в зимний период. Максимальные эффекты выходного дня для концентрации NO2 отмечаются летом. Для концентрации SO2 отмечена особая динамика, заметно отличающаяся для разных секторов Москвы, со значительным увеличением летом и осенью. Разработана методика оценки крупномасштабных потоков дымовых аэрозолей. Проведен анализ влияния массовых лесных пожаров в Сибири летом 2016 г. и особенностей атмосферной циркуляции на распространение дымовой завесы на значительную часть Северной Евразии. Проанализированы вариации профилей вертикальной скорости ветра по данным реанализа ERA-Interim. По данным спутникового лидарного мониторинга вертикальных профилей коэффициента затухания получены оценки крупномасштабных потоков при дальнем переносе сибирской дымовой дымки летом 2016 года. 2. Проведено детальное сопоставление вариаций кинетической энергии турбулентности и статистик флуктуаций давления в атмосферном погранслое Московского мегаполиса по измерениям на физическом факультете МГУ, в метеообсерватории МГУ и на международной станции IMS в Дубне. Продолжены длительные непрерывные наблюдения изменчивости профилей скоростей ветра и температуры в разных местах Московского мегаполиса и вне его. Получены статистические оценки модельных пространственных вариаций температуры и скорости ветра по расчетам на мезомасштабной модели WRF с высоким пространственным разрешением для Московского мегаполиса. 3. На основе использования нелинейной трехслойной модели обтекания реальных среднемасштабных гор исследовался вопрос о роли верхнего граничного условия при моделировании обтекания гор. Подтвержден ранее полученный вывод, что орографические возмущения в двухслойной атмосфере резко возрастают, когда частота плавучести в верхнем слое существенно меньше, чем в нижнем слое. Подтверждено, что причиной этого является усиление отражения волновой энергии от поверхности раздела слоев. Установлено, что это усиление связано с уменьшением волновой упругости в верхнем слое. Показано, что в реальной атмосфере отражение волновой энергии орографических возмущений от тропопаузы всегда меньше полного. Показано, что при моделировании орографических возмущений в тропосфере необходимо правильно учитывать отражение волновой энергии от верхних слоев атмосферы. Проведен анализ основных физических характеристик Новороссийской боры. Показано, что резонанс по Лонгу в тропосфере невозможен. Показано, что характерные показатели интенсивности возмущений в городе и бухте можно оценивать по скорости потока у подветренного склона гор. Установлена зависимость данной скорости от свойств натекающего потока и особенностей формы гор. 4. Методом теории возмущений исследованы статистические свойства фазы (эйконала) нормальных волн, отраженных от неоднородной магнитоактивной ионосферной плазмы со случайными неоднородностями электронной плотности. В качестве малого параметра использовались флуктуации электронной плотности. С использованием метода геометрической оптики численно определены и проанализированы особенности лучевых траекторий для волн обыкновенной и необыкновенной поляризации при распространении на полюсе (вертикальное магнитное поле Земли). Найдены дисперсии флуктуаций и пространственные коэффициенты автокорреляции фазы для каждой из нормальных волн при различных углах входа луча в ионосферу. Построены высотные зависимости дисперсий фазы на восходящих траекториях обыкновенного и необыкновенного лучей. Показано, что при рассеянии на изотропных неоднородностях пространственная автокорреляция фазы обоих типов волн в плоскости падения простирается на расстояния, значительно превышающие радиус корреляции неоднородностей электронной концентрации. 5. С использованием системы малоинерционных датчиков влажности выполнены эксперименты по исследования вертикальной изменчивости влажности в приповерхностном слое у границы раздела вода-воздух. Получены количественные оценки пульсаций влажности на разных горизонтах от поверхности воды при различных режимах температуры воды, в том числе при наличии воздушного обдува. 6. Разработанная модификация схемы Прайса—Ринда для вычисления частоты молний включена в климатическую модель ИФА РАН--МГУ, выполнены расчеты частоты молний. Получено, что при глобальном потеплении (похолодании) частота молний увеличивается (уменьшается) во все сезоны. В XXI веке при общем потеплении климата среднеглобальная частота молний в зависимости от сценария антропогенных воздействий на земную систему увеличивается на 7-45% относительно среднего значения для 1981-2000 гг. Чувствительность частоты молний к изменению приповерхностной температуры атмосферы на глобальном уровне оценена равной 8-9%/К. Для оценки глобальных и региональных изменений климата в течение последних 10 тысяч лет проведены численные расчеты с глобальной климатической моделью ИФА РАН. Расчеты выполнены с учетом изменений параметров орбиты Земли, потока солнечного излучения, оптической толщины стратосферных и тропосферных аэрозолей, содержания в атмосфере парниковых газов (CO2, CH4, N2O), площади распространения пастбищ и пашен и плотности населения. Получено, что изменения характеристик углеродного цикла малы на протяжении голоцена за исключением последних столетий, когда нарастающее антропогенное воздействие приводит к заметным изменениям.
