Том 59, № 2 (2023)

Город оказывает значительное воздействие на окружающую среду, формируя такие микроклиматические особенности как городской остров тепла, усиление интенсивности конвективных метеорологических явлений и др. эффекты. Численные модели прогноза погоды с блоком описания взаимодействия урбанизированных поверхностей с атмосферой – городской параметризацией – в целом успешно воспроизводят метеорологические особенности городского пограничного слоя. К настоящему времени обзорные статьи, обобщающие сведения по параметризациям городской поверхности, по большей части уже устарели, либо не в полной мере охватывают аспекты используемых в моделях методов описания отдельных физических процессов. Работа посвящена актуализации существующих обзоров городских параметризаций, сравнению используемых подходов к описанию процессов энерго- и массообмена урбанизированных территорий с атмосферой и формированию предложений по их улучшению. Выделены основные группы физических процессов, учитываемых при описании взаимодействия между городской поверхностью и атмосферой, – тепловой баланс поверхности, радиационный теплообмен поверхности с атмосферой, баланс влаги на поверхности, турбулентный тепло- и влагообмен в городском подслое, антропогенные источники тепла и влаги. Изложены основные подходы к параметризации физических процессов, определенных в рамках каждого блока. Сформулированы современные тенденции развития городских параметризаций: 1) последние 10 лет наблюдается усложнение параметризаций за счет добавления новых физических механизмов: процессов переноса тепла и его источников внутри зданий, трехмерной структуры городской растительности; вводится явное вертикальное разрешение при расчете турбулентных потоков и основных метеорологических величин; 2) существенно меньше внимания уделяется пересмотру устаревших эмпирических формул, часто полученных на основе единичных натурных или лабораторных экспериментов. Предложены пути улучшения городских параметризаций за счет уточнения базовых зависимостей, используемых главным образом при расчете турбулентных потоков, в частности, с помощью результатов вихреразрешающего моделирования городского пограничного слоя, которое с ростом вычислительных мощностей все чаще используется для явного моделирования обмена теплом и импульсом между атмосферой и элементами городской среды.

В рамках дискретной квазигеострофической модели с двумя вертикальными уровнями решена задача о линейной устойчивости течения стратифицированной вращающейся жидкости с постоянными вертикальным и горизонтальным сдвигами скорости. Показано, что учет горизонтального сдвига приводит к качественному изменению динамики неустойчивых волновых возмущений. Основная особенность связана с эффектом временного экспоненциального роста неустойчивых возмущений, т.е. роста на конечном временном промежутке. Этот эффект проявляется в чередовании стадий гладкого осциллирующего поведения (во времени) со стадиями экспоненциального (взрывного) роста конечной продолжительности. Дана кинематическая интерпретация эффекта временного экспоненциального роста, связанная с прохождением зависящего от времени волнового вектора возмущения через область экспоненциальной неустойчивости, существующей в отсутствие горизонтального сдвига. Показано, что в математическом плане этот эффект описывается решениями дифференциального уравнения второго порядка, содержащего точки поворота. Приведены асимптотические решения уравнения при слабых горизонтальных сдвигах.

Азотная кислота (HNO₃) в атмосфере оказывает значительное влияние на формирование озонового слоя, поэтому ее содержание регулярно измеряется с помощью различных локальных и дистанционных методов. Для получения информации о содержании HNO₃ в различных слоях атмосферы на наблюдательной станции NDACC St. Petersburg в Петергофе мы использовали наземные измерения спектров солнечного ИК-излучения Фурье-спектрометром Bruker 125HR. Полученные ряды значений HNO₃ продемонстрировали ярко-выраженный сезонный ход с максимумом зимой и ранней весной и с минимумом летом и ранней осенью. Вариации среднего сезонного хода азотной кислоты относительно средних за период 2009–2022 гг. величин менялись от –30 до +60%, от –25 до +25% и от –25 до +30% для слоев 0–15 км, 15–50 км и 0–50 км, соответственно. При этом не было выявлено статистически значимых трендов в рассматриваемых рядах данных. Сопоставление величин стратосферного содержания HNO₃ с данными независимых спутниковых измерений приборами MLS и ACE-FTS показало их качественное и количественное согласие; коэффициент корреляции между наземными и спутниковыми измерениями HNO₃ составил 0.88–0.93. Полученные данные по вертикальной структуре содержания азотной кислоты могут быть использованы как для анализа состояния озоносферы, так и для валидации спутниковых измерений и уточнения параметров атмосферных моделей.

Рассматривается развитие вариационного метода решения задачи квазигеострофической динамики в двухслойном периодическом канале. Развитие метода состоит в следующем. Во-первых, обобщается формулировка вариационной задачи: в вектор управления включается коэффициент турбулентного обмена квазигеострофического потенциального вихря (КГПВ). Во-вторых, область решения точнее описывает размеры Антарктического кругового течения (АКТ). Используя выделение зонального переноса и разложение решения в ряд Фурье, задача сводится к нелинейной системе обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ) по времени. Двухсвязность области приводит к тому, что решение ОДУ должно удовлетворять дополнительному стационарному соотношению, определяющему расход АКТ. Вариационный алгоритм сводится к решению системы прямых и сопряженных уравнений, минимизирующему квадратичную погрешность стационарного соотношения. Коэффициент турбулентного обмена КГПВ определяется в процессе решения оптимальной задачи. Расчеты проводятся для периодического канала, имитирующего акваторию АКТ в Южном океане. Изучаются характеристики стационарных режимов течений при разных значениях модельных параметров. Типичной является синусоидальная циркуляция в обоих слоях с линейным переносом по ветру, зависящая от рельефа дна. В некоторых случаях под синусоидальной, в нижнем слое, формируется ячеистая циркуляция, а иногда возникает противотечение. При этом решение оптимальной задачи характеризуется низкой величиной коэффициента турбулентной вязкости и малым расходом течения в нижнем слое.

В 1982 году Ш. Лавджой опубликовал иллюстрацию к предложению Б. Мандельброта о том, как охарактеризовать отношение площади к периметру для сложных плоских форм. Было обнаружено, что показатель степени такого фрактала для определяемых спутниками и радарами дождевых облаков составляет 1.35, что близко к 4/3. Позднее оказалось, что такой же показатель степени характерен и для серебристых облаков. Такое значение может быть связано с классической теорией турбулентности 1941 года. Выявлена роль предфрактальных множителей, образующих пару особенных инвариантов для облачных полей и безразмерные числа самоподобия для облачных полей размеров \(1 - {{10}^{6}}\,\,{\text{{к}}}{{{\text{{м}}}}^{2}}.\)