Экспериментальные исследования взаимодействия атмосферы и океана в нестационарных условиях

Репина, Ирина Анатольевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Экспериментальные исследования взаимодействия атмосферы и океана в нестационарных условиях
ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальные исследования взаимодействия атмосферы и океана в нестационарных условиях"

На правах рукописи

Репина Ирииа Анатольевна

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА В НЕСТАЦИОНАРНЫХ УСЛОВИЯХ

25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 2011

2 НЮН 2011

4848076

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН

доктор физико-математических наук, профессор

Зилитиикевпч Сергей Сергеевич

доктор физико-математических наук, профессор

Гулев Сергей Константинович

доктор физико-математических наук, профессор

Кудрявцев Владимир Николаевич

доктор физико-математических наук Макштас Александр Петрович Ведущая организация Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН

Защита диссертации состоится « 16 » _июня_ 2011г.

в 11 час, на заседаний Диссертационного совета Д 002.096.01 в Учреждении Российской академии наук Институте физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН по адресу 119017, Москва, Пыжевский пер., д.З.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН.

Автореферат разослан « //? » 2011 г.

Научный консультант

Официальные оппоненты

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 002.096.01

M-fOСА,

кандидат географических наук V^-f у Краснокутская Л.Д.

Общая характеристика работы Актуальность работы

За последние десятилетия все чаще отмечаются драматические климатические изменения во многих регионах Земли. При этом важнейшую роль в процессах формирования погоды и климата играют океаны. В настоящее время очевидно, что без учета реальных характеристик взаимодействия атмосферы и океана невозможно успешное развитие как моделирования атмосферной циркуляции, так и создаваемых на его основе методов долгосрочного и сверхсрочного прогноза погоды и климата. Следовательно, исследование взаимодействия гидросферы и атмосферы становится все более необходимым для понимания природы процессов, протекающих на нашей планете, и дальнейшего развития наук гидрологии, метеорологии и океанологии.

В общей проблеме энергообмена между океаном и атмосферой мелкомасштабное взаимодействие занимает особое место, являясь определяющим в обмене теплом, количеством движения и влагой непосредственно через границу раздела взаимодействующих сред. Теоретическое описание и расчет такого взаимодействия затруднён из-за чрезвычайной сложности рассматриваемых физических процессов. Пригодность закономерностей и теоретических положений, полученных в основном для течений в аэродинамических трубах и для пристеночной турбулентности, в условиях подвижной поверхности раздела море-атмосфера нуждается в тщательной проверке.

Теоретическое исследование взаимодействия атмосферы и океана усложняется тем, что мы имеем две взаимодействующих турбулизированных среды очень разной плотности, и само состояние морской поверхности зависит от структуры ветрового потока над ней. В случае морской поверхности возникает связанное с наличием волнения нарушение условий подобия в нижнем слое воздуха, толщина которого определяется характерными размерами волн. Кроме того, при определении направления касательного напряжения (над сушей совпадающего с направлением встра) необходимо учитывать эффект нижнего вращения ветра, обусловленного наличием поверхностного течения. Оба указанных эффекта -волнения и поверхностного течения - накладывают ограничение на выбор нижнего уровня градиентных измерений, который должен располагаться не ниже утроенной высоты волн. Еще сложнее обстоит дело при наличии поверхностных нсоднородностей различных масштабов, которые также нарушают условие стационарности воздушного потока.

Измерения стандартных метеорологических величин, а также профилей температуры Т(г), скорости ветра и(г) и влажности q(z) позволяют, используя некоторые гипотезы, оценивать величины турбулентных потоков тепла, влаги и количества движения. В случае

стационарного ветра над однородной поверхностью обычно предполагается, что структура поверхностного пограничного слоя соответствует теории подобия Монина-Обухова (МО), которая предсказывает влияние стратификации атмосферы на профили средней скорости ветра и турбулентной кинетической энергии (ТКЭ) в слое постоянных по высоте напряжений Рейнольдса. На для использования теории подобия необходимо выполнение двух условий:

1) Рельеф местности плоский и подстилающая поверхность достаточно однородна, так что поля скорости ветра и температуры однородны по горизонтали;

2) никаких резких изменений погоды не происходит, и в течение интервалов времени, в которых естественный суточный ход погоды мало заметен, поля скорости ветра и температуры статистически стационарны.

При этих условиях статистические характеристики метеорологических полей не зависят от горизонтальных координат точки измерения и от времени и, следовательно, могут зависеть лишь от высоты измерений г. Несмотря на идеализацию условий, теория подобия МО совместно с теорией Колмогорова о существовании инерционного интервала в спектрах компонент скорости широко используется для оценок потоков импульса, тепла и влаги, переноса примесей и в моделях прогноза погоды, как над сушей, так и над морем.

Использование теории подобия МО может быть оправдано в условиях открытого моря, если отклонения от теории случайны и не влияют на оценки средних величин при большом объеме данных. В прибрежных районах при береговых ветрах над морем формируются внутренние пограничные слои, связанные с неоднородностью геометрических и термических свойств поверхности. Профили средней скорости ветра и интенсивность турбулентности в этом случае существенно отличаются от характеристик пограничного слоя, типичного для условий открытого моря, что накладывает определенные ограничения на применения теории МО. Кроме того, одной из основных характеристик климата прибрежных районов с горным рельефом являются так называемые катабатические ветра. Высота катабатического потока составляет всего от нескольких десятков до сотен метров с максимумом скорости ветра в нескольких метрах от поверхности. Поэтому применение теории подобия МО, особенно в нижнем приземном слое, не всегда возможно.

При экспериментальном изучении теплового баланса Арктики, особенно в случае Польшей, разводий и молодых льдов, окруженных многолетним ледяным полем, определение вертикальных турбулентных потоков тепла и влаги представляет особую трудность. Полярным регионам свойственна поверхность сложной структуры: здесь присутствуют льды различной толщины, покрытые торосами, снежницами, гладкие и со снежным покровом; полыньи и разломы различной протяженности; большие участки открытой воды в взволнованном состоянии. В результате воздушный поток, переходя с

одной поверхности на другую, трансформируется, н возникает сложная система внутренних пограничных слоев. Обменные процессы оказываются зависимы от сплоченности, толщины льда, степени его заснеженности и всторошенности, направления воздушного потока, площади полыней и трещин, наличия поземки и многих других часто трудно-формализуемых факторов. Характер поверхности льда сказывается на профиле ветра вблизи нее, тем самым влияя на тепло- и влагообмен между льдом и воздухом.

Литература о турбулентности в атмосфере очень обширна и содержит, в частности, много экспериментальных данных о характеристиках турбулентного обмена в приземном и приводном слое. Но даже такие значительные эксперименты последних лет как БНЕВА, НЕХОБ, ТООА-СОАЯЕ и многочисленные лабораторные исследования так и не дали ответа на вопрос в чем же причина расхождения модельных и экспериментальных дачных в определении турбулентных потоков.

Для решения згой проблемы необходимо непосредственное измерение турбулентных потоков в пограничном приводном слое в различных внешних условиях и последующая их параметризация внешними условиями. Информация, накопленная в результате таких экспериментов, служит основой для построения схемы расчета характеристик локального тепло- и массообмена на основе стандартных гидрометеорологических измерений. С другой стороны, она позволяет лучше понять природу взаимодействия и исследовать вклад явлений различных масштабов. В диссертационной работе для анализа используются данные специализированных экспериментов, проводимых в разнообразных фоновых условиях, в том числе и когда применение стандартных методов расчета составляющих турбулентного энергообмена затруднено.

Цели работы

1. Разработка методики определения турбулентных потоков тепла, влаги, импульса и углекислого газа в морских условиях с судов и неподвижных платформ. Оценка применимости различных методов.

2. Физическое описание механизмов взаимодействия атмосферы и морской поверхности при слабых, сильных ветрах, в прибрежных зонах и над неоднородной поверхностью.

3. На основании экспериментальных данных разработка параметризаций турбулентного обмена атмосферы и морской поверхности при различных фоновых условиях.

Методы исследования

В начале пятидесятых годов Мониным и Обуховым (1953, 1954) была разработана теория подобия, наиболее полно отображающая турбулентные процессы в приземном слсе атмосферы. Создание, в том числе и в ИФА им. A.M. Обухова РАН (Бовшеверав и др. 1959, Елагина, 1962, Елагина и Лазарев, 1984), аппаратуры для микрометеорологических измерений позволило провести экспериментальную проверку теории турбулентности, в частности, определить основные универсальные зависимости характеристик турбулентности в приземном, приводном и пограничном слоях атмосферы. (Волков и др., 1968, 1971, 1974,1997, Гуряич, 1962, Зубковский и др., 1969, 1974,1979, Копров и др. 1966, 1974, 1998, Кухарец, 1974, 1979, Цванг, 1963, 1987, и др.). Работа является продолжением экспериментальных исследований турбулентных процессов в приземном (приводном) слое атмосферы, проводимых в Институте физики атмосферы им. А.М. Обухова в последние десятилетия.

Среди характеристик процессов взаимодействия атмосферы с подстилающей поверхностью наибольший интерес вызывают вертикальные турбулентные потоки импульса (т), тепла (Я) и влаги или скрытого тепла (¿¡J. Практически во всей толще пограничного слоя, где эффекты молекулярного обмена пренебрежимо малы по сравнению с вертикальным турбулентным переносом импульса, тепла и влаги, эти величины характеризуют полные потоки, пересекающие подстилающую поверхность.

Методы определения турбулентных потоков подразделяются на три основных группы: прямые, то есть основанные на специальных измерениях атмосферной турбулентности; параметрические, использующие данные стандартных метеонаблюдений; и полуэмпирические, применяющие модельные расчеты.

В настоящее время, в основном, используется четыре метода определения турбулентных потоков над морем.

1. Метод турбулентных пульсаций, или прямой метод;

2. Метод бюджета дисперсий, или инерционно-диссипативный метод;

3. Профильный, или градиентный метод, основанный на использовании теории подобия Монина-Обухова;

4. Аэродинамический шга балх-метод, рассчитывающий турбулентные потоки по данным стандартных метеорологических измерений.

Основные результаты диссертационной работы были получены с использованием микрометеорологических измерений. Применялись пульсационные акустические термоанемометры АЦАТ-ЗМ (Россия, НПО «Тайфун»), USA-1 (Германия, МЕТЕК), Gill

WindMaster (Великобритания, Gill Instruments) и газоанализатор Li-Cor-7500 (США, LiCOR). Все приборы прошли поверку и имеют соответствующие сертификаты.

Основные положения, выносимые па защиту

1. Разработанная автором адаптация системы коррекций прямого метода измерения турбулентных потоков к измерениям с судов и неподвижных платформ в морехих условиях с коррекцией качки, выбором интервала осреднения и метода удаления тренда.

2. Результаты прямых измерений газообмена в Северном ледовитом океане. Оценка вклада различных экосистем в углеродный баланс СЛО.

3. Экспериментальное подтверждение зависимости коэффициентов обмена от стратификации при малых ветрах и уменьшения коэффициента сопротивления морской поверхности при штормовых ветрах, объяснение физического механизма этих явлений.

4. Экспериментальное подтверждение влияния сликов на морской поверхности на структуру атмосферного пограничного слоя.

5. Диагностика турбулентной структуры катабатического потока, в том числе и на различных расстояниях от берега.

6. Параметризации турбулентного обмена для различных поверхностей, свойственных Арктике.

7. Модель деформации воздушного потока при прохождении гряды торосов.

8. Модель формирования внутреннего пограничного слоя над полыньей

Научная новизна:

• Разработана и применена на практике в различных фоновых условиях адаптация системы коррекций прямого метода измерения турбулентных потоков к измерениям с судов и неподвижных платформ в морских условиях с коррекцией качки, выбором интервала осреднения и метода удаления тренда.

• Впервые проведены прямые измерения потоков углекислого газа в Северном ледовитом океане. На основании этих измерений оценен вклад различных экосистем в углеродный баланс СЛО.

• Экспериментально подтверждена зависимость коэффициентов обмена от стратификации при малых ветрах и уменьшения коэффициента сопротивления морской поверхности при штормовых ветрах и объяснен физический механизм этих явлений.

• Экспериментально подтверждено влияния сликов на морской поверхности на структуру атмосферного пограничного слоя.

• Впервые экспериментально исследована степень затухания катабатического потока по мере удаления от береговой черты. Проведена диагностика турбулентной структуры катабатического потока в зависимости от степени устойчивости нижнего слоя атмосферы.

• Впервые представлены я проверены на натурных данных модель деформации воздушного потока при прохождении гряды торосов и модель образования внутреннего пограничного слоя над полыньей. Разработаны параметризации турбулентного обмена над различными поверхностями.

Научная и практическая значимость

• Разработанные методики измерения турбулентных потоков и обработки сигналов используются при практических занятиях на кафедре термогидромеханники океана Московского физико-технического института и будут использованы в учебном процессе в РГГМУ, в частности, при преподавании лекционных курсов по направлениям "Гидрометеорология" и "Прикладная гидрометеорология", при курсовом и дипломном проектировании, ири подготовке магистерских диссертаций.

• Полученные на основе обширного экспериментального материала параметризации позволяют улучшить существующие схемы расчета турбулентных потоков в приводном слое атмосферы с учетом особенностей конкретных регионов и рекомендуются для использования в региональных моделях климата.

• Поведенные экспериментальные исследования позволяют лучше понять физику процессов в нестационарных условиях взаимодействия атмосферы и океана.

• Важным результатам является выявление влияния пленочных сликов на морской поверхности на турбулентную структуру приводного слоя атмосферы. Этот результат позволяет прогнозировать возможность влияния обширных нефтяных разливов на климат окружающих регионов.

• Проведенные расчеты и измерения степени влияния различных структурных и температурных неоднородностей на покрытой льдом поверхности океана на динамику приземного слоя атмосферы открывают новые перспективы в разработке региональных моделей климата Арктики, как региона, наиболее чувствительного к современным климатическим изменениям.

• Экспериментальные исследования газообмена в Арктике позволяют оценить вклад различных экосистем в современный углеродный баланс в Арктическом регионе.

(государственный контракт 02.740.11.5225 от 10 июня 2010 г.), по теме: «Мониторинг эколого-климатических параметров взаимодействия атмосферы-гидросферы (суши) включая городскую среду» (Гос. Контракт № 02.740.11.0676), а также программ ОЮ РАН, Президиума РАН и Российского фонда фундаментальных исследований.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались автором на заседаниях Ученого совета Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (2004-2010 гг), на семинарах Отдела дшимики атмосферы Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Отдела дистанционного зондирования Института космических исследований РАН, Института океанологии им. ГШ. Ширшова РАН, Института прикладной физики РАН, Арктического и Антарктического научно-исследовательского института, Российского государственного гидрометеорологического университета, Морского гидрофизического института НАНУ, а также на семинарах International Arctic research centcr (University of Alaska), Leibnitz Institute of Marine Research, Nansen Environmental and remote Sensing Centre, na ежегодных ассамблеях Европейского геофизического общества (2001, 2005, 2007, 2009, 2010), Всемирном океанологическом конгрессе (2006, 2008), ассамблеях Международного сообщества по геодезии и геофизике (2003, 2007), Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (2005-2010), Международных и российских конференциях по Международному полярному году (2006-2010), Международных конференциях «Система моря Лаптевых» (2009, 2010), Российских конференциях «Локальные проявления глубинных процессов на морской поверхности» (Нижний Новгород) (2003-2008). Материалы диссертации представлены в научно-технических отчетах по проектам РФФИ, ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы, Программам министерства Науки и образования, ОНЗ РАН, Президиума РАН, ФЦП «Мировой океан», по международным проектам ИНТАС и CRDF.

По теме диссертации опубликовано 39 работ из них 22 - в отечественных и зарубежных рецензируемых журналах.

Личпый вклад автора

Все основные результаты, представленные в работе, получены автором лично. Автор принимал участие в организации и проведении всех представленных экспериментов. В работах, относящихся к выносимым на защиту результатам и выполненным в соавторстве, основная идея исследований принадлежит автору.

Струкгура и объем диссертации

Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 371 названий. В ней содержится 358 страниц, 10 таблиц и 85 рисунков.

Содержание работы

Во введении раскрывается актуальность диссертационной работы, проводится исторический обзор исследования атмосферной турбулентности в нашей стране и за рубежом и современного состояния исследований мелкомасштабного взаимодействия атмосферы и океана; дается общая характеристика и формулируется цель работы. Излагаются основные задачи исследования и результаты, выносимые на защту.

В главе 1 рассматриваются основные характеристики атмосферной турбулентности и методы ее измерений. Турбулентность играет весьма значительную и многообразную роль в физических процессах, определяющих режим приземного и пограничного слоев атмосферы. Любая модель пограничного слоя атмосферы должна учитывать ряд основных характеристик турбулентности, таких как турбулентный перенос теши, влаги и количества движения.

При исследовании атмосферной турбулентности рассматривается, как правило, нижний слой воздуха толщиной порядка десятков метров, в пределах которого влиянием силы Кориолиса на статистический режим турбулентности можно пренебречь. Такой слой называют приземным (приводным). Иногда используется более общий термин «слой трения», который обозначает область турбулентного течения над шероховатой поверхностью, в которой турбулентный потох импульса с определенными допущениями считается постоянным по высоте.

Существует только один способ непосредственного измерения турбулентных потоков - это метод турбулентных пульсаций или, как его называют в западной литературе, eddy covariance (далее НС). Турбулентные потоки рассчитываются как ковариации между двумя высокочастотными временными сериями записи вертикальной скорости ветра и скаляра, которым может быть температура, влага или любой другой газ, измеренные в той же точке в пространстве и во времени.

Основные уравнения:

H = c„pbwT

t-e =

(1)

где ср и ро - теплоемкость и плотность воздуха, Я - турбулентный поток тепла, г - лоток импульса, ¿г - турбулентный поток влаги (скрытого тепла); /г„; - поток углекислого газа; и. - динамическая скорость, ы', м', к - пульсации трех компонент скорости ветра: продольной (вдоль ветра), поперечной и вертикальной соответственно. Т - пульсации температуры. Поток считается положительным, если он направлен от поверхности в атмосферу.

Атмосферным измерениям над любыми поверхностями присущи определенные недостатки, которые вызывают более или менее значительные ошибки в расчете потоков. Измеренные сигналы нуждаются в серьезной обработке с применением различных фильтров и коррекций. Для наземных станций разработаны достаточно надежные методики измерения потоков, коррекций данных и соответствующее программное обеспечение. При этом, несмотря на комплексные эксперименты последних лет, морские измерения носят эпизодический характер. Это связано со сложностью реализации метода в морских условиях, особенно с подвижных оснований судов и морских буев. В таблице 1 приведены процедуры обработки данных, применяемые для реализации расчета турбулентных потоков методом турбулентных пульсаций и ошибки в расчете потоков, которые они позволяют избежать. При использовании различных типов аппаратуры требуются и другие коррекции. В морских условиях отдельно проводится коррекция движения судна.

Таблица 1. Коррекции метеорологических данных, используемые для расчета турбулентных потоков.

Коррекция Ошибка в вычислении потоков

Удаление всплесков 0-15 %

Выбор интервала осреднения 5-10 %

удаление тренда 0-30%

ТНс1-коррекция (поворот анемометра) 0-25%

Коррекция временного сдвига между сигналами 5-15%

Коррекция частотных характеристик 5-30%

Коррекция акустической температуры 0-10%

WPL-кoppeкция (учет влияния флуктуации плотности воздуха) 0-50%

Контроль качества данных 0-20%

Общая ошибка может быть более 100%, а в нестационарных условиях и на порядок измеряемой величины. Особенно это существенно при малых значениях потоков, которые характерны для морских условий при нейтральной стратификации и при наличии льда на поверхности моря. В работе представлена система коррекций, адаптированная для морских измерений.

При измерениях над морем обычно используется интервал осреднения 20 минут. В нестационарных условиях используется алгоритм ТОММ, позволяющий варьировать интервал от 10 до 30 минут. Существует три способа удаления средних значений. В первом способе из сигнала вычитается среднее значение. В этом случае возможны ошибки, связанные с существование трендов и синоптически процессов. Во втором случае удаляется линейный тренд. Но при этом могут возникнуть ошибки, связанные с мезомасштабшыми процессами масштабов, сравнимых с периодом осреднения. В третьем случае удаляется полиноминальный тренд. Степень полинома может меняться от 2-6. Но здесь мы можем потерять действительно энергонесущие вихри. В нашем случае проводится анализ каждого интервала осреднения и выбирается оптимальный полином (степень от 1 до б).

Удаление выбросов позволяет убрать эффект случайных помех, связанных с попаданием на датчики дождя, пыли, насекомых, а также помехами в электрической сети.

Важную роль играет коррекция наклона анемометра, которая устраняет ошибки, связанные с тем, что ось анемометра не совпадает с осью среднего ветрового потока. С точки зрения математики коррекция наклона - это проекция трех компонент скорости ветра (и,, V,, измеренных с помощью акустического анемометра, в новую систему координат.

Между двумя сериями записи может существовать временной сдвиг, если они получены из двух разных приборов, например акустического анемометра и газоанализатора. Время сдвига может бьггь определено автоматически с помощью кросс-корреляционного анализа для каждого интервала осреднения. Этот метод способен найти максимальное значение ковариации, которое я полагается «реальной» величиной. Также ках мы корректируем временной сдвиг между сериями, мы можем корректировать и время, которое необходимо, чтобы вихрь дошел от одного датчика к другому вдоль направления ветра. Заметим, чтобы выполнить эту коррекцию должен быть известен угол между разнесенными датчиками и направлением ветра.

Коррекции частотной характеристики - это семейство коррекций, компенсирующих потери в значении потока из-за потери вихрей на различных частотах. Это происходит по разным причинам. Главные из них: частотные характеристики датчиков, пространственная разнесенность приборов, высокочастотные и низкочастотные фильтры при регистрации сигналов и др.

Ошибка в вычислении турбулентного потока, вызванная спектральными потерями, может быть выражена как:

* £Ч„(/мг

Здесь Г„(/) - некоторая функция переноса. Функция переноса измерительной системы описывает временную задержку между выходным и входным сигналом (сдвиг по фазе) и скачки амплитуды.

Одной из причин ошибок измерений потоков является факт, что акустический анемометр измеряет не температуру, а скорость звука. Скорость звука зависит от температуры воздуха и в меньшей степени от влагосодержания. Но чтобы получить пульсации реальной температуры из пульсаций акустической температуры этот эффект влажности необходимо учитывать, т.с преобразовывать акустическую температуру в реальную с помощью учета водяного пара.

Чтобы определить турбуленгные потоки углекислого газа и скрытого тепла (влаги) необходимо применить так называемую 'ОТЬ-хоррекцию. Она имеет два направления. Первое связано с преобразованием измеренного объемного содержания какой-либо скалярной примеси (например, водяного пара) в массовый параметр, такой как удельная влажность или массовая доля водяного пара. Второе направление - это коррекция вертикальной скорости ветра за счет учета флуктуации плотности водяного пара. ^ТЬ-коррекция является, пожалуй, самой существенной в вычислении турбулентных потоков.

После осуществления всех коррекций проводится контроль качества данных. Он основан на сравнении статистических параметров, определенных на некотором интервале осреднения с более короткими интервалами внутри этого периода.

Измерения турбулентных пульсаций с борта судна значительно усложняются низкими уровнями турбулентности, более агрессивной окружающей средой, искажением сигналов движениями самого прибора из-за волнения моря (качка судна). Корпус судна и его надстройки оказывают сопротивление воздушному потоку и искажают его, поэтому большое значение имеет расположение платформы для установки приборов. Кроме того, судно перемещается не только относительно земли, но и относительно воды, поэтому для вычисления испитого ветра необходимо знать местоположение судна, его курс и направление продольной оси судна относительно Земли, а также скорость перемещения и направление относительно воды. При измерениях с борга судна также возникают погрешности, вызванные перемещением датчиков в вертикальном направлении в результате килевой качки судна, колебаниями датчика в результате бортовой качки и рысканьем судна по курсу.

Для коррекции движения судна нами применялась методика, разработанная для самолетов и адаптированная к движению судна (АпсШ е1 а1., 1994; Ескоа а а!., 1998). В этом методе реальный вектор ветра может быть получен из уравнения:

Где — измеренный вектор угловых скоростей, Т — матрица перехода из системы координат, связанной с судном к истинной системе координат, Ушо1 — вектор скорости движения судна относительно воды, к — расстояние между анемометром и компенсационной системой.

Вектор скорости движения судна относительно воды вычисляется интегрированием ускорения а, которое существует в системе отсчета судна. При этом необходимо учитывать среднюю скорость судна относительно воды.

И, окончательно,

И« = т(ил, &)+т|асй - \Мр (4)

Па рисунке 1 показан спектр вертикальной скорости ветра по данным, полученным на судне при работе на Черном море, с использованием системы коррекции качки и без нее. Видно, что качка вносит возмущение в область спектра в районе 0.1 Гц, что соответствует среднему периоду волнения.

~тг ® 0.01

0.001

0.0001 0.001 0.0! 0.1 1 10 100 Г, Гц

Рисунок 1. Спектры вертикальной скорости ветра с коррекцией качки и без нее.

В качестве примера применения метода ЕС для измерения турбулентных потоков с борта судна использованы измерения потоков углекислого газа, проводимые с участием автора в Северном-Ледовитом океане в летне-осенний период с 2005 по 2009 года.

Экосистема Арктики наиболее чувствительна к климатическим изменениям и, соответственно, наиболее уязвима. Но при этом углеродный обмен в Арктических районах изучен мало. Практически все имеющиеся оценки потоков углекислого газа между атмосферой и Северным ледовитым океаном (СЛО) основаны на приближенных балансовых расчетах. Эти расчеты используют большое количество осреднений и допущений, и приводимые по ним оценки могут отличаться на порядок. Поэтому роль Северного Ледовитого океана (СЛО) как источника или стока С02 до сих пор не определена. Практически нет данных об участии льда, полыней, снежниц в газообмене.

Измерения турбулентных потоков тепла, влаги и углекислого газа проводились в центральном бассейне Арктики и в морях Арктического шельфа в летне-осенний период в 2005-2009 гг как с борта ледокола «Капитан Драницын», так и с гидрографических судов. Данные газоанализатора синхронизировались с данными акустического анемометра-термометра и использовались для вычисления турбулентных потоков тепла, импульса, влаги и углекислого газа по методике, описанной выше с помощью разработанного нами программного обеспечения с учетом всех требуемых коррекций.

Рисунок 2. Распределение потоков С02 ммол*м"2*день"' (а) море Лаптевых 2005 г. (б) Арктика 2006 г., (в) море Лаптевьк, Восточно-Сибирское море 2008 г.

На рисунке 2 представлено распределение значений потоков С02 на полигоне в различных районах Арктики в 2005, 2006 и 2008 гт. Измерения 2005 года проводились, в основном, над открытий водой. Средняя температура воздуха во время всего периода работ была близка к 0°С, скорость ветра изменялась в диапазоне 5-10 м/с. На большей части акватории океан поглощал С02 из атмосферы, что может быть следствием повышения абсорбционной емкости воды вызванного осенним охлаждением, и/или остаточной фотосинтетической активностью. Поток меняет знак в восточной части полигона, где отмечается значительное падение солености и увеличение поверхностной температуры, что свидетельствует о присутствии речных вод, которые как правило перенасыщены СО2 относительно атмосферы. Этот факт подтверждают и спутниковые данные о температуре поверхности в регионе и концентрации хлорофилла, а также измерения солености,

проведенные в то же время в дельте Лены, которые показывают язык пресных вод, уходящий в район измерений. Надо льдом поток отрицателен и близок к 0 ммол/(м2 день).

В 2006 году измерения проводились надо льдом различной сплоченности и над открытой водой. В основном океан поглощает СО2 из атмосферы. Над сплошным льдом поток отрицателен и близок к 0. Положительные аномалии в проливе Вилышцкого могут быть связаны с наличием речного стока. А увеличение поглощения СО2 из атмосферы в море Лаптевых, объясняется влиянием снежниц на газообмен. Разводья при замерзании, напротив, служат источником СО2 в атмосферу. В 2008 году в прибрежной зоне наблюдается положительный поток углекислого газа.

В таблице 2 представлено сравнение рассчитанных с использованием кубической и квадратичной параметризаций Ванникова и измеренных микрометеорологическим методом величин потоков СО2 между водой и атмосферой в Восточно-сибирском море.

Таблица 2. Средние величины рассчитанных и измеренных (Feo:"3") потоков С02 (ммоль м2 сутки*1) и коэффициенты корреляции рассчитанных и измеренных величин.

Рею"* Fco^ Гсог^ т? ЯЗИ ГС02

FC02 10.39 (±2.43) 7.37 (±2 09) 9.83 (±1.86) 6.50 (±1.44) 6.24 (+1.33)

R (п=19) 0.91 0.92 0.91 0.93

Средние потоки, оцененные по осредненкым суточным и часовым данным скорости ветра для кубической параметризаций, статистически не различаются и совладают с величинами, измеренными михрометеорологическим методом.

Проведенные исследования даже на примере относительно небольшого района показывают разнообразие локальных газообменных процессов в морях Арктики. Результаты прямых измерений потоков хорошо согласуются с результатами предыдущих исследований выполненных в этом регионе другими методами (ЭетНеЮу е( а1„ 2004, 2007, Пипко и др., 2008).

Во второй главе рассматривается разработка параметризаций взаимодействия атмосферы с поверхностью моря при различных условиях. В таблицах 3 и 4 представлено сравнение различных методов определения турбулентных потоков над поверхностью моря. Результаты расчетов инерционно-диссипативным методом (ИД), профильным методом (ПМ) и по балк-формулам с использованием алгоритма СОАИЕ (версия 2.6) сравниваются с результатами измерений. Используются данные специализированных экспериментов на стационарных платформах в Черном море когда направление ветра позволяет счетать условия приближенными к условиям открытого моря. Данные разделялись по скоростям ветра и значениям параметра устойчивости.

Таблица 3. Коэффициенты корреляции R значений турбулентных потоков, полученных из ЕС измерений с ипсрционко-диссипативным, профильным методами и балк-алгоритмом COARE для различных диапазонов скорости ветра. В скобках - количество случаев измерений.

Скорость Ветра, м/с Поток тепла, Н Динамическая скорость и.

ИД ПМ COARE ид ПМ COARE

0-5 (325) 0.76 0.66 0.43 0.78 0.68 0.48

5-15 (687) 0.92 0.89 0.76 0.96 0.80 0.77

>15 (83) 0.73 0.73 0.68 0.86 0.67 0.51

Таблица 4. Коэффициенты корреляции R значений турбулентных потоков, полученных из ЕС измерений с инерциошго-диссипативным, профильным методами и балк-алгоркгмом СО ARE для различных условий стратификации атмосферы.

Параметр Устойчивости Поток тепла, Н Динамическая скорость и.

ИД ПМ COARE ид ПМ COARE

-0.05 >( (305) 0.68 0.62 0.41 0.71 0.60 0.4 3

-0.05 >( <0.05 (675) 0.92 0.91 0.86 0.97 0.87 0.81

f > 0.05 (115) 0.61 0.66 0.50 0.77 0.59 0.48

Из таблиц видно, что наибольшие расхождения между измеренными и рассчитанными различными методами потоками возникают при сильных и слабых ветрах и при неустойчивой и устойчивой стратификации. При среднем ветре и нейтральной стратификации все методы дают удовлетворительные результаты.

Диссипативный метод обладает по сравнению с ЕС методом определенными преимуществами - ои пе требует измерений вертикальных пульсаций скорости ветра и установки датчиков в строга заданном направлении, что позволяет использовать и подвижные основания. Но в его основе лежат предположения о локальной изотропии, существовании инерционного интервала и малости дивергенции потоков. Эти предположения, особенно при сильно устойчивой и неустойчивой стратификации, могут и не выполняться.

Ошибки профильного метода вызваны недостаточным знанием вида универсальных функций и зависимостью используемого при расчетах масштаба Монина-Обухова от искомых потоков. Но самым серьезным источником ошибок градиентного метода являются погрешности самых измерений, выполняемых на платформах, которые неизбежно искажают воздушный поток.

При численном моделировании пограничного слоя для расчетов осредненньк потоков скрытого и явного тепла, а также импульса по измерениям метеопараметров используются так называемые аэродинамические балк-формулы:

т = рС0и\,

Н = рсрС„иг(Т,-Тг), (5)

Со, Си , Сс — безразмерные коэффициенты обмена (коэффициент сопротивления, число Стентона и число Дальтона соответственно); ср и р — теплоемкость и плотность воздуха, Ь, — удельная теплота испарения, г, II и Ц: — турбулентные потоки импульса, тепла и влаги соответственно; 1]г, 7"г и д. — скорость ветра, температура и влажность на высоте г; Т, ид, — температура и влажность у поверхности. Для использования балк-формул важно определение коэффициентов над различными поверхностями и исследование их зависимости от метеоусловий. Коэффициенты, как правило, относятся к стандартной высоте измерений г = 10 метров. Аэродинамический метод основан на статистических законах и дает средние значения коэффициентов, близкие к расчетным, только для большого массива измерений, выполненных при различных условиях. Он бывает вполне достаточен для описания общих тенденций энергообмена и для описания осредяенных по пространству или времени потоков. При этом статистическое осреднение должно происходить по тем параметрам, которые заведомо влияют на потоки, но не учитываются при расчетах по балк-формулам - например, возраст и параметры спектра поверхностного волнения. Поэтому в рамках отдельного эксперимента при его использовании возможны большие погрешности. Дополнительным источником неопределенности в определении коэффициентов обмена для потоков тепла и влаги являются и ошибки измерения температуры поверхности воды. Вместо нее обычно используют температуру верхнего перемешанного слоя, которая, как известно, часто значительно отличается от температуры поверхностной пленки. Иногда применяют и другие способы параметризации, основанные, в частности, на использовании геосгрофических коэффициентов сопротивления и обмена.

Основными характеристиками, входящими в модели прогноза ветрового волнения и ветра над морем являются коэффициент сопротивления морской поверхности.

с - Ты* - т

" о и1 и1 '

УаиМ 10

Мнения разных авторов о характере зависимости коэффициента сопротивления Со от средней скорости ветра сильно отличаются друг от друга, причем результаты, полученные при измерениях в различных условиях, зачастую противоречат один другому. Как правило,

эта зависимость представляется в двух видах: Св = а +- Ьи„, или Св = си*„, причем значения коэффициентов а, в, с к к существенно отличаются. Особенно существенны различия при больших скоростях ветра, где данные о коэффициенте сопротивления отличаются в 5 раз. На рисунке 3 представлена экспериментальная зависимость коэффициента сопротивления от скорости ветра в открытом море и в прибрежной зоне.

(а)

(б)

Рисунок 3. Зависимость полученного из ЕС измерений коэффициента сопротивления от скорости ветра (а) в открытом море, (б) в прибрежной зоне.

В прибрежной зоне большой разброс данных связан с зависимостью коэффициента сопротивления от направления ветра. При береговых ветрах формируются внутренние пограничные слоя, и профиль ветра оказывается искажен. Особенно сложно теоретическое описание сопротивления морской поверхности при малых ветрах. Здесь наблюдается значительный разброс значений коэффициента сопротивления, а характер его зависимости от скорости ветра и параметров морского волнения носит нелинейный характер.

Согласно Чарноку (СЬагпок, 1955) профиль скорости ветра над взволнованной поверхностью подчиняется закону:

(7)

где С - константа.

Одной из причин разброса значений — становится уменьшение значимости закона

и,

Чарнока и появление других факторов, влияющих на эти значения. Здесь полезно ввести

безразмерный параметр К = —, который является отношением масштаба взволнованности В*

и* V

поверхности — к масштабу вязкости — . Здесь V - вязкость воздуха. При достижении & «•

К ~ Кцмт на поверхности моря появляются короткие волны с хорошо различимыми

гребнями. К примерно равно 100, что соответствует скорости ветра около 6 м/с. Эта скорость ветра - нижний предел для условий, когда закон Чарнока является определяющим для формирования профиля ветра. При более слабых ветрах поверхность моря может вести себя как гладкая твердая стенка, над которой вязкий подслой отделяет пристеночный поток. Вне вязкого подслоя профиль скорости ветра можно представить как:

ии)

= к'11п| — | + С и. ^ V

(8)

Но при этом жидкая поверхность все-таки отличается от твердой существованием горизонтальных течений. И турбулентные вихри, контактируя с такой поверхностью, могут испытывать возмущения под влиянием изменения поверхностного натяжения, что искажает вязкий механизм переноса импульса.

Причиной вариаций сопротивления при малых ветрах являются и эффекты стратификации, которые при ветрах < 5 м/с особенно сильны.

Для анализа были использованы данные измерений, представленные ка рис. 3., и полученные в широком диапазоне скоростей ветра и разницы температур вода-воздух. Сначала рассмотрим, как сопротивление морской поверхности зависит от разницы температур вода-воздух при различных скоростях ветра.

а)

б)

в)

-¡О -5 0 5 т,.-т„'с

Рисунок 4. Экспериментальная, зависимость коэффициента сопротивления морской поверхности от разницы температур воздух-вода при различных скоростях ветра (используются данные, осредвенные по АТ).

При малых ветрах наблюдается явная зависимость. Уменьшение коэффициента сопротивления с ростом устойчивости может быть представлено и из выводов теории подобия Монина-Обухова.

Кроме зависимости от стратификации присутствует и зависимость от влажности. Она не столь значительна, но тоже требует учета.

3 2.5 2

0.5

0.2 1

II, и/с

И, и/с

и, и/с

Рисунок 5. Зависимость коэффициента сопротивления морской поверхности от скорости ветра при различных «ратификациях (используются данные, осредненные по скоростям ветра).

В результате, по экспериментальным данным установлено, что при неустойчивой стратификации коэффициент сопротивления при малых ветрах уменьшается с увеличением скорости ветра, (рис. 5) В частности, этим объясняется тот факт, что в конвективных условиях при и -»0 динамическая скорость и, нулю не равна. При нейтральной стратификации Со практически не меняется, а при устойчивой стратификации увеличивается. На основе этих данных разработаны параметризации, представляющие Си как функцию влажности, разницы температур и скорости ветра С„ = /([/, Д7\г%) . Используется кубическая параметризация зависимости коэффициента сопротивлении от скорости ветра. Аналогичная процедура была выполнена и для числа Стентона. Следует отметить, что полученные функции не носят универсальный характер, и входящие в них коэффициенты могут изменяться в зависимости от внешних условий.

Одновременные пульсационные и профильные измерения позволили исследовать

характеризующего стратификацию атмосферы (Рис. 6). Таким образом, подтверждается теоретически обоснованная зависимость коэффициента сопротивления и связанного с ним параметра шероховатости от стратификации атмосферы (гШйпкеисЬ, 2008).

Широко обсуждаемой проблемой является существование турбулентности при числах Ричардсона выше критического Нгт = 0.25 (Вш^ег аг а1, 1971, Казанский, 1965), т.е. при сильно устойчивой стратификации. Теоретически этот факт обоснован в работах С.С. Зилитинкеаича (ИЦ^еУшЬ а! а1, 2007-2009). Данные натурных наблюдений также подтверждают, что турбулентность может существовать и при числах Ричардсона выше критического. При параметризации турбулентного обмена в приземном слое эта проблема решается выбором универсальных функций, не допускающих уменьшения до нулевых

зависимость коэффициента сопротивления от числа Ричардсона

значений коэффициентов обмена, т.е. позволяющих турбулентности существовать при сильно устойчивой стратификации. Другая проблема состоит в том, что сильно устойчивая стратификация характеризуется уменьшением высоты приземного слоя ниже высоты нижнего модельного уровня, что делает неправомерным использование метеовеличин, полученных на этом уровне, для расчета турбулентных потоков в приземном слое.

7 6 5

а , и 3

-2 -1 ш0 1 2

Рисунок 6. Зависимость коэффициента сопротивления от числа Ричардсона.

Коэффициент аэродинамического сопротивления поверхности моря является критически важным параметром в теории ураганных ветров. Традиционные балк-формулы, выведенные на основании обобщения экспериментальных данных, полученных при скоростях ветра менее 30 м/с, дают завышенные значения коэффициента сопротивления морской поверхности при ураганных ветрах. При этом сценки показывают, что диссипация энергии за счет трения оказывается слишком высокой, чтобы объяснить наблюдаемую скорость ураганного ветра при реалистичных источниках энергии. Проблема объяснения высоких значений скорости ветра при ураганах может быть разрешена, если после того, как скорость ветра достигает некоторого критического значения, коэффициент сопротивления морской поверхности перестает возрастать с увеличением схорости ветра.

На рис. 7а представлена зависимость коэффициента сопротивления от скорости ветра, полученная нами из экспериментальных данных в штормовых условиях. Аналогичный результат был представлен в работе В1аск а1, 2007 (рис. 76) на основе самолетных измерений в ураганах.

а)

б)

о.

О 5 10 15 20 25 30 35 <0

10 15

25 30

Ü м/с

Рисунок 7. Зависимость коэффициента сопротивления при сильных ветрах от скорости ветра, (а) Измерения, выполненные автором б открытом море; (б) самолетные измерения в работе (Black at al, 2007).

Подобный эффект наблюдается при метелях и песчаных (пылевых) бурях, (рисунок 8). Эти явления объединяет тот факт, что во всех случаях при усилении скорости ветра у поверхности образуется движущийся слой частиц - водяных капель, частиц песка и почвы, счежинок. То есть поток становится двухфазным. У поверхности, концентрация частиц больше, чем в более верхних слоях. Это означает, что внизу плотность воздушной смеси (воздуха и частиц) больше, чем наверху - то есть дополнительно к температурной стратификации образуется устойчивая стратификация атмосферы по плотности. Чем стратификация устойчивей, тем больше энергии тратят турбулентные вихри на преодоление сил плавучести, а значит, тем меньше у них остается энергии, и интенсивность перемешивания падает. То есть наличие взвешенных частиц в воздухе приводит к ослаблению турбулентности в приземном (приводном) слое. Увеличение устойчивости стратификации означает уменьшение значения масштаба длины Монина-Обуховз в приземном слое за счет дополнительного слагаемого, содержащего в себе плотность воздушной смеси и турбулентный поток частиц. Это приводит к уменьшению потока импульса через поверхность и к уменьшению коэффициента турбулентного обмена в приземном слое. Как известно, сильные инверсии температуры в чистых воздушных потоках тоже снижают интенсивность турбулентности и вызывают уменьшение коэффициента сопротивления поверхности.

а)

б)

* иш м/с'

15.0

Рисунок 8. Зависимость коэффициента сопротивления от скорости вира (а) при метели (ровная заснеженная поверхность) и (б) песчаной поверхности (Калмыкия).

Теоретическое описание эффекта ускорения двухфазного потока было дано в работе

ВагепЫап, (ЗоШзуп, 1974. Для описания профиля нейтрально стратифицированного несущего

взвешенные частицы потока ими была получена функция:

£/«=—(ь-^ + й^-!, (9)

здесь Ь - константа, - внешний параметр подобия, который является функцией концентрации примеси в потоке. и.3

(Ю)

где м^ - скорость свободного падения частиц, - концентрация частиц на уровне г, р -ра

ег = —---относительное превышение плотности частиц над плотностью воздуха.

Согласно формуле Стокса и>, = 2хщгг 19у , где г - радиус частиц. Для расчета

профиля концентраций частиц используем соотношение т = -

-, где а - константа.

При а < 1 профиль концентрации частиц можно представить как Я(г) = —j , где

Эг - концентрация частиц на высоте г,. В таблице 5 представлены рассчитанные из уравнений (6,9) характерные величины скорости ветра, при которых коэффициент сопротивления начинает уменьшаться для различных примесей. Полученные данные хорошо согласуются с результатами наблюдений.

Таблица 5. Характерные скорости ветра при которых возможно уменьшение значений коэффициента сопротивления.

| Примесь Брызги Песок Снег

| Размер частиц 10 мкн 60 мкн 100 мкн

| Скорость ветра 22 м/с 12 м/с 10 м/с

Данный подход может объяснить и тот факт, что по данным измерений с морской платформы при береговых ветрах уменьшение коэффициента начинается при меньших значениях скорости ветра. При береговых ветрах разгоняемая волна короче и обрушения начинаются раньше. Другой причиной наблюдаемого явления может быть трансформация профилей скорости ветра и температуры при натекании воздушного потока с берега на морскую поверхность.

Изучение воздействия пленок поверхностно-активных веществ (ПАВ) и нефтепродуктов на характеристики ветровых волн и динамику приводного слоя атмосферы в настоящее время представляет значительный шггерес, прежде всего в связи с задачами спутникового мониторинга океана, разработкой дистанционных методов идентификации и диагностики техногенных загрязнений различных акваторий, а также зон повышенной биологической продуктивности. Изменяя физические свойства нижней границы приводного атмосферного погранслоя, пленки влияют на обмен импульсом, теплом и веществом между атмосферой и морем. Оценка таких эффектов представляет очевидный интерес и для развития оперативных моделей прибрежных акваторий, включая моделирование экосистем, и для климатических исследований.

Прежде всего, пленки подавляют самые короткие ветровые волны и их обрушения, уменьшая шероховатость морской поверхности и, таким образом, влияя на турбулентность приводного атмосферного погранслоя. Наличие пленок влияет также на интенсивность потока СОг через водную поверхность.

С целью исследования влияния сликов на структуру приводного слоя атмосферы на морской поверхности создавалась искусственная пленка с характерным размером 100 м и более. Синхронные записи всей задействованной аппаратуры выполнялись в течение получаса до прохождения пленки под платформой, во время прохождения пленки, которое длилось примерно 15 минут, и в течение получаса после прохождения пленки. Таким образом, возникала возможность выделения эффектов пленки на естественном фоне.

В таблице 6 представлено изменение шероховатости поверхности и скорости ветра в приповерхностном слое при прохождении слика.

Таблица б. Параметр шероховатости и скорость ветра на стандартном горизонте

Состояние поверхности

До слика

Прохождение

слика

После слика

До слика

Прохождение

слика

После слика

До слика

Прохождение

слика

После слика

Параметр „ Время

Скорость '

шероховатости % £ ^ осред-

_см__нения, мш!

12 октября 2009 года (#1)

0.196 7.5

0.079 7.9

0.095 7.8

13 октября 2009 года (#2)

0.059 4.2

0.023 4.8

0.048 4.3

18 октября 2009 года (#3)

0.051 0.018 0.043

4.1 4.6 3.8

20 15 10

18 13 15

10 15 15

Во время прохождения слика параметр шероховатости уменьшается, в то время как скорость ветра возрастает. Эффект имеет место также и в эксперименте при умеренном ветре с наличием обрушений на морской поверхности.

Рисунок 9. Кросс-спеир горизонтальной и вертикальной скоростей воздушного потока при прохождении над чистой поверхностью (1) и поверхностью, покрытой пленкой (2).

Пленка не влияет на волны зыби, но подавляет ветровые волны с высокими частотами. Поэтому над пленкой можно ожидать уменьшения интенсивности потока импульса именно в высокочастотной области. Это представление подтверждается формой кросс-спектров горизонтальной и вертикальной скоростей ветра. На рис. 9 приведены кросс-спектры вертикальной н горизонтальной скоростей ветра для эксперимента 3, рассчитанные по измерениям над чистой поверхностью и над поверхностью, покрытой пленкой.

Рисунок указывает, что турбулентная структура воздушного потока меняется в зависимости от состояния прилегающей морской поверхности. Это подтверждается спектральным анализом других измеряемых атмосферных характеристик.

В главе 3 исследуется динамики к структура катабатических ветров по данным измерений в Антарктиде и на Шпицбергене. Возникновение стоковых (катабатических) ветров в полярных районах связано с сильным охлаждением воздуха на склонах ледниковых плато и движением его под действием силы тяжести вниз по склону. Эти ветра оказывают значительное влияние как на климат данных регионов, так и на энергетический баланс в зоне ледника. В свою очередь, сила ветров зависит от рельефа местности и синоптической ситуации в регионе. Над локальными протяженными ледниками стоковые ветра возникают, как правило, в период таяния. Теплый воздух, который нагревается над соседними скалами и открытой почвой, переносится над тающим ледником с помощью крупномасштабной циркуляции, воздух охлаждается о ледниковую поверхность, и поток скатывается с ледника. Такие ветра продолжаются до тех пор, пока поверхность ледника находится в состоянии таяння, то есть в течение весны и лета. Эти ветра играют огромную роль в энергетическом балансе поверхности ледника, так как генерируют турбулентность, которая обеспечивает обмен теплом между атмосферой и ледниковой поверхностью.

Но, несмотря на многочисленные исследования катабатических ветров, четкой теории данного явления до сих пор не разработано. В тех работах, где изложены положения о катабатнческом ветре, другие атмосферные характеристики не рассматриваются. И, практически, нет работ в которых рассматривалось бы взаимодействие стоха с морской поверхностью. Измерения, выходящие за рамки стандартной метеорологии, носят эпизодический характер. Очень скудные сведения о турбулентной структуре ветра, о его влиянии на турбулентный энергообмен атмосферы с подстилающей поверхностью.

Основные, представленные в работе результаты, получены во время наблюдений турбулентной структуры атмосферы на ст. Ню-Алесунд и леднике Конгсвеген в Королевском фьорде Шпицбергена в апреле 2008 и 2009 годов.

Согласно климатологии Шпицбергена, в течение всего года кроме двух летних месяцев преобладающие ветра в регионе дуют с направления, расположенного между северо-востоком и юго-востоком. Но на самом деле циркуляция в приземном слое атмосферы оказывается очень сильно зависимой от рельефа конкретной местности и от ветровых потоков местного происхождения. Эти потоки, направленные вдоль долин и фьордов, переносят холодный воздух с ледников к относительно теплому морю.

Если область низкого давления расположена Юго-Западнее Шпицбергена, то геострофический ветер усиливает локальный приземный ветровой поток, если ситуация

противоположна, то геострофический и местный ветра существуют независимо друг от друга. Постоянно существующий на леднике сток при отсутствии соответствующих барических условий, не влияет на ветровой режим окружающих районов.

Микрометеорологические данные, даже если они получены в одной точке, могут давать информацию о состоянии приземного слоя атмосферы, например, через расчет параметра Монина-Обухова, который определяет стратификацию (устойчивость) атмосферы. При больших скоростях ветра, в основном, наблюдалась стратификация, близкая к нейтральной. Устойчивая стратификация возникала при ветрах юго-восточного направления. Неустойчивая - при слабых северо-восточных ветрах. Большую часть времени поток тепла был отрицателен, что соответствует устойчивому состоянию атмосферы.

При устойчивости направления катабатическим ветрам свойственна значительная нестационарность скорости ветра, что выражается в его порывистости. Это связано с наличием мезомасштабных вихрей в ветровом потоке. Пространственный масштаб таких вихрей может меняться от нескольких до десятков метров, а временной - до нескольких минут. Для выявления масштабов этих вихрей использовалось вейвлет-преобразование. Обнаружено, что интенсивность вихреобразования усиливается в моменты начала и окончания действия катабатического потока. При сильных ветрах изменчивость скорости ветра преобладает над изменчивостью температуры. При слабых доминируют температурные структуры.

При наличии небольших крутых ледниковых склонов на фоне региональных ветров возникают местные ветра. Основная причина их возникновения — градиент давления, по разному направленный днем и ночью. В классическом случае они настолько слабы, что забиваются любым, даже небольшим циклоном. Но они являются значительной составляющей местного климата.

По измерениям на локальном ледниковом склоне наблюдался четкий суточный ход всех метеопараметров. При максимальном дневном прогреве слабый поток ветра дул со склона. При уменьшении поступления солнечной радиации воздух начал остывать, ветер сменил направление. Но ночное выхолаживание поверхности снова привело к усилению ветра и возникновению устойчивого стока. При этом выхолаживание приводит к тому, что поток тепла меняет знак, стратификация атмосферы становится устойчивой. Это совпадает с моментом усиления ветра. В отличие от сильных катабатических ветров, возникающих на протяженных ледниках, локальный сток обладает меньшей порывистостью и не содержит явных вихревых структур в потоке.

Расчет характеристик энергообмена при действии катабатических ветров по традиционным аэродинамическим балк-формулам из-за несоответствия большой скорости

ветрового потока и степени его турбулизации дает сильно завышенные результаты. Более правдоподобные результаты дает профильный метод. В этом методе турбулентные потоки вычисляются по измерениям стандартных метеорологических характеристик на двух высотах с использованием универсальных функций Поток тепла можно определить как:

„Зг-^, (И)

I "1 г

где Т; -температура первого уровня, Т, температура поверхности (в случае измерений на двух уровнях используется Т2 и Г/ соответственно), Ън параметр шероховатости для температуры.

Динамическая скорость вычисляется по формуле: Ш

1п

(12)

где 4=0.4 постоянная Кармана, г» параметр шероховатости, и I, масштаб Монина-Обухова

Здесь <ри универсальная функция для температуры н <рм универсальная функция для скорости ветра.

Функции Ч"н и вычисляются по формулам:

(13)

= (14) »

„ . к Ьи «г Эг

Для определения функции <рн и <ри грт ---—; д>и = ——; для катабатического

и. Эг Т. Эг

потока использовались одновременные профильные и турбулентные измерения на леднике. Профильные измерения проводились на 15-метровой турбулентной мачте с датчиками на 6 уровнях.

На рисунке 10 показаны полученные из измерений универсальные функции. Универсальная функция по скорости ветра разделена на два случая - когда ветровой максимум находился на 6 метрах и на 9.

Рисунок 10. Универсальные функции для потоков импульса и тепла по измерениям на леднике. <рт соответствует ветровому максимуму на 9 м„ а <ри1- на 6.

При увеличении устойчивости наблюдается сильный разброс данных, что делает полученные аппроксимации, вообще говоря, нерепрезентативными. При повышении уровня ветрового максимума устойчивость штока увеличивается. При этом наблюдается существенный дисбаланс энергии, что делает применение теории МО условно-возможной.

Было проведено сравнение измеренных и рассчитанных потоков с использование линейных универсальных функций =0.9 + 4г/£.. Если при стратификации, близкой к нейтральной, значения рассчитанных и измеренных потоков тепла и импульса хорошо совпадают, то при увеличении устойчивости разница между рассчитанными и измеренными значениями увеличивается до 50%. Проведенное исследование подтверждает, что вид универсальных функций <ра при катабатических ветрах отличается от общепринятых параметризаций из-за деформации профиля температуры и скорости ветра.

В главе 4 обсуждаются результаты прямых измерений турбулентных потоков тепла и импульса, проведенные в различных районах Арктики над различными поверхностями. Исследуются температурные и структурные характеристики подстилающей поверхности, а также трансформация профилей метеохарактеристик над поверхностью сложной структуры.

При экспериментальном изучении теплового баланса Арктики, особенно в случае полыней, разводий и молодых льдов, окруженных многолетним ледяным полем, особую трудность представляет определение вертикальных турбулентных потоков тепла и влаги. Ледяной покров определяет изменение альбедо, потоки тепла и влаги, а также динамическое взаимодействие между океаном и атмосферой. На формирование термического режима приводного слоя атмосферы существенное влияние оказывают и фазовые превращения на поверхности океана, связанные с замерзанием водной поверхности и таянием льдов. Особый

интерес представляет изучение влияния на тепловой баланс полярных районов полыней и разводий (трещин, каналов).

Теплообмен между атмосферой и океаном при наличии ледяного покрова формируется под воздействием большого числа факторов. Радиационный баланс является основной расходной статьей теплового бюджета многолетнего ледяного покрова зимой. Сильное радиационное выхолаживание и сравнительно небольшое поступление тепла от океана через теплоизолирующий слой льда приводят к тому, что температура верхней поверхности льда оказывается ниже температуры окружающего воздуха. Это определяет устойчивую стратификацию приледного слоя атмосферы и отрицательный знак турбулентного потока явного тепла, что означает охлаждение нижнего слоя атмосферы. Вклад турбулентного потока скрытого тепла незначителен, что объясняется малым содержанием водных паров в приледном слое атмосферы. В летний период преобладает нейтральная стратификация атмосферы, турбулентные потоки малы и также преобладает радиационный баланс за счет потоков коротковолновой радиации.

Но над участками молодого тонкого льда и, тем более, открытой поверхности в полыньях и разводьях, условия теплообмена меняются: Все составляющие теплового баланса увеличиваются, а турбулентный поток тепла меняет знак. Особенно это существенно в осенне-зимний период, когда разница температур вода-воздух может достигать нескольких десятков градусов.

На рисунке 11 показан тепловой баланс, полученный над различными типами льда в осенний период при отсутствии солнечной радиации. Длинноволновый радиационный баланс рассчитывался по данным метеорологических наблюдений и радиозондирования атмосферы. Видно, что при наличии открытой воды и молодого льда в осенне-зимний период турбулентный энергообмен начинает играть ключевую роль в общем энергетическом балансе, при том что над многолетними льдами его величины незначительны. Наблюдался положительный поток тепла над зонами разводий и отрицательный над многолетними льдами.

Из экспериментальных данных получено, что при одинаковых погодных условиях в летне-осенний период турбулентный энергообмен линейно зависит от сплоченности льда (процентное отношение площади открытой воды к площади льда). Похожий результат был получен из профильного метода расчета потоков.

300

ИН+1.Е

ЕВ)»

ОО

250

200 ® 150 100 н

-50

Рисунок 11. Тепловой баланс над различными типами льда в осенне-зимний период. Н+ЬЕ -суммарный турбулентный баланс (поток тепла и влажности), В|„ - длинноволновый баланс.

суммарный тепловой баланс. 1. Многолетний лед; 2. 85% многолетнего льда и 15% молодого льда; 3. Молодой лед; 4. Прикромочная зона (50% многолетнего льда, 25% молодого льда, 25% открытой воды); 5. Открытая вода; 6. Открытая вода при штормовых условиях.

Измерения характеристик атмосферной турбулентности непосредственно со льда, в отсутствии влияния корпуса корабля и вибрации, позволяют получить более аккуратные результаты, особенно при малых значениях турбулентных потоков.

Коэффициент аэродинамического сопротивления и связанный с ним параметр шероховатости го необходимы при расчетах дрейфа ледяных полей, прогнозировании ледовой обстановки, расчетах давления льда на суда и береговые сооружения. Со ледовой поверхности в очень большой степени зависит от формы, геометрических размеров и размещения имеющихся на ней неровностей (заструги, торосы). Кроме того, сопротивление ледовой поверхности зависит от состояния снежного покрова, от наличия поземки и снегопадов, от стратификации приземного воздуха. Поэтому коэффициент сопротивления и параметр шероховатости оказываются чрезвычайно изменчивы во времени и в пространстве Арктики в зависимости от метеорологических характеристик и распределения зон торошения и подвижек льда, чем объясдяется большой разброс экспериментальных коэффициентов и параметров шероховатости Арктики.

Измерения показывают, что при слабых и умеренных ветрах Со над ледяной заснеженной поверхностью не зависит от скорости ветра. Но при увеличении скорости ветра на поверхности образуется поземка, заметная на высоте 10 метров при скоростях ветра 5-7 м/с. Это явление вызывает уменьшение сопротивления поверхности. Сведения о поведении С« и го при снегопадах по данным измерений противоречивы из-за сложности проведения наблюдений в таких условиях. Данные говорят о тенденции снижения Со-

Очень существенно влияние на воздушный поток торосов и других неровностей. Для исследования трансформации воздушного потока над грядой торосов были проведены прямые измерения потока импульса на различном расстоянии от гряды торосов с наветренной и подветренной стороны. Диаметр основания торосов составлял 2-3 метра, высота Ь - 1.5 м. Под влиянием взаимодействия с торосами существенно изменяется структура турбулентного потока - крупные турбулентные вихри разбиваются на более мелкие и интенсивность турбулентности резко возрастает. Среднее значение Со над такими торосами составило: 3.1 -КГ3 . Экспериментально получена зависимость коэффициента сопротивления от среднеквадратичной высоты неровностей.

Значение и при переходе от ровной поверхности к торошенной изменяется на два порядка. За грядой торосов вдоль по потоку распространяется зона повышенной интенсивности турбулентности. От степени развития этой зоны зависит горизонтальное расстояние, до которого распространяется влияние торосов. Непосредственно за грядой (от подстилающей поверхности, до высоты порядка Ь) поток некоторое время сохраняет свойства, которые сформировались у него при прохождении гряды торосов. Скорость ветра здесь ослаблена, напряжение турбулентного трения растет с высотой, и, следовательно, в этой области потока основные соотношения подобия для пристеночного течения не могут быть использованы.

Теоретическая оценка влияния ледяных торосов на характер турбулентного течения выполнялась на основании решения замкнутой системы уравнений, описывающих трансформацию потока над неоднородной поверхностью. Гряда торосов представляется в виде зоны шероховатости с равномерно расположенными препятствиями. Характеристиками препятствий является их средняя высота А, площадь в единице объема (,$) и коэффициент аэродинамического сопротивления Со. В данной задаче торосы моделировались в виде равномерно ориентированных гряд со средним диаметром основания 2-3 метра, высота - 2м. По результатам расчетов напряжение трения резко изменяется при переходе потока с одной подстилающей поверхности на другую. Эти изменения носят характер всплеска на расстоянии порядка Л, а затем поток импульса постепенно приближается к своему равновесному значению.

Полярной зимой холодная атмосфера и относительно теплый океан разделены мощным слоем льда, что препятствует их взаимодействию. При образовании разрывов льда из-за большой разницы температуры образуются сильные уходящие потоки. Возможны два типа таких разрывов: полыньи - большие участки открытой воды размером от нескольких сотен метров до сотен километров, которые образуются зимой и, как правило, в одних и тех же местах и разводья (каналы и трещины) - линейные подвижки льда, при которых

образуются разрывы шириной 1м - 1км и длиной 1 - 100 км. Разница температур океана и воздуха в этих местах достигает 20-40° С и это позволяет большому количеству скрытого и явного тепла поступать из океана в атмосферу.

Экспериментальное исследование полыней позволяет выявить особенности турбулентного обмена над ними в сравнении с открытым океаном и предложить параметризации для моделей. Важный параметр полыньи - высота к внутреннего пограничного слоя, т.е. сферы влияния теплой воды. Определяется она расстоянием х от кромки льда, с которой дует ветер.

На основании решения уравнений

(15)

адб> эй эе,„

1Г* эГТГ (1б)

получены следующие параметризации, позволяющие рассчитать все параметры внутреннего пограничного слоя:

1) Профиль потенциальной температуры

*„М=4(0(17)

2) высота внутреннего пограничного слоя:

КГеС, 3 Р(*)

Поток тепла определяется как

Н,(х) = Снр(х)сри1а(вт-в(х)), (19)

При малых х!г (г - высота измерений) число Стентона равно 1.8 10~3, при больших -10"3, что соответствует значению, характерному для открытого океана.

2.5 2

S1.5

С 1

0.5 0

О 100 200.^300 400 500

Рисунок 12. Зависимость числа Стентона Си от безразмерной ширины разводья. L параметр Монина-Обухова.

В случае наличия на поверхности льда разводий была получена зависимость значения числа Стентона от безразмерной ширины разводья (Рис. 12). Эта зависимость хорошо параметризуется соотношением: Сн =1.1 + 0.7ехр[0.05(ХШ].

При натекании конвективного потока со стороны полыньи интересно проследить насколько далеко распространяется влияние полыньи. С этой целью измерения турбулентного потока тепла проводились на разном расстоянии от кромки разводья шириной около 100 метров. Скорость ветра составляла 5-6 м/с, метеорологические условия во время эксперимента не менялись. Вне влияния разводья наблюдалась устойчивая стратификация атмосферы. Результаты измерений представлены на рисунке 13. Слабое влияние разводья ощущается даже на расстоянии 500 метров от кромки.

0 200 400 600 расстояние, х

Рисунок 13. Зависимость потока ясного тепла от расстояния от кромки при натекании воздушного потока со стороны разводья.

Внутри внутреннего пограничного слоя влияние теплой поверхности изменяет профили температуры и влажности. Считается, что выше ВПС это влияние не ощущается. Наблюдения с самолета, проводимые с целью обнаружения действия трещин на метеорологию Арктики, обнаружили над полыньями т.к. "шпомы" или "перья". Эти образования, расположенные на высоте 4 км, влияют на радиационный баланс над Арктикой и могут проникать через арктическую инверсию и транспортировать тепло в стратосферу.

Чтобы исследовать влияние изменчивости температуры поверхности на температуру атмосферы были проведены одновременные измерения пульсаций температуры поверхности То и температуры воздуха Т. Температурные неоднородности на поверхности передаются атмосфере и модулируют низкочастотные возмущения температуры и влажности воздуха.

Из вышесказанного следует, что изменчивость температуры поверхности вызывает значительный отклик в атмосфере даже при сильно устойчивой стратификации. Вероятно,

изменение характера атмосферной турбулентности и передача возмущений более высоким слоям и является причиной образования плюмов вад полыньям.

По результатам выполненных в районе Польшей и разводий измерений была разработана и протестирована параметрическая модель формирования внутреннего пограничного слоя над полыньей. Полученные результаты использовались в мезомасиггабной модели, позволяющей рассчитывать характеристики энергообмена над неоднородной покрытой льдом поверхностью. Дм анализа использован район мсця Лаптевых площадью 500x500 км в 2008 году, в центре которого в марте-апреле существовала протяженная заприпайная полынья. Для анализа динамики ледяного покрова использовались денные ENVISAR ASAR и базы данных "Sea ice concentrations from Nimbus-7 SMMR and DMSP SSM/I passive microwave data". В качестве входных параметров - данные реанализа и метеорологические данные эксперимента «Трансдрифт-2008». Расчеты показали, что полынья способна влиять на процессы взаимодействия атмосферы и океана в данном регионе, что не разрешается стандартным реанализом.

В Заключении приведены основные результаты работы:

1) Существует только один способ непосредственного измерения турбулентных потоков - это метод прямых пульсаций или eddy covariance. Но этому методу присущи определенные недостатки, которые вызывают более или менее значительные ошибки в расчете потоков. Измеренные сигналы нуждаются в серьезной обработке с применением различных фильтров и коррекций. На основании прямых измерений пульсаций метеопараметров в работе показаны условия применимости различных коррекций. Выбраны оптимальные методы корректировки данных для работы в морских условиях.

2) С учетом экспериментальных возможностей группы разработана и применена методика корректировки движения судна. Для реализации методики необходимо проводить дополнительные измерения трех компонент движения судна и углов наклона, а также вектор поступательного движения судна относительно морской поверхности. Контроль качества данных после применения коррекции показал хорошую работу данного фильтра.

3) Применение прямого метода для измерения потоков углекислого газа с судна в Северном ледовитом океане показало его хорошую применимость даже в услвиях малых величин потоков. Установлено, что в прибрежных районах Арктический океан является источником СО2 в атмосферу. Так же возможными источниками могут быть линзы речной воды. При береговых ветрах существует перенос потока с берега. Лед препятствует газообмену - поток мал и зависит от толщины льда. Но при замерзании полыньи и разводья являются источником СОа, а снежницы - стоком. Сравнение с балансовым методом расчета потоков показал преимущество кубичесхой аппроксимации при расчете потоков.

4) Прямые измерения потоков тепла и импульса над морем, позволили уточнить зависимость коэффициента сопротивления от внешних условий. ПроЕеден анализ существующих методов расчета характеристик турбулентного знергообмена атмосферы и морской поверхности. На основании большого массива экспериментальных данных проанализарованы зависимости параметрических коэффициентов от метеорологических параметров, предложены новые параметризации. Особое внимание уделено энергообме!!у при штормовых и слабых ветрах. Установлена зависимость коэффициентов обмена и параметра шероховатости от стратификации. Экспериментально подтверждено уменьшение коэффициента сопротивления при сильных ветрах. На основании теории двухфазного потока предложен механизм объяснения этого явления.

5) Проведенные эксперименты убедительно показали, что пленки ПАВ на морской поверхности влияют на структуру турбулентности приводного слоя атмосферы. Даже относительно небольшие по площади пленочные пятна (линейный размер около 100 м) способны вызывать изменеиия в спектрах турбулентных флуктуаций характеристик атмосферы. Если пленки растительного масла воздействуют на процессы в приводном слое атмосферы, то можно ожидать, что нефтяные загрязнения, которые изменяют шероховатость морской поверхности еще более значительно, также будут проявляться в характеристиках атмосферной турбулентности.

6) Установлено наличие мезомасштабных вихревых структур масштаба от десятков секунд до нескольких минут катабатическом в ветровом потоке. Интенсивность образования структур увеличивается с увеличением скорости ветра. Обнаружено уменьшение коэффициента сопротивления заснеженной поверхности с увеличением скорости ветра, связанное с образованием поземки.

7) Прослежена суточная динамика локального ветрового потока, возникающего на крутом ледниковом склоне. Ночное выхолаживание поверхности приводит к усилению ветра и возникновению устойчивого стока. Поток тепла меняет знак, стратификация атмосферы становится устойчивой. Это совпадает с моментом усиления ветра. В отличии от сильных катабатических ветров, возникающих на протяженных ледниках, локальный сток обладает меньшей порывистостью и не содержит явных вихревых структур в потоке.

8) Проанализирована турбулентная структура катабатического потока над ледниковым склоном. При увеличении устойчивости наблюдается сильный разброс значений расчета универсальных функций, что делает полученные аппроксимации, вообще говоря, нерепрезентативными. При повышении уровня ветрового максимума устойчивость потока увеличивается. При этом наблюдается существенный дисбаланс энергии, что делает применение теории МО условно-возможной. Если при стратификации, близкой к

нейтральной, значения рассчитанных с примененийм линейной аппроксимации и измеренных потоков тепла и импульса хорошо совпадают, то при увеличении устойчивости разница между рассчитанными и измеренными значениями увеличивается до 50%. Проведенное исследование подтверждает, что вид универсальных функций <ра при катабатических ветрах отличается от общепринятых параметризаций из-за деформации профиля температуры и скорости ветра.

9) На основе обработки обширного экспериментального материала, собранного в полярных районах, показано, что поток турбулентного тепла в значительной мере зависит от толщины и сплоченности льда. Над молодым, тонким льдом толщиной 30 см он на 1-2 порядка превышает поток тепла над многолетним лаковым льдом. В осенне-зимнее время при сплоченности льда в 7 баллов, поток меняет знак и становится отрицательным. Такой лед служит надежный теплоизоляцией и не пропускает тепло от сравнительно теплой воды (около 0 градусов) в холодную атмосферу (температура которой может опускаться до -50 град.).

10) Коэффициент аэродинамического сопротивления Св и параметр шероховатости ледовой поверхности 2о чрезвычайно изменчивы во времени и в пространстве, и в большой степени зависят от формы, геометрических размеров и расположения на ней различных неровностей (заструги, торосы) и от состояния снежного покрова, от наличия поземки и снегопадов, от стратификации приземного воздуха. Экспериментально получены значения для Со находятся в интервале от 0,64 до 2,4-10"\ а - для го - в интервале от 0,4 до 20-10'2. Экспериментально получена зависимость коэффициента сопротивления от среднеквадратичной высоты неровностей.

11) Построена теоретическая модель движения воздушного потока над всторошенным полем и получено расчетное значение Со над торосами со средним диаметром основания 2-3 м, плотностью расположения - 1 торос на 50мг, и высотой 2м (ЗД-103). Модельное значение параметра шероховатости го при переходе от ровной поверхности к всторошенной изменяется на два порядка. В целом за фоновую шероховатость ровных заснеженных ледяных полей можно принять го=2,2-10"3 см, и коэффициент сопротивления при этих условиях и скоростях ветра ниже 7 м/с принимается С0 =1.4-10"3. Произведено сравнение модельных и экспериментальных данных, показавших хорошее согласие.

12) Разработана и протестирована параметрическая модель формирования внутреннего пограничного слоя над полыньей. Полученные результаты использовались в мезомасштабной модели, позволяющей рассчитывать характеристики энергообмена над неоднородной покрытой льдом поверхностью. Для анализа использован район моря

Лаптевых площадью 500x500 км в 2008 году, в центре которого в марте-апреле существовала протяженная заприпайная полынья. Для анализа динамики ледяного покрова использовались денные ENVISAR ASAR и базы данных "Sea ice concentrations from Nimbus-7 SMMR and DMSP SSM/I passive microwave data". В качестве входных параметров - данные реанализа и метеорологические данные эксперимента «Трансдрифт-2008». Расчеты показали, что полынья способна влиять на процессы взаимодействия атмосферы и океана в данном регионе.

Список публикаций И.А. Репиной по теме диссертации В рецензируемых изданиях

1. Волков Ю.А., Грачев A.A., Репина И.А. Измерения частотных спектров турбулентности в приводном слое воздуха в штилевую погоду// Изв. РАН, Физика атмосферы и океана, 1993. Ш. С.496-500.

2. .Волков Ю.А, Елагина Л.Г., Грачев A.A., Плахина И.Н., Репина И.А. Турбулентные потоки и тепловой баланс над растениями // Изв. РАН, Физика атмосферы и океана. 1997. Т.ЗЗ. №4. С.570-573.

3. Реппна H.A., Смирнов A.C. Обмен теплом и импульсом между атмосферой и льдом по данным наблюдений в районе Земли Франца-Иосифа. // Изв. РАН, Физика атмосферы и океана. 2000 Т.Зб. №5. С. 672-680.

4. Репина H.A. Исследование динамических характеристик я температурного режима водной поверхности в Каспийском море // Метеорология и Гидрология. 2000. X« 10. С. 15-27.

5. Волков Ю.А., Кузьмин A.B., Репина И.А„ Трохимовский Ю.Г. Радиометрические исследования температурного режима поверхности воды в лабораторных условиях //Изв. РАН Физика атмосферы и океана. 2004. Т.40. №1. С. 96-101.

6. Artamonov A.Yu., Buchnev I.A., Repina LA., Skirta A.Yu., Smimov A.S., Tolpygin L.I. Turbulent Fluxes of Heat and Momentum and Statistical Characteristics of Turbulence in the Near-Surface Air in Near-Shore and Deep-Water Zones of the Black Sea // Oceanology. 2005. V. 45. Suppl. 1. P. S27-S38.

7. Баханов B.B., Горячкин Ю.Н., Корчагин H.H., Репина ИА. Черноморская экспедиция в районе Феодосийского залива в августе-сентябре 2005 г. II Океанология. 2005. №4. С.634-638.

8. Semiletov I., Pipko LI., Repina LA., Shakhova N. Carbonate dynamics and carbon dioxide fluxes across the atmosphere-ice-water interfaces in the Arctic Ocean Pacific sector of the Arctic // Journal of Marine Systems. 2007. V. 66. P. 204-226.

9. Баханов В.В., Горячкин Ю.Н., Корчагин H.H., Репипа ИЛ. Локальные проявления глубинных процессов на поверхности моря в приводном слое атмосферы // Доклады Академии Наух. 2007. Т.414. В.4. С.587-591.

10. Репина ИЛ., Семилетов И.П., Смирнов A.C. Прямые измерения потоков С02 в море Лаптевых в летний период // Доклады Академии Наук. 2007. Т.413. В.З. С.452-456.

11. Репипа И.А., Бобков С.А. Теплофизические свойства льда и разных типов открытой поверхности в районе Антарктического полуострова // Метеорология и Гидрология. 2007. №9. С.74-80.

12. Поспелов М.Н., Горячкин Ю.А., Комарова Н.Ю., Кузьмин A.B., Репина И.А., Ситнянский БД, Смирнов М.Т. Комплексный радиофизический эксперимент по дистанционному зондированию морской поверхности CAPMOS'05 // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2007. В.4. Т.1. С.227-348.

13. Троицкая Ю.И., Долина И.С., Ермошкин A.B., Баханов В.В., Зуйкова Э.М., Репина И.А., Титов В.И. Отрицательные корреляции изменчивости приводного ветра и поверхностного волнения // Изв. РАН, Физика атмосферы и океана. 2008. Т. 44. № 4. С.527-542.

14. Пипко И.И., Репипа И.А., Салюк А.Н., Семилетов И.П., Путач С.П. Результаты сравнения расчетных и измеренных величин потоков СО2 между океаном и атмосферой в Юго-западной части Восточно-Сибирского моря // Доклады Академии наук. 2008. Т.422. № 1. С.110-114.

15. Артамонов А.Ю., Бучнев И.А., Репипа ИЛ. Взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью в летний период в зоне Антарктической конвергенции // Проблемы Арктики и Антарктики. 2008. В.76. С. 155-176.

16. Ivanov V.V., Polyakov I.V., Dmitrenko I.A., Hansen E., Repina I.A., Kirillov S.A., Mauritzen C., Simmons H., Timokhov L.A. Seasonal Variability in Atlantic Water off Spitsbergen //Deep-Sea Researc. 2009. Part 1. V. 1-56. P.l-14.

17. Кузьмин A.B., Горячкин Ю.А., Ермаков Д.М., Ермаков СЛ., Комарова Н.Ю., Кузнецов A.C., Репипа ИЛ., Садовский И.Н., Смирнов М.Т., Шарков Е.А., Чухарев A.M. Морская гидрографическая платформа «Кацивели» как подспутниковый полигон на Черном море // Исследование Земли из космоса. 2009. № 1. С.31-44.

18. Repina LA., Chukharev A.M., Goryachkin Y.N., Komarova N.Y., Pospelov M.N., Evolution of air-sea interaction parameters during the temperature front passage: The measurements on an océanographie platfonn// Atmospheric Research. 2009. V.94. No.l. C.74-80.

19. Pospelov M.N., De Biasio F., Goryachkin Y.N., Komarova N.Y., Knzmin A.V., Pampaloni P., Repina LA., Sadovsky I.N., Zecchetto S. Air-sea interaction in a coastal zone: The results of

the CAPMOS'05 experiment on an océanographie platform in the Black Sea // Atmospheric Research. 2009. V.94. №1. P.61-73.

20. Репина И.А., Иванов Б.В., Кузнецов Р.Д. Режим ветра над ледниковыми склонами (по данным измерений на архипелаге Шпицберген) // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2009. В.2. С.180-188.

21. Чечин Д.Г., Репина И.А., Степаненко В.М. Численное моделирование влияния холодной пленки на тепловой баланс и термический режим водоемов // Изв. РАН, Физика атмосферы и океана. 2010. Т. 46. № 4. С. 538-550

22. Баханов В.В., Богатое H.A., Волков A.C., Ермошкин A.B., Зуйкова Э.М., Казаков В.И., Кемарская О.Н., Лобанов В.Н., Репина ИЛ., Титов В.И. Натурные исследования масштабов изменчивости гравитационно-капиллярных поверхностных волн и приводного ветра в шельфовой зоне черного моря // Изв. РАН, Физика атмосферы и океана.20i0. Т. 46. №. 2. С. 255-262.

В сборниках и прочих изданиях

23. Волков Ю.А., Репина И.А. Когерентные структуры в атмосферном пограничном слое над морем // Математика, компьютер, образование. 1997. Т.4. С.63-67.

24. Репина ИЛ. Динамика приводного слоя воздуха над неоднородной поверхностью. Аналитическое решение // Математика, компьютер, образование. 1998. Т.5. 4.2. С. 143145

25. Репина И.А., Смирнов A.C. Перекос тепла и импульса над поверхностями сложной структуры // Математика, компьютер, образование. 2001. Т.8.4.2. С.351-356.

26. Волков Ю.А., Репина ИЛ. Влияние структуры подстилающей поверхности в полярных районах на энергообмен атмосферы и океана / В сб. «Поверхностные и внутренние волны в арктических морях» под ред. И.В. Лавренова и Е.Г. Морозова. 2002. гл. 11. С. 189-206.

27. Волков Ю.А., Смирнов A.C., Репина И.А. Энергетический обмен в северной полярной области по данным эксперимента "Арктика-98" / В сб. «Опыт системных исследований в Арктике» под ред. Лисицына А.П., Романкевича Е.А., Фролова И.Е. 2002. С.285-290.

28. Баханов В.В., Горячкин Ю.Н, Корчагин НН., Ренина ИЛ. Локальные проявления глубинных процессов на поверхности моря и в приводном слое атмосферы / В сб. «Проявление глубинных процессов на морской поверхности», ИПФ РАН, Нижний Новгород. 2004. С. 40-53.

29. Баханов В.В., Долина И.С., Репина И.А., Сидоров A.B., Троицхая Ю.И Влияние нелинейных эффектов на взаимодействие приводного ветра с морской поверхностью в

присутствии неоднородного течения. / В сб. «Проявление глубинных процессов на морской поверхности», ИПФ РАН, Нижний Новгород. 2007. С. 7-22.

30. Баханов В.В., Бучнев И.А., Зуйкова Э.М., Казаков В.И., Кемарская О. Н., Репина И.А., Титов В.Н. Натурные исследования изменчивости поверхностпого волнения и приводного слоя атмосферы над особенностями рельефа / В сб. «Проявление глубинных процессов на морской поверхности», ИПФ РАН, Нижний Новгород. 2007. C.31-S3.

31. Репина И.А. Влияние глубоководных процессов на структуру приводного слоя атмосферы / В сб. «Проявление глубинных процессов на морской поверхности», ИПФ РАН, Нижний Новгород. 2007. С.11-21.

32. Баханов В.В., Богатев H.A., Волков A.C., Ермошкин A.B., Зуйкова Э.М., Казаков В.И., Кемарская О.Н., Лобанов В.Н., Репина И.А., Титов В.И. Натурные исследования масштабов изменчивости поверхностного волнения и приводного ветра в районе шельфа. Препринт. 2007. ИПФ РАН. 13 с.

33. Репипа И.А. Методы определения турбулентных потоков над морской поверхностью. Москва. 2007. ИКИ РАН. 36 с.

34. Тимачев В.Ф., Иванов Б.В., Репина И.А., Теплообмен между атмосферой и ледовым покровом // Труды ААНИИ. 2008. В.447. С.140-155.

35. Троицкая Ю.И., Долина И.С., Ермошкин A.B., Баханов В.В., Зуйкова Э.М., Репина ИЛ., Титов В.И.. Отрицательные корреляции изменчивости приводного ветра и поверхностного волнения: примеры натурных наблюдений и теоретическая модель I В сб. «Проявление глубинных процессов на морской поверхности», ИПФ РАН, Нижний Новгород. 2008. С. 25 - 43.

36. Баханов В.В., Волков A.C., Ермошкин A.B., Зуйкова Э.М., Казаков В.И., Кемарская О.Н., Репина И.А., Титов В.И. Натурные исследования изменчивости поверхностного волнения и приводного слоя атмосферы в шельфовой зоне / В сб. «Проявление глубинных процессов на морской поверхности», ИПФ РАН, Нижний Новгород. 2008. С.16-24.

37. Репина IIA., Смирнов A.C. Мезомаспггабные структуры в приводном слое атмосферы в районе свала глубин в море Лаптевых / В сб. «Проявление глубинных процессов на морской поверхности», ИПФ РАН, Нижний Новгород. 2008. С.5 -15.

38. Репина И.А. «Ветер, ветер на всем Божьем свете....» О природе местных катабатических ветров II Природа. 2008. №5. С.36-43.

39. Репина И.А., Дулов В.А., Малиновский В.В. Влияние искусственных сликов на морской поверхности на динамику приводного слоя атмосферы II Системы контроля окружающей среды. 2010. С. 147 - 152.

Подписано в печать:

20.04.2011

Заказ № 5473 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Объем: 2 усл.п.л. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Содержание диссертации, доктора физико-математических наук, Репина, Ирина Анатольевна

Введение.

Глава 1. Основные аспекты применения пульсационного (Eddy correlation) метода для измерения турбулентных потоков в приводном слое атмосферы.

1.1 Характеристики тур булентного режима в приземном слое атмосферы.

1.2. Теория подобия Монина-Обухова для атмосферной турбулентности.

1.3. Определение турбулентных потоков пульсациониым методом.

1.4 Коррекции, используемые при вычисление турбулентных потоков по данным пульсациоиных измерений.

1.5.Удаление помех, вызванных влиянием движения судна.

1.6. Теоретические погрешности вычисления потоков.

1.7. Применение пульс ационного (НС) метода для измерения потоков углекислого газа в Северном ледовитом океане.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Экспериментальные исследования взаимодействия атмосферы и океана в нестационарных условиях"

За последние десятилетия все чаще отмечаются драматические климатические изменения во многих регионах Земли [МГЭИК2007]. При этом важнейшую роль в процессах формирования погоды и климата играют океаны [Алексеев и др., 1991; Бортковский, 1983; Бридж, Четен, 1986; Ван Мигем, 1977; Гит, 1986, Гулее и др. 1994; Доронин, 1981; Каган, 1992; Каменкович и др., 1987; Китайгородский, 1970; JIanno, 1979; Лаппо и др., 1990; Монин, 1982; Пери, Уоккер, 1979; Ханн, Сутырин, 1983, Csanady, 2001; Donelan et al, 2002, Garratt, 1992,]. В настоящее время очевидно, что без учета реальных характеристик взаимодействия атмосферы и океана невозможно успешное развитие как моделирования атмосферной циркуляции, так и создаваемых на его основе методов долгосрочного и сверхсрочного прогноза погоды и климата. Поэтому исследование взаимодействия гидросферы и атмосферы становится все более необходимым для понимания природы процессов, протекающих на нашей планете, и дальнейшего развития наук гидрологии, метеорологии и океанологии.

В 1963 году, когда только намечались основные пути изучения взаимодействия океана и атмосферы, группа ведущих американских геофизиков констатировала [.Benton et al., 1963]: «Мы начали туманно представлять себе, что атмосфера и океан, которые вместе составляют подвижную оболочку Земли, в действительности функционируют как гигантская механическая и термодинамическая система. Проблема изучения взаимодействия атмосферы и океана должна стать одним из важнейших объектов геофизики в ближайшее десятилетие». С тех пор прошло почти 50 лет. Наука о взаимодействии атмосферы и океана превратилась в специальную дисциплину, целью которой является объяснение естественной изменчивости взаимно приспособленных полей характеристик атмосферы и океана, выявить общие и отличительные черты гидротермодинамики обеих сред, важные для понимания эволюции климата, создать теорию климата^ и на ее основе предсказать потенциальные последствия естественных и антропогенных воздействий.

Прогресс был достигнут благодаря осуществлению крупных экспериментальных программ, с одной стороны, и внедрению физических моделей взаимодействия атмосферы и океана, с другой. Оба< эти подхода являются взаимно-дополняющими: теоретический предполагает использование экспериментальных данных для проверки моделей, экспериментальный -концептуальных идей, подкрепленных результатами модельных исследований.

Среди наиболее масштабных экспериментов следует упомянуть Программу исследования* глобальных атмосферных процессов (Global Atmosphere Research Programme — GARP) и ее первый глобальный эксперимент (First GARP Global Experiment — FGGE), Международный проект по исследованию взаимодействия океана и атмосферы (Joint. Air-Sea Interaction Experiment), Международную программу по изучению тропических районов океана и их взаимодействия с атмосферой (Tropical Ocean1 Global Atmosphere Programm - TOGA), Международный эксперимент по изучению глобальных циклов энергии и воды (Global Energy and Water Cycle Experiment - GEWEX), Международную программу по изучению геосферы и биосферы (The International Geosphere - Biosphere Programme —IGBR), Международные программы по исследованию глобальной циркуляции (World Ocean Circulation Experiment - WOCE) и биогеохимических процессов в океане (Joint Global Ocean Flux Studies — JGOFS), программу «Разрезы» по исследованию энергоактивных зон океана, Всемирную программу исследования климата (World Climate Research Programme - WSRP), Международный эксперимент по исследованию влагообмена над морем (Humidity Exchange over the Sea — HEXOS), Эксперимент BALTEX (Baltic Sea Experiment), проводившийся в течение' нескольких лет в бассейне балтийского моря; Исследование приповерхностного теплового баланса Арктического океана (Surface Heat Budget of the Arctic Ocean - SНЕВА) и многие другие.

Развитие дистанционных методов зондирования позволило' ввести совершенно новые методы исследований. В* частности, создана сеть опрашиваемых со спутников дрейфующих и заякоренных буев [Graber et al, 2005]. Спутниковые измерения стали основой глобальной системы непрерывной регистрации радиационных потоков, облачности, температуры поверхности океана, скорости ветра, параметров волнения и уровня океана.

Последние пол века ознаменовались и беспрецедентным ростом активности в области математического моделирования взаимодействия океана и атмосферы с построением-целой иерархии моделей системы океан-атмосфера: от глобальных до мезомасштабных и вихреразрешающих.

И хотя для климатологов определяющим остается взаимодействие атмосферы и океана на синоптическом и климатическом масштабах [Гулев и др. 1994; Gulev, 1997], с параметризацией и теоретическим описанием потоков тепла, импульса, влаги и радиационных процессов на границе раздела' океан-атмосфера связано все-таки мелкомасштабное взаимодействие.

В общей проблеме энергообмена между океаном и атмосферой мелкомасштабное взаимодействие занимает особое место, являясь определяющим в обмене теплом, количеством движения и влагой непосредственно через границу раздела взаимодействующих сред [JJpoifeccbi., 1974; Csanady, 2001]. Теоретическое описание и расчет такого взаимодействия затруднён из-за чрезвычайной сложности рассматриваемых физических процессов. Пригодность закономерностей и теоретических положений, полученных в основном для течений в аэродинамических трубах и для пристеночной турбулентности, в условиях подвижной поверхности раздела море-атмосфера нуждается в тщательной проверке.

Теоретическое исследование взаимодействия атмосферы и океана усложняется тем, что мы имеем две взаимодействующих турбулизированных среды очень разной плотности, и само состояние морской поверхности зависит от структуры ветрового потока над ней. Над морем турбулентный поток воздуха может передавать.поверхности не только импульс, но и механическую энергию; которая идет на увеличение волнения [Roll, 1965]». Шероховатость моря, определяемая* геометрией^ поверхности, оказывается зависимой от волнения, т.е. в конечном счете от характеристик самого ветрового потока и некоторых внешних параметров. Таким образом, для того, чтобы применить теорию приземного слоя воздуха к атмосфере над морем, необходимо знать от каких факторов зависит шероховатость морской поверхности и определить вид этой зависимости. Особенность жидкой подстилающей поверхности заключается также в том, что элементы шероховатости волны не являются неподвижными образованиями, а перемещаются с различными фазовыми скоростями, зависящими от длины волны. В результате, волны одинаковой длины и конфигурации в зависимости от угла между направлением волн и скоростью ветра будут оказывать различное тормозящее действие па ветровой поток.

В случае морской поверхности возникает связанное с наличием волнения нарушение условий подобия в нижнем слое воздуха, толщина которого определяется характерными размерами волн. Кроме того, при определении направления касательного напряжения (над сушей совпадающего с направлением ветра) необходимо учитывать эффект нижнего вращения ветра, обусловленного наличием поверхностного течения. Оба указанных эффекта — волнения и поверхностного течения — накладывают ограничение на выбор нижнего уровня градиентных измерений, который должен располагаться не ниже утроенной высоты волн. [Zilitinkevich, 1969] Еще сложнее обстоит дело при наличии поверхностных неоднородностей различных масштабов, которые также нарушают условие стационарности воздушного потока.

Измерения стандартных метеорологических величин, а также профилей температуры Т(г), скорости ветра и(г) и влажности ц(~) позволяют, используя некоторые гипотезы, оценивать величины турбулентных по токов тепла, влаги и количества движения. В- случае стационарного ветра над однородной поверхностью обычно предполагается, что структура поверхностного пограничного слоя соответствует теории подобия Монина-Обухова (МО), которая предсказывает влияние стратификации атмосферы на профили средней скорости ветра и турбулентной кинетической энергии (ТКЭ) в слое постоянных по высоте напряжений Рейнольдса [Монин, Обухов, 1954] Но для использования теории подобия необходимо выполнение двух условий: [Монин, 1962]

При этих условиях статистические характеристики метеорологических полей не зависят от горизонтальных координат точки измерения и от времени и, следовательно, могут зависеть лишь от высоты измерений г. Несмотря на идеализацию условий, теория подобия МО совместно с теорией Колмогорова о существовании инерционного интервала в спектрах компонент скорости широко используется для оценок потоков импульса, тепла и влаги, переноса примесей и в моделях прогноза погоды как над сушей, так и над морем.

Использование теории подобия МО может быть оправдано в условиях открытого моря, если отклонения от теории случайны и не влияют на оценки средних величин« при большом объеме данных. В прибрежных районах при береговых ветрах над морем формируются внутренние пограничные слои, связанные с неоднородностью геометрических и термических свойств поверхности. Профили средней скорости ветра и интенсивность турбулентности в этом случае существенно отличаются от характеристик пограничного слоя, типичного для условий открытого моря, что накладывает определенные ограничения на* применения, теории МО. [Garratt, 1990] Кроме того, одной из основных характеристик климата прибрежных районов с горным рельефом являются так называемые катабатические ветра. Высота катабатического потока составляет от десятков до сотен метров с максимумом скорости ветра в нескольких метрах от поверхности. Поэтому применение теории подобия МО, особенно в нижнем приземном слое, не всегда возможно [Ball, 1956, Van den Broeke, 1996].

При экспериментальном изучении теплового баланса Арктики, особенно в случае полыней, разводий и молодых льдов, окруженных многолетним ледяным полем, определение вертикальных турбулентных потоков тепла и влаги представляет особую трудность. Полярным регионам свойственна поверхность сложной структуры: здесь присутствуют льды различной толщины, покрытые торосами, снежницами, гладкие и со снежным покровом; полыньи и разломы различной протяженности; большие участки открытой воды во взволнованном состоянии. В результате воздушный поток, переходя^ с одной поверхности на другую, трансформируется, и возникает сложная система внутренних пограничных слоев. Обменные процессы зависят от сплоченности, толщины льда, степени его заснеженности и всторошенности, направления воздушного потока, площади Польшей и трещин, наличия поземки и многих других часто трудно-формализуемых факторов. [Макштас, 1984; Andreas et al., 2005; Jordan et al, 1999] Характер поверхности льда сказывается на профиле ветра вблизи нее, тем самым влияя* на тепло- и влагообмен между льдом и воздухом.

Первые шаги в исследовании турбулентности были сделаны еще в 19 веке английским физиком Рейнольдсом. В середине прошлого века основные законы атмосферной турбулентности были сформулированы в монографиях [Монин, Яглом 1965, 1967; Ламли, Поповский, 1966; Пристли, 1964] Но теория подобия Колмогорова-Обухова для локально-изотропной турбулентности и теория Монина-Обухова для приземного слоя атмосферы опиралась на гипотезы, нуждающиеся в экспериментальной проверке. Еще в 30-е годы прошлого столетия было показано, что профиль скорости ветра в приземном слое воздуха при нейтральной стратификации близок к логарифмическому [Сеттон, 1958]. Однако при значительных вертикальных градиентах температуры, как и следует из теории, наблюдается отклонение от чисто логарифмического профиля скорости ветра. Первые данные о виде универсальных функций профиля были получены с помощью профильных наблюдений скорости ветра и температуры [Thornthwaite, Käser, 1943; Монин, 1953] Эти наблюдения указывали на существование универсальной зависимости, но не могли дать ее точный вид, так как для этого требовалось измерение пульсационных характеристик. Методики и аппаратура для таких измерений развивались параллельно в нашей стране и за рубежом [Кречмер, 1954; Обухов, 1951; Swibank, 1951, Mac Cready, 1953]. Но настоящая революция произошла в середине пятидесятых годов, когда начал развиваться акустический метод измерения пульсаций скорости ветра и температуры воздуха. Аппаратура, разработанная в том числе и в ИФА РАН, позволила получить ряд весьма точных измерений характеристик пульсаций в атмосфере [Бошеверов и др., 1959; Businger, Kaimal, 1963].

Измерения над морем, как профильные, так и пульсационные, в связи со значительными техническими трудностями, начались позже и долгое время оставались весьма немногочисленными [Deacon, 1962; Зубкоеский, Тгшановский, 1965, Боргпковский и др., 1967]. Но развитие аппаратуры и методики исследований позволило провести экспериментальную проверку теории турбулентности, в частности, определить основные универсальные зависимости характеристик турбулентности в приземном, приводном и пограничном слоях атмосферы. [Волков и др., 1968, 1971, 1974, 1997, Зубкоеский и др., 1974, 1979, Копров и др. 1966, 1974, 1998, Кухарец, 1974, 1979, Цванг и др., 1987].

В настоящее время литература о турбулентности в атмосфере очень обширна и содержит, в частности, много экспериментальных данных о характеристиках турбулентного обмена в приземном и приводном слое. Но даже такие значительные эксперименты последних лет как SHEBA [Uttal, 2002; Persson et al, 2002], HEXOS [DeCosmo et al., 1986; Katsaros et al, 1987], TOGA-COARE [ Webster, Lukas, 1992], BALTEX [Baltic Sea Experiment BALTEX, 1995], FASTEX [Persson et al., 2005], SOFIA/ASTEX [Dupuis et al, 1997] и многочисленные лабораторные исследования так и не дали ответа на вопрос в чем же причина расхождения модельных и экспериментальных данных в определении турбулентных потоков. [Beesley et all, 2000]

Для решения этой проблемы необходимо непосредственное измерение турбулентных потоков в пограничном приводном слое в различных внешних условиях и последующая их параметризация внешними условиями. Информация, накопленная в результате таких экспериментов, служит основой для построения схемы расчета характеристик локального тепло- и массообмена на основе стандартных гидрометеорологических измерений. С другой стороны, она позволяет лучше понять природу взаимодействия и исследовать вклад явлений различных масштабов. В диссертационной работе для анализа используются данные специализированных экспериментов, проводимых в разнообразных фоновых условиях, в том числе и когда применение стандартных методов расчета составляющих турбулентного энергообмена затруднено.

Цели работы

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработанная автором адаптация системы коррекций прямого метода измерения турбулентных потоков к измерениям с судов и неподвижных платформ в морских условиях с коррекцией качки, выбором интервала осреднения и метода удаления тренда.

6. Параметризации турбулентного обмена для различных поверхностей, свойственных Арктике.

7. Модель деформации воздушного потока при прохождении гряды торосов.

8. Модель формирования внутреннего пограничного слоя над полыньей

Научная новизна:

• Впервые экспериментально исследована степень затухания катабатического потока по мере удаления от береговой черты. Цроведена диагностика турбулентной структуры катабатического потока в зависимости от степени устойчивости нижнего слоя атмосферы.

• Впервые представлены и проверены на натурных данных модель деформации воздушного потока при прохождении гряды торосов и модель образования внутреннего пограничного слоя над полыньей. Разработаны параметризации турбулентного обмена над различными поверхностями.

Научная и практическая значимость

Разработанные методики измерения турбулентных потоков и обработки сигналов используются при практических занятиях на кафедре термогидромеханники океана Московского физико-технического института и будут использованы в учебном процессе в РГГМУ, в частности, при преподавании лекционных курсов по направлениям "Гидрометеорология" и "Прикладная гидрометеорология", при курсовом и дипломном проектировании, при подготовке магистерских диссертаций. Полученные на основе* обширного экспериментального материала параметризации позволяют улучшить существующие схемы расчета турбулентных потоков в приводном слое атмосферы с учетом особенностей конкретных регионов и рекомендуются для использования в региональных моделях климата.

Поведенные экспериментальные исследования позволяют лучше понять физику процессов в нестационарных условиях взаимодействия атмосферы и океана.

Важным результатом является выявление влияния пленочных сликов на морской поверхности на турбулентную структуру приводного слоя атмосферы. Этот результат позволяет прогнозировать возможность влияния обширных нефтяных разливов на климат окружающих регионов. Проведенные расчеты и измерения степени влияния различных структурных и температурных неоднородностей на покрытой льдом поверхности океана на динамику приземного слоя атмосферы открывают новые перспективы в разработке региональных моделей климата Арктики, как региона, наиболее чувствительного к современным климатическим изменениям.

• Экспериментальные исследования газообмена в Арктике позволяют оценить вклад различных экосистем в современный углеродный баланс в Арктическом» регионе.

Исследования получили финансовую поддержку Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках мероприятия 1.5 Федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы (государственный контракт 02.740.11.5225 от 10 июня 2010 г.), по теме: «Мониторинг эколого-климатических параметров взаимодействия атмосферы-гидросферы (суши) включая городскую среду» (Гос. Контракт № 02.740.11.0676), а также программ ОНЗ РАН, Президиума РАН и Российского фонда фундаментальных исследований.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались автором на заседаниях Ученого совета Института физики атмосферы им. AM. Обухова РАН (20042010 гг), на семинарах Отдела динамики атмосферы Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАД Отдела дистанционного зондирования Института космических исследований РАН, Института океанологии им. ПП. Ширшова РАД Института прикладной физики РАД Арктического и Антарктического научно-исследовательского института, Российского государственного гидрометеорологического университета, Морского гидрофизического института НАНУ, а также на семинарах International Arctic research center (University of Alaska), Leibnitz Institute of Marine Research, Nansen Environmental and remote Sensing Centre, на ежегодных ассамблеях Европейского геофизического общества (2001, 2005, 2007, 2009, 2010), Всемирном океанологическом конгрессе (2006, 2008), ассамблеях Международного сообщества по геодезии и геофизике (2003, 2007), Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (2005-2010), Международных и российских конференциях по Международному полярному году (2006-2010), Международных конференциях «Система моря Лаптевых» (2009, 2010), Российских конференциях «Локальные проявления глубинных процессов на морской поверхности» (Нижний Новгород) (2003-2008). Материалы диссертации представлены в научно-технических отчетах по проектам РФФИ, ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" па 2009-2013 годы, Программам министерства Науки и образования, ОНЗ РАН, Президиума РАД ФЦП «Мировой океан», по международным проектам ИНТ АС и СШЖ

По теме диссертации опубликовано 39 работ из них 22 — в отечественных и зарубежных рецензируемых журналах.

Личный вклад автора

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Репина, Ирина Анатольевна

Заключение

1. Существует только один способ непосредственного измерения турбулентных потоков - это метод прямых пульсаций или eddy covariance. Но этому методу присущи определенные недостатки, которые вызывают более или менее значительные ошибки в расчете потоков. Измеренные сигналы нуждаются в серьезной обработке с применением различных фильтров и коррекций. На основании прямых измерений пульсаций метеопараметров в работе показаны условия применимости различных коррекций. Выбраны оптимальные методы корректировки данных для работы в морских условиях.

2. С учетом экспериментальных возможностей разработана и применена методика корректировки движения судна. Для реализации методики необходимо проводить дополнительные измерения трех компонент движения судна и углов наклона, а также вектор поступательного движения судна относительно морской поверхности. Контроль качества данных после применения коррекции показал хорошую работу данного фильтра.

3. Применение прямого метода для измерения потоков углекислого газа с судна в Северном ледовитом океане показало его хорошую применимость даже при малых величинах потоков. Установлено, что в прибрежных районах Арктический океан является источником С02 в атмосферу. Также возможными источниками могут быть линзы речной воды. При береговых ветрах существует перенос потока с берега. Лед препятствует газообмену — поток мал и зависит от толщины льда. Но при замерзании полыньи и разводья являются источником ССЬ, а снежницы — стоком. Сравнение с балансовые методом расчета потоков показал преимущество кубической аппроксимации.при расчете потоков углекислого газа.

41 Прямые измерения потоков* тепла, и импульса над морем, позволили уточнить зависимость коэффициента сопротивления от внешних условий. Проведен анализ существующих методов расчета характеристик, турбулентного энергообмена атмосферы и морской поверхности. На основании большого массива экспериментальных данных проанализарованы зависимости параметрических коэффициентов от метеорологических параметров, предложены новые параметризации. Особое внимание уделено энергообмену при штормовых и слабых ветрах. Установлена зависимость коэффициентов обмена и параметра шероховатости от стратификации. Экспериментально подтверждено уменьшение коэффициента сопротивления при сильных ветрах. На основании теории двухфазного потока предложен механизм объяснения этого явления.

5. Проведенные- эксперименты убедительно показали, что пленки ПАВ на морской поверхности влияют на структуру турбулентности приводного слоя атмосферы. Даже относительно небольшие по площади пленочные пятна (линейный размер около 100 м) способны вызывать изменения в спектрах турбулентных флуктуаций характеристик атмосферы. Если пленки растительного масла воздействуют на процессы в приводном слое атмосферы, то можно ожидать, что нефтяные загрязнения, которые изменяют шероховатость морской поверхности еще более значительно, также будут проявляться в характеристиках атмосферной турбулентности.

6. Установлено наличие мезомасштабных вихревых структур масштаба от десятков секунд до нескольких минут катабатическом в ветровом потоке. Интенсивность образования структур увеличивается с увеличением скорости ветра. Обнаружено уменьшение коэффициента сопротивления заснеженной поверхности с увеличением скорости ветра, связанное с образованием поземки.

7. Проанализирована турбулентная структура катабатического потока над ледниковым склоном. При увеличении устойчивости наблюдается сильный разброс значений расчета универсальных функций, что делает полученные аппроксимации, вообще говоря, нерепрезентативными. При повышении уровня ветрового максимума устойчивость потока увеличивается. При этом наблюдается существенный дисбаланс энергии, что делает применение теории МО условно-возможной. Если при стратификации, близкой к нейтральной, значения рассчитанных с примененийм линейной аппроксимации и измеренных потоков тепла и импульса хорошо совпадают, то при увеличении устойчивости разница между рассчитанными и измеренными значениями увеличивается до 50%. Проведенное исследование подтверждает, что вид универсальных функций ц>а при катабатических ветрах отличается от общепринятых параметризаций из-за деформации профиля температуры и скорости ветра.

8. На основе обработки обширного экспериментального материала, собранного в полярных районах, показано, что поток турбулентного тепла в значительной мере зависит от толщины и сплоченности льда. Над молодым, тонким льдом толщиной 30 см он на 1-2 порядка превышает поток тепла над многолетним паковым льдом. В осенне-зимнее время при сплоченности льда в 7 баллов, поток меняет знак и становится отрицательным. Такой лед служит надежный теплоизоляцией и не пропускает тепло от сравнительно теплой воды (около 0 градусов) в холодную атмосферу (температура которой может опускаться до -50 град.).

9. Коэффициент аэродинамического сопротивления CD и параметр шероховатости ледовой поверхности zo чрезвычайно изменчивы во времени и в пространстве, и в большой степени зависят от формы, геометрических размеров и расположения на ней различных неровностей (заструги, торосы) и от состояния снежного покрова, от наличия поземки и снегопадов, от стратификации приземного воздуха, Экспериментально получены значения* для CD находятся в интервале от 0,64 до 2,4-10"3, а — для z0 - в интервале от 0,4 до 20-10"*". Экспериментально получена зависимость коэффициента сопротивления от среднеквадратичной высоты неровностей и от стратификации атмосферы.

10.Построена теоретическая модель движения воздушного потока над всторошенным полем и получено расчетное значение Со над торосами со средним диаметром основания 2-3 м, плотностью расположения — 1 торос на 50м , и высотой

2м (3,1-103). Модельное значение параметра шероховатости z0 при переходе от ровной поверхности к всторошенной изменяется на два порядка. В целом за фоновую шероховатость ровных заснеженных ледяных полей можно принять z0=2,2-10" см, и коэффициент сопротивления при этих условиях и скоростях ветра ниже 7 м/с принимается Со = \ЛЛ0гъ . Произведено сравнение модельных и экспериментальных данных.

11.Разработана и протестирована параметрическая модель формирования внутреннего пограничного слоя над полыньей. Полученные результаты использовались в мезомасштабной модели, позволяющей рассчитывать характеристики энергообмена над неоднородной покрытой льдом поверхностью. Для анализа использован район моря Лаптевых площадью 500x500 км в 2008 году, в центре которого в марте-апреле существовала протяженная заприпайная полынья. Для анализа динамики ледяного покрова использовались денные EN VIS AR ASAR и базы данных "Sea ice concentrations from Nimbus-7 SMMR and DMSP SSM/I passive microwave data". В качестве входных параметров - данные реанализа и метеорологические данные эксперимента «Трансдрифт-2008». Расчеты показали, что полынья способна влиять на процессы взаимодействия атмосферы и океана в данном регионе.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора физико-математических наук, Репина, Ирина Анатольевна, Москва

1. Alpers W., Huhnerfuss H. The damping of ocean waves by surface films: Anew look at an old problem // JGR. 1989. V. 94, № C5. P. 6251-6265.

2. Anderson, L.G., Drange, II., Chierici, M., Fransson, A., Johannessen, Т., Skjelvan, I., Rey, F. Annual variability of carbon flux in the upper Greenland Sea, as evaluated from measured data and a box model // Tel Jus. 2000. 52B, p. 10131024.

3. Anderson, L.G., Olsson, K., Chierici, M.,. A Carbon Budget for the Arctic Ocean I! Global Biogeochemical Cycles, 1998. 12, 455-465.

4. Andreas E. L, Makshtas A.P.: Energy exchange over Antarctic sea ice in the spring. // Journal of Geophysical Research, 1985, 90, 7199-7212.

5. Andreas E. L. Spray stress revised // J. Phys. Oceanogr., 2004, v.34, p. 1429-1440.

6. Andreas E.A., Rachel E.G., Makshtas A.P. Parameterizing turbulent exchange over sea ice: the ice station Weddell results // Boundary-Layer Meteorol. 2005 114: 439-460.

7. Andreas E.L. A Theory for scalar roughness and scalar transfer coefficients over snow and sea ice.//Boundary-layer meteoroL, 1987. V.38. P. 159-184.

8. Andreas E.L. Parametrizing scalar transfer over snow and ice: a review // Journal of hydrometeorology, 2002, v. 3, p. 417-431.

9. Andreas E.L., CashB.A. Convective heat transfer over wintertime leads and polynyas // Journal of geophysical research. 1999. V.104. № Cll. P. 2572125734.

10. Anthes R.A., 1978: The height of the PBL and the production of circulation in a sea breeze model// J. Atmos. Sc., 1978, 35, 1231 -1239.

11. Airitt R. The effect of water surface temperature on lake breezes and thermal internal boundary layers, Boundary-Layer Meteorol, 1987, 40, 101 112.

12. Artamonov A.Yu., Buchnev I. A., Repina LA., Skirta A.Yu., Smirniov A.S., and

13. Tolpygin L.I. Turbulent Fluxes of Heat and Momentum and Statistical Characteristics of Turbulence in the Near-Surface Air in Near-Shore and Deep-Water Zones of the Black Sea // Oceanology, 2005, v. 45, suppl. 1, p. S27-S38.

14. Aurela M., Tuovinen J.P., Laurila T. Carbon dioxide exchange in a subarctic peatland ecosystem in northen Europe measured by eddy covariance technique //J. Geophys. Res. 1998, V. 103, D10, p. 11289-11301.

15. Axford D. N., On the accuracy of wind measurements using an inertial platform in an aircraft and an example of a measurement of the vertical mesostructure of the atmosphere//J. Appl. Meteorol., 1968, 7, 645-666.

16. Baines P.G. On the drag coefficient over shallow water // Boundary Layer Meteorol. 1974, v.6, №1/2, p.299-303.

17. Baldocchi D. Assessing the eddy covariance technique for evaluating carbon dioxide exchange rates of ecosystems: past, present and future. // Global Change Biology. 2003. P. 479-492.

18. Ball F.K. The theory of strong katabatic winds//Aust. J. Phys, 1956, 9, 3401-3415.

19. Baltic Sea Experiment BALTEX, Initial Implementation Plan, 1995, International BALTEX Secretariat, Publication No 2, March 1995

20. Barenblat G. I. and Golitsyn G. S. Local structure of mature dust storms //J. Atmos. Sci., 1974, v.3, №7, p. 1917- 1933.

21. Barger,W.R., Garrett W.D., Mollo-Christensena E.L., Ruggles K.W. Effects of an artificial sea slick upon the atmosphere and the ocean // J.Appl. YMeteorol. — 1970.-9. P. 196-400.

22. Ban AG, King KM, Gillespie TJ, den Hartog G, Neumann HH. A comparison of Bowen ratio and eddy correlation sensible and latent heat flux measurements above deciduous forest// Boundary-Layer Meteorol. 1974, 71, 21-41.

23. BeesleyJ.A., Bretherton C.S., Jakob С, Andreas E.L., Intrieri J.L., UttalT.A. A comparison of the cloud and boundary layer variables in the ECMWF forecast model with observations at SHEBA ice camp.// J. Geophys. Res. 2000. V. 105. N12. P.337-12349.

24. Beine H. The local wind field at Ny-Alesund and the Zeppelin Mountain at Svalbard // Meteorology and Atmos. Phys., 2001, 78, 107-113

25. Beljaars, A.CM. and Holtslag, A.A.M. On flux parametrization over land surfaces foratmospheric models, J. Appl. Meteor., 1991, 30, 327-341. Benton G.S. et al Interaction between the atmosphere and the oceans // Bull. Amer.

26. Journal of Climate. 2005. V. 18, N15. P.2903-2921. Blanford, J. H. and Gay, L. W. Tests of a Robust Eddy-Correlation System for

27. Sensible Heat-Flux I I Theor. Appl. Climatol, 1992, 46, 53-60. Bock, E.J., Hara T., Frew N.M., McGillis W.R. Relationship between air-sea gas transfer and short wind waves // J. Geophysical Research, 1999.- 104.- P. 25821-25831

28. Box N. Mesoscale Modeling of Katabatic Winds over Greenland with the Polar MM5.

29. Brown G.L., Roshko A. On density effects on large structures in turbulent mixing layers // J. Fluid Mech. 1974. V.64, p. 775-816

30. Brutsaert W. A theory for local evaporation (or heat transfer) from rough and smooth surface at ground level // Water Resour. Res. 1975. V. 11. P. 543-550.

31. Burger W.R., Garrett W.D., Mollo-Christensen E.L., Riggles K.W. Effects of an artificial sea slick upon the atmosphere and the ocean // J. Appl. Meteorol. 1970. V.9. P.396-400.

32. Businger J.A., Wyngaard J.C., Bradley E.F. Flux profile relationships in the atmospheric surface layer// J. Atmos. Sci., 1971, V. 28. Pp. 181-189.

33. Carl M.B., Tarbell T.C., Panofsky H.A. Profiles of wind and temperature from towers over homogeneous terrain. //J. Atmos. Sci., 1973, V. 30. Pp. 788-794.

34. Charnock H., Wind stress on water surface// Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 1955, 81, 639-640.

35. Cheng, Y. and W. Brutsaert, Flux-profile relationships for wind speed and temperature in the stable atmospheric boundary layer, Boundary-Layer Meteor., 2005, 114,519-538.

36. Csanady G.T. Air-sea interaction: Laws and mechanisms. By. Cambridge University Press. 2001. 239 pp.

37. De Leonibus P.S. Momentum fluxes and wave spectra observations from the ocean tower//J. Geophys. Res., 1971, v. 76, №26, p.6506-6527.

38. Deacon, E. L., and E. K. Webb. Interchange of properties between sea and air. The Sea: Ideas and Observations, 1962, Vol. 1,. New York, Wiley (Interscience) p.49-87.

39. DeCosmo J, K. B. Katsaros, S. D. Smith, R. J. Anderson, W. A. Oost, K., Bumke, and H. Chadwick. Air-sea exchange of water vapor and sensible heat: The Humidity Exchange over the Sea (HEXOS) results // J. Geophys. Res., 1996, 101, 12001-12016.

40. Donelan M.A., HausB.K, ReulN., Plant W.J., Stiassnie M., Graber H. C., Brown O. B. and Saltzman E. S. On the limiting aerodynamic roughness of the ocean in very strong winds //Geophys. Res. Lett., 2004, v.31, LI 8306.

41. Donelan M. Wanninkhov R. Gas-Transfer at Water Surfaces Concepts and Issues. / In: Gas Transfer at Water Surfaces, M.A Donelan, E.S. Saltzman, R. Wanninkhof, W.M. Drennan (eds.) // Geophysical Monograph Series, 2002. - v. 127. -AGU Press.-P. 1-10.

42. Donelan M.A., Dobson F.W., Smith S.D., Anderson R.J., On the dependence of sea surface roughness onwave development// J. Phys. Oceanogr., 1993, 23, 2143-2149.

43. Donelan, M.A., W.M. Drennan, E.S. Saltzman and R. Wanninkhof (Eds.) Gas Transfer at Water Surfaces, 2002, Am. Geophys. Union, 383 pp.

44. Drennan W.M., Taylor P.K., Yelland M.J. Parameterizing the sea surface drag // J.Phys. Oceanogr.- 2005.- V.35.-P.835-848.

45. Durand P., Briere S. and, Druilhet A. A sea-land transition observed during the COAST Experiment // J. Atmos. Sci., 1989, 46, 96 116.

46. Dyer A.J. A rewiew of flux-profile relationships // Bound.-Layer Meteorol.— 1974.— v.7.-P.363-372.

47. Edson J.B., Fairall C. W. Similarity relationships in the marine atmospheric surface layer for terms in the TKE and scalar variance budgets // J. Atmos. Sci.-1998.-v.55.-P.2311-2328.

48. Edson J. B., HintonA.A., Prada K.E., Hare J.E. Fairall C. W. Direct Covariance Flux Estimates from Mobile Platforms at sea // J. Atmos. Oceanic Technol. 1998. V.15, P.547-562.

49. Emanuel K.A. Sensitivity of tropical cyclones to surface exchange coefficients and a revised steady-state model incorporating eye dynamics // J. Atmos. Sci, 1995, v.52, p.3969-3976.

50. Ermakov, S.A., A.R. Panchenko, S.G. Salashin, Film Slicks on the Sea Surface and Some Mechanisms of Their Fomiation // Dynamics of Atmospheres and Oceans. 1992. V.16. P. 279-304.

51. Esau I.N. Simulation of Ekman boundary layers by large eddy model with dynamic mixed subfilter closure // J. Env. Fluid Mech., 2004, 4, 273-303

52. Etling D., Brown R.A. Large eddies in the planetary boundary layer: a review.// IAMAP/ICOM, Working Group Atmospheric Boundary Layer and Air-Sea Interaction, June 17, 1992.

53. Eugster, W. and Senn, W. A Cospectral CorrectionModel for Measurement of Turbulent N02 Flux // Boundaiy-Layer Meteorol. 1995, 74, 321-340.

54. Fairal C. W., Grachev A.A., Bedars A., Nishiyama R., Wind, wave, stress and surface roughness relationships from turbulence measurements made on R/P FLIP in the SCORE experiment. Report NOAA/ERL/ETL, 1995, p. 1-28.

55. Fairal C.W., Larsen S.E., Inertial-dissipation method and turbulent fluxes at the air-ocean interface.//Boundary-Layer Meteorol., 1986, 34, pp.287-301.

56. Fairal C. W., JVhiteA.B., Edson J.B., Hare J.E. Integrated shipboard measurements of the marine boundary layer // J. Atmos. Oceanic Technol., 1997, 14, 338-359.

57. Fairall C. W., Bradley E.F., Hare J.E., Grachev A.A., and Edson J.B. Bulk parameterization of air-sea fluxes: updates and verification for the COARE algorithm // Journal of Climate, 2003, v. 16, № 4, p. 571-591.

58. Fairall C.W., Bradley E.F., Rogers D.P., Edson J.B., Young G.S. Bulk parameterization of air-sea fluxes in TOGA COARE // J. Geophys. Res. 1996. V.101. P.3747-3767.

59. Ferrer, J. and M. W. Rotach,: On the turbulence structure in the stable boundary layer over the Greenland ice sheet //Bound.-Layer Meteor, 1997, 85, 111-136.

60. Fesquet C., Dupont S., Drobinski P., Dubos T., Barthlott C. Impact of terrain heterogeneity on coherent structure properties: numerical approach // Bound. -Layer Meteor.- 2009.- v. 133.-P.71-92.

61. Foken T. Micrometeorology. Springer, 2008. 308 p.

62. Foken, T. and Oncley, S.P. Results of the workshop 'Instrumental and methodical problems of land surface flux measurements' // Bulletin of the American Meteorological Society, 1995, 76: 1191-1193.

63. Foken T. and Wichura B.,. Tools for quality assessment of surface-based flux measurements // Agricultural and Forest Meteorology, 1996, 78: 83-105.

64. Foken, T., Gockede, PL, Mauder, M., Mahrt, L., Amiro, B.D. and Plunger, J.W. Post-field data quality control. In: X. Lee (Editor), Handbook of Micrometeorology: A Guide for Surface Flux Measurements. 2004, Kluwer, Dordrecht, pp. 81-108.

65. Foken, T., Skeib, G. and Richter, S.H. Dependence of the intergral turbulence characteristics on the stability of stratification and their use for Doppler-Sodar measurements // Z. Meteorol., 1991, 41: 311-315.

66. Forland, E.J., I. Hansen-Bauer and P. Nordli. Climate statistics and long-term series of temperature and precipitation at Svalbard and Jan Mayen, Den Norske Meteorologiske Institutt, Oslo, Norway, Rep. OMNI39/90 KLIMA 1997. pp. 40.

67. Fuehrer P.L. and Friehe, C.H. Flux corrections revisited // Boundary-Layer Meteorology, 2002, 102: 415-457.

68. Fujitani T., Method of turbulent flux measurement on a ship using a stable platform system //Pap. Meteorol. Geophys. 1985, 36, 157-170.

69. Furevik B.R., Johannessen, O.M., and A.D. Sandvik: SAR-Retrieved Wind in Polar Regions—Comparison With In Situ Data and Atmospheric Model Output, Ieee Transac // Geoscience Remote Sensing, 1985, 40.

70. Gamo PI., Yamamoto S. and Yokoyama O. Airborne measurements of the free convective internal boundary layer during sea breeze // J. Meterol. Soc. Japan, 1982, 60, 1284-1298.

71. Garbrecht, T., Liipkes, C., Hartmann, J., Wolff, PL Atmospheric drag coefficients over sea ice validation of a parameterisation concept // Tellus 54A(2), 2002, 205-219.

72. Garratt JR. Internal boundary layer a review // Bound.-Layer Meteorol.- 1990.-V.50.-P. 171-203.

73. Garratt J.R. Review of Drag Coefficients over Oceans and Continents // Mon. Weather Rev., 1977, v. 105, p.915-929.

74. Gairatt, J.R.: The Atmospheric Boundary Layer, 1992, Cambridge University Press, UK, 316 pp.

75. Geernaert, G.L. Bulk parameterization for the wind stress and heat fluxes / in Surface Waves and Fluxes, edited by G. L. Geernaert and W. J. Plant, 1990, pp. 91172, Kluwer Acad., Norwell, Mass.

76. Goldman, J.C., Dennett M.R., Frew N.M. Surfactant effects on air-sea gas exchange under turbulent conditions // Deep-Sea Research, 1988. 35, - P. 1953-1970.

77. Goldstein, H., Classical Mechanics, 399 pp., Addison-Wesley-Longman, Reading, Mass., 1950.

78. Grachev A.A., Fairall C. W., Larsen S.E. On the determination of the neutral drag coefficient in the convective boundary layer//Boundary-Layer Meteorol, 1998. Vol.86. P.257-278.

79. Grachev, A. A. and C. W. Fairall. Upward momentum transfer in the marine boundary layer // J. Phys. Oceanogr, 2001, 31:1698-1711.

80. Grachev, A. A., E. L Andreas, C. W. Fairall, P. S. Guest, and P. O. G. Persson, SHEBA flux-profile relationships in the stable atmospheric boundary layer // Boundary-Layer Meteorology, 2007, 124, 315-333.

81. Gronas S., SkeieP. A case study of strong winds at an Arctic front // Tellus A 2002. V. 51. N5. P. 865-879.

82. Gulev S.K. Climatologically Significant Effects of Space-Time Averaging in the North Atlantic Sea-Air Heat Flux Fields // Journal of Climate, 1997, V. 10, Issue 11 (November 1997) pp. 2743-2763.

83. Gutman, L.N. On the theory,of the Katabatic slope wind //Tellus, 1993, 35A, 213-18

84. Hammerle A, Haslwanter A, Schmitt M, Bahn M, Tappeiner U, Cemusca A, Wohlfahrt G. Eddy covariance measurements of carbon dioxide, latent and sensible energy fluxes above a meadow on a mountain slope // Boundary-Layer Meteorol, 2007, 122(2) :391^ 16

85. Harazono Y, Mano M, Miyata A, Zulueta RC, and Oechel WC. Inter-annual carbon dioxide uptake of a wet sedge tundra ecosystem in the Arctic // Tellus, 2003,55B: 215-231.

86. Hicks B. B. Propeller Anemometers as Sensors of Atmospheric Turbulence // Boundaiy-Layer Meteorol. 1972, 3, 214-228.

87. Hogstrom U., Bergstrom H. Organized turbulence structures in the near-neutral atmospheric surface layer //J. Atmos. Sc.-1996.-v.53.- P.2452-2464.

88. Hejstiup J.,. A statistical data screening procedure // Measuring Science Technology, 1993, 4: 153-157.

89. Holtslag, A.A.M., and H.A.R. de Bruin, Applied modeling of the nighttime surface energy balance over land // J. Appl. Meteorol., 1988, 27, 689-704.

90. Horst, T.W. A Simple Formula for Attenuation of Eddy Fluxes Measured with FirstOrder Response Scalar Sensors // Boundary-Layer Meteorol 1997, 82, 219233.

91. Hutihnerfuss H. Lange P. Modification of the air-sea interaction processes by monomolecular films. A new method for producing artificial sea slicks // Berichte des Sonderforschungsberech. 1975. -4. - P. 195-228.

92. Hutihnerfuss H., Alpers W., Jones W.L. Measurements at 13,9 GHz of the radar backscattering cross section of the North Sea covered with an artificial surface film // Radio Sci. -1978. 13. - P.979-983.

93. Hutihnerfuss H., Alpers W., Jones W.L., LangeaA., Richter K. The damping of ocean surface waves by a monomolecular film measured by wavestaffs and microwave scatterometers // J. Geophys. Res. —1980. — 86. P. 2016-2035.

94. Johansson, C., Smedman, A., Hogstrom, U., Brasseur, J.G. and Khanna, S. Critical test of Monin-Obukhov similarity during convective conditions // Journal Atmospheric Science, 2001, 58: 1549-1566.

95. Jones E.P., Ward T. V., Zwick H.H., A fast response atmospheric CO2 sensor for eddy correlation flux measurements // Atmos. Environ., 1978, v. 12, p. 845-851.

96. Jordan R.E., Andreas E.L., Makshtas A.P. The heat budget of snow-covered sea ice at North Pole 4 //J. Geophys. Res. 1999. V.104. P.7785-7806.

97. Kaimal J.C., Gairon J.E. Another look at sonic thermomerer, Boundary layer meteorol., 1991, v. 56, p. 401-410.

98. Kaimal J.C., Newman J.T., Bisberg A, Cole K An improved three-component sonic anemometer for investigation of atmospheric turbulence. // in "Flow Its Measurement and Control in Science and Industry", 1974, 1, (Instrument Society of America), p.349-359

99. Kaimal J.C., Wyngaard J.C., Izumi Y., Coté O.R. Spectral characteristics of surface layer turbulence // Quart. J. Roy. Meteor. Soc- 1972-v.98.- P.563-589.

100. Kaimal J.C. and Businger J. A. A Continuous Wave Sonic Anemometer-Thermometer // J. Appl. Meteorol., 1963, 2, 156- 164.

101. Kaimal J. C. and Finnigan J.J. Atmospheric Boundary Layer Flows Their Structure , and Measurement, 1994, Oxford University Press, New York, 289 pp.

102. Katsaros K.B., S. D. Smith, and W. A. Oost,\ HEXOS—Humidity Exchange over the Sea: A program for research on water-vapor and droplet fluxes from sea to.air at moderate to high wind speeds // Bull. Amer. Meteor. Soc., 1987, 68, 466476.

103. King J.C. Some Measurements of Turbulence over an Antarctic Ice Shelf// Quart. J. Roy Meteorol. Soc. 1990, 116, 379^100.

104. Kitaigorodskii S.S., Yu. A. Volkov, A.A. Grachev A note on the analogy between momentum transfer across a rough solid surface and the air-sea interface // Boundary-Layer Meteorology, 1995, 74, 1-17.

105. Kljun N, Calanca P, Rotach MW, Schmid HP A simple parameterisation for flux footprint predictions //Boundary-Layer Meteorol., 2004, 112:503-523

106. Koprov B.M., Zubkovsky S.L., Koprov V.M., Fortus M.I., Makarova T.I. Statistics of air temperature spatial variability in the atmospheric surface layer// Boundary Layer Meteor., 1998, v.88, pp.399-423.

107. Kristensen L., Mann J., Oncley S.P., Wyngaard J.C, How close is close enough when measuring scalar fluxes with displaced sensors? // J. Atmos. Oceanic Technol., 1997, 14, 814-821.

108. Kristensen L. and Lenschow D.H. The Effect of Nonlinear Dynamic Sensor Response on Measured Means //J. Atmos. Oceanic Tech. 1998, 5, 34-43.

109. Kudryavtsev V. and Makin V. Aerodynamic roughness of the sea surface at high winds. Influence of waves on turbulence in the atmosphere and ocean boundary layer met.no, Oslo, Norway, Workshop October 25-26, 2007.

110. Kudryavtsev V. N. On the effect of sea drops on the atmospheric boundary layer // J. Geophys. Res., 2006, v.Ill, C07020.

111. Kudryavtsev V.N., Makin V.K, Meirink IF. Simplified model of the air flow above waves // Bound.-Layer Meteorol.- 2001.- v. 100.-P.63-90.

112. Maat. N., Kraan, C. and Oost, W.A. The roughness of wind waves //Boundary-Layer Meteorol., 1991, 54: 89-103.

113. MacCready P.B., Structure of atmospheric turbulence // J. Met. 1953, 10, pp. 434449.

114. Mahrt L. The influence of transient flow distortion on turbulence in stable weak-wind conditions // Bound.-Layer Meteorol 2008 - v. 127 - P. 1-16.

115. Mahrt, L. Stratified atmospheric boundary layers // Boundary-Layer Meteorology, 1998, 905, 375-396.

116. Makin V. K A note on drag of the sea surface at hurricane winds // Boundary Layer Meteorol., 2005, v. 115, №1, p. 169-176.

117. Makin V.K., Kudryavtsev V.N. Coupled sea surface-atmosphere model. Pt. 1 Wind over waves coupling.// J. Geophys. Res. 1999, v. 104, No, C4, 7613-7623.

118. Malinovsky V., Sandven S., Mironov A., Korinenko A. Identification of Oil Spills Based on Ratio of Alternating Polarization Images from ENVISAT".// Proc. Geoscience and Remote Sensing Symposium, IGARSS'2007. IEEE Int. -2007. v. 2.-P. 1326-1329.

119. Mallinger, W.D., Mickelson T.P. Experiments with monomolecular films on the surface of the open sea // J. Phys. Oceanogr. 1973.- 3. - P.328-336.

120. Manins, P.C., Sawford B.L. A Model of Katabatic Winds. // Atmos. Sci. 1979. V.36(4), P. 619-628.

121. Mann J. and Lenschow D.H. Errors in airborne flux measurements //. Geoph. Res., 1994, 99 D7, 14519-14526.

122. Meteorology Society, 1966, 44, p. 12-24 Mitsuyasu H., Nakayama R., Komory T. Observations of the wind and wave in

123. Oerlemans J. Vugts H.E. A Meteorological Experiment in the Melting Zone of the Greenland Ice Sheet//Bull. Amer. Meteor. Soc. 1993. V. 74(3). P. 355-365.

124. Ohtaki EJ\fatsui M, Infra-red device for simultaneous measurement of atmospheric carbon dioxide and water vapour // Boundary layer meteorol., 1982; v. 24, p. 109-119.

125. Olsen A, Joaquin A. T., Wanninkhov R., Sea-air flux of C02 in the Caribbean Sea estimated using in situ and remote sensing data // Remote sensing of environment, 2004, 89, p. 309-325.

126. Panchev S., Donev E., Godev N Wind profile and vertical motions, above an abruptchanges in surface roughness and temperature // Bound.-Layer Meteorol.- 1971.-v.2.-P. 52-63.

127. Parish T.R. Surface overflow over East Antarctica. // Mon. Wea. Rev. 1982. V. 110. P. 84-90.

128. Parish T.R., Waight K.T. The forcing of Antarctic katabatic winds// Mon. Wea. Rev., 1987, 115, pp. 2214-2226.

129. Parish, T.R., Bromwich D.H. Continental-Scale Simulation of the Antarctic Katabatic Wind. // Regime. J. Climate. 1991. V.4. P. 135-146.

130. Parlange M.B., Porte-Agel F. On Monin-Obukhov similarity in the stable atmospheric boundary layer // Boundary Layer Meteorology, 2001, 99: 225248.

131. Pasquill, F.: Atmospheric Diffusion, 1974, John Wiley, New York, 429 pp.

132. Persson P.O.G., Fairall C.W., Andreas E.L., Guest P.S., Perovich D.K. Measurement near the Atmospheric Surface Flux Group tower at SHEBA: near surface conditions and surface energy budget //J. Geophys. Res. 2002. V. 107 (C10). DOI: 10.1029/2000JC000705.

133. Persson, P. O. G., J.E. Hare, C. W. Fairall, and W.D. Otto Air-sea interaction processes in warm and cold sectors of extratropical cyclonic storms observed during FASTEX // Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 2005, 131, 877-912.

134. Peterson E. W. Modification of mean flow and turbulent energy by a change insurface roughness under conditions of neutral stability // Quart. J. Roy. Meteor. Soc.-1969.- v.95.-P.561-575.

135. Pipko J. J., Semiletov I.P., Tishenko P., Ya, Pugach S.P., Cristensen I.P. Carbonate chemistry dynamics in Bering Strait and the Chukchi Sea // Progress in Oceanography, 2002, 55, 77-94.

136. Powell, M.D., Vickery P.J. and Reinhold T.A. Reduced drag coefficient for high wind speeds in tropical cyclones // Nature, 2003, v.422, p.279-283.

137. Rao K.S., Wyngaard J.C. and Cote O.R. The structure of two-dimensional internal boundary layer over sudden change of surface roughness // J. Atmos. Sci., 1974, 31,738- 746.

138. Raynor, G.S., S. Sethuraman, and R.M. Brown: Formation and characteristics of coastal internal boundary layers during onshore flows 11 Bound. Layer Meteor., 1979, 16, 487-514.

139. Renfrew, I. A. and J. C. King: A simple model of the convective internal boundary layer and its application to surface heat flux estimates within polynyas // Boundary-Layer Meteorol, 2000, 94, 335-356.

140. Reul, N., Branger H., and Giovanangeli G.P. Air flow separation over unsteady breaking waves //Phys. Fluids, 1999, v. 11, №7, p. 1959-1961.

141. Roll H.U., Physics of the Marine Atmosphere (International Geophysics), N.-Y. Academic Inc, 1965, 426 p.

142. Rotach M, Calanca P, Weigel A, Andretta M On the closure of the surface energy balance in highly complex terrain // ICAM/MAP, 2003, 37:247-250.

143. Rutgerson, A., A.-S. Smedman in A Omstedt: Measured and simulated latent and sensible heatfluxes at two sites in the Baltic Sea // Boundary-Layer Meteorol., 2001, 99, 53-84.

144. Saveliev S., Taylor P. Internal boundary layers: I. height formulae for neutral and diabatic flows // Bound.-Layer Meteorol.- 2005 v. 115 - P. 1-25.

145. Schotanus, P., Nieuwstadt, F., and de Bruin, H. Temperature measurement with a sonic anemometer and its application to heat and moisture fluxes // Boundary-Layer Meteorol., 1983, 26:81-93.

146. Scott J.C. The historical development of theories of wave-calming using oil. Rep.81, Univ. of Essex, Colchester, England. - 1977. -98 c.

147. Semiletov I, Makshtas A., Akasofu S.-L, Andreas E.L. Atmospheric C02 balance: the role Arctic sea ice // Geophysical Research letters, 2004, v. 31, L05121.

148. Semiletov, I., I.I. Pipko, I.A. Repina, Shakhova N. Carbonate dynamics and carbon dioxide fluxes across the atmosphere-ice-water interfaces in the Arctic Ocean Pacific sector of the Arctic // Journal of Marine Systems, 2007, v. 66, p. 204-226.

149. Semiletov, I.P. On aquatic sources and sinks of C02 and CH* in the Polar Regions // Journal of Atmospheric Sciences, 1999, 56/2: 286-306.

150. Shir C.C. A numerical computation of air flow over a sudden change of surface roughness //J. Atmos. Sci, 1972, 29, 304 310.

151. Smedman A., Högström U., Sahlee E., Drennan W.M., Kahma K.K., Pettersson H., Zhang F. Observational study of marine atmospheric boundary layer characteristics during swell // J. Atmos. Sei 2009 - V.66.-P.2747-2763.

152. Smeets, C.J.P.P., MiR. van den Broeke The parameterisation of scalar transfer over rough ice // Boundary Layer Meteorology, 2008, 128, 339-355.

153. Smeets P., Duynkerke P.G., and Vugts H.F. Turbulence Characteristics of the Stable Boundary Layer over a Mid-latitude Glacier. Part I: A Combination of Katabatic and Large Scale Forcing Conditions // Boundary-Layer Meteorol. 1998, 87, 117-145.

154. Smith S.D. Eddy flux measurement over lake Ontario// Boundary-layer meteorol., 1974, v. 6, p.235-255.

155. Smith S.D. et al. Sea surface wind stress and drag coefficients: HEXOS Results. Boundary Layer Meteorol., 1995, v. 73, p. 145-158.ii

156. Smith S.D. Wind stress and heat flux over the ocean in gale force winds // J. Phys. Oceanogr.-1980.-v. 10.- P.709-726.

157. Smith S.D., Anderson R.I., den HartogG., TophamD.R., PerkinR.G. An Investigation of a Polynya in the Canadian Archipelago, 2, Structure of Turbulence and Sensible Heat Flux // J.Geophys. Res. 1983. V.88. N.C5. P.2900-2910.

158. Söderberg S. Parmhed O. Numerical modelling of katabatic flow over a melting outflow glacier. //Boundary-Layer Meteorol. 2006. V. 120. P. 509-534.

159. Stegen R.A. Heat Balance for the Bering Sea Ice Edge // Journal of Physical Oceanography. 1985. V. 15. N12. P. 1747-1758.

160. Still R.B. Review of non-local mixing in turbulent atmosphere: transilient turbulencetheory// Boundary Layer Meteorol., 1993, v.62, p. 21-96 Stull R.B. An introduction to boundary layer meteorology. Kluwer Academic Publishers, 1988. 666 p.

161. Teylor G.J. The spectrum of turbulence // Proc. Roy. Soc., 1938, A164, 476-490.

162. Journal of Geophysical Research, 1996,- v. 101,-No C12.- P. 28557-28568. Uttal, T., and coauthors: Surface Heat Budget of the Arctic Ocean // Bull. Amer. Meteor. Soc., 2002, 83, 255-276.

163. Van den Broeke M.R., Duynkerke P.G., Henneken E.A. Heat, momentum and moisture budgets of the katabatic layer over the melting zone of the west Greenland ice sheet in summer. // Boundary Layer Meteorol. 1994. V. 71. P. 393-413.

164. Van den Broeke M.R.: The atmospheric boundary-layer over ice sheets and'glaciers, PhD thesis Utrecht University, 1996, 178 pp.

165. Van 'den Broeke, M.R.: Heat, Momentum and Moisture Budget of the Katabatic Layer over a Large Mid-latitude Glacier in Summer // J. Appl. Meteorol. 1997, 36, 763-774.

166. Van der Avoird E.: Turbulence in a Katabatic Flow.Measurements on the Vatnajokull Ice Cap, Iceland / IMAU Report, V97-5, Obtainable from: IMAU, Utrecht University, 1997, Princetonplein 5, 3584 CC Utrecht, The Netherlands.

167. Van Dijk, A., Kohsiek, W. and DeBruin, H.A.R. Oxygen sensitivity of krypton and Lyman-alpha hygrometers // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2003, 20: 143-151.

168. Venkatram A. A model of internal boundary-layer development // Boundary-Layer Meteorol 1977, 11,419-431.

169. Vickers D., Mahrt L. Observations of non-dimensional wind shear in the coastal zone // Quart. J. Ror. Meteor. Soc.-1999.-V.125.-P.2685-2702.

170. Vickers D. and Mahrt L. Quality control and flux sampling problems for tower and aircraft data // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 1997, 14: 512-526.

171. Vihma T., M.M. Johansson, and J. Launiainen Radiative and turbulent surface heat fluxes over sea ice in the western Weddell Sea in early summer // J. Geophys. Res., 2009, 114, C04019, doi:10.1029/2008JC004995.

172. Wakerman C.C., Rufenach C.L., Schuchman R., Johannessen J.A., and Davidson K. Wind Vector Retrieval Using ERS-1 Synthetic Aperture Radar Imagery // J. Geophys. Res, 1996. V. 34

173. Webb E., Pearman G., Leuning R. Correction, of fluxes measurement for density effects due to heat and water vapour transfer // Q. J. R. Meteorol. Soc., 1980, v. 106, p. 85-100.

174. Webster, P. J. and Lukas, R. TOGA-CO ARE : The Coupled Ocean Atmosphere Response Experiment//Bull. Amer. Meteorol. Soc. 1992, 73, 1377-1416.

175. Weisman B. On the criteria for the occurrence of fumigation inland from a large lake a reply // Atmos. Environ., 1976, 12, 172 - 173.

176. Whiieman C, Allwine K. Extraterrestrial solar radiation on inclined surfaces // Environ Soft, 1986, 1(3): 164-174.

177. Whiteman C, Allwine K, Fritschen L, OrgillM, Simpson J Deep valley radiation and surface energy budget microclimates. Part I: Radiation // J Appl Meteorol, 1989, 28(6):414^426.

178. Whiteman CD. Mountain meteorology fundamentals and applications. Oxford University Press, 2000, 355 pp.

179. Wilczak, J.M., Oncley, S.P., Stage, S.A. Sonic anemometer tilt correction algorithms // Bound.-Lay. Meteorol. 2001. V. 99. P. 127-150.

180. Wyngaard J. C On Surface Layer Turbulence, In: D.A Haugen (ed.): Workshop on Micrometeorology. Boston, MA: Am. MeteoroL Soc, 1973, 101 149.

181. Wyngaard J.C, Lectures on the planetary boundary layer. In: D.K .Lilly and T. GalChen (eds.): Mesoscale Meteorology Theories, Observations, and Models, Dordrecht D. Reidel, NATO ASI Series, 1983, 603 - 650.

182. Wyngaard J.C., Clifford S.F. Taylor's hypothesis and high frequency turbulence spectra //J. Atmos. Sci.- 1977.-V.34.-P.922-929.

183. Yager P.L., Wallace D.W.R., Johnson K.M., Smith W.O., MinnettP.J., DemingJ. The northeast water polynya as an atmospheric C02 sink: a seasonal rectification hypothesis //J. Geophys. Res. 100, 4389-4398.

184. Zeman O., Jensen N.O. Modification of turbulence characteristics in flow over hills // Quart. J. Roy. Meteor. Soc.-1987.-v. 113.-P.55-80.

185. Zilitinkevich S. S., Mammarella /., Baklanov A. A., Joffre S. M: The effect of stratification on the roughness length and displacement height // Boundary-Layer Meteorology.- 2008.- 129.-P. 179-190.

186. Zilitinkevich, S.S. On the computation of the basic parameters of the interaction between the atmosphere and the ocean // Tellus, 1969, 21, 17-24.

187. Zilitinkevich S. Third-order transport due to internal waves and non-local turbulence in the stably stratified surface layer // Quart, J. Roy. Met. Soc. 2002, 128, 913925.

188. Zilitinkevich, S.S., Grachev, A.A., and Fairall C.W., Scaling reasoning and field data on the sea-surface roughness lengths for scalars // J. Atmos. Sci., 2002, 58, 320-325.

189. Алексеев В.В., Баранов А.П., Кокорин А.О., Шереметьев В.М. Влияние нефтяных продуктов не интенсивность газообмена между океаном и атмосферой // Вестник МГУ. — 1985. Сер.З, Физика и Астрономия. — 26. -3. - С.71-74.

190. Алексеев Г.В., Макштас А.П., Нагурный А.П., Савченко В.Г., Хрол В.П., Иванов Б.В. Взаимодействие океана и атмосферы в Северной полярной области. Под ред. акад. АФ. Трешникова и кфмн Г.В. Алексеева. Л., Гидрометеоиздат, 1991, 176 с.

191. Ариэль Н.З., Бортковский P.C., Бютнер Э.К., Иванова И.Г. Результаты наблюдений в приводном слое воздуха при наличии загрязненной водной поверхности // Труды ГГО. 1979. -423. - С.29-38.

192. Балуев С.А., Бартковский P.C., Тимановский Д. Ф. Лабораторные исследования влияния загрязнения воды на генерацию брызг // Труды ГГО. 1987. -506. С. 127-137.

193. Басович А.Я., Баханов В.В., Таланов В.И. Влияние интенсивных внутренних волн на ветровое волнение (кинематическая модель) // Воздействие крупномасштабных в ну трен mix волн на морскую поверхность. Горький: ИПФ АН СССР, 1982. С. 8-30.

194. Беленький B.C., Ткалин A.B. Некоторые оценки влияния пленок нефтепродуктов на процессы обмена между океаном и атмосферой // Труды ДВ НИИ. — 1980. 92.-С.3-11.

195. Бовшеверов В.М., Гурвич A.C., Цванг Л.Р. Прямые измерения турбулентного потока тепла в приземном слое атмосферы // ДАН СССР, 1959, 125, №6, стр. 5-10.

196. Бортковский P.C. Тепло- и влагообмен атмосферы и океана при шторме. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 159 с.

197. Бортковский P.C., Бютнер Э.К., Преображенский Л.Ю. Экспериментальные исследования структуры приводного слоя воздуха над океаном // Труды ГГО, 1967, вып.205.

198. Бурман Э.А. Местные ветры. Л., Гидрометеоиздат, 1969, 344 с.

199. Буш К. Потоки в приземном слое над морем.// В сб. Моделирование и прогноз-верхних слоев океана (под ред. Крауса). Л.: Гидрометеоиздат, 1979, с. 91113.

200. Бычкова И.А., Викторов C.B., Виноградов В.В. Дистанционное определение температуры моря. (Спутниковые и авиационные методы определения температуры поверхности моря по излучению в ИК-диапазоне.). Л.: Гидрометеоиздат, 1988, 224 с.

201. Бютнер Э. К Динамика приповерхностного слоя воздуха. - Л.: Гидрометеоиздат, 1978, 156 с.

202. Ван Мигем Ж. Энергетика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 326с.

203. Вентцелъ Е.С. Теория вероятностей, М., "Наука", 1969, 576 с.

204. Волков Ю.А., Грачев А.А., Репина И.А. Измерения частотных спектров турбулентности в приводном слое воздуха в штилевую погоду// Изв. РАН, Физика атмосферы и океана, 1993 г. N 4. стр.496-500

205. Волков Ю.А., Копров Б.М. К методике измерения турбулентных потоков тепла, влаги и количества движения с борта судна// в сб."Тропэкс-72", Л., Гидрометеоиздат, 1974, с.313-318.

206. Волков Ю.А., Кухарец В.П., Цванг JLP. Турбулентность в пограничном слое атмосферы нвд степной и морской поверхностью// Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1968, т.4, №10, с. 18-28.

207. Волков Ю.А., Л.Г.Елагина, А.АГрачев, И.КПлахина, И.А.Репина Турбулентные потоки и тепловой баланс над растениями // Изв. РАН, Физика атмосферы и океана. 1997, т.33(4), с.570-573.

208. Волков Ю.А., Кузьмин A.B., Медведев АМ., Репина И. А., Трохимовский Ю.Г. Радиометрические исследования температурного режима поверхности воды в лабораторных условиях// Изв. РАН, Физика атмосферы и океана, 2004, т. 40, №1, с. 96-101.

209. Гилл А. Динамика атмосферы и океана. Том 2, Мир,1986, 416 с.

210. Горшков К.А., Долина И. С., Соустова И.А:, Троицкая Ю.И. Трансформация коротких волн в поле неоднородных течений на поверхности океана. Влияние модуляции ветрового инкремента // Известия вузов. Радиофизика. 2003. Т.46, № 7. С. 513-536.

211. Гродский СЛ., Кудрявцев В.Н., Макин В.Н. Оценка влияния поверхностных пленок на короткие ветровые волны и характеристики пограничного слоя атмосферы. // Морской гидрофизический журнал. 1999. №6. С. 3-14.

212. Гулев С.К, Колинко A.B., JIanno С. С. Синоптическое взаимодействие океана и атмосферы в средних широтах. СПб, 1994. 320 с.

213. Гурвич A.C. Спектры пульсаций вертикальной компоненты скорости ветра и их связи с микрометеорологическими условиями. // Труды ИФА АН СССР, №4, 1962

214. Гурвич A.C. Частотный спектр и функция распределения значений компонент вертикальной скорости. // Изв. АН СССР, сер. геофиз, 1960, №7, с. 10421055

215. Гурвич A.C., Зубковский C.JI. Об оценке структурной характеристики пульсаций температуры в атмосфере. // Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1966, т.2, №2, с.201-203

216. Гурвич A.C., Кравченко Т.К О частотном спектре пульсаций температуры малых масштабов / В сб. «Атмосферная турбулентность», Труды института физики атмосферы, №4, 1962, стр. 101-143.

217. Гурвич A.C., Турбулентный поток количества движения при неустойчивой стратификации и условиях, близких к безразличному равновесию / В сб.

218. Атмосферная турбулентность», Труды института физики атмосферы, № 4, 1962, стр. 81-100.

219. Гурьянов<• А.Е., Зубковский C.JI., Федоров М.М. Многоканальная автоматизированная система обработки сигналов на базе ЭВМ // Геофизика и геодезия, 1984, т. II26: 17-201I

220. Долгосрочное и среднесрочное прогнозирование погоды. Проблемы и перспективы / Под ред. Д. Бариджа, Э. Челлена. — М.: Мир, 1987 . 286 с. Доронин Ю.П. Взаимодействие атмосферы и океана. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 288 с.

221. Зилитинкевич С.С., Чаликов Д.В. Определение универсальных профилей скорости ветра и температуры в приземном слое атмосферы//Изв.АН СССР, ФАО, 1968, т.4.

222. Зубковский С.Л., Копров Б.М. Экспериментальное исследование спектров турбулентных потоков тепла и количества движения в приземном слое атмосферы. // Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1969, т.5, №4, с.323-331

223. Зубковский С.Л., Кузнецов O.A., Панин Г.Н. Некоторые результаты измерений пульсаций температуры, влажности и скорости ветра в приводном слое// Известия АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1974, т. 10, №6, с.655-660.

224. Зубковский С.Л., Кухарец В.П., Цванг Л.Р. Вертикальные профили характеристик турбулентности в приземном и пограничном слое атмосферы при неустойчивой стратификиции// Известия АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1979, т. 15, №1, с.44-52.

225. Зубковский СЛ., Цванг Л.Р. О горизонтальном турбулентном потоке тепла. // Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1966, т.2, №12, с. 1307-1310

226. Иванов В.Н., Линкин В.М., Мазурин Н.Ф., Некрасов И.В., Скачков В.А., Челмаков М.А Измерения турбулентных параметров приводного слоя атмосферы с корабля //в сб. "ТРОПЭКС-72", Л.:Гидрометеоиздат", 1974, С.287-304

227. Каган Б. А. Взаимодействие океана и атмосферы. — СПб.: Гидрометеоиздат, 1992, 336 с.

228. Каменкович В.М., Кошляков М.Н., Монин АС. Синоптические вихри в океане. — Л., Гидрометеоиздат, 1987, 511с.

229. Кантуэл Б.Дж. Организованные движения в турбулентных потоках // Вихри и волны: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. С. 9-79.

230. Китайгородский С. А Физика взаимодействия атмосферы и океана. JI. Гидрометеоиздат, 1970. 284с.

231. Колмогоров А.Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой жидкости при очень больших числах Рейнольдса. // ДАН СССР, 1941, т.ЗО, №4, с.299-303

232. Колмогоров А.Н. Рассеяние энергии при локально-изотропной турбулентности //Доклады АН СССР, 1941,32, 19-21.

233. Кондратьев К.Я., Тимофеев М.Ю. Метеорологическое зондирование атмосферы и космоса Л.: Гидрометеоиздат, 1978, 280 с.

234. Копров Б.М., Соколов Д.Ю. Об экспериментальном исследовании изменчивости потоков тепла в приземном слое атмосферы// Известия АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1975, т. 11, №7, с.743-746.

235. Кречмер С.И. Исследование микропульсаций температурного поля в атмосфере. // ДАН СССР, 1952, т.84, №1, с.55-58

236. Кречмер С.И. Методика измерения микропульсаций скорости ветра и температуры в атмосфере. // Труды Геофиз. инт-та АН СССР, 1954, №24 (151)

237. Кречмер С.И. Экспериментальное определение тепловой инерции термоанемометра. //ДАН СССР, 1948, т.61, №6

238. Кречмер С.И., Панин Г.Н., Ипатов В.В. Измерение пульсаций влажности над морем // Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1972, т.8, №7.

239. Кривицкий C.B., Стекалов С.С. О параметре шероховатости поверхности мелководных водоемов// Известия АН СССР, Физика атмосферы и океана, т.24, №1, 1988, с. 103-106.

240. Кудрявцев В.Н., Иванова H.A., Гущин Л.А., Ермаков С.А. Оценка контрастов спектра ветровых волн в сликах, вызванных биогенными и нефтяными пленками*//ИПФ РАН, Нижний Новгород, препринт No. 765, 2008, 30 с.

241. Кудрявцев В.Н., Малиновский В.В., Большаков А.Н., Смолов В.Е. Экспериментальные исследования механизмов модуляции радиолокационного сигнала на масштабах морских поверхностных bojihi// Исследование Земли из космоса, 2001.- №4.- С. 13-30.

242. Кухарец В.П. Спектры пульсаций вертикальной компоненты скорости ветра в пограничном слое атмосферы. // ДАН, ФАО, 1974, т. 10, №6, с.613-618

243. Кухарец В.П., Цванг JI.P. Вариации температуры подстилающей поверхности и проблема замыкания уравнения баланса тепла // Изв. РАН, Физика атмосферы и океана, 1999, т.35, №2, с.207-214

244. Кухарец В.П., Цванг Л.Р., Яглом A.M. Связи характеристик турбулентности приземного и пограничного слоев атмосферы// в кн. "Физика атмосферы и проблемы климата". М., Наука, 1980,с. 162-193.

245. Лампи Дж Л, Пановски Г.А. Структура атмосферной турбулентности. — М.: Мир, 1966, 264 с.

246. Лаппо С. С. Среднемасштабные динамические процессы океана, возбуждаемые атмосферой. М.: Наука. 1979. 183 с.

247. Лаппо С.С., Гулев С.К., Рождественский А.Е. Крупномасштабное тепловое взаимодействие в системе океан-атмосфера и энергоактивные зоны Мирового океана. JL: Гидрометеоиздат, 1990. 336 с.

248. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматгиз, 1959. - 699 с.

249. Ляхин Ю.И., Русанов В.П. Обмен кислородом и друокисью углерода между Северным ледовитым океаном и атмосферой // Доклады академии наук. 1983. т. 271, № 16 с. 198-201.

250. Макова В.И. Коэффициент трения и параметр шероховатости морской поверхности при больших скоростях ветра // Тр. ГОИН., 1968, вып.93, с. 173-190.

251. Макштас А.П. Тепловой баланс Арктических льдов в зимний период. JL: Гидрометеоиздат, 1984. 87 с.

252. Мытягына М.И., Лаврова О.Ю., Бочарова Т.Ю. Наблюдение подветренных волн и вихревых структур за природными препятствиями в атмосфере при помощи радиолокационного зондирования морской поверхности. // Исследование Земли из Космоса 2004. №5. С. 44-50.

253. Михайлова Л.А, Орданович А.Е. Когерентные структуры в пограничном слое атмосферы (обзор) // Известия РАД Физика атмосферы и океана, 1991, Т. 27, №6, С.593-613

254. Монин А С. Введение в теорию климата. Д.: Гидрометеоиздат, 1982. 247 с.

255. Монин А. С. О ВЛР1ЯНИИ температурной стратификации среды на турбулентность. // Международный коллоквиум по тонкой структуре атмосферы, 1967, изд-во Наука.

256. Монин A.C. О механизме нагревания воздуха в открытой степи / Сб. «Климатические и микроклиматические исследования в Прикаспийской низменности»., М., изд. АН СССР, 1953, с. 15-24.

257. Mourn А. С. О спектре турбулентности в температур но неоднородной среде. // Изв. АН СССР, сер.геофиз, 1962, №3.

258. Монын A.C. О структуре полей скорости ветра и температуры в приземном слое воздуха / В сб. «Атмосферная турбулентность», Труды института физики атмосферы, № 4, 1962, стр. 5-20.

259. Монин A.C., 'Красицкий В.П: Явления на поверхности моря. // Л.: Гидрометеоиздат, 1985, 376с.

260. Монин A.C., Обухов AM. Основные закономерности турбулентного перемешивания в приземном слое атмосферы. // Труды Геофиз. Ин-та АН СССР, 1954, №24(151), с.163-187.

261. Монин A.C., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. "Наука", Год: 1 ч. -1965, 2 ч.-1967, Страниц: 1 ч. 640, 2 ч. 720.

262. Мордухович М.И. Акустический анемометр / В сб. «Атмосферная турбулентность», Труды института физики атмосферы, № 4, 1962, стр. 3180.

263. Обухов A.M. О влиянии архимедовых сил на структуру температурного поля в турбулентном потоке. //ДАНСССР, 1959, 125, №6,с. 1246-1248.

264. Обухов A.M. О структуре температурного поля и поля скорости в условиях свободной конвекции. // Изв. АН СССР, сер.геофиз, 1960, №9, с. 13921396.

265. Обухов A.M. Структура температурного поля в турбулентном потоке// Известия АН СССР, Серия геофиз. и географ., 1949, т.13,№1, с.58-59.

266. Обухов A.M. Турбулентность в температурно-неоднородной атмосфере. // тр. Ин-та теорет. Геофиз. АН СССР, 1946, т.1,с.95-115

267. Обухов A.M., Характеристики микроструктуры ветра в приземном слое атмосферы. Изв. АН СССР, сер. геофиз., №3,1951, стр. 23-30.

268. Орленко Л.Р., Алтынов МИ., Доннер Ю.Н., Иванова И.И., Меньшов Ю.А., Чирейкин A.B. Некоторые результаты исследований точностиметеорологических наблюдений на научно-исследовательских судах- // в кн.: Труды ААНИИ, т.315. JL: Гидрометеоиздат, 1974, с.87-99

269. Панин Г.Н., Кривищий C.B. Аэродинамическая шероховатость поверхности водоема. М., 1992.

270. Перепелкина A.B. Некоторые результаты исследований турбулентных пульсаций температуры и вертикальной составляющей скорости ветра. Изв. АН СССР, серия геофизическая, 1957, №6.

271. Пери А.Х., Уокер Дж.М. Система океан-атмосфера. 1979. Л.: Гидрометеоиздат. 195 с.

272. Пристли С.Х. Турбулентный перенос в приземном слое атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1964. 114 с.

273. Процессы переноса вблизи поверхности раздела океан—атмосфера. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 238 с.

274. Пыддмаа В. К. Температура подстилающей поверхности при кучевой облачности// в кн. "Изменчивость облачности и полей радиации", Тарту, 1978, с. 105-112.

275. Репина И. А. Динамика приводного слоя воздуха над неоднородной поверхностью. Аналитическое решение// Математика, компьютер, образование, 1998, т.5, ч.2, с.143-145

276. Репина И.А. Исследование динамических характеристик и температурного режима водной поверхности в Каспийском море // Метеорология и Гидрология. 2000. № 10. С. 15-27.

277. Репина И.А., Дулов В.А., Малиновский В.В. Влияние искусственных сликов на морской поверхности на динамику приводного слоя атмосферы //

278. Репина H.A. Методы определения турбулентных потоков над морской поверхностью. М.: Изд. ИКИРАН, 2007. 36 с.

279. Семёнов O.E. Об ускорении потока во время сильных песчаных и пылевых бурь //Гидрометеорология и экология. 2000. № 3-4.

280. Семилетов ИП. Углеродный цикл и глобальные изменения в прошлом и настоящем. В сборнике «Химия морей и океанов». М.: Наука, 1995, стр. 130-154.

281. Кацивели» / HAH Украины: МГИ, ИГН, ОФ ИнБЮМ.- Севастополь, 2010.- вып. 21.,

282. Соловьев Ю.П., Иванов В.А. Предварительные результаты измерений атмосферной турбулентности над морем // Морской гидрофизический журнал, 2007.- № 3.- С. 42-61.

283. Соркина А.И. О точности измерений ветра на морских, судах // Труды ГОИН, 1960, вып. 51, с. 24-46

284. Троицкая Ю.И., Долина И.С., Ермошкин A.B., Баханов В.В., Зуйкова Э.М., Репина И.А., Титов В.И. Отрицательные корреляции изменчивости приводного ветра и поверхностного волнения // Известия РАН, ФАО. -2008. 4. - С.527-542.

285. Троицкая Ю.И., Рыбушкина Г.В. Квазилинейная модель взаимодействия поверхностных волн с сильными и ураганными ветрами // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2008. Т. 44, № 5. С. 670-694.

286. Федоров КН. Тонкая термохалинная структура вод океана. JI, Гидрометеоиздат, 1976, 281 с.

287. Хаин А.П., Сутырин Г.Г. Тропические циклоны и их взаимодействие с океаном. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 272 с.

288. Цванг Л.Р. Измерения турбулентных потоков и спектров температурных пульсаций // В сб. «Атмосферная турбулентность», Труды института физики атмосферы, № 4,1962, стр. 137-143.

289. Цванг Л.Р. Некоторые характеристики спектров температурных пульсаций в пограничном слое атмосферы. // Изв. АН СССР, сер. геофиз., 1963, №10, с.1594-1600

290. Цванг Л.Р. О некоторых задачах дальнейших исследований взаимодействия атмосферы с подстилающей поверхностью// в кн. Метеорологические исследования. Взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью. М., 1987, №28, с. 8-12.

291. Чаликов Д.В. О профилях ветра и температуры в приземном слое атмосферы при устойчивости стратификации//Тр. ГГО. 1968. Вып. 207. С. 170-173.

292. Чечин Д.Г., Репина H.A., Степаненко В.М. Численное моделирование влияния холодной пленки на тепловой баланс и термический режим водоемов // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2010, том 46, № 4, С. 538550

293. Чухарев A.M., Репина И.А. Комплексные Натурные измерения турбулентных характеристик в слоях у границы раздела моря и атмосферы Системы контроля окружающей среды. Сб. научн. тр. HAH Украины. МГИ: — Севастополь. 2010. С. 207-217.

Информация о работе

Репина, Ирина Анатольевна
доктора физико-математических наук
Москва, 2011
ВАК 25.00.29

Диссертация

Экспериментальные исследования взаимодействия атмосферы и океана в нестационарных условиях - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы