Слайд 1 - Институт физики атмосферы им. А.М.Обухова РАН

Важнейшие результаты ИПФ РАН
по физике атмосферы и климату в
2015 году
Отделение геофизических
исследований
Проект
В Секцию физики атмосферы Отделения наук о Земле РАН
В Научный Совет РАН по проблеме климата
ГЛАВНЫЕ НЕЛИНЕЙНЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЫ
КЛИМАТИЧЕСКОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ
Предложен и реализован новый подход к анализу пространственно-распределенных данных
наблюдений, нацеленный на отыскание нелинейных динамических мод, ответственных за
основную часть наблюдаемой изменчивости. В результате анализа данных спутниковых
измерений поверхностной температуры мирового океана с ноября 1981г. по настоящее
время выделено три статистически значимые нелинейные моды, первая из которых
полностью описывает годичную изменчивость климатической системы, вторая ответственна
за Эль-Ниньо – Южное колебание и, совместно с третьей модой, объясняет значительную
часть тихоокеанской и атлантической динамики. Продемонстрирована связь найденных мод
с декадной изменчивостью климата: подтверждено наличие климатического сдвига в конце
20-го века, приведшего к холодной (отрицательной) фазе Тихоокеанского декадного
колебания, во многом определяющей наблюдаемое замедление потепления атмосферы.
Авторы: Д.Н. Мухин, А.С. Гаврилов, Е.М. Лоскутов, Ю.Куртц, А.М. Фейгин (ИПФ РАН)
Публикации:
Dmitry Mukhin, Andrey Gavrilov, Alexander Feigin, Evgeny Loskutov & Juergen Kurths. Principal nonlinear
dynamical modes of climate variability. Nature Scientific Reports, rep. 5, 15510; doi: 10.1038/srep15510 (2015).
Analysis of sea surface temperature (SST) 1981-2015
NOAA NCEP EMC CMB GLOBAL monthly SST
X n  V1Fd1, m1   p1n   V2Fd 2 , m2   p2 n     Vk Fd k , mk   pkn   ηn
Fd ,m  : R  R d , X n  R D
Analysis of sea surface temperature (SST) 1981-2015
NOAA NCEP EMC CMB GLOBAL monthly SST
Combinations of all three modes
The second mode:
Difference [1999-2015] – [1981-1998]
An apparent hiatus in global warming?
Kevin E. Trenberth and John T. Fasullo
Earth's Future
Volume 1, Issue 1, pages 19-32, 5 DEC 2013 DOI:
10.1002/2013EF000165
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2013EF000165/full
#eft24-fig-0009
Advances of the approach
Couplings between regions
Example: Nino 3.4
and North Atlantic
regions
В Совет РАН по нелинейной динамике
в годичный доклад РАН
Прямое численное моделирование турбулентного устойчивостратифицированного воздушного потока над взволнованной водной
поверхностью
Впервые осуществлено прямое численное моделирование турбулентного устойчивостратифицированного воздушного потока над взволнованной водной поверхностью.
Показано, что присутствие волн на поверхности воды снижает порог генерации
турбулентности по числу Ричардсона и приводит к усилению турбулентного обмена.
Обнаружен переходный докритический режим стратифицированного пограничного слоя,
при котором в нем возбуждались трехмерные квазипериодические структуры, порог
возникновения которых зависит от крутизны поверхностной волны. Предложена
интерпретация этого режима как результата развития параметрической неустойчивости
возмущений, индуцированных в воздушном потоке волнами на поверхности воды.
Дружинин О.А., Троицкая Ю.И., Зилитинкевич С.С.
Публикации:
1. O.A. Druzhinin, Yu.I. Troitskaya, S.S. Zilitinkevich, Stably stratified air flow over wavy water surface. Part 1:
Stationay turbulence regime, Quaterly Journal of Royal Meteorological Society, 2015, DOI:10.1002/qj.2677.
2. O.A. Druzhinin, Yu.I. Troitskaya, S.S. Zilitinkevich, Stably stratified air flow over wavy water surface. Part 2:
Wave-induced pre-turbulent motions, Quaterly Journal of Royal Meteorological Society, 2015, DOI:
10.1002/qj.2678.
3. Дружинин О.А., Троицкая Ю.И., Зилитинкевич С.С., Доклады Академии наук, 2016, принята к печати.
Прямое численное моделирование турбулентного
устойчиво-стратифицированного воздушного потока над
взволнованной водной поверхностью
0.4
z/
0.2
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
x/ (y/ = 0)
4
4.5
5
5.5
6
1.7
1.6
2
z/
1.8
0.5
1.5
1.4
1.3
1.5
1.2
0.4
Ux/U0, DNS
Uz/U0, DNS
T/ T, DNS
Ux/U0, model
Uz/U0, model
T/ T, model
1.1
1
1
0.9
0.5
0.8
y/
0.3
0.7
0.6
0
0.5
0.4
-0.5
0.2
0.3
0.2
-1
0.1
0
0.1
-1.5
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
x/ (z/ = 0.12)
Мгновенное поле модуля завихренности Ω
в устойчиво-стратифицированном
погранслое в момент времени t = 1000 для
Re = 15000, Ri = 0.08. Крутизна волны ka =
0.2, фазовая скорость c/U0 = 0.05.
0
0
0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03
Возмущения полей скорости и
температуры, индуцированные
поверхностной волной.
В Секцию физики атмосферы Отделения наук о Земле РАН
В Приборную комиссию Президиума РАН
МОБИЛЬНЫЙ МИКРОВОЛНОВЫЙ ОЗОНОМЕТР НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
Создан и введен в эксплуатацию не имеющий мировых аналогов мобильный, полностью
автоматизированный наземный спектрорадиометрический комплекс, предназначенный для непрерывного
мониторинга структуры озонного слоя Земли. Отличительные особенности комплекса: калибровка
измеряемого сигнала по электронно-управляемому внутреннему эталону, шумовая температура менее
1450 К, диапазон зондируемых высот от 15 до 75 км, минимальное временное разрешение 15 минут, 16384
спектральных канала в полосе приема 110.3-111.3 ГГц, общий вес не более 15 кг, энергопотребление
менее 100 Вт. Комплекс открывает новые возможности для исследования быстропротекающих процессов
в средней атмосфере Земли.
Авторы:
А.А. Красильников, М.Ю. Куликов, Л.М. Кукин, В.Г. Рыскин, Л.И. Федосеев, А.А. Швецов, М.В.
Беликович, Д.Н. Мухин, О.С. Большаков, А.М. Фейгин
Публикации:
1. Красильников А.А., Куликов М.Ю., Кукин Л.М., Рыскин В.Г., Федосеев Л.И., Швецов А.А., Мухин Д.Н.,
Беликович М.В., Большаков О.С., Щитов А.М., Михайловский В.Л., Шумилов В.А., Фейгин А.М.
Мобильный спектрорадиометрический комплекс для зондирования озона средней атмосферы //
Известия ВУЗов. Радиофизика, т. 56, № 8-9, с. 699 – 710, 2013.
2. Куликов М.Ю., Красильников А.А., Швецов А.А., Федосеев Л.И., Рыскин В.Г., Кукин Л.М., Мухин Д.Н.,
Беликович М.В., Караштин Д.А., Скалыга Н.К., Фейгин А.М., Одновременные микроволновые
измерения озона и температуры средней атмосферы с поверхности земли // Известия ВУЗов.
Радиофизика, т. 58, № 6, с. 454-464, 2015.
