Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2024 номер 9

Трехмерные модели переноса и трансформации примеси позволяют учитывать вертикальную неоднородность атмосферных процессов. Однако их использование требует задания большого количества параметров и существенных вычислительных ресурсов для проведения расчетов, особенно при решении обратных задач и задач усвоения данных. Представлен новый алгоритм усвоения данных для трехмерной модели переноса и трансформации примесей с неизвестными источниками, в котором используется подход на основе операторов чувствительности и ансамблей решений сопряженных уравнений, реализованный в системе обратного моделирования IMDAF для вычислительных комплексов с распределенной памятью. При тестировании на реалистичном сценарии для Байкальского региона алгоритм позволил по данным интегральных измерений по вертикали, моделирующим результаты дистанционного зондирования, уменьшить ошибку расчета поля концентрации примесей на 15%. При дополнительном указании уровня расположения источника по вертикали ошибка расчета поля концентраций сократилась на 93%, ошибка задания функции источника - на 85%.

Изотопный состав атмосферных осадков является гидрологическим индикатором конвективных процессов и часто используется для реконструкции палеоклимата. Интересным представляется рассмотреть, как изменяется изотопный состав атмосферных осадков при прохождении мезомасштабных конвективных систем (МКС). В работе представлены результаты исследования изменений значений изотопного состава кислорода (δ¹⁸О) и водорода (δD) в атмосферных осадках, выпавших в г. Томске в период прохождения МКС в 2016-2021 гг. Установлено, что в осадках МКС значения δ¹⁸О варьировались в диапазоне от -14,98 до +0,03‰ со средним значением -9,9 ± 3,2‰; δD изменялось от -99,2 до -16,71‰ со средним значением -65,1 ± 22,3‰. Связь между δ¹⁸О и δD в осадках МКС описывается уравнением δD = 5,45δ¹⁸O - 11 ( R ² = 0,62), коэффициенты регрессии позволяют сделать вывод о преобладающем влиянии испарительного фракционирования на формирование изотопного состава осадков. Выявлено, что относительно высокие значения δ¹⁸О и δD соответствовали неорганизованной конвекции, а с увеличением площади МКС изотопный состав характеризовался более низкими отношениями изотопов. На основе анализа обратных траекторий движения воздушных масс, по данным индексов конвективной неустойчивости, спутникового зондирования, грозопеленгационной сети World Wide Lightning Location Network (WWLLN) выявлены регионы - источники влаги формирующие осадки МКС - это подстилающая поверхность и мелководные водоемы степной зоны юга Западной Сибири и Северного Казахстана. Результаты исследования могут быть полезны при моделировании конвекции в климатических моделях и лучшего понимания вариаций изотопов в различных палеоархивах для регионов с конвективной активностью.

Информация о водозапасе облаков (ВО) необходима для решения многих задач физики атмосферы, включая глобальное и региональное моделирование климата, прогноз погоды, а также моделирование гидрологического цикла. Представлены результаты определения контраста ВО «суша-море» из спутниковых измерений прибором SEVIRI над сушей и водными объектами на севере Европы в регионе, охватывающем Рижский и Финский заливы Балтийского моря, а также озера: Ладожское, Онежское, Псковское, Чудское, Ильмень и Сайма. При исследовании суточного хода контраста ВО над некоторыми водными объектами были обнаружены два максимума, наблюдающиеся почти симметрично относительно полудня по шкале времени UTC. В подавляющем большинстве случаев они фиксировались в точках измерений в Рижском и Финском заливах Балтийского моря. Предположительно, данные максимумы являются артефактом наблюдений, обусловленных эффектом «облачной радуги». Расчеты угла рассеяния для спутниковых измерений в рассмотренных точках подтверждают данный вывод. Обсуждается проблема отбраковки и анализа данных, которые получены в условиях, когда возможно появление мешающего сигнала из-за эффекта «облачной радуги». Предложенный подход к анализу данных и полученные результаты могут быть использованы для оценки качества измерений ВО прибором SEVIRI в различных районах земного шара.

Климат горных территорий изучен значительно меньше, чем равнинных. Предложенная нами модель распределения характеристик поля температуры нижней тропосферы над Кавказом позволяет оценить тепловые ресурсы горных территорий. На основе данных температурного зондирования на шести аэрологических станциях на высотах 1500, 3000 и 5000 м методами регрессионного и статистического анализа построены поля температуры и ее вертикальное распределение. Приводятся среднемесячные многолетние характеристики полей температуры в нижней тропосфере. Исследовано влияние орографических условий на формирование температурного режима. Использование аэроклиматических показателей температуры воздуха позволяет косвенным способом с помощью станций-аналогов оценивать тепловые ресурсы для более рационального их использования в хозяйственной деятельности.

Реакция лесных экосистем на меняющиеся климатические условия является темой многих исследований. В настоящей работе через климатические параметры выяснялось влияние Североатлантического колебания (САК) на некоторые виды деревьев, произрастающие в районе г. Томска (юго-восток Западной Сибири). С использованием лазерного оптико-акустического газоанализатора получены хронологии газовых проб СО₂, (СО₂ + Н₂О), извлеченных под вакуумом из колец спилов ряда хвойных и лиственных деревьев. Анализ хронологии САК, полученных газовых хронологий и климатических параметров показал следующее: 1) температура воздуха в районе г. Томска значимо коррелирует с индексом САК; 2) кросс-спектральный анализ хронологий газовых составляющих спилов лиственных деревьев с температурой воздуха за вегетационный период указывает на наличие когерентных колебаний в области четырехлетнего цикла; 3) обнаружено непосредственное влияние САК на параметры деревьев: найдены коэффициенты корреляции индекса САК с хронологиями СО₂, (СО₂ + Н₂О) и шириной колец шести спилов деревьев (из восьми). Сделан вывод, что САК может влиять на жизнедеятельность некоторых видов деревьев лесов Сибири (на четырехлетнем временном масштабе). Результаты работы могут быть использованы при изучении биосферно-атмосферных процессов для учета влияния на лесные экосистемы удаленных источников вариации атмосферного давления.

Современные изменения глобального климата сопровождаются ростом температуры воздуха и почвы. Как они отражаются на почвенном дыхании и следует ли ожидать изменение эмиссии парниковых газов? На эти вопросы невозможно ответить без исследования газообмена почвы и атмосферы. В настоящей работе приводятся результаты анализа удельных потоков парниковых газов на границе раздела «почва - атмосфера», измеренных в обсерватории «Фоновая» в 2023 г. Для измерения потоков были использованы три статические камеры: прозрачная и непрозрачная - на участках почвы с растительностью, и еще одна прозрачная - на участке почвы без растительности. Для СО₂ и СН₄ был зафиксирован устойчивый сток в течение всего вегетационного сезона, для N₂O, наоборот, - слабая положительная эмиссия. Устойчивый сток углекислого газа из атмосферы наблюдался в период с мая до середины августа, его величина достигала -600 мг × м^-2 × ч^-1 в июне и июле, а величина стока метана составляла -0,08 мг × м^-2 × ч^-1. Поток закиси азота колебался вблизи нуля, а его среднесуточные вариации почти укладывались в коридор ± 0,02 мг × м^-2 × ч^-1. Установлена нелинейная положительная зависимость увеличения интенсивности дыхания экосистемы, т.е. эмиссии СО₂, от температуры почвы. Для метана получены линейные отрицательные зависимости во всех трех камерах - рост температуры почвы усиливает его поглощение. У N₂O очень слабые положительные зависимости в обеих прозрачных камерах (с растительностью и без нее). Оценки вклада эмиссии CO₂ из почвы показали, что в ночное время микробное дыхание может вносить вклад в общее дыхание экосистемы от 46,7 до 77,9%. В среднем за сутки доля поглощения метана почвой, обусловленного диффузией и свободной метанотрофией, изменяется от 5,3 до 48,3%. Меньше она становится в дневное время и увеличивается в ночное. Вклад почвы без растительности в общую эмиссию N₂O может составлять до 92,3%. Полученные результаты должны расширить сведения о газообмене «почва - атмосфера» в условиях меняющегося климата.

