Лаборатория геофизической гидродинамики (ЛГГ)
Основные направления исследований:
- Исследования по геофизической гидродинамике, динамическим системам и динамике атмосферы
- Лабораторные исследования геофизических течений
- Установка для генерации вихревых течений МГД-методом
- Установка для исследования вращающихся течений
Исследования по геофизической гидродинамике, динамическим системам и динамике атмосферы
Получено:
- описание динамики крупномасштабных геофизических течений и их перехода к стохастическим режимам;
- редукции уравнений Навье-Стокса, описывающие турбулентные каскады передачи энергии и спиральности;
- гамильтново описание вихревых и волновых взаимодействий в стратифицированных течениях;
- теория квазидвумерных течений жидкости;
- теория распространения и кластеризации примести в течениях со случайными полями скорости;
Лабораторные исследования геофизических течений
Установка для генерации вихревых течений МГД-методом
а) формирование структуры в течении Колмогорова
б) укрупнение вихрей в затухающей квазидвумерной турбулентности
Установка для исследования вращающихся течений
а) влияние вращения на структуру вихрей, возбуждаемых одинаковым внешним форсингом
б) лагранжевы структуры в нестационарном вихревом течении
Лаборатория является одним из мировых лидеров в области исследований спиральности в физике атмосферы от турбулентных до глобальных масштабов. В этом направлении объединены усилия и возможности с экспериментаторами и радиоакустиками из РАЛ.
Наиболее значимые результаты, полученные в Лаборатории в 70-е и 80-е годы состоят в следующем.
1) теоретическое (А. М. Обухов, Е. Б. Гледзер, В. М. Пономарев) и экспериментальное (А. М. Обухов, Ф. В. Должанский, Ю. Л. Черноусько) открытия эллиптической неустойчивости, более, чем на 10 лет опередившие аналогичные исследования западных ученых;
2) на основе введенного А. М. Обуховым понятия систем гидродинамического типа (СГТ) построены дискретные модели развитых трехмерной и двумерной турбулентностей, воспроизводящие энергетические спектры в соответствующих инерционных интервалах и, что самое главное, позволяющие теоретически оценить константу в законе Колмогорова-Обухова (Е. Б. Гледзер);
3) найдена прямая гидродинамическая трактовка уравнений Эйлера-Пуассона движения тяжелого волчка и их теоретико-групповая аналогия с уравнениями Буссинеска движения тяжелой расслоенной жидкости на основе которых строится простейшая модель конвекции вращающейся жидкости, воспроизводящая фундаментальные свойства глобальных бароклинных течений (С. М. Вишик, Ф. В. Должанский);
4) лабораторное моделирование (А. Батчаев, В. А. Довженко) и построение нелинейной теории устойчивости течения Колмогорова (А. М. Обухов, В. И. Кляцкин, Ф. В. Должанский, В. М. Пономарев), в результате чего была открыта ( Ф. В. Должанский) фундаментальная роль придонного трения на формирование и устойчивость вторичных вихревых течений (циклогенез);
5) магнитогидродинамическим методом и методом источников и стоков массы экспериментально смоделированы баротропный атмосферный циклогенез в квазидвумерных сдвиговых течениях (В. А. Довженко, В. А., В. А. Крымов) и волны Россби во вращающихся кольцевых каналах (Ю. Л. Черноусько) и построены их нелинейные теории устойчивости (Должанский Ф. В., Д. Ю. Манин, Курганский);
6) путем сопоставления теории с результатами лабораторных экспериментов решена задача Эйнштейна о спиндауне и спинапе в цилиндре малой высоты (Ф. В. Должанский, В. А. Крымов, Д. Ю. Манин);
7) на основе гамильтонова подхода развита нелинейная теория распространения внутренних и гравитационных волн в стратифицированных средах применительно к земной атмосфере (Н. Н. Романова);
8) опираясь на идею, выдвинутую А. М. Обуховым в 1962 г., М. В. Курганский и М. С. Татарская разработали новый метод диагноза крупномасштабных атмосферных процессов, основанный на использовании поверхностей постоянной потенциальной завихренности и потенциальной температуры в качестве естественных координатных поверхностей;
9) развит функциональный метод анализа стохастических динамических систем с флуктуирующими параметрами (В. И. Кляцкин);
10) разработан метод анализа стохастических краевых волновых задач на основе метода погружения (В. И. Кляцкин);
11) построена статистическая теория распространения волн в случайных средах, справедливая в области сильных флуктуаций (В. И. Кляцкин совместно с В. И. Татарским).
После кончины А. М. Обухова в 1989 г. в ЛГГ, которую в 1986 г. возглавил его ученик Ф. В. Должанский, помимо развития уже сложившейся тематики были сформулированы три новых направления:
1) разработка эффективного метода измерения лабораторных двумерных полей скорости и их характеристик (завихренность, двумерная дивергенция, частотные и пространственные спектры и т. п.) и завершение на основе сопоставления измеренных и теоретических характеристик нелинейной теории устойчивости квазидвумерных сдвиговых течений;
2) численное и лабораторное моделирование развитых квазидвумерных вихревых течений при больших числах Рейнольдса на предмет выяснения фундаментальных свойств квазидвумерной турбулентности;
3) лабораторное, численное и теоретическое исследование механизмов распространения пассивной примеси в развитых квазидвумерных вихревых течениях.
В последние годы получены следующие результаты:
- Созданы каскадные модели турбулентности с вращением и спиральностью, свободные от нефизичности, зачастую свойственной иным современным моделям этого направления и, поддерживающие естественное сохранение гидродинамических инвариантов. Обнаружены условия возникновения явлений обратного каскада энергии и когерентных состояний.
- Рассмотрен большой класс вопросов по динамике и воспроизводству спиральности в турбулентности и атмосферном пограничном слое, разработаны методы ее оценки по данным дистанционного зондирования и реанализа, организованы совместные с РАЛ полевые эксперименты по измерению потоков спиральности и завихренности в атмосферном пограничном слое на базе Цимлянской и Звенигородской научных станций Института
- Исследовано физическое явление кластеризации, как частного случая статистического структурообразования в геофизических средах на основе новых методов анализа стохастических динамических систем, связанных с идеями статистической топографии.
- Развиваются методы статистического анализа для временных рядов от турбулентных до климатических масштабов
- Изучены струйные механизмы перемешивания, инициированные рэлей-тейлоровской неустойчивостью в неоднородных геофизических течениях.
- Разработаны новые методы исследования вихреволновых взаимодействий в стратифицированной атмосфере, основанные на гамильтоновских версиях контурной динамики для двух и трехмерных структур. В рамках указанного подхода изучены вихревые, стационарно вращающиеся структуры, возникающие в квазигеострофической баротропной жидкости.
- Выполнен цикл работ по теоретическим и экспериментальным исследованиям эффектов нелинейного экмановского трения и циклон-антициклонной асимметрии.
- Впервые в лабораторном эксперименте обнаружены и исследованы устойчивые режимы с почти неподвижными антициклонами.
- Исследованы механизмы формирования блокингов, полярных мезоциклонов, условий перехода к многорежимным состояниям, разработаны новые критерии их диагностики
- Исследована нелинейная проблема о взаимодействии устойчивых и неустойчивых волн, как на границах сред с разными свойствами. Описаны возможные хаотические и колебательные режимы.
- Рассмотрен широкий класс задач, связанных с проявлениями бароклинной неустойчивости в атмосферных течениях с использованием новых аналитических и численных подходов.
- Исследована динамика и изменчивость планетарных высотных фронтальных зон и струйных течений их связи с развитием блокинговых состояний в последние десятилетия.
- Проведены систематические научные разработки теоретических моделей, исследования статистических свойств и связи активности пыльных вихрей в земных и марсианских условиях с локальными метеоусловиями и характеристиками пограничного слоя.
- Изучена связь перистой облачности и областей повышенной относительной влажности в верхней тропосфере с симметричной неустойчивостью, развивающейся на субтропической (антициклональной) стороне струйных течений.
- Исследованы условия формирования и свойства мезомасштабных и субмезомасштабных циркуляций в АПС, их роль в выносе и дальнем переносе примесей и аэрозолей.
- В ходе ежегодных летних комплексных полевых экспедиций на опустыненных территориях в республике Калмыкия и степных ландшафтах юга России Ростовской области (ЦНС ИФА, г. Цимлянск) исследуются пограничный слой атмосферы и эмиссии аэрозолей в условиях аридного и полуаридного климата.
- Найдены универсальные вертикальные профили распределения пылевого аэрозоля при слабых и умеренных ветрах, зависящие от ветровых режимов и связанные с развитием самоподобных термоконвективных турбулентных структур.
- Обнаружены физические механизмы выноса субмикронного аэрозоля в условиях слабых ветров, связывающие скорость и интенсивность эмиссии с конвективными движениями в приповерхностных слоях почвы и воздуха. Разработаны и внедрены в атмосферную негидростатическую модель параметризации эмиссии субмикронного аэрозоля.
- Разработаны новые параметризации турбулентных потоков импульса и тепла в пограничном слое атмосферы, учитывающие, в частности, воспроизводство спиральности экмановскими течениями, приспособленных для использования в моделях прогноза погоды (ECMWF, COSMO), атмосферных моделях климата (как ECHAM6) и связанных атмосфера-океан моделях климата (ECHAM-FESOM, MPI ESM).