Мобильный
микроволновый
озонометр
Основные характеристики
полоса приема
110.83604 Ггц
полоса анализа
110.336-111.336 Ггц
спектральное разрешение
61 Кгц
число спектральных каналов
16384
шумовая температура
1425 К
суммарный вес
менее 15 кг
типичное время накопления одного
спектра
30 мин
Блок-схема приемника
Озон
110,8ГГц
Рупор
УВЧ
МК
х2
ПФ
х2
х3
104,4 ГГц 3мВт
ТЕРМОСТАТ +24С
8,7 ГГц
ФЗК
ПФ
6,036-6,836 ГГц
УПЧ
Синтезатор
ФНЧ
ТЕРМОСТАТ +40С
Гетеродин
5,935 ГГц
Выход 101-901 МГц
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Восстановление вертикальных распределений концентрации по данным
радиометрического зондирования в мм диапазоне длин волн
Спектр яркостной температуры собственного
излучения атмосферы, измеренный 28 января
2015 г. над Нижним Новгородом. Время
накопления сигнала 05:30-06:00
Пример вертикального распределения
концентрации озона, восстановленного
по данным измерений 28 января 2015 г.
Черные линии – границы 65%
доверительного интервала
Пространственно-временная эволюция озона и температуры средней
атмосферы над Нижним Новгородом в течение внезапного стратосферного
потепления (декабрь 2014 – январь 2015)
Первые наблюдения бинаправленных лидеров
В Научный Совет РАН по проблеме
«Солнце-Земля»
Рекомендован в отчет РАН
Впервые удалось пронаблюдать и зарегистрировать детальные ИК изображения
бинаправленных лидеров - соединенных плазменным каналом и распространяющихся
в противоположных направлениях положительного и отрицательного лидеров, которые
самостоятельно рождаются в облаке положительно заряженного водного аэрозоля. Это
открывает возможность лабораторного исследования внутриоблачных молний и
начальных, внутриоблачных, этапов развития молниевых разрядов облако-земля с
целью решения фундаментальной проблемы инициации молнии.
Авторы: Н.А. Богатов, Е.А. Мареев, В.А. Раков (Институт прикладной физики РАН), А.Ю. Костинский
(Высшая школа экономики, ИПФ РАН), М.Г.Андреев, Л.М.Макальский, Д.И.Сухаревский, В.С.Сысоев
(Всероссийский электротехнический институт).
Литература
1. Kostinskiy, A. Y., V. S. Syssoev, N. A. Bogatov, E. A. Mareev, M. G. Andreev, L. M. Makalsky, D. I. Sukharevsky, and V. A.
Rakov (2015), Infrared images of bidirectional leaders produced by the cloud of charged water droplets, J. Geophys. Res.
Atmos., 120, doi:10.1002/2015JD023827.
2. Kostinskiy, A. Y., V. S. Syssoev, N. A. Bogatov, E. A. Mareev, M. G. Andreev, L. M. Makalsky, D. I. Sukharevsky, and V. A.
Rakov (2015), Observation of a new class of electric discharges within artificial clouds of charged water droplets and its
implication for lightning initiation within thunderclouds, Geophys. Res. Lett., 42, 8165–8171, doi:10.1002/2015GL065620.
3. A.Yu. Kostinskiy, V.S. Syssoev, E.A. Mareev, V.A.Rakov, M.G. Andreev, N.A. Bogatov, L.M. Makal’skiy, D.I. Sukharevskiy,
A.S.Aleshchenko , V.E.Kuznetsov, M.V.Shatalina. Electric discharges produced by clouds of charged water droplets in the
presence of moving conducting object. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics,135 (2015), pp.36–41.
Эксперименты с искусственным
облаком
1 – парогенератор, 2 – высоковольтный источник питания, 3 –
заряженное аэрозольное облако, 4 – СВЧ генератор, 5 – излучающий
рупор, 6 – линзы, 7 - СВЧ пучок, 8 – детектор, 9 – осциллографы, 10
– измерительный шунт, 11 – искровой разряд облако-земля
14
Горячие плазменные структуры:
облако +
1 – центральный плазменный канал (сталкер), отрицательный лидер – 2;
ветвящейся вниз сталкер – 3, нисходящий положительный лидер 4,
положительная стримерная корона – 5. Большая часть разряда
находится внутри облака
15
Infrared images (negatives) obtained with 6.7ms exposure
that show the lower part of bidirectional leader initiated in the
positively charged cloud (event 125–941). Labeled are the
middle part of the bidirectional leader (1), unusual plasma
formation (UPF) (2) that is in contact with the grounded
plane, downward positive leader (3), and upward negative
leader (4). The inset in the bottom right corner is obtained by
subtracting the previous frame.
