Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2026 номер 2

Настоящий выпуск журнала «Оптика атмосферы и океана» включает статьи, написанные по материалам докладов, которые были представлены на Международном симпозиуме по атмосферной радиации и динамике МСАРД-2025.

Атмосферные аэрозоли являются значимым фактором изменения радиационного баланса, особенно для таких территорий, как Центральная Сибирь, где продуцируется значительное количество дисперсных частиц за счет различных техногенных и биогенных источников. Однако параметры и сезонная динамика аэрозольного радиационного форсинга в этом регионе исследованы недостаточно. Представлены результаты оценки эффективности аэрозольного радиационного форсинга ( RFE ) для атмосферы Центральной Сибири по данным измерений объемных аэрозольных коэффициентов рассеяния и поглощения, выполненных на фоновой станции ZOTTO за период 2007-2024 гг. Характеристики атмосферы и подстилающей поверхности, требуемые для расчета RFE , были взяты из данных реанализа MERRA-2. Полученный временной ряд RFE для ст. ZOTTO демонстрирует сильную межсуточную изменчивость, но четко выраженную сезонную цикличность. Несмотря на то, что максимальные концентрации поглощающего (сажевого) аэрозоля и, следовательно, максимальные значения коэффициента аэрозольного поглощения наблюдаются в летние месяцы, эффективность аэрозольного форсинга в этот период составляет -30 Вт/м². Зимой, когда концентрация аэрозолей и аэрозольные оптические коэффициенты существенно ниже, эффективность форсинга положительна и равна примерно +25 Вт/м². Среднее значение RFE за период измерений равно -5 Вт/м². Смена знака аэрозольного форсинга с положительного на отрицательный происходит в начале мая, а с отрицательного на положительный - в конце октября и обусловлена главным образом сезонным изменением альбедо подстилающей поверхности. Полученные результаты могут быть использованы для уточнения прогнозов региональных климатических изменений в Сибири.

В зимний период основную роль в формировании режима атмосферы играют атмосферные волны планетарного масштаба, а в стратосфере формируется полярный вихрь. Яркий пример межгодовой изменчивости стратосферного полярного вихря, вызванной планетарными волнами, - это внезапное стратосферное потепление (ВСП). На основе данных реанализа MERRA-2 исследована внутренняя динамика главных внезапных стратосферных потеплений, сопровождающихся смещением и расщеплением стратосферного полярного вихря, с точки зрения расчета в явном виде нелинейных взаимодействий планетарных волн между собой и со средним потоком для выявления схожих тенденций при формировании ВСП различных типов. В частности, показано, что формирование ВСП с расщеплением стратосферного полярного вихря не всегда сопровождается вариациями волновой активности стационарной планетарной волны с зональным волновым числом 2 (СПВ2), но определяется максимальными взаимодействиями СПВ2 со средним потоком. Для группы ВСП со смещением стратосферного полярного вихря получено, что межволновые взаимодействия при генерации вторичной стационарной планетарной волны с зональным волновым числом 1 (СПВ1) максимальны за одну-две недели до даты ВСП, а при генерации вторичной СПВ2 - за пять-десять дней. Результаты исследования, направленные на выявление предикторов формирования ВСП, важны в связи с тем, что ВСП значительно влияют на всю среднюю атмосферу, ионосферу, а также на погодные условия в тропосфере и формирование экстремальных погодных явлений.

Исследование пространственного распределения и временных изменений концентрации метана (CH₄) в Арктике является актуальной, но трудно реализуемой научной задачей. Дополнительным источником информации могут послужить данные реанализов, однако они нуждаются в регулярной валидации. В настоящем исследовании оценено воспроизведение приземной концентрации CH₄ в базе глобального реанализа парниковых газов CAMS версии EGG4 в Арктическом регионе посредством сравнения с результатами непрерывных измерений на научно-исследовательском стационаре «Ледовая База Мыс Баранова» в 2016-2020 гг. Сопоставлены межгодовая, сезонная и суточная изменчивость приземной концентрации CH₄; выявлено, что данные реанализа хуже всего отражают межгодовую изменчивость приземной концентрации CH₄, а сезонная изменчивость описывается достаточно точно, хотя амплитуды сезонного хода данных реанализа немного выше измеренных значений. Проведено сравнение приземной температуры, скорости и направления ветра по данным реанализа и измерений. Подобная верификация базы данных CAMS полезна для последующего ее использования в численном моделировании регионального масштаба и других прикладных задачах.

