ЦИКЛОН В ЛАБОРАТОРИИ

— Для оценки факторов, влияющих на городской климат, используются различные подходы, имеющие как преимущества, так и определенные недостатки. Так, численное моделирование с достаточным пространственным разрешением требует очень больших вычислительных ресурсов. Чтобы проводить полномасштабные полевые измерения, нужны развитая инфраструктура и плотная сетка измерительных датчиков. Спутниковые наблюдения также связаны с серьезными ограничениями.

Альтернатива математическому моделированию атмосферных процессов на территории города — контролируемые воспроизводимые лабораторные эксперименты в условиях идеализированного городского ландшафта. Лабораторное моделирование дает ценную информацию об устойчивых особенностях процессов тепло- и массопереноса в городском масштабе. Можно достичь высокого пространственного разрешения — мы «видим» буквально каждый дом, и это позволяет решать разнообразные практические задачи — от оптимизации систем ливневых стоков до прогнозирования последствий техногенных аварий, связанных с загрязнением атмосферы. Актуально также отслеживать распределение в воздухе вредных примесей в период неблагоприятных метеоусловий, в безветренную морозную или сухую жаркую погоду, когда затрудняется рассеивание выхлопных газов и промышленных выбросов. Это так называемый режим черного неба, который периодически вводится в крупных индустриальных городах России.

Результаты наших исследований, опубликованные, в частности, в международном журнале Urban Climate, помогут найти верные решения при формировании и оптимизации городской структуры. Исследуя временную зависимость температуры поверхности от плотности застройки и рельефа после выключения нагрева (моделируется ночное остывание), мы выявили две стадии: относительно короткий период быстрого охлаждения и длительный период релаксации. Корреляционный анализ показал, что увеличение количества зданий оказывает существенное влияние на быструю стадию охлаждения. Для того чтобы сделать городской климат более комфортным, нужно минимизировать области с экстремальными температурами или сократить интервалы времени с пиковыми температурными значениями.

— В нашей лабораторной модели общей циркуляции атмосферы структура течений состоит из аналогов крупномасштабных меридиональных ячеек — ячейки Хэдли, восходящая ветвь которой формируется вблизи экватора, а нисходящая в субтропических широтах, полярных ячеек с восходящими ветвями в субполярных широтах и нисходящими у полюсов и ячейки Ферреля, образующейся между субтропическими и субполярными широтами, — и бароклинных волн средних широт. Это особый класс волн, формирующихся во вращающейся жидкости при изменении температуры вдоль горизонтального направления. Они видны на картах погоды как чередующиеся циклоны (области низкого давления) и антициклоны (области высокого давления), охватывающие территории в тысячи километров. Именно движение таких вихревых воздушных потоков, которое в Северном и Южном полушарии происходит с запада на восток (так называемые западные ветры), вызывает изменения погоды в средних широтах. Обычное время жизни таких структур — одна-две недели. Иногда в средних и полярных широтах происходит их стабилизация. Малоподвижные антициклоны называются блокирующими. Антициклон как область высокого давления препятствует горизонтальной атмосферной циркуляции. Весной и летом, когда крупный антициклон блокирует поток влажного воздуха с запада на восток, устанавливается жаркая солнечная погода, что чревато засухами, лесными пожарами и образованием смога. В зимний период антициклон приносит сильные морозы.

Достоверно прогнозировать такие явления при помощи математических моделей, которые используются для составления прогнозов погоды, пока не удается. Требуется более глубокое изучение факторов, определяющих движение антициклонов, а их множество: особенности рельефа, неоднородное распределение участков суши и океана, сложные микрофизические процессы, например, фазовые переходы, ведущие к образованию водяного пара, капель и льда. Система может переходить из одного состояния в другое и в силу случайных факторов. Разобраться в природе этих явлений, увидеть основные тренды, рассматривая систему во всей ее полноте, практически невозможно. Для этого используются упрощенные модели, позволяющие выявить роль того или иного ключевого фактора. Исследования в лабораторной постановке дают возможность охватить большой временной интервал, что трудно в случае полномасштабных математических моделей из-за серьезных временных и вычислительных затрат. При этом в относительно небольших лабораторных масштабах удается воспроизвести особенности крупномасштабных атмосферных течений.

Хотя границы достоверного прогнозирования, как уже говорилось, пока очень узки, лабораторная модель глобальной циркуляции атмосферы помогает понять основные механизмы формирования крупномасштабных атмосферных структур и их динамику. В перспективе можно улучшить математические модели, применяемые для прогноза погоды, обратив внимание на явления, предопределяющие развитие тех или иных резких погодных изменений — прихода волн тепла или холода, например.

Мы также провели цикл исследований крупных вихрей — тропических циклонов (в различных регионах их также называют тайфунами или ураганами), которые наносят немалый ущерб восточным регионам нашей страны. Благодаря лабораторному и численному моделированию при помощи аналога тропического циклона удалось выявить особенности формирования и динамики этих природных явлений. Полученные результаты полезны для улучшения полномасштабных математических моделей, применяемых для прогнозирования траектории движения крупных вихрей и их интенсивности.

— Рост температур в Арктике, или арктическое усиление (здесь этот рост происходит быстрее, чем в среднем по планете), приводит к таянию вечной мерзлоты и уменьшению площади арктических льдов. Чем меньше ледяной покров, тем меньше отражающая способность поверхности Земли, соответственно, тем больше солнечного тепла она поглощает, что способствует потеплению. Для изучения этих процессов мы выполнили серию экспериментов и численных расчетов на основе лабораторного аналога циркуляции земной атмосферы. Эти исследования проводятся в рамках междисциплинарного проекта РНФ совместно с сотрудниками географического факультета Пермского государственного научно-исследовательского университета и специалистами по численным расчетам Красноярского филиала Института теплофизики Сибирского отделения РАН.

 В рамках нашей модели увеличение притока тепла (моделируется таяние льдов) приводит к изменению формы и интенсивности лабораторного аналога полярной ячейки, что приводит к существенному перераспределению потоков тепла и температуры в атмосфере. Полярная область и нижняя часть слоя в районе средних широт становятся более прогретыми, а низкие широты — относительно более холодными, что хорошо согласуется с результатами наблюдений и расчетов при помощи ансамбля климатических моделей. Таким образом, описанную трансформацию полярной ячейки можно рассматривать как один из возможных сценариев для реальной атмосферы, что приближает нас к пониманию механизма, который определяет рост температур в Арктике. Факторов, препятствующих этому процессу, пока не наблюдается, поэтому можно предположить, что температура в Арктике будет расти, и к этому нужно готовиться, а также продолжить исследования, чтобы попытаться понять, когда этот цикл закончится и что может к этому привести.

Наши результаты экспериментального и численного моделирования арктического потепления опубликованы в высокорейтинговых журналах и уже вызвали интерес метеорологов.

https://cdnstatic.rg.ru/uploads/photogallery/2022/09/19/ap22261188136689_6f0.jpg