Infrared image (negative) obtained with
6.7ms exposure that shows the upper part
of bidirectional leader initiated in the
positively charged cloud (event 053–854).
One can see a single plasma channel
(upward negative leader) of variable IR
intensity connected to a network of
plasma channels in the upper right part of
the frame.
Влияние солнечной активности на глобальную
электрическую цепь
В Научный Совет РАН по проблеме
«Солнце-Земля»
Рекомендован в отчет РАН
С помощью численной сферической и упрощённой электротехнической моделей глобальной электрической
цепи получены оценки воздействия солнечной активности и радиоактивности на динамику основных
характеристик глобальной электрической цепи — ионосферного потенциала и полного тока. Показано, что
возмущения проводимости в атмосфере на масштабе 11-летнего солнечного цикла могут объяснить
наблюдаемую вариацию ионосферного потенциала с учетом возможных возмущений стороннего тока внутри
источников и/или зависимости этого тока от электрического поля.
Авторы: Н.Н. Слюняев, А.В. Калинин, Е.А. Мареев, А.А. Жидков, А.А. Евтушенко, Н.В. Ильин,
Ф.А. Кутерин (Институт прикладной физики РАН)
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
N.N. Slyunyaev, E.A. Mareev, A.A. Zhidkov. On the variation of the ionospheric potential due to large-scale radioactivity enhancement and solar
activity, J. Geophys. Res. Space Physics, 2015, V. 120, № 8, p. 7060–7082.
Н.Н. Слюняев, А.А. Жидков. О параметризации источников глобальной электрической цепи, Изв. вузов. Радиофизика, 2015 (принята).
А.А. Евтушенко, Н.В. Ильин, Ф.А. Кутерин. О существовании глобальной электрической цепи в атмосфере Марса, Вестн. Моск. ун-та.
Сер. 3. Физ. Астрон., 2015, № 1, с. 57–60.
E.R. Williams, E.A. Mareev, Recent progress on the global electrical circuit, Atmos. Res., 2014, V. 135–136, p. 208–227.
N.N. Slyunyaev, E.A. Mareev, A.V. Kalinin, A.A. Zhidkov. Influence of large-scale conductivity inhomogeneities in the atmosphere on the global
electric circuit, J. Atmos. Sci., 2014, V. 71, № 11, p. 4382–4396.
А.В. Калинин, Е.А. Мареев, Н.Н. Слюняев, А.А. Жидков. Стационарные и нестационарные модели глобальной электрической цепи:
корректность, аналитические соотношения, численная реализация, Изв. РАН – ФАО, 2014, Т. 50, № 3, с. 355–364.
Vertical profiles of the ion-pair production
rate at solar minimum and solar maximum
Geomagnetic latitude: 0 (green line), 30 (purple line), 45 (orange line), 60 (blue line), and 90
(red line). At solar maximum, the cosmic-ray knee moves to lower latitudes and the profiles at
60 and 90 coinside
18
Моделирование воздействия солнечной
активности на ионосферный потенциал
С учётом понижения проводимости
внутри грозовых генераторов
Без учёта понижения проводимости
внутри грозовых генераторов
ΔVi/Vi ≈ 4.1%, ΔI/I ≈ 0.7%
ΔVi/Vi ≈ 3.5%, ΔI/I ≈ 1.3%
Диагностические инструменты
Скоростная оптическая камера 4
Picos
Скоростная ИК-камера FLIR
CS7700 M
Арбалет TenPoint TurboXLTII
с подвижной станиной для
крепления LeadSledDFT
20
Электрическая структура
униполярного аэрозольного облака
z, дм
ρ, Кл/м3
Представление электрической
структуры облака в виде
суперпозиции стационарной и
флуктуирующей частей:
1) стационарная часть
рассчитывается в приближении
токостатики (ток конусной струи
аэрозоля 50÷100 мкА, объѐм облака
10÷15 м3; электрическое поле не
превышает 106 В/м)
(Давыденко, Иудин, Костинский, Сысоев, 2014)
x, дм
Hot plasma structures (stalkers): IR images
Two successive frames (3a, the first and 3b, the second) taken by an IR camera, which records the
upper (hidden by the aerosol) part of the upward discharge. Exposure time is 7 ms. The time
between frames is 1.7 ms. The number of pixels in each frame is 640x520. All events recorded in
the frame occurred inside the cloud. Only flares of scattered radiation are seen in the visible range
in this experiment. 1 – the channel of the upward discharge, 2 - streamer corona, 3 - intracloud
plasma structures.
Горячие плазменные структуры сталкеры
23
Чувствительность моделей глобальной электрической
цепи к возмущениям проводимости и стороннего тока
В Научные Советы РАН по проблемам
«Солнце-Земля»
Рекомендован в отчет РАН
С помощью сферической и упрощённой электротехнической моделей глобальной электрической цепи
получены оценки влияния возмущений проводимости и плотности стороннего тока на ионосферный
потенциал. Показано, что при учёте понижения проводимости внутри облаков ионосферный потенциал
наиболее чувствителен к возмущениям стороннего тока, а также проводимости вне источников.
Наблюдаемое влияние радиоактивности на динамику ионосферного потенциала не может быть объяснено
повышением проводимости в средней атмосфере и требует учета возмущений внутри генераторов.
Авторы: А.В. Калинин, Е.А. Мареев, Н.Н. Слюняев, А.А. Жидков, А.А. Евтушенко, Н.В. Ильин,
Ф.А. Кутерин, С.С.Давыденко (Институт прикладной физики РАН)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Литература
Slyunyaev N.N., Mareev E.A., Kalinin A.V., Zhidkov A.A. Influence of Large-scale Conductivity Inhomogeneities in the Atmosphere on the Global
Electric Circuit, J. Atmos. Sci., V. 71, p. 4382–4396.
А.В. Калинин, Е.А. Мареев, Н.Н. Слюняев, А.А. Жидков. Стационарные и нестационарные модели глобальной электрической цепи:
корректность, аналитические соотношения, численная реализация, Изв. РАН – ФАО, 2014, Т. 50, № 3, с. 355–364.
S.S. Davydenko and E.A. Mareev, Comment on “Charge transfer to the ionosphere and to the ground during thunderstorms” by S. A. Mallios and
V. P. Pasko, Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2014, Volume 119, Issue 3, pages 2359–2362, March, DOI:
10.1002/2013JA019230
Williams E.R., Mareev E.A., Recent Progress on the Global Electrical Circuit, Atmos. Res., 2014, V. 135-136, p. 208-227.
А.А. Евтушенко, Н.В. Ильин, Ф.А. Кутерин, О существовании глобальной электрической цепи в атмосфере Марса, Вестник МГУ, 2014
(принята).
Evgeny Mareev, N. N. Slyunyaev, A. V. Kalinin, On the Description of Thunderstorm Generators and Its Relation to the Impact of Large-Scale
Conductivity Inhomogeneities on the Ionospheric Potential, 15th International Conference on Atmospheric Electricity (ICAE 2014), 15-20 June
2014, Norman, Oklahoma, USA. Nikolay N. Slyunyaev, A. V. Kalinin, E. A. Mareev, A. A. Zhidkov , Calculation of the Ionospheric Potential in
Steady-State and Non-Steady-State Models of the Global Electric Circuit ,15th International Conference on Atmospheric Electricity (ICAE 2014),
15-20 June 2014, Norman, Oklahoma, USA.
Вариации ионосферного потенциала и их
моделирование
Slyunyaev N.N. et al., 2014
Грозовые облака – генераторы
глобальной цепи – поддерживают разность потенциалов
между поверхностью Земли и
ионосферой около 240 кВ. На
рисунке - результаты расчета
линий тока атмосферы в окрестности облака.
Markson, 2007.
Экспериментальные данные по измерению Vi на
баллонах, аэростатах и самолетах в 1950-2006 гг.
Зарегистрировано увеличение Vi в годы ядерных
испытаний в атмосфере. Моделирование не
подтвердило гипотезу Марксона об увеличении
проводимости в стратосфере как причине роста Vi.
Показано, что эффект могут объяснить только
возмущения поля и тока внутри грозовых облаков
– генераторов глобальной цепи.
Fukushima effects? (Takeda et al.,GRL, 2011)
Экспериментальные результаты
Проведены исследования глубинной структуры кожи кисти и мозолистого
участка ладони с помощью трѐх датчиков
Действительная (а) и мнимая (б) части интегральной диэлектрической
проницаемости εint на глубине зондирования кожи кисти и мозолистого участка
ладони для трѐх датчиков.
Эффективная диэлектрическая проницаемость растет с увеличением глубины
зондирования. Это свидетельствует об увеличение диэлектрической проницаемости и
проводимости тканей кожи по мере удаления от ее поверхности.
Значения εint для разных глубин зондирования являются исходными данными для
решения обратной задачи ближнепольной томографии кожи.
Кроссмодуляция волн свистового
диапазона в магнитоактивной плазме
Н.А. Айдакина, М.Е. Гущин, И.Ю. Зудин,
С.В. Коробков, А.В. Костров, А.В. Стриковский
В модельных лабораторных экспериментах, выполненных на
крупномасштабном плазменном стенде «Крот», обнаружено
явление кроссмодуляции волн свистового диапазона частот.
Наблюдается амплитудно-частотная модуляция пробных
волн малой интенсивности, проходящих через область
замагниченной плазмы, модифицированную мощной
амплитудно-модулированной волной накачки. Установлено,
что при низких частотах модуляции обогащение спектра
пробной волны обусловлено возмущениями плотности; при
высоких частотах модуляции амплитудно-частотные
характеристики пробных волн изменяются за счет механизма
«магнитной» нелинейности.
Стенд «Крот»
Спектр пробной волны после
прохождения через область
плазмы, модифицированную
амплитудно-модулированной
накачкой
Зависимость амплитуды спектральных
сателлитов пробной волны от частоты
модуляции накачки
Analysis of sea surface temperature (SST) 1981-2015
NOAA NCEP EMC CMB GLOBAL monthly SST
http://iridl.ldeo.columbia.edu/SOURCES/.NOAA/.NCEP/.EMC/.CMB/.GLOBAL/.Reyn_S
mithOIv2/.monthly/.sst
m=3 d=5
m=6 d=4
m=8 d=8
Advances of the approach
Couplings between regions
Example: Nino 3.4
and North Atlantic
regions
Advances of the approach
Couplings between regions
Example: Nino 3.4
and North Atlantic
regions
Conclusion
1. Nonlinear expansion of data can be very efficient way for reducing dimension
2. It is a proper way for
phase space reconstruction
3. Investigation of teleconnections is
possible
p3 (t )
p1 (t )
p2 (t )
Sum/N
5,0
4,8
4,6
4,4
4,2
4,0
3,8
3,6
3,4
3,2
3,0
2,8
2,6
2,4
2,2
2,0
Sum/N
`
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
GEC models: recent progress
Kalinin A.V. et al., 2011;
Mareeva et al., 2011
L.Zhou & B.Tinsley, 2006, 2007, 2010
A.Odjimek, M.Lester, M.Kubicki, 2010
E.Mareev & E.Volodin, 2011
34
Electric generators in the atmosphere:
problems of parameterization
Vi 
I0SH 0
z 


z 
exp( 
) 1exp( 
)
 0S E
H0 
H0 


Kalinin A.V. et al., 2011; Mareeva et al., 2011 35
The ionospheric potential and the total electric
current variation over the solar cycle
The red lines show the variation in case the conductivity is not reduced
inside thunderstorms, and the blue lines correspond to a tenfold reduction.
The parameter t characterizes the phase of the solar cycle: t = 0 and t = 1
correspond to solar minima, and t = 0.5 corresponds to solar maxima. 36