Том 55, № 5 (2019)

В работе формулируется метод динамико-стохастической параметризации балла неконвективной облачности в модели общей циркуляции атмосферы. Предложенный алгоритм исследуется на основе модели общей циркуляции атмосферы с заданной температурой поверхности океанов. Результаты расчетов сравниваются с данными спутниковых наблюдений и с результатами расчетов балла облачности, выполненными с помощью совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана высокого разрешения. Приведенные результаты показывают несомненную перспективность данного подхода.

На примере анализа экстремального понижения температуры в Москве в январе 2017 г. изучается горизонтальная и вертикальная протяженность городского острова тепла на фоне сильной устойчивой стратификации пограничного слоя атмосферы. Исследуются возможности измерения и мониторинга вертикальной структуры атмосферы средствами наземного дистанционного зондирования. Демонстрируются способности мезомасштабной модели WRF, адаптированной для детального описания процессов перемешивания в атмосферном пограничном слое, в воспроизведении пространственной динамики аномалии температуры. Численные оценки амплитуды и вертикальной протяженности городского острова тепла сравниваются с точностью измерений и общими ошибками численных прогнозов. Сопоставление данных измерений и результатов численного моделирования на модели WRF, на примере зимнего городского острова тепла в январе 2017 г. показало, что мезомасштабные синоптические модели пока хорошо улавливают лишь основные черты городского острова тепла. Но отклонения между модельными и наблюдаемыми полями температур могут достигать 5 °C.

В статье рассматривается взаимодействие волн Россби со струйным зональным течением. Предложен новый теоретический подход, где в рамках нелинейной теории показано, что нелинейность в длинноволновом приближении в точности компенсирует доплеровский сдвиг. Это позволяет получить новое дисперсионное соотношение для волн Россби на струйном потоке. На примере проявления волн Россби в Антарктическом циркумполярном течении (АЦТ) данная теория верифицируется при помощи данных спутниковой альтиметрии. Для области, расположенной в зоне АЦТ, проводится сравнение эмпирических скоростей, рассчитанных по альтиметрическим данным, и теоретических фазовых скоростей волн, определенных по нелинейному дисперсионному соотношению с использованием эквивалентного β-эффекта. Сравнение показывает, что полученное в рамках нелинейного подхода новое дисперсионное соотношение позволяет описать перемещение, как в западном, так и в восточном направлении, мезомасштабных вихрей в поле аномалий уровня, идентифицируемых, как волны Россби.

Предложена простая модель развития субмезомасштабных возмущений в атмосферном пограничном слое (АПС). Рост возмущений связан со сдвиговой алгебраической неустойчивостью профиля скорости ветра в АПС. Поиск оптимальных значений таких возмущений (стриков) позволяет решить задачу об оценке их масштабов, которые оказываются порядка 100–200 м по вертикали и 300–600 м по горизонтали. Подобные масштабы отмечаются и для экспериментальных данных о структуре поля ветра в нижней части АПС, полученных в летнее время в 2017, 2018 гг. на Цимлянской научной станции ИФА им. А.М. Обухова РАН при акустическом зондировании атмосферы доплеровским трехкомпонентным минисодаром высокого разрешения.

Разработаны математические модели и проведены расчеты переноса коротких оптических импульсов через облачный слой в космос. В качестве основных переменных параметров облачного слоя выбраны его оптическая и геометрическая толщины в вертикальном направлении. Изучена физическая картина формирования амплитудно-временных характеристик поля излучения. Показано, что наличие облачного слоя приводит к формированию вторичного источника на верхней границе облака и к существенному искажению временной формы исходного импульса.

Развивается модель общей циркуляции океана (МОЦО) ИВМ РАН с встроенной в нее k-омега моделью вертикального турбулентного обмена на основе уравнений для кинетической энергии турбулентности k и частоты диссипации энергии омега. От частот плавучести и сдвига скорости, рассчитываемых в МОЦО, зависит решение k-омега модели; а от k и омега — коэффициенты вертикальной турбулентности. Численные алгоритмы обеих моделей основаны на методе расщепления по физическим процессам. Уравнения k-омега модели расщепляются на два этапа, описывающих трехмерный перенос-диффузию кинетической энергии турбулентности k и частоты омега и их локальную генерацию-диссипацию. Возникающая на втором этапе система обыкновенных дифференциальных уравнений решается аналитически, что обеспечивает экономичность алгоритма. Выписывается также аналитическое решение уравнения для коэффициента вертикальной турбулентности. Модель применяется для изучения чувствительности модельной циркуляции Северной Атлантики – Северного Ледовитого океана к вариациям параметров вертикальной турбулентности. Эксперименты показывают, что, варьируя коэффициенты аналитического решения k-омега модели, можно повысить адекватность моделирования. Дано предварительное сравнение особенностей k-омега и k-эпсилон моделей турбулентности при использовании метода расщепления в случае применения их в МОЦО.

Цель работы заключается в получении оценок и параметризации скорости диссипации кинетической энергии турбулентности (СДТ) ε в верхнем слое жидкости, обусловленной наличием ветровых волн на поверхности. Для этого использованы данные лабораторных измерений ветрового волнения и трех компонент течений на шести горизонтах в верхнем слое воды при четырех различных ветрах, выполненных в ветро-волновом канале ИПФ РАН [1, 2]. Установлено, что для большинства горизонтов на частотных спектрах S_Uz( f ) вертикальной компоненты скорости течения, наведенного ветром и волнами, четко просматриваются участки колмогоровского типа вида  С использованием алгоритмов, описанных в [3, 4], этот факт позволяет получить оценки СДТ на соответствующих горизонтах, а затем установить зависимость ε от скорости трения u_*, высоты волн на поверхности a₀, частоты пика спектра ω_p, и глубины горизонта z. Анализ полученных результатов позволяет (для имеющихся данных) предложить параметризацию вида ε ≈ 0.00025 для которой предложена физическая интерпретация.