Лаборатория моделирования атмосферного переноса (ЛМАП)
Основные направления исследований:
- Изучение процессов эмиссии и переноса почвенного и антропогенного аэрозоля, исследование их влияния на окружающую среду и человека
- Оценка интенсивности и месторасположения источников эмиссии примесей
- Изучение атмосферных течений под влиянием неоднородностей силы тяжести
- Исследование вихревых течений в различных природных явлениях
Изучение микрофизических параметров и химического состава аэрозолей
Комплексные исследования аэрозолей аридных зон
(совместные работы с ЛГГ, РАЛ)
В 1992 г. совместно с НИФХИ им. Л. Я. Карпова в регионе Аральского моря были начаты многолетние комплексные исследования микрофизических параметров и химического состава аэрозолей аридных зон. Эти работы продолжены с 2009 г. для полупустынных районов Калмыкии:
— определены характерные значения массовой и счетной концентрации аэрозоля в летний период;
— исследована зависимость счетной и массовой концентрации аэрозоля от времени и параметров атмосферы;
— установлены различные механизмы образования и подъема аэрозольных частиц в атмосферу (сальтация — при наличии сильного внешнего ветра и термоконвективный подъем — при слабом ветре);
— изучен механический и химический состав песчаных и аэрозольных частиц в приземном слое. Преобладающей является фракция мелкого песка 1–5 мкм;
— элементный и минералогический анализ подтвердил идентичность химического состава аэрозоля и высокодисперсной фракции почвы. Мелкопесочная фракция характеризуется высоким содержанием микроэлементов (хром, марганец, рубидий, цирконий, висмут, сера).
Исследование меридионального распределения атлантического аэрозоля
Наблюдения проведены в 33-м рейсе НИС «Академик Иоффе» в период 18.03–28.04.2011 г. по маршруту от г. Ушуайа (Аргентина) до г. Щетсина (Польша).
Анализ химического состава аэрозольных частиц с помощью атомно-эмиссионного спектрометра TRACE ICAP 61E выявил наличие 65 элементов.
Получено меридиональное распределение счетной и массовой концентрации субмикронного атлантического аэрозоля.
Определена динамика изменения элементного состав аэрозоля на пути следования судна, выделены выносы аридного аэрозоля из пустынь Африки и антропогенного аэрозоля из Европы.
Маршрут НИС «Академик Иоффе» и ансамбли обратных траекторий (пятисуточные) воздушных масс, определяющие регион «сбора» аэрозоля
Влияние техногенного загрязнения атмосферы и погоды на человека
Разработана методика долгосрочного прогноза риска для здоровья при техногенном загрязнении атмосферы, основанная на использовании методов теории чувствительности, базирующихся на интегрировании конечно-разностного аналога трехмерного уравнения переноса и диффузии загрязняющих примесей, записанного в вариациях относительно невозмущенного состояния атмосферы. Методика позволяет выполнять оценку риска с учетом возможных изменений климата.
Система экологического страхования в стране и за рубежом ориентирована на случаи внезапных, интенсивных выбросов загрязняющих веществ и не предусматривает возмещение убытков и вреда, связанных с постоянным загрязнением атмосферы. В этой связи разработана методика использования особой формы страхования для снижения социально-экономических последствий для работников и населения от заболеваемости, обусловленной загрязнением воздуха объектами промышленности и транспорта, на основе хеджирования — способа стабилизации доходов, использующего производные финансовых инструментов — экологические деривативы, т. е. специальные контракты, в соответствии с которыми одна из сторон (например, житель загрязненной территории) «перекладывает» свой риск для здоровья на другую сторону (за вознаграждение, премию, которую, однако, оплачивает не сам житель, а источник выбросов — загрязнитель).
Совместно с Гидрометцентром России установлено, что на самочувствие людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями в разных районах ЕТР влияют различные показатели состояния атмосферы.
Предложены новые статистически значимые индексы комфортности погодных условий. Создана система «Светофор», на основе мезомасштабной модели WRF-ARW и индексов комфортности обеспечивающая прогноз на 5 сут неблагоприятных погодных условий (НПУ) для людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями.
Пример прогноза НПУ
Оценка интенсивности и месторасположения источников эмиссии примесей
Разработана методика идентификации источников загрязнения атмосферы на основе минимизации разности измеренных концентраций примесей и их значений, определенных с помощью функционала, построенного на решении сопряженной задачи переноса и диффузии. Методика позволяет с приемлемой погрешностью определять месторасположение источников и их вклад в общий уровень загрязнения.
Результат практического опыта идентификации источника мощных выбросов сероводорода (H2S), имевших место в Москве 10 ноября 2014 года, представлен на рисунке.
Поле интенсивностей источника выбросов сероводорода в Москве 10.11.2014 г. на уровне 50 м (область максимальных значений). В кружках приведены значения интенсивности выбросов в условных единицах: «10» соответствует максимальному значению выбросов — 3195 г/с. Оставшаяся вне кружков территория характеризуется значительно меньшими (в разы) значениями интенсивности выбросов.
Изучение атмосферных течений под влиянием неоднородностей силы тяжести
Возмущения фонового течения под влиянием НСТ
Совместно с НПО «Тайфун» выполнены теоретические исследования линейных возмущений фонового течения под влиянием НСТ.
Показано, что, вопреки распространенному мнению, НСТ не только деформируют состояние гидростатического баланса, но могут приводить и к возмущениям скорости фоновых течений. Впервые рассмотрены вызываемые НСТ возмущения геострофического течения над плоской горизонтальной поверхностью: вдали от нее характерен режим обтекания эквипотенциальных поверхностей, а вблизи этот режим нарушается, возникает пограничный слой, в котором нарушается гидростатическое равновесие и генерируются возмущения горизонтальной скорости.
Установлено, что при учете теплообмена горизонтальные НСТ могут приводить к к изменению баланса горизонтальных сил и возникновению динамических возмущений (течений) в стратифицированной по плотности среде, горизонтальная скорость которых пропорциональна произведению отклонения геоида и частоты плавучести.
Показано, что воздействие на горизонтальный ветер неоднородностей поля силы тяжести может приводить к генерации внутренних гравитационных волн в атмосфере. Обнаруженный механизм их генерации ранее даже не обсуждался.
Исследование спиральности Азиатского муссона
Совместно с Гидрометцентром России впервые выполнен анализ спиральности поля скорости ветра в области Азиатского муссона, который показал, что ее переход в область положительных значений соответствует наступлению активной фазы муссона. Учет НСТ в численных экспериментах с моделью ОЦА Гидрометцентра России существенно приближает величины, временной ход и пространственное распределение спиральности к соответствующим характеристикам по данным реанализа.
Годовой ход интенсивности осадков по данным GPCP и спиральности S (м2/с2), рассчитанной по данным реанализа NCAR/NCEP и результатам численного моделирования. Заштрихованные голубым цветом области соответствуют положительным значениям S.
Исследование вихревых течений в различных природных явлениях
Установлено, что учет линейного экмановского трения обеспечивает пороговую по частоте вращения реализацию линейной диссипативно-центробежной неустойчивости и связанное с ней нарушение киральной симметрии в динамике лагранжевых частиц, приводящее к циклон-антициклонной вихревой асимметрии. Получено новое обобщение решения задачи Кармана об определении установившегося поля скорости в вязкой несжимаемой среде над вращающимся твердым диском большого радиуса, в котором дополнительно учтено линейное экмановское трение.
Ноябрь 1996 г. — создана Лаборатория моделирования процессов переноса и влияния орографии (ЛМППВО)
Апрель 2002 г. — переименована в Лабораторию моделирования атмосферного переноса (ЛМАП)
Основатель и первый заведующий лабораторией — И. Г. Гранберг
| Aleksandr Makosko | Head of Laboratory, Chief Scientist | Manager |
| Anna Matesheva | Leading Researcher | |
| Fedor Pogarskiy | Researcher | |
| Leonid Maksimenkov | Researcher | |
| Lev Ingel' | Leading Researcher | |
| Mariya Artamonova | Lead Mathematician | |
| Ol'ga Lysova | Junior Researcher | |
| Sergey Chefranov | Leading Researcher | |
| Svetlana Emelina | Researcher | |
| Viktoriya Suyazova | Senior Researcher |
О лаборатории
Лаборатория моделирования процессов переноса и влияния орографии (ЛМППВО) создана в Институте физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН в ноябре 1996 года. В апреле 2002 г. переименована в Лабораторию моделирования атмосферного переноса (ЛМАП). Основатель и первый заведующий лабораторией — д. ф.–м. н. И. Г. Гранберг. С ноября 2010 года заведующим лаборатории является член-корреспондент РАН д. т. н. Александр Аркадьевич Макоско.
Направления деятельности
- Изучение процессов эмиссии и переноса почвенного и антропогенного аэрозоля, исследование их влияния на окружающую среду и человека
- Оценка интенсивности и месторасположения источников эмиссии примесей
- Изучение атмосферных течений под влиянием неоднородностей силы тяжести
- Исследование вихревых течений в различных природных явлениях
Достижения
- Исследованы тенденции рисков для здоровья населения от загрязнения атмосферы и изменения погодно-климатической комфортности на территории России до 2050 года;
- Разработан метод идентификации источников химического загрязнения атмосферы на примере Московского региона;
- Предложена стратегия экологического риск-менеджмента в области загрязнения атмосферы для повышения качества жизни населения в городах;
- Исследованы риски для растительных экосистем Арктической зоны РФ от загрязнения атмосферы, в том числе обусловленного дальним переносом, в условиях изменяющегося климата (в 1980–2050 гг.);
- Изучено влияние неоднородностей силы тяжести на теплообмен атмосферы с подстилающей поверхностью;
- Исследованы связи кинематических характеристик ветра в тропических циклонах и аномалий силы тяжести;
- Оценена интенсивность горизонтального переноса снежных масс в неоднородном поле силы тяжести;
- Исследована интегральная спиральность азиатского и дальневосточного муссонов по данным реанализа и результатам численного моделирования циркуляции атмосферы с учетом неоднородности силы тяжести;
- Выявлен механизм генерации спиральности восходящего потока, обусловленной неоднородным трением на подстилающей поверхности;
- Уточнены оценки спиральности атмосферных возмущений, обусловленных неоднородностями поля силы тяжести;
- Предложен новый прогностический индикатор неблагоприятных и опасных явлений погоды — градиент интегральной спиральности поля скорости атмосферных движений.
