Central Aerological Observatory (CAO) Department of Upper Atmospheric Layers Physics (DUALP)

Laboratory of Numerical Studies of Atmospheric Processes
To main page of DUALP Publication

Head of the Laboratory: научный сотр. Dr.Alexander N. Lukyanov

Основные направления исследований:
1. Investigation of transport processes in upper troposphere and lower stratosphere
2. Investigation of stratospheric-tropospheric exchange
3. Анализ тропосферных самолётных наблюдений
4. Определение источников и стоков парниковых газов на основе обратного моделирования.

1. Investigation of transport processes in upper troposphere and lower stratosphere
С помощью траекторной модели анализируются баллонные и самолётные профили малых составляющих с целью определения происхождения воздушных масс, прибывающих в область наблюдений. При анализе данных водяного пара также используется информация о температуре вдоль обратной траектории, что позволяет судить о степени насыщения воздушных масс и вероятности образования облаков. Кроме того создаётся вариант модели, включающий в себя схему параметризацию перистых облаков (циррусов). Схема была разработана в университете Ланкастера (Великобритания)

Model description. A trajectory of air parcel is the Lagrangian displacement of air particle forced by wind field. The time integration of the particle advection equation expressed with spherical coordinates is performed using the fourth-order Runge-Kutta method with analyzed wind data linearly interpolated in time and space. New horizontal coordinates of air parcel moving during time step are determined by:

where - longitude and latitude respectively, u,v – zonal and meridional winds. To avoid inaccuracies near the poles, for latitudes exceeding 70?N and 70?S, the integration was conducted using Cartesian coordinates. The time step for trajectory calculations is set to 15 minutes. Trajectory’s inaccuracies are mainly caused by the accuracy and resolution of initial analyzed data and the method of their interpolation. To calculate the isentropic trajectories the horizontal winds and the temperature are used. Potential temperature (PT) and potential vorticity (PV) are conserved when the motion is adiabatic and there are no external forces, heat sources or frictional dissipation. In the stratosphere the main diabatic source is a relatively slow radiative heating/cooling. Thus both PT and PV stay fairly constant along the stratospheric isentropic trajectory during 10-15 days. In the tropopause region and troposphere 3-d trajectories are more accurate because of diabatic sources like latent heat of evaporation or condensation and so on. To calculate 3-d trajectories the vertical analyzed wind is also used. Also, quasi-isentropic trajectories can be calculated by using cooling rates obtained from radiative schemes. The model uses analyzed data from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) on 21 pressure levels (troposphere/stratosphere) with horizontal resolution 2.5 x 2.5 or 0.5 x 0.5 degree and temporal resolution 6 hours. The initial objective of the trajectory model development was an investigation of the chemical ozone depletion inside the polar stratospheric vortex including the Antarctic “ozone hole”. The trajectory model has been coupled with chemistry model included the gaseous and heterogeneous reactions. The example of model simulations in both hemispheres is presented in Fig.1 . The more detailed model description and applications are described in Lukyanov et al., 2003. Also the model is widely used for analysis of balloon and aircraft data. The backward trajectories indicate on the origin of air masses arriving to observational locations. An example of the trajectory analysis of laminated water vapour profile obtained in the vortex-edge region is shown in Fig.2. Results of RDF calculations with potential vorticity (PV) as advected tracer show that such a structure was caused by the differential advection. The vortex filaments with enhanced PV and water vapour occurred in the region of measurements. In more details it is shown in (3). At present the trajectory model also is coupled with cirrus parameterization model (Ren, MakKenzie, Cirrus parameterization and the role of ice nuclei, QJRMS, 131, 2005), developed at University of Lancaster (UK). The coupled model provides more realistic estimates of dehydration of the humid tropospheric air entering into the stratosphere.

2. Investigation of stratospheric-tropospheric exchange
С помощью метода заполнения пространства обратными траекториями (RDF-метод) воспроизводится тонкая (филаментарная) горизонтальная структура трассёров в области тропопаузы, характеризуя квази-изэнтропический обмен в местах наклона тропопаузы (границы циклонов/антициклонов) в средних широтах. Для расчёта потоков через тропопаузу также применялась траекторная модель. Результаты, полученные с помощью Wei-метода и Лагранжевого метода, также показывают максимальные потоки в местах, где меняется уровень тропопаузы. Сезонная изменчивость потоков демонстрирует максимальные значения в зимний период, когда наиболее проявляется волновая активность.

3. Анализ тропосферных самолётных наблюдений
Для исследования процессов переноса в тропосфере и погранслое, а также для анализа самолётных наблюдений планируется модификация траекторной модели и использование дисперсионных моделей FLEXPART и HYSPLIT. Кроме того прогностические траектории будут использованы при планировании самолётного эксперимента.

4. Определение источников и стоков парниковых газов (ПГ) на основе обратного моделирования.
В связи с участием лаборатории в японском проекте GOSAT (спутниковые измерения диоксида углерода CO2 и метана CH4), была инициализирована деятельность по разработке методики обратного моделирования источников ПГ. ПГ, и в особенности антропогенные, оказывают значительное влияние на климат Земли и их источники подлежат количественному мониторингу. Одним из важнейших ПГ является CO2. В глобальном масштабе концентрация CO2 возрастает в течение последних 45 лет, скорость роста при этом варьирует от года к году. Два основных вида деятельности человека вносят антропогенный вклад в этот рост - это сжигание органического топлива и землепользование. По оценкам около 55% антропогенного углерода не остаётся в атмосфере, а поглощается океаном и земной биосферой. Природа и местоположение этих стоков остаются неизвестными и являются предметом дальнейших исследований. Таким образом, кроме инвентаризации источников CO2 и других ПГ необходимо количественно оценивать процессы их переноса в атмосфере и удаления из неё. Определение величины источников и стоков ПГ и относительной роли естественных и антропогенных факторов, определяющих этот баланс, является на сегодняшний день актуальной научной и политической задачей. Одним из способов достижения этой цели является восстановление пространственной и временной структуры интенсивности этих источников с помощью обратного моделирования и глобальных данных наблюдений.

Актуальность разработки такой методологии вызвана тем, что простая инвентаризация источников ПГ и ограниченность наземных наблюдений потоков этих компонент не позволяют получить глобальную пространственную структуру областей их эмиссий и стоков. В настоящее время при определении источников и стоков ПГ используются два взаимодополняющих подхода. Первый подход состоит в объединении и осреднении на региональном уровне (100-1000 км) локальных потоков атмосферной компоненты, оцененных с помощью наземных, мачтовых и самолётных измерений. Основным недостатком такого подхода является низкая плотность и пространственная неоднородность точек наблюдения в интересующем нас регионе.
Второй подход основывается на использовании обратного моделирования, когда по пространственно-временному распределению концентрации какой-либо компоненты определяются источники и стоки этой компоненты. Для реализации такого подхода используются данные наземных, самолётных и спутниковых наблюдений, а также модельные данные. Местоположение и интенсивность источников и стоков (потоков) интересующей нас компоненты определяются из условия минимизации разности модельных и измеренных значений концентрации этой компоненты.
В рамках предлагаемого проекта предполагается применение второго подхода с использованием:
  • - глобальных данных о концентрации ПГ в атмосфере, например, данных спутникового зондирования;
  • - глобальных данных метеопараметров (скорость ветра, температура, и т. п.); - априорных оценок пространственного и временного распределения интенсивностей источников;
  • - 3-х мерных численных моделей переноса примесей в атмосфере, связывающих источники ПГ с их пространственно распределённой концентрацией.

    Разработанная методика позволит получить информацию о глобальных источниках и стоках ПГ. Методика может быть использована при выработке решений по сокращению эмиссий той или иной компоненты. Включение в эту методику Эйлеровых и Лагранжевых моделей высокого разрешения позволит провести оценки этих потоков на региональном уровне. Кроме того полученные оценки потоков могут быть использованы в климатических моделях, которые обеспечивают прогноз будущих изменений климата.

    Publication:
    1. Лукьянов А.Н., Карпечко А.Ю., Юшков В.А., Коршунов Л.И., Хайкин С.М., Кюрё Э., Киви Р., Матурилли М., Фомель Х., Перенос водяного пара и озона в верхней тропосфере-нижней стратосфере и стратосферно-тропосферный обмен во время проведения кампании LAUTLOS (в печати) Известия РАН, Физика Атмосферы и Океана.

    2. Karpechko, A., A. Lukyanov, E. Kyro, S. Khaikin, L. Korshunov, R.Kivi and H. Vomel, The water vapour distribution in the Arctic lowermost stratosphere during the LAUTLOS campaign and related transport processes including stratosphere-troposphere exchange, Atmos. Chem. Phys., V. 7, pp. 107-119, 2007.

    3. Lukyanov A., Nakane H., Yushkov V., Lagrangian Estimation of Ozone Loss in the core and Edge Region of the Arctic Polar Vortex 1995/1996: Model Results and Observations. Journal of Atmospheric Chemistry , v. 44, p.191-210, 2003

    4.Лукьянов А.Н., В.А.Юшков, Х.Накане, Х.Акийоши, «Траекторная фотохимическая модель нижней стратосферы», Известия РАН, Физика Атмосферы и Океана , том 36, №6, стр.823-830, 2000.