Электродинамические процессы в конвективном атмосферном пограничном слое тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.10, кандидат наук Галиченко, Сергей Вадимович

• Галиченко, Сергей Вадимович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Галиченко, Сергей Вадимович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В АТМОСФЕРНОМ ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ

1.1. ЭЛЕМЕНТЫ СТРУКТУРЫ И ДИНАМИКИ АТМОСФЕРНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

1.2. ПРОЦЕССЫ ИОНООБРАЗОВАНИЯ И ЭВОЛЮЦИЯ АТМОСФЕРНЫХ ИОНОВ

1.3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АТМОСФЕРНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ГЛАВЫ 1:

ГЛАВА 2. СТОХАСТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОНВЕКТИВНОГО АТМОСФЕРНОГО

ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

2.1. ПОДХОДЫ К МОДЕЛИРОВАНИЮ КОНВЕКТИВНОГО АТМОСФЕРНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

2.2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ОСНОВНЫЕ ПРИБЛИЖЕНИЯ

2.3. СТОХАСТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОНВЕКТИВНОГО ТУРБУЛЕНТНОГО ТРАНСПОРТА

2.4. РАСЧЕТ ВЫСОТЫ СЛОЯ ОБМЕНА

2.5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИСТОЧНИКОВ ИОНИЗАЦИИ И КИНЕТИКИ ЗАРЯДКИ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ГЛАВЫ 2:

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОНВЕКТИВНОГО АТМОСФЕРНОГО

ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

3.1. СКОРОСТЬ ИОНООБРАЗОВАНИЯ

3.2. ВЫСОТНЫЕ ПРОФИЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

3.3. ПОТЕНЦИАЛ ВЕРХНЕЙ ГРАНИЦЫ АТМОСФЕРНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

3.4. КОНВЕКТИВНЫЙ ТОК И ЭДС КОНВЕКЦИИ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ГЛАВЫ 3:

ГЛАВА 4. СВЯЗЬ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН С ПАРАМЕТРАМИ ТУРБУЛЕНТНОСТИ И ДИНАМИКОЙ АЭРОЗОЛЕЙ

4.1. ПЕРЕНОС ВОЗМУЩЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