Интерес к исследованиям аэрозоля в Арктике обусловлен большой динамикой климатических процессов и активным экономическим освоением этого региона. Имеющихся в настоящее время полярных станций недостаточно для определения пространственного распределения аэрозоля над территорией Северного Ледовитого океана (СЛО). В настоящей работе на основе результатов многолетних исследований в Евразийском секторе СЛО (19 судовых экспедиций в 2007-2023 гг.) выполнено статистическое обобщение объемных концентраций мелко- и грубодисперсного аэрозоля ( V_f , V_с ) в приводном слое и аэрозольной оптической толщи (АОТ) атмосферы. Среднее значение АОТ (0,5 мкм) составило 0,061 при показателе Ангстрема 0,9; концентраций мелко- и грубодисперсного аэрозоля - 0,35 и 2,5 мкм³/см³ соответственно. Самое большое содержание мелкодисперсного аэрозоля в атмосфере над Норвежским и Баренцевым морями. Пространственное распределение характеризуется спадом концентраций в северном и восточном направлениях: от Баренцева моря до Чукотского средние значения V_f уменьшаются в 1,7 раза (от 0,43 до 0,26 мкм³/см³). В пространственном распределении грубодисперсного аэрозоля отмечены очень высокие концентрации в юго-западной части Карского моря: среднее значение V_с составляет 4,18 мкм³/см³. Содержание грубодисперсного аэрозоля в Карском море уменьшается в восточном и западном направлениях в несколько раз. Представленные результаты могут быть использованы при планировании экономического развития Арктического региона и для совершенствования климатических моделей.

Представлены результаты исследования влияния атмосферной циркуляции на динамику абляции Сыгыктинского ледника (хребет Кодар). Проанализировано воздействие синоптических условий на уровне изобарической поверхности 700 гПа на метеорологический режим и таяние ледника в сезон абляции 2021 г. Всего методом Дженкинсона и Коллисона классифицировано 15 типов погоды. Выяснено, что наиболее повторяющимися типами являются циклоны (24%) и антициклоны (20%). Выявлена зависимость метеорологических условий на леднике от типов погоды. Антициклонические типы характеризуются высокими температурами, низкой относительной влажностью и облачностью. При циклонических типах наблюдаются обратные соотношения. Выяснено, что радиационный режим на леднике и скорость его таяния зависят от синоптических условий. Наибольший вклад в таяние вносят антициклонические типы погоды (44% суммарной абляции), а наименьший - циклонические (26%). Радиационный баланс ледника в антициклонах больше, чем в циклонах, в 2-2,5 раза, а скорость абляции - в 1,6-1,8 раза. Резкие различия между потоками энергии, расходуемой на таяние ледника при разных синоптических ситуациях, объясняются влиянием облачности. Соотношение режимов атмосферной циркуляции над Кодаром существенно влияло на скорость дегляциации кодарских ледников в последние десятилетия. Результаты работы помогут в решении проблемы прогнозирования будущих климатических изменений горных ледников.

Отсутствие в настоящее время адекватной оптической модели перистых облаков значительно затрудняет интерпретацию данных наземных и космических лидаров и, как следствие, создает недостаток актуальной информации для задач моделирования климата и ежедневного прогноза погоды. Существующие оптические модели, как правило, разработаны в предположении, что ледяные кристаллы в перистых облаках имеют идеальную форму, но это в большинстве случаев не соответствует действительности. В настоящей статье предложена оптическая модель облака, состоящего из наиболее распространенных частиц неправильной формы - полых гексагональных столбиков. Модель построена для реального распределения частиц в облаке по глубине полости и размерам. Также рассмотрен случай смеси в облаке идеальных и полых гексагональных столбиков, что существенно улучшает достоверность модели. Полученная оптическая модель имеет важное прикладное значение для задач лазерного зондирования атмосферы.