Солнечные термические приливы существенно влияют на глобальную атмосферную циркуляцию. Являясь важным звеном динамической взаимосвязи слоев атмосферы, приливы обеспечивают распределение эффекта от изменения солнечной активности (СА) по всем слоям атмосферы. Поэтому изучение различных внешних факторов их формирования и распространения во всей толще атмосферы является актуальным. На основе механистической нелинейной численной модели общей циркуляции средней и верхней атмосферы (МСВА) в настоящей работе оценивается влияние изменений СА на пространственно-временную структуру приливов. Рассматриваются два ансамбля МСВА-расчетов глобальной атмосферной циркуляции в январе, каждый из которых состоит из 16 реализаций, соответствующих высокой и низкой СА. Показано, что при усилении солнечного воздействия при высокой СА суточный мигрирующий прилив, распространяющийся на запад (СЗ1), ослабляется в диапазоне высот 100-150 км и усиливается на бóльших высотах. Анализ потоков Элиассена-Палма (ЭП) продемонстрировал значимую корреляцию между изменением распространения волновой активности в вертикальном направлении и амплитудой суточного мигрирующего прилива: нисходящие приращения потоков в целом соответствуют ослаблению прилива в диапазоне 110-150 км, восходящие - усилению прилива выше 150 км. Полусуточный мигрирующий прилив, распространяющийся на запад (ПЗ2), вплоть до уровня 40 км в Южном полушарии и 190 км в Северном в средне- и высокоширотной термосфере ослабляется при высокой СА. Это сопровождается преимущественно ослаблением восходящих потоков ЭП. Выше 200 км амплитуда ПЗ2 в Северном полушарии при высокой СА увеличивается в два-три раза. Выше 150 км в термосфере амплитуда стационарной планетарной волны (СПВ1) при высокой СА уменьшается, а амплитуда мигрирующих приливов увеличивается. В совокупности это приводит к сложной структуре изменений амплитуд немигрирующих приливов. Результаты могут использоваться для совершенствования численных схем прогнозирования изменения атмосферных процессов на различных временных масштабах, от суток до десятилетий.

Детальное изучение пространственного распределения источников аэрозолей необходимо для понимания их влияния на качество воздуха и здоровье населения. Поля источников атмосферного аэрозоля различных типов, поступающих на Средний Урал, оценивались с использованием анализа функции потенциального вклада источников. В качестве исходных данных выступала информация о типе аэрозоля, полученная в результате решения задачи классификации аэрозольных частиц на основе спектральных значений аэрозольной оптической толщины атмосферы. Результаты демонстрируют четкую пространственную дифференциацию источников атмосферных аэрозолей для классов пыль и высокие дымы. Предлагаемый подход может существенно дополнить данные спектральных наземных фотометрических измерений, повышая точность оценки качества воздуха.

Во время возмущений в околоземном космическом пространстве возникают сбои в работе наземных и спутниковых технологических систем вплоть до катастрофического отказа. Поэтому проблема создания методов, обеспечивающих анализ и контроль состояния природной среды в режиме реального времени с приемлемой точностью, приобретает особую актуальность. В настоящей статье представлен новый автоматизированный метод обнаружения и оценки интенсивности аномалий в наблюдениях нейтронных мониторов (НМ). Для обнаружения аномалий применялись дискретные вейвлет-разложения с адаптивными пороговыми функциями, параметры которых оценивались автоматически (по мере поступления данных в систему обработки) с использованием правил теории статистических решений. Эти правила позволили получить решение с ошибкой, не превышающей априори заданной величины. Интенсивность аномалий в наблюдениях НМ далее вычислялась путем суммирования амплитуд вейвлет-коэффициентов, превышающих оцененные пороги. Исследованы периоды сильных и экстремальных геомагнитных бурь 2024-2025 гг. Анализируются корреляционные зависимости между значениями Dst-индекса и интенсивности аномалий в наблюдениях НМ; результаты показали существенное возрастание корреляционной связи во время геомагнитных бурь. Задержка максимумов Dst-индекса относительно максимумов I составила несколько часов, что свидетельствует о важности наблюдений НМ и их учета при решении задач космической погоды. Результаты работы могут быть использованы в методиках прогноза космической погоды для раннего обнаружения спорадических вариаций в потоке космических лучей.

Мониторинг и анализ динамики параметров ионосферы позволяет обнаруживать ионосферные возмущения, которые негативно влияют на технические системы. Проблемы своевременного обнаружения ионосферных возмущений связаны с высокой долей априорной неопределенности знаний о динамике ионосферных процессов в возмущенные периоды, влиянием помех и неравномерной сетью наблюдений в отдельных районах. Эти проблемы требуют развития методов регистрации и анализа данных, обеспечивающих высокую точность и оперативность. В настоящей работе представлен новый автоматизированный метод оценки состояния ионосферы по данным наземного вертикального радиозондирования. Метод основан на синтезе элементов теории статистических решений и пороговых оценок с вейвлет-преобразованием. Построенные на основе метода численные решения используются в интерактивной системе «Аврора». Результатами работы алгоритмов являются данные о состоянии ионосферы над Камчаткой (спокойное/возмущенное) и параметры ионосферных неоднородностей в случае возмущенного состояния. Алгоритмы адаптивны и не требуют предварительного обучения. Метод был апробирован на данных ст. Паратунка (Россия, Камчатский край) и Вакканай (Япония). Изучалось поведение ионосферы в периоды сильных геомагнитных бурь 2023-2024 гг. Исследование подтвердило эффективность метода для анализа ионосферных данных и обнаружения ионосферных неоднородностей. Накануне анализируемых событий выделены признаки аномального возрастания электронной плотности ионосферы, что имеет важное прикладное значение. Представленный в работе метод может быть использован в методиках анализа ионосферных данных при выполнении мониторинга и прогноза состояния космической погоды с целью своевременного обнаружения ионосферных возмущений.

Предложен и испытан метод дистанционного картирования поля температуры поверхности океана (ТПО) в условиях безоблачной и облачной атмосферы по данным измерений микроволнового радиометра МТВЗА-ГЯ со спутников серии «Метеор-М» № 2-2 и № 2-4. Метод включает построение предварительных оценок ТПО с помощью алгоритма искусственной нейронной сети (ИНС) типа многослойного персептрона и статистическую фильтрацию предварительных оценок на основе климатических данных о ТПО, рассчитанных по результатам реанализа ERA5. В нейросетевом алгоритме в качестве предикторов используются антенные температуры Т_а, измеренные в пяти сканерных каналах радиометра, а для обучения ИНС привлекаются эталонные значения ТПО из базы данных открытого доступа ICOADS. Статистическая фильтрация позволяет уменьшить влияние облачности и осадков в поле зрения спутникового радиометра и обеспечивает среднеквадратичную погрешность оценок ТПО порядка 1,2-1,7 °C и коэффициент детерминации ~ 0,8-0,9 при сравнении с наблюдениями in situ. Предложенный подход применим для оперативного глобального «всепогодного» мониторинга температуры поверхности океана и может быть адаптирован для анализа измерений радиометров МТВЗА-ГЯ с улучшенными техническими и информационными характеристиками.

В настоящей статье задача распознавания облаков на гиперспектральных спутниковых изображениях решается путем построения интерпретируемого нейросетевого классификатора для частичной облачности. Для эффективного решения данной задачи делается предварительный отбор спектральных каналов и производных признаков с помощью деревьев решений, обучаемых на размеченных спутниковых снимках сенсора HYPERION, с целью дальнейшего построения сверточной нейронной сети на основе модифицированной сети Unet. Модификации исходного варианта сети Unet позволяют упростить структуру сети, избежать переобучения, оценить значимость пространственных и спектральных признаков, проанализировать результаты классификации и причины принятия решений. Отбор входных признаков и оценка их значимости являются важными этапами разработки адекватных моделей машинного и глубокого обучения в сочетании с анализом их обобщающей способности. Предложенный метод отбора признаков основан на итерационном обучении деревьев решений с целью выделения значимых признаков с точки зрения точности классификации. Интерпретация работы сверточной нейронной сети и оценка значимости пространственных и спектральных признаков проводятся на основе вычисления векторов Шепли. Приведены результаты тестирования нейронной сети по снимкам HYPERION, сделанным над тремя типами поверхности (океан, растительность, урбанизированная территория). Оценены общая точность, а также ошибки ложного распознавания и ложного пропускания облаков. Показано, что нейронная сеть позволяет проводить семантическую сегментацию снимков с частичной облачностью с точностью свыше 95% на выделенном наборе каналов и пространственных признаков. Проанализирована значимость входных признаков, обусловленная их распределением по спектральным каналам, а также взаимным расположением пикселей на изображении в задаче распознавания плотных и разреженных облаков на гиперспектральных спутниковых снимках. Представленная нейросетевая модель ориентирована на работу с данными ограниченного объема с возможностью применения аугментации и может быть использована для оценки значимости выделенных спектральных каналов и пространственных признаков.

Сажевый аэрозоль от лесных пожаров, инжектируемый в стратосферу, может влиять на климат в планетарном масштабе наравне с вулканическим аэрозолем. В данной работе изучалось наполнение стратосферы сажевым аэрозолем от лесных пожаров в Восточной Сибири, а также появление вулканического аэрозоля над Западной Сибирью. Рассмотрен эпизод наземных лидарных наблюдений в июле 2022 г., когда в стратосфере над Томском были обнаружены аэрозольные слои на высотах около 11 и 20-25 км. Анализируется происхождение этих слоев с помощью метода траекторий движения воздушных масс с контролем их наполнения аэрозолем по данным лидара спутника CALIPSO, а также с привлечением данных зондирования атмосферы и поверхности Земли со спутников Suomi-NPP и Himawari-8. Показано, что источниками аэрозольного наполнения нижней стратосферы на высоте около 11 км являются пожары в Восточной Сибири, которые привели к образованию мощных пирокумулятивных облаков; установлено место и время образования этих облаков. Показано, что аэрозольные слои на высотах 20-25 км связаны с извержением вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай, который извергался в Южном полушарии в январе 2022 г. Полученные результаты представляют значительный интерес для прогнозирования климатических изменений в региональном и глобальном масштабах.

С целью исследования динамики атмосферы Земли важно изучить частотный состав вариаций геомагнитного поля в диапазоне периода 16-дневной атмосферной планетарной волны (14,5-18 сут). В настоящей работе анализируются спектры вариаций магнитного поля Земли, зарегистрированные в период с 2000 по 2023 г. на трех европейских среднеширотных магнитных обсерваториях: «Бельск» (восток Европы), «Фюрстенфельдбрук» (центр Европы), «Дурб» (запад Европы). Методом периодограмм Ломба-Скаргла в спектре в диапазоне от 14,5 до 18 сут выделены гармоники, связанные с модуляционным воздействием длиннопериодных вариаций и приливным воздействием. Анализ показал, что спектральный состав геомагнитных вариаций не зависит от долготы месторасположения пункта наблюдения (пункты находятся приблизительно на одной широте). Удалось идентифицировать спектральные гармоники, обусловленные модуляцией полугодовой вариацией второй гармоники цикла вращения солнечных пятен и деклинационной приливной волны. Для приливной волны с периодом ~ 2 нед. выделены гармоники, обусловленные модуляционным воздействием на нее 11-летнего цикла солнечной активности (цикл Швабе), четвертой гармоники 22-летнего цикла солнечной активности, годовой и полугодовой вариаций. В спектрах хорошо выделяются гармоники, которые по периодам соответствуют модуляционному воздействию на 16-дневную планетарную волну 11-летнего цикла солнечной активности, четвертой гармоники 22-летнего цикла солнечной активности, годовой и полугодовой вариаций. Результаты спектрального анализа подтверждают влияние процессов, наблюдающихся в нижней нейтральной атмосфере, на динамику верхних слоев атмосферы. Полученные результаты могут использоваться для разработки моделей динамики атмосферы.

Изучение крупномасштабных атмосферных процессов, таких как планетарные волны, играет ключевую роль в понимании взаимосвязей между нижними и верхними слоями атмосферы. Однако точное моделирование этих волн затруднено из-за неоднородности и разреженности наблюдательных данных (спутниковых и наземных), а также высокой размерности пространства параметров при описании волновых структур. В настоящей работе представлен подход к аппроксимации планетарных волн согласно разнородным данным спутниковых измерений и наземных наблюдений с помощью адаптивного алгоритма искусственной пчелиной колонии с двумя стратегиями (Two Strategy adaptive Artificial Bee Colony, TSaABC). Алгоритм TSaABC используется для оптимизации параметров нелинейной пространственно-временной модели, представляющей данные о температуре атмосферы, полученные со спутника Aura (MLS) и трех наземных станций наблюдения эмиссии полос гидроксила OH(3, 1). Температурные данные аппроксимируются с помощью суммы гармоник планетарных волн с неизвестными параметрами, включающими амплитуды и волновые числа, которые выбираются из словаря гармоник. Решая обратную задачу минимизации расхождения данных и L₁-нормы гармонических амплитуд, метод достигает точности аппроксимации и разреженности в большом словаре гармоник. Для решения задачи L₁-минимизации была разработана стратегия жесткого порогового значения внутри алгоритма TSaABC, которая позволяет уменьшить размерность поиска решения и повышать вычислительную эффективность. Полученные результаты демонстрируют потенциал алгоритма для ассимиляции разнородных данных и улучшения моделирования атмосферных процессов.