- Для полярных мезоциклонов (ПМЦ) — экстремальных опасных и труднопрогнозируемых вихревых образований в Арктической зоне, — предложена новая оригинальная, простая диагностическая и прогностическая методика, использующая комбинацию интегральной спиральности и кинематического числа завихренности, которая может использоваться для повышения эффективности, скорости и точности методов прогнозирования, в частности с использованиеми методов машинного обучения.
| Чхетиани Отто Гурамович | Заведующий лабораторией, главный научный сотрудник | Руководитель |
| Батчаев Анзор Муниаминович | Ведущий инженер | |
| Безверхний Вячеслав Алексеевич | Старший научный сотрудник | |
| Вазаева Наталья Викторовна | Старший научный сотрудник | |
| Гледзер Алексей Евгеньевич | Старший научный сотрудник | |
| Гледзер Евгений Борисович | Главный научный сотрудник | |
| Гончаров Виктор Петрович | Ведущий научный сотрудник | |
| Гряник Владимир Макарович | Старший научный сотрудник | |
| Гусева Елизавета Алексеевна | Инженер-исследователь | |
| Калашник Максим Валентинович | Ведущий научный сотрудник | |
| Кочина Вера Григорьевна | Инженер | |
| Курганский Михаил Васильевич | Главный научный сотрудник | |
| Лебедев Владимир Александрович | Инженер | |
| Малиновская Елена Александровна | Старший научный сотрудник | |
| Обвинцев Юрий Иванович | Инженер | |
| Приймак Владимир Георгович | Старший научный сотрудник | |
| Сухачев Арсений Максимович | Лаборант | |
| Хапаев Алексей Андреевич | Старший научный сотрудник | |
| Якушкин Иван Георгиевич | Ведущий научный сотрудник |
О лаборатории
Со дня основания Института А. М. Обухов первостепенное значение придает теоретическим исследованиям фундаментальных свойств движения жидкости применительно к описанию глобальных геофизических течений, распространения атмосферных волн и атмосферной турбулентности. С этой целью создается Теоретический отдел, ключевыми сотрудниками которого были уже тогда известные ученые как А. С. Монин, Л. А. Дикий, и Г. С. Голицын. С их непосредственным участием или под их руководством в 50-е и 60-е годы строятся теории малых колебаний атмосферы в связи проблемой адаптации метеорологических полей (А. М. Обухов, А. С. Монин, Л. А. Дикий) и нелинейного распространения атмосферных акустико-гравитационных волн (Н. Н. Романова), решается фундаментальная задача о генерации звука линейными вихрями применительно к проблемам турбулентности (В. И. Кляцкин), разрабатывается реалистическая модель зональной циркуляции атмосферы (Ф. В. Должанский), теория адиабатических инвариантов атмосферных движений (М. В. Курганский), задачи эллиптической неустойчивости (Е. Б. Гледзер, В. М. Пономарев) и теории турбулентности (Е. Б. Гледзер).
Исключительно плодотворный этап развития фундаментальных исследований был связан с развертыванием в Отделе в 70-е годы экспериментальной базы и привлечением теперь уже хорошо известных экспериментаторов как Ю. Л. Черноусько, Б. М. Бубнов, В. А. Довженко, А. М. Батчаев и В. А. Крымов для постановки лабораторных экспериментов по моделированию введенных А. М. Обуховым систем гидродинамического типа (СГТ), глобальных атмосферных течений и взаимодействия вихрей. С этого момента Теоретический Отдел переименуется в Лабораторию геофизической гидродинамики (ЛГГ), а теоретические исследования ведутся в тесном взаимодействии с лабораторными экспериментами. Лаборатория выступает широким фронтом тем исследования, возможно, несколько отходя от традиционного объекта геофизической гидродинамики. В сфере интересов коллектива лаборатории оказываются движения и структуры широкого спектра масштабов и связанных с ними физических процессов.
В течении почти 20 лет ЛГГ возглавляли Ф. В. Должанский, затем В. М. Пономарев. С 2008 г. ЛГГ руководит О. Г. Чхетиани.
Направления деятельности
- Разработка математических методов описания и моделирования когерентных и вихревых явлений, переноса примесей и аэрозолей, устойчивости, стохастизации и турбулентности в геофизических системах;
- Развитие теории гидродинамических инвариантов, (потенциального вихря и спиральности) и ее применения к анализу и диагнозу атмосферных процессов различного масштаба;
- Исследования динамики систем атмосферной циркуляции и развитие маломодовых нелинейных подходов;
- Исследования струйных течений, фронтогенеза, блокинговых и многорежимных состояний, интенсивных атмосферных вихрей, конвекции, мезомасштабных циркуляций в АПС;
- Развитие гамильтоновых методов описания вихревых режимов и переноса примесей в моделях геофизической гидродинамики;
- Нелинейная теория волн, их распространения и трансформаций в приложении к геофизическим средам;
- Лабораторное и численное моделирование вихревых и турбулентных процессов в геофизической гидродинамике;
- Экспериментальные исследования атмосферной турбулентности, конвекции, эмиссии и транспорта аэрозолей
- Математические методы анализа геофизических данных
Достижения
- Созданы каскадные модели турбулентности с вращением и спиральностью, свободные от нефизичности, зачастую свойственной иным современным моделям этого направления и, поддерживающие естественное сохранение гидродинамических инвариантов. Обнаружены условия возникновения явлений обратного каскада энергии и когерентных состояний.