Создание средств дистанционного обнаружения турбулентности в ясном небе (ТЯН) для заблаговременного оповещения экипажа воздушного судна об опасности сегодня представляется особенно актуальным. В настоящей работе описаны конструктивные и технические особенности турбулентного лидара УОР-6, предназначенного для экспериментальной проверки метода зондирования ТЯН. Описана процедура юстировки лидара. Качество сборки и юстировки проверялось сопоставлением теоретического расчета с реальными эхосигналами. Проведено тестирование системы на термомеханическую устойчивость. В перспективе совершенствование турбулентного лидара позволит заблаговременно обнаруживать ТЯН с борта воздушного судна и дистанционно с земли контролировать интенсивность турбулентности в пограничном слое атмосферы, например, на глиссаде в аэропортах.

Озон является сильнейшим окислителем, поэтому контроль состояния озоносферы - одна из важнейших задач обеспечения безопасности жизни и здоровья человека. Для исследования озона существует ряд методов, среди которых особое место занимает лидарный метод дистанционного обнаружения и идентификации с использованием селективного поглощения лазерного излучения, обладающий максимальной чувствительностью. В ИОА СО РАН решили задачу контроля всей озоносферы над Томском с помощью объединения действующих лидарных систем - трех лидарных систем Сибирской лидарной станции и мобильного озонового лидара - в новый лидарный комплекс для зондирования озона в расширенном диапазоне высот от 0,1 до 45 км. Комплекс позволяет исследовать озоносферу методом дифференциального поглощения и рассеяния, а также аэрозольные поля методом однократного упругого рассеяния. В лидарном комплексе используются Nd:YAG-лазеры фирм SOLAR и LOTIS TII, XeCl-лазер фирмы Lambda Physik, а также приемные телескопы системы Кассегрена диаметром 0,35 м и Ньютона диаметром 0,5 м. Лидары работают в режиме счета фотонов и регистрируют сигналы с пространственным разрешением от 1,5 до 160 м на длинах волн зондирования 299/341 нм на высотах ~ 0,1-12 и ~ 5-20 км, а также на длинах волн 308/353 нм в диапазоне высот ~ 15-45 км. В статье представлены результаты восстановления вертикального профиля концентрации озона. Впервые в России выполнены измерения озона от приземного слоя до 45 км на базе нового лидарного комплекса, сформированного из трех лидаров. Результаты работы лидарного комплекса могут быть использованы для корректировки квазитрехлетней модели вертикального распределения концентрации озона и аэрозоля, для сопоставления лидарных и спутниковых данных, оценки влияния климатообразующих факторов на атмосферу Западной Сибири.

Изучение пространственно-временной структуры оптической турбулентности и развитие методов определения ее характеристик на разных высотах в атмосфере имеют большое значение для астрономической адаптивной оптики. Схема системы адаптивной оптики и технические характеристики ее компонент в зна­чительной степени определяются оптической турбулентностью по лучу зрения телескопа. В настоящей работе модифицирован метод определения вертикальных профилей структурной характеристики турбулентных флуктуаций показателя преломления воздуха. На основе данных реанализа атмосферы ERA5 с помощью данного метода получены статистически репрезентативные вертикальные профили структурной постоянной турбулентных флуктуаций показателя преломления воздуха и внешнего масштаба турбулентности для места расположения Большого солнечного вакуумного телескопа (БСВТ). Обсуждается проблема определения профилей внешних масштабов турбулентности с учетом данных приземных мачтовых микрометеорологических и оптических измерений на БСВТ. Полученные результаты являются основой для построения много­зеркальной системы адаптивной оптики на БСВТ, в частности профили важны для дальнейшего уточнения высот оптического сопряжения. Предлагаемые подходы могут быть использованы при описании оптической турбулентности и над другими солнечными телескопами наземного базирования.