| Отдел "Исследование Земли из космоса" |
Лаборатория 555 - Климатические исследования
Сотрудники лаборатории:
Шарков Евгений Александрович - зав. лабораторией, д. ф.-м. н., профессор
Астафьева Наталья Михайловна - ведущий научный сотрудник, д. ф.-м. н.
Зверева Ольга Олеговна - ведущий инженер
Комарова Наталия Юрьевна - главный специалист
Кравцов Юрий Александрович - главный научный сотрудник, д. ф.-м. н., профессор
Покровская Ирина Вячеславовна - главный специалист
|
Основные направления исследований лаборатории:
1. Изучение крупномасштабных термодинамических процессов тропической
и внетропической зон системы океан – атмосфера, оказывающих влияние
на транспортные и диссипативные свойства атмосферы: тропический
циклогенез, процесс Южное колебание – Эль-Ниньо, основные центры
действия атмосферы, планетарные волны и др.
2. Нелинейная стохастическая геофизика мульти-масштабных взаимодействий
в системе океан – тропосфера – стратосфера – ионосфера. Атмосферные
катастрофы как естественные и необходимые макроструктуры в природной
системе. Воздействие солнечной активности на формирование атмосферных
катастроф.
3. Численное исследование течений, формирующихся во вращающихся сферических
слоях под воздействием физических факторов, моделирующих динамические и
тепловые воздействия, управляющие крупномасштабными термодинамическими
процессами в атмосфере.
4. Комплексный анализ структуры долговременных изменений гидрометеорологических,
гелиофизических и геофизических параметров в целях исследования изменчивости
климатической системы Земли.
5. Развитие методик научного анализа данных измерений (рядов и полей)
с использованием методов локализованного спектрального анализа
(на базе математического аппарата вейвлет-преобразования) и методов
теории динамических систем.
6. Формирование и развитие электронной базы данных глобального
тропического циклогенеза.
7. Формирование и развитие электронной базы данных глобального
радиотеплового поля Земли (совместно с лабораторией 551).
8. Создание серии анимационных фильмов (на основе радиотепловых
спутниковых данных), демонстрирующих структуру и динамику
атмосферных процессов разного масштаба
|
Основные темы, проекты и гранты лаборатории:
1. 2003-2008. Тема "КЛИМАТ" "Изучение изменчивости климатических
параметров и природные катастрофы разных масштабов: развитие
и анализ физических механизмов, разработка современных методов
обработки данных космического мониторинга климатических и
экологических процессов", Министерство образования и науки РФ.
Государственная регистрация № 01.20.0303440.
2. 2003-2005. Проект № 03-05-64143 "Выявление возможной связи
ионосферных возмущений и гелиогеофизических факторов с процессами
образования и эволюции тропических циклонов и энергобалансом
циклонических образований" РФФИ.
3. Проект РФФИ № 01-05-64372 "Тропический циклон и поле спиральной
турбулентности: структура и взаимосвязи".
4. Проект РФФИ № 96-07-89361 "Разработка и создание базы данных
глобального тропического циклогенеза за 1983-1993 гг."
|
Некоторые результаты, полученные в ходе работ
по основным направлениям исследований лаборатории:
1а. Спутниковое изображение тропического циклона,
полученное радиометрами SSM/I на разных частотах.
|
1б. Изображение того же тропического циклона в динамике
на частотах 19,35 (вверху) и 22,24 (внизу) ГГц — т.е. в диапазонах
видимой поверхности и влагозапаса, соответственно. Представлена
детальная картина крупномасштабного «выброса» водяного пара,
привязанного к системе тропического циклона, из тропической зоны
в средние широты. Подобный "выброс" является по существу одним
из элементов полярного переноса тепловой энергии из тропиков
в полярные области. Детальный анализ элементов полярного переноса
представляет собой одну из важных проблем глобальной циркуляции
атмосферы Земли.
|
1в. Глобальное радиотепловое поле системы океан – атмосфера
на частоте 19,35 ГГц (получено весной северного полушария,
28 апреля 2001 г.). В нижней части рисунка показана цветовая
радиотемпературная шкала в градусах Кельвина. Для удобства
разворот по экватору в 360° дополнен 120-ю градусами. Это дает
возможность изучать структуру атмосферных процессов над акваторией
каждого из океанов планеты полностью. Отметим, что даже в том масштабе,
в котором представлено глобальное поле на рисунке, легко различаются
квазистационарные крупномасштабные структуры — основные центры действия
системы океан – атмосфера.
|
2а. Изменение значений индекса Южного Колебания (стрелками
отмечены наиболее сильные явления Эль-Ниньо); ниже — картина
вейвлет-спектров мощности индекса Южного Колебания и чисел Вольфа
(характеристика солнечной активности).
Наиболее интенсивные
явления Эль-Ниньо (отмечены стрелками) происходят в годы наибольшей
активности Солнца и тесно связаны с периодами наибольших градиентов
— наиболее резких изменений солнечной активности.
|
2б. Вейвлет-спектры глобального количества циклонов, усредненные
за 19 лет; внизу – разрезы вейвлет-спектров вдоль оси частот для
фиксированного дня года (день 254 и 141, соответственно).
|
2в. Анализ связи между тропическим циклогенезом и притоком
солнечного тепла к системе поверхность земли – атмосфера показал,
что тропический циклогенез откликается на приток тепла
со значительной задержкой. Время отклика (фазовая задержка)
тропического циклогенеза на приток тепла составляет 76 дней
в северном и 53 дня в южном полушарии.
|
3. Крупномасштабные термодинамические процессы в атмосфере
и океанах Земли происходят под определяющим воздействием трех
физических факторов: кривизна поверхности, вращение планеты и
тепловой обмен (солнечная радиация и энергообмен между океанами,
атмосферой и сушей). Учет влияния каждого из этих факторов
принципиально важен: так, характерные для атмосферы и океанов
волны Россби являются результатом того, что некоторые стационарные
в плоском слое течения в сферическом случае (с широтной неоднородностью
силы Кориолиса) приобретают волновую природу. На рисунке представлены
линии тока меридионального течения, формирующегося во вращающемся слое
с условиями, имитирующими неравномерный по широте нагрев атмосферы
Солнцем. В результате смешанного влияния динамических и тепловых
факторов могут формироваться, в частности: дифференциальное вращение
жидкости, суперротация экваториальной области, «полосатая» структура
полей температуры и скорости вблизи внешней границы, подобные тем,
что наблюдаются в атмосферах планет-гигантов.
|
4а. Примеры применения вейвлет-преобразования к простым функциям:
синусоида – с модуляцией и без, сумма двух синусоид – прямая и
последовательная, фазовый сдвиг. Показаны: анализируемая функция f(t),
вейвлет-спектр W(a,b), скелетон (линии локальных максимумов).
По оси абсцисс - время t или параметр сдвига b,по оси ординат -
частота w или масштабный коэффициент a.
|
4б. Вейвлет-спектр случайного процесса.
|
4в. Линии локальных максимумов вейвлет-преобразования
однородного триадного канторовского ряда (вверху) и
случайного процесса (внизу), в логарифмическом масштабе.
|
5. Кадры анимационного фильма: слева — глобальное радиотепловое поле,
полученное на частотах 19,35 (вверху) и 22,24 (внизу) ГГц (видимая
поверхность и интегральный влагозапас), справа — глобальное радиотепловое
поле на частотах 19,35 и 85,5 ГГц (видимая поверхность и интегральный
водозапас).
В середине каждого кадра показана цветовая радиотемпературная
шкала в градусах Кельвина.
|
|
|
©
ИКИ РАН, 2005
|
|
