Том 55, № 6 (2019)

Российские исследования в области атмосферных наук и метеорологии в 2015–2018 гг.

Представлен обзор результатов российских исследований средней атмосферы в 2015–2018 гг., подготовленный Комиссией по средней атмосфере Секции метеорологии и атмосферных наук Национального геофизического комитета для Национального отчета по метеорологии и атмосферным наукам к XXVII Генеральной ассамблее Международного союза геодезии и геофизики (Канада, 2019 )^*.

Обзор содержит наиболее значимые результаты работ российских ученых в области исследований атмосферного электричества в 2015–2018 гг. Он является частью Национального отчета России по метеорологии и атмосферным наукам, подготовленного для Международной ассоциации по метеорологии и атмосферным наукам (IAMAS). Отчет был рассмотрен и одобрен на XXVII Генеральной ассамблее Международного геодезического и геофизического союза (IUGG) ¹. К обзору прилагается список основных публикаций российских ученых за 2015–2018 гг., посвященных исследованиям атмосферного электричества.

Современный климат нашей планеты характеризуется не только трендом, обусловленным ростом в атмосфере концентрации парниковых газов, но и колебаниями, охватывающими широкий диапазон частот и масштабов. Изменчивость глобального климата, рассчитанная по данным результатов моделирования в рамках пятой фазы проекта по взаимному сравнению совместных моделей Всемирной программы исследования климата, имеет значительные межмодельные расхождения. В частности, для декадных аномалий глобальных и полусферных температур межмодельные отличия стандартного отклонения достигают четырехкратной величины. Однако в отличие от межмодельных расхождений чувствительности климата, причины, обуславливающие широкий диапазон оценок климатической изменчивости, до сих пор остаются не совсем понятными. В статье на основе двухкомпонентной энергобалансовой стохастической модели выполнен анализ чувствительности межгодовой и междекадной изменчивости среднеглобальной приповерхностной температуры воздуха (ПТВ) к обратным связям и тепловой инерции системы «атмосфера–океан» в предположении, что основным внешним воздействуюшим фактором являются случайные флуктуации радиационного баланса на верхней границе атмосферы. С помощью полученных в статье абсолютных и относительных функций чувствительности оценено влияние тепловой инерции и обратных связей в климатической системе на межгодовую и междекадную изменчивость (дисперсию) ПТВ и спектр ее флуктуаций.

Установлено существование связей между кинематическими характеристиками ветра (максимальная скорость и его ускорение) в тропическом циклоне и значениями аномалий силы тяжести (вертикальной и горизонтальных составляющих, соответственно ВАСТ и ГАСТ) вдоль траекторий перемещения тропических циклонов. Показано, что изменения ВАСТ и скорости ветра в целом близки в противофазе и, в определенной мере, качественно коррелируют. Анализ ускорений ветра и соответствующих значений ВАСТ не выявил четкого соответствия в их сопоставлении. Изменения значений ГАСТ близки к изменениям скорости ветра и на качественном уровне они хорошо коррелируют за исключением выхода ТЦ на сушу и перемещения ТЦ по высокоаномальному району. Сопоставление изменений максимальной скорости и ускорения ветра с изменениями значений ГАСТ выполнено впервые.

Изучается меридиональная структура климатических трендов и аномалий потенциальной температуры и солености вод Северной Атлантики в различные периоды Атлантической мультидекадной осцилляции (АМО) за 1948–2017 гг. по данным объективных анализов EN4 и WOA2013. При анализе этих разных массивов данных выявлены практически одинаковые закономерности изменчивости термохалинных полей Северной Атлантики, что повышает достоверность полученных результатов. Рассчитанные за 1948–2017 гг. долгопериодные тренды изменений температуры и солености показывают, что в верхнем ~1-км слое Северной Атлантики происходит потепление и осолонение вод. В глубинных же слоях, наоборот, наблюдается их похолодание и распреснение, что связывается с таянием льдов Гренландии, выносом распресненных вод из Северного Ледовитого океана и затягиванием этих холодных и более пресных вод в глубинные слои. Композитный анализ зонально-осредненных детрендированных аномалий температуры и солености вод Северной Атлантики показал, что в теплые периоды АМО по сравнению с холодными, как для данных EN4, так и для WOA2013, наблюдается потепление и осолонение в верхнем 1-км слое Северной Атлантики, а ниже 1-км слоя наблюдаются значительные области похолодания и распреснения, причем такое распределение более ярко проявляется в данных EN4. Анализ динамики зонально-осредненных аномалий температуры и солености в последовательные периоды, приуроченные к временно́й изменчивости индекса АМО, выявил, что эти аномалии распространяются по ходу зонально осредненной меридиональной термохалинной циркуляции. Чтобы показать это, с помощью модели океана INMOM (Institute of Numerical Mathematics Ocean Model), была рассчитана функция тока атлантической меридиональной опрокидывающейся циркуляция (АМОЦ). Показано, что положительные и отрицательные аномалии как температуры, так и солености циркулируют по ходу движения вод в АМОЦ вокруг ее ядра, опускаясь в глубинные слои океана примерно на 60° N и поднимаясь на поверхность на 25° N, сменяя друг друга с периодом около 60 лет. Можно предположить, что благодаря этому формируются и сами теплые и холодные фазы АМО.

В работе решается задача о распространении локализованного внутреннего возмущения в виде осциллирующего волнового пакета (бризера) первой моды в трехслойной жидкости с неровным дном в виде сглаженной ступеньки. Исследование проводится методами численного моделирования в рамках полнонелинейной двумерной (вертикальная плоскость) системы уравнений Навье–Стокса. Проведен цикл расчетов для различных ширины и высоты донного уступа. Неоднородность среды приводит к трансформации волнового поля с формированием слабых отраженных волн старших мод и прошедших в область меньших глубин одного либо двух полнонелинейных бризеров первой моды. Путем анализа линейной устойчивости в терминах чисел Ричардсона и Фруда выявлено, что потенциально неустойчивые области возникают при наименьших значениях ширины уступа. Проведен амплитудный и энергетический анализ вторичных отраженных нелинейных волн. Проанализирован модовый состав полнонелинейного волнового поля. Показано, что первая мода дает наибольший вклад в вертикальную структуру полнонелинейного пакета, однако заметен вклад четвертой, второй и третьей мод.

Исследуется аномальный перенос пассивной примеси при возбуждении нестационарных цепочек волновых структур с замкнутыми линиями тока в баротропном струйном течении, моделирующем мезомасштабные зональные течения в атмосфере и океане Земли и в лабораторных экспериментах. Анализ проводится в рамках динамической модели, описывающей насыщение баротропной неустойчивости струйного течения в канале между жесткими стенками с учетом бета-эффекта и внешнего трения. Уравнения баротропного течения решаются численно с помощью псевдоспектрального метода. Показано, что генерация высоких мод в струе с «двугорбым» профилем скорости приводит к ускоренному переходу к сложной динамике, на начальной стадии которого возникает мультигармонический режим с дискретным спектром. Вычислены показатели степенных зависимостей от времени среднего (по ансамблю) смещения частиц-трассеров и его дисперсии в основных режимах генерации волновых структур, подтверждающие наличие аномальной диффузии примеси. Получена автомодельная плотность вероятности смещения частиц и выяснена зависимость перехода к сложной динамике от числа вихрей в цепочке и величины бета-эффекта. Приводятся численные оценки, подтверждающие возможность генерации нестационарных вихревых цепочек и связанного с ними переноса пассивной примеси.