Центральная Аэрологическая Обсерватория (ЦАО) Отдел Физики Высоких Слоёв Атмосферы (ОФВСА)

Лаборатория численных исследований атмосферных процессов
На главную страницу ОФВСА Основные публикации

Руководитель лаборатории: научный сотр. к.ф.-м.н. А.Н.Лукьянов

Основные направления исследований:
1. Исследование процессов переноса в верхней тропосфере и нижней стратосфере.
2. Исследование стратосферно-тропосферного обмена
3. Анализ тропосферных самолётных наблюдений
4. Определение источников и стоков парниковых газов на основе обратного моделирования.

1. Исследование процессов переноса в верхней тропосфере и нижней стратосфере.
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)

Описание модели. Для интегрирования уравнения движения воздушной частицы, выраженного в сферических координатах, применяется метод Рунге-Кутта 4-го порядка с линейным интерполированием по пространству и времени данных анализа метеорологических полей. Новые горизонтальные координаты движущейся воздушной частицы через время находятся из соотношений:

где - долгота и широта соответсвенно, u,v – зональная и меридиональная скорости ветра.

Для избежания неточностей вблизи полюсов для широт, превышающих 70N и 70S, интегрирование производится в декартовой системе координат. Траектории рассчитывались с шагом 15 минут. Точность траекторий при расчёте с таким шагом слабо зависит от порядка разностной схемы интегрирования. Ошибки в основном определяются неточностью исходных данных, их пространственным и временным разрешением, а также методом интерполирования. При вычислении изэнтропических траекторий используются горизонтальные ветра и температура, при этом потенциальная температура (ПТ) поддерживается постоянной. Таким образом возникающие вертикальные движения являются адиабатическими. Потенциальная завихрённость (ПЗ) также сохраняется вдоль изоэнтропических траекторий при отсутствии источников тепла и внешних сил. В стратосфере основным источником тепла является медленный радиационный нагрев/охлаждение. Таким образом значения ПТ и ПЗ схраняются вдоль стратосферных изоэнтропических траекторий в течении 10-15 дней. В области тропопаузы и тропосфере 3-х мерные траектории являются более надёжными, потому что там адиабатичность нарушается из-за скрытой теплоты испарения и конденсации и т.д. Для вычисления 3-х мерных траекторий используется также и вертикальный ветер из данных анализа метео-параметров. Кроме того квази-изоэнтропические траектории могут вычисляться с использованием скоростей нагревания/охлаждения, полученных из радиационных моделей.
В существующей версии модели используются данные Европейского Центра Средне-срочных Прогнозов (ECMWF) на 21 уровне изобарических поверхностей (тропосфера и стратосфера) с пространственным разрешением по долготе, щироте 2.5х2.5 (или 0.5х0.5) и по времени - 6 часов. Модель также может использовать и другие входными данными.

Траекторная модель изначально разрабатывалась для исследования поведения озона внутри полярного стратосферного циклона, где наблюдается химическое выедание озона вплоть до возникновения «озоновой дыры» в Антарктиде. С этой целью траекторная модель была объединена с химической моделью, включающей в себя газофазные и гетерофазные реакции. Пример моделирования поведения основных озоно-активных компонент вдоль траектории внутри северного и южного стратосферных циклонов показан на Рис.1 . Более подробно с описанием модели и данном примере можно ознакомится в работах Lukyanov et al., 2003, Лукьянов и др., 2000.

Также модель широко применяется при анализе баллонных и самолётных данных. Рассчитанные обратные траектории указывают на происхождение воздушных масс, прибывающих в точку наблюдения. Пример траекторного анализа слоистого профиля водяного пара на границе полярного стратосферного циклона показан на Рис. 2. Анализ показывает, что слоистая структура профиля обусловлена расположением на смежных высотных уровнях воздушных масс, пришедших как из внутренней части циклона (высокие значения ПЗ) в виде волокнистых структур (филаментов), так и из области вне циклона (низкие значения ПЗ). В стратосфере отношение смеси водяного пара положительно коррелирует с ПЗ. Таким образом слои с повышенными значениями влажности возникают на высотных уровнях, где наблюдаются вихревые филаменты. Тонкая горизонтальная структура ПЗ получена с помощью мульти-траекторного метода заполнения пространства обратным траекториями (RDF-метод). Подробнее о методе и анализе описано в (3). К настоящему времени также создана траекторная модель, объединённая с микрофизической моделью параметризации циррусов (Ren, MakKenzie, Cirrus parameterization and the role of ice nuclei, Q.J.R.M.S., 131, 2005), разработанной в Университете Ланкастера (Великобритания). Такая параметризация позволяет более реалистично оценивать дегидрацию тропосферного воздуха, проникающего в стратосферу в тропических широтах.
Кроме перечисленных существующих приложений траекторная модель может применяться для усвоения спутниковых данных в стратосфере (Лукьянов А.Н., «Эволюция озона и озоноактивных компонент в нижней стратосфере полярных широт в зимне-весенний период», Диссертация на соискание степени кандидата физ-мат. наук, 2001.) и моделировании переноса загрязнений в приземном слое.

2. Исследование стратосферно-тропосферного обмена
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.

    Основные публикации:
    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.