Лаборатория взаимодействия атмосферы и океана (ЛВАО)
О лаборатории
Проблема исследования взаимодействия атмосферы и гидросферы является одной из центральных в геофизике. В настоящее время очевидно, что без учета характеристик этого взаимодействия невозможно успешное развитие как моделирования атмосферной циркуляции, так и создаваемых на его основе методов долгосрочного и сверхсрочного прогнозирования состояния климатической системы. Создание в 1985 году Лаборатории взаимодействия атмосферы и океана в Институте физики атмосферы РАН было прямым следствием возрастающего интереса к роли океана в процессах формирования погоды и климата. Первым ее заведующим стал известный океанолог, специалист по исследованию обменных процессов в приводном слое атмосферы Ю. А. Волков (1932–2007). С 2008 года лабораторию возглавлял академик Г. С. Голицын, а с 2014 по настоящее время — д. ф.-м. н., профессор РАН И. А. Репина.
Направления деятельности
- Теоретические и экспериментальные исследования процессов на границе раздела атмосферы и водной поверхности, в частности, динамики морского волнения, турбулентного энерго- и газо- обмена, конвективного переноса, радиационного обмена, в том числе в полярных регионах.
- Исследование взаимодействия атмосферы с водоемами суши (болота, озера, водохранилища, реки). С использованием экспериментальных и теоретических методов изучаются процессы эмиссии и поглощения климатически активных веществ водными экосистемами, а также механизмы углеродного обмена.
- Исследование структуры приземного (приводного) и пограничного слоев атмосферы над неоднородными поверхностями, в том числе в прибрежных зонах и в городских условиях. Исследования ведутся с использованием мезомасштабного и вихреразрешающего моделирования и данных специализированных экспериментов. Разрабатываются параметризации турбулентных процессов для моделей земной системы.
- Анализ параметров ветрового волнения на основе численного моделирования с использованием ветро-волновых моделей, прямых измерений и анализа спутниковых данных.
- Мезомасштабное моделирование атмосферных процессов в прибрежной зоне и в полярных регионах.
- Разработка и модификация измерительной аппаратуры для исследования пограничного и приводного слоя атмосферы и структуры поверхности, в том числе с использованием беспилотных летательных аппаратов.
- Разработка методов измерения атмосферной турбулентности и анализа данных в морских и наземных условиях.
- Разработка алгоритмов интерпретации спутниковых данных, в том числе для анализа состояния морской поверхности и ледяного покрова. С целью валидации спутниковых экспериментов и мезомасштабных моделей проводятся сравнения сеточных данных и данных специализированных морских и наземных экспериментов.
Достижения
- Разработаны методы расчета характеристик энерго- и газообмена в системе атмосфера-водная поверхность (в том числе в условиях ледяного покрова) для различных фоновых условий с использованием стандартной метеорологической и спутниковой информации.
- Предложена методика расчета параметра шероховатости заснеженных и покрытых льдом поверхностей и коэффициента сопротивления над всторошенной поверхностью и поверхностью с разводьями и снежницами.
- Предложено объяснение физического механизма подавления турбулентного трения при ураганных ветрах над морской поверхностью, при снежных буранах и пыльных бурях.
- Исследована структура и динамика конвективных и устойчивых атмосферных пограничных слоев в полярных районах. Предложены параметризации для описания турбулентных процессов в условиях сильно устойчивой и неустойчивой стратификаций.
- Разработаны методики диагностики состояния морского волнения с использованием оптических и радиолокационных дистанционных средств, а также атмосферные коррекции для методики определения характеристик морского ледяного покрова по данным пассивного микроволнового зондирования.
- Разработаны критерии применимости теории подобия Монина-Обухова для расчета турбулентного обмена в прибрежных зонах при различных условиях стратификации атмосферы, в городской застройке и над неоднородным лесным рельефом с озерами.
- Разработана современная модель четвертого поколения ветро-волнового взаимодействия атмосферы и океана, которая позволяет рассчитать по полю ветра не только состояние волнения, но и ряд характеристик приводного слоя атмосферы, а также параметры верхнего слоя моря. Разработана методика исследования акваторий со сложным рельефом дна и изрезанной береговой линией с использованием ветро-волновых моделей WAVEWATCHIII и SWAN.
- С использование негидростатического мезомасштабного моделирования исследована динамика атмосферного пограничного слоя в условиях холодных вторжений и над полыньями и разводьями. Объяснен механизм деформации поля ветра при холодных вторжениях и конвективного теплообмена в зонах разрывов льда.
- С помощью адаптированной к полярным условиям совместной модели атмосферы, океана, морского волнения и морского льда показано, что учет взаимодействия атмосферы и морского волнения в условиях новоземельской боры приводит к существенному увеличению турбулентных потоков тепла в прибрежной зоне, причем величина потоков сильно зависит от выбора параметризации коэффициента шероховатости.
- Проведен анализ климатологии экстремальных ветров в Арктике и сопутствующих им опасных явлений на основе различных источников данных, выявлен генезис сильного ветра в каждом районе. Обнаружены значимые корреляции между трендами характеристик подветренных бурь и изменениями крупномасштабной циркуляции, как в Арктике, так и в средних широтах. Составлена карта районов, опасных для движения судов и самолетов из-за большой вероятности обледенения и возникновения зон интенсивной турбулентности.
- По данным комплексных экспериментов оценен вклад различных элементов ландшафта высокоширотных болот и полигональной тундры в эмиссию и поглощение парниковых газов. Разработана методика оценки экосистемных потоков метана и углекислого газа с болотных ландшафтов.
- Разработаны методики определения турбулентных потоков, параметра шероховатости и коэффициентов обмена для рек и озер различных типов.
- По результатам исследования водохранилищ в разных климатических зонах РФ разработана уникальная методика оценки углеродного баланса искусственных водных объектов.
- Разработан комплекс аппаратуры для измерения характеристик атмосферной турбулентности в условиях морского волнения.
- Для проведения измерений характеристик турбулентности над неоднородной поверхностью, а также на различных высотах в атмосферном пограничном слое разработаны беспилотный летательный аппарат «Цимлянин» гибридной схемы (с возможностью вертикального взлета и посадки) и также его бортовой измерительный комплекс.
- Разработаны методики применения беспилотных летательных аппаратов для решения различных задач в области метеорологии и физики атмосферы, включая мониторинг вертикальных профилей температуры, влажности и скорости ветра, измерения в режиме «летающей метеостанции» в труднодоступных местах (например, над полыньями), картирование термической неоднородности различных поверхностей. Разработана методика измерения скорости ветра с использованием навигационных данных квадрокоптера.
- При участии лаборатории создана сеть обсерваторий для исследования атмосферной турбулентности в условиях неоднородного ландшафта.