- Рассмотрен большой класс вопросов по динамике и воспроизводству спиральности в турбулентности и атмосферном пограничном слое, разработаны методы ее оценки по данным дистанционного зондирования и реанализа, организованы совместные с РАЛ полевые эксперименты по измерению потоков спиральности и завихренности в атмосферном пограничном слое на базе Цимлянской и Звенигородской научных станций Института
- Исследовано физическое явление кластеризации, как частного случая статистического структурообразования в геофизических средах на основе новых методов анализа стохастических динамических систем, связанных с идеями статистической топографии.
- Развиваются методы статистического анализа для временных рядов от турбулентных до климатических масштабов
- Изучены струйные механизмы перемешивания, инициированные рэлей-тейлоровской неустойчивостью в неоднородных геофизических течениях.
- Разработаны новые методы исследования вихреволновых взаимодействий в стратифицированной атмосфере, основанные на гамильтоновских версиях контурной динамики для двух и трехмерных структур. В рамках указанного подхода изучены вихревые, стационарно вращающиеся структуры, возникающие в квазигеострофической баротропной жидкости.
- Выполнен цикл работ по теоретическим и экспериментальным исследованиям эффектов нелинейного экмановского трения и циклон-антициклонной асимметрии.
- Впервые в лабораторном эксперименте обнаружены и исследованы устойчивые режимы с почти неподвижными антициклонами.
- Исследованы механизмы формирования блокингов, полярных мезоциклонов, условий перехода к многорежимным состояниям, разработаны новые критерии их диагностики
- Исследована нелинейная проблема о взаимодействии устойчивых и неустойчивых волн, как на границах сред с разными свойствами. Описаны возможные хаотические и колебательные режимы.
- Рассмотрен широкий класс задач, связанных с проявлениями бароклинной неустойчивости в атмосферных течениях с использованием новых аналитических и численных подходов.
- Исследована динамика и изменчивость планетарных высотных фронтальных зон и струйных течений их связи с развитием блокинговых состояний в последние десятилетия.
- Проведены систематические научные разработки теоретических моделей, исследования статистических свойств и связи активности пыльных вихрей в земных и марсианских условиях с локальными метеоусловиями и характеристиками пограничного слоя.
- Изучена связь перистой облачности и областей повышенной относительной влажности в верхней тропосфере с симметричной неустойчивостью, развивающейся на субтропической (антициклональной) стороне струйных течений.
- Исследованы условия формирования и свойства мезомасштабных и субмезомасштабных циркуляций в АПС, их роль в выносе и дальнем переносе примесей и аэрозолей.
- В ходе ежегодных летних комплексных полевых экспедиций на опустыненных территориях в республике Калмыкия и степных ландшафтах юга России Ростовской области (ЦНС ИФА, г. Цимлянск) исследуются пограничный слой атмосферы и эмиссии аэрозолей в условиях аридного и полуаридного климата.
- Найдены универсальные вертикальные профили распределения пылевого аэрозоля при слабых и умеренных ветрах, зависящие от ветровых режимов и связанные с развитием самоподобных термоконвективных турбулентных структур.
- Обнаружены физические механизмы выноса субмикронного аэрозоля в условиях слабых ветров, связывающие скорость и интенсивность эмиссии с конвективными движениями в приповерхностных слоях почвы и воздуха. Разработаны и внедрены в атмосферную негидростатическую модель параметризации эмиссии субмикронного аэрозоля.
- Разработаны новые параметризации турбулентных потоков импульса и тепла в пограничном слое атмосферы, учитывающие, в частности, воспроизводство спиральности экмановскими течениями, приспособленных для использования в моделях прогноза погоды (ECMWF, COSMO), атмосферных моделях климата (как ECHAM6) и связанных атмосфера-океан моделях климата (ECHAM-FESOM, MPI ESM).
- Для полярных мезоциклонов (ПМЦ) — экстремальных опасных и труднопрогнозируемых вихревых образований в Арктической зоне, — предложена новая оригинальная, простая диагностическая и прогностическая методика, использующая комбинацию интегральной спиральности и кинематического числа завихренности, которая может использоваться для повышения эффективности, скорости и точности методов прогнозирования, в частности с использованием методов машинного обучения.