18 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Исследование динамики и причин изменения состояния и экологии атмосферы
Результаты этапа: Рассмотрены эпизоды температурных аномалий и загрязнений атмосферного воздуха в г. Москве зимой и летом 2021 г. Выявлены особенности городского острова тепла при положительных и отрицательных аномалиях температуры воздуха. Получены характеристики аэрозольного и газового загрязнения воздушного бассейна г. Москвы при появлении волн тепла и сильных морозах. Выполнена оценка влияния природных пожаров и неблагоприятных метеорологических условий (НМУ) на загрязнение воздуха в городе Москве, детально рассмотрен случай аэрозольного загрязнения задымленной атмосферы московского региона в июле 2016 г. Получено, что основными индикаторами горения, исследуемыми работе, являются взвешенные частицы PM10 и PM2.5. Проведен анализ зависимости концентраций аэрозолей от скорости ветра в атмосферном пограничном слое (АПС). Установлено, что заток загрязненного воздуха из районов пожаров в Сибири и НМУ оказал существенное влияние на концентрации взвешенных веществ в атмосферном воздухе в г. Москве. Для оценки изменения состава городской атмосферы в Москве, связанного с введением в г. Москве режима повышенной готовности для борьбы с распространением короновирусной инфекции (2019-nCoV) с 30.03.2020, и соответствующего изменения величин эмиссий загрязняющих примесей атмосферы в указанный период на основе данных наблюдений сети станций «Мосэкомониторинг» (https://mosecom.mos.ru/) о содержании CO, NO, NO2, SO2, РМ2.5 и РМ10 оценены коэффициенты коррекции эмиссионной матрицы, задаваемой в качестве входных параметров для региональной химико-транспортной модели SILAM. С помощью модели выполнено несколько экспериментов с разными наборами эмиссий. Анализ результатов и их сопоставление с измерениями показал, что среднее изменение эмиссий в Москве для рассматриваемых примесей для 2020 года составило порядка 10--15 %. Установлено, что в периоды аномальных погодных условий, в присутствии стационарной воздушной массы над мегаполисом, величина модельных ошибок главным образом зависит от величины метеорологических параметров (высота пограничного слоя), определяющих перемешивание нижних слоев атмосферы. Успешно выполнена динамико-статистическая коррекция для расчетов модели SILAM. Проведён статистический анализ длительных непрерывных наблюдений профилей температуры и скоростей ветра в нескольких точках Московского мегаполиса и в загородной местности. Уточнены статистические оценки модельных пространственных вариаций температуры и скорости ветра по расчетам на мезомасштабной модели WRF с высоким пространственным разрешением для Московского региона. Проведено детальное сопоставление вариаций кинетической энергии турбулентности и статистик флуктуаций давления в АПС Московского мегаполиса по измерениям проведённым на физическом факультете МГУ, а также по измерениям на метеообсерватории в Cabauw (Нидерланды). Проведён анализ спектров межгодовой изменчивости приповерхностной температуры океана и давления на уровне моря в районе Эль-Ниньо 3.4 и изучена их связь с вариациями средней глобальной температуры по данным численного моделирования (модели проекта CMIP-6) на историческом (150 лет) и климатическом (1000 лет) масштабах времени. На основе нелинейной открытой аналитической трехслойной модели обтекания гор исследовано влияние учета верхних слоев атмосферы при моделировании орографических возмущений в тропосфере над горами среднего масштаба. Показано, что отражение волновой энергии от стратосферы и вышележащих слоев всегда далеко от полного, так что тропопаузу нельзя рассматривать в качестве жесткой границы. Выполнен очередной этап исследований закономерностей Новороссийской боры. Получены картины траекторий движения воздуха практически для всего диапазона основных характеристик натекающего потока перед горами. Получены подробные данные о возмущениях температуры над горами, о возможности появления роторных возмущений, о характере и величине скоростей у подветренного склона гор. Установлена зависимость данных скоростей от свойств натекающего потока, от учета влияния верхних слоев атмосферы и от особенностей формы гор. Проанализирован случай существования над горами Крыма многослойного облака, мощного по вертикали и протяженного по горизонтали, в течение более часа. Установлено, что облако существовало в гребнях волновых возмущений. Рассмотрено влияние эффективной частоты соударений электронов с нейтральными частицами и ионами на характеристики нормальных волн при наклонном распространении в неоднородной магнитоактивной ионосфере. Анализ рассчитанных дисперсионных кривых, показателей преломления и поглощения, лучевых траекторий, а также фазового пути и полного поглощения, выполненный для каждой из нормальных волн при различных углах входа луча в ионосферу, свидетельствует о необходимости учета высотной зависимости эффективной частоты электронных соударений для корректной интерпретации экспериментальных данных. В приближении геометрической оптики численно построены и проанализированы особенности лучевых траекторий для волн обыкновенной и необыкновенной поляризации при распространении на экваторе Земли. Найдены дисперсии флуктуаций и пространственные коэффициенты автокорреляции эйконала для каждой нормальной волны при различных углах входа в ионосферу. Построены высотные зависимости дисперсий эйконала на восходящих траекториях лучей. Структура пространственных коэффициентов корреляции эйконала показывает, что при рассеянии на изотропных неоднородностях пространственная автокорреляция эйконала для обоих типов волн в плоскости падения простирается на расстояния, значительно превышающие радиус корреляции случайных неоднородностей электронной плотности. Таким образом, рефракция при наклонном падении волн и рассеянии на изотропных неоднородностях приводит к анизотропии флуктуаций эйконала обоих типов волн. На основе серии физических экспериментов по исследованию вертикальной изменчивости влажности на различных уровнях от поверхности испарения получена оценка периодичности этой изменчивости при разных температурах воды и воздуха. Наиболее выраженный период на нижнем уровне при разности температур вода-воздух от 2.5 до 3.6° C (вода холоднее воздуха) составил 15--20 секунд. Разработана стационарная вычислительно эффективная схема ChAP-1.0 (Chemical and Aerosol Processes, version 1.0) для воспроизведения цикла серы в тропосфере, предназначенная для включения в климатическую модель (КМ) ИФА РАН--МГУ. Схема эффективно воспроизводит характеристики тропосферного цикла серы, известные из различных источников информации. В схеме около половины выделяемого диоксида серы осаждается на поверхность, а остальная часть окисляется в сульфаты, которые, в свою очередь, главным образом удаляются из атмосферы влажным осаждением. Время жизни диоксида серы и сульфатов в атмосфере близко к 1 сут. и 5 сут. соответственно. ChAP может быть использована для моделирования антропогенного загрязнения атмосферы серой на больших пространственных и временных масштабах. По данным расчётов с семью моделями земной системы ансамбля CMIP6 (Coupled Models Intercomparison Project, phase 6) при различных сценариях воздействия на климат семейства Shared Socioeconomic Pathways (SSP) выполнен анализ влияния климатической изменчивости на интенсивность фотосинтеза экосистем субполярных регионов суши, в которых распространены многолетнемёрзлые почвогрунты, и выделения углеродсодержащих парниковых газов из почвы. Ансамблевая статистика построена с использованием байесового осреднения с заданием данных машинного обучения GPP (полной первичной продукции) для 2000--2016 гг. в качестве эталонных. Получено, что среднее значение GPP по ансамблю CMIP6 в районах суши, покрытых вечной мерзлотой, увеличивается с 3-4 ПгС/год в 2000--2016 гг. до 4--6 ПгС/год (6--8, 7--10, 8--12 ПгC/год) по сценарию SSP1-2.6 (SSP2-4.5, SSP3-7.0, SSP5-8.5, соответственно). Межмодельные различия запаса углерода в почве слишком велики для построения значимой ансамблевой статистики.
19 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Исследование динамики и причин изменения состояния и экологии атмосферы
Результаты этапа:
20 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Исследование динамики и причин изменения состояния и экологии атмосферы
Результаты этапа:
21 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Исследование динамики и причин изменения состояния и экологии атмосферы
Результаты этапа:
22 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Исследование динамики и причин изменения состояния и экологии атмосферы
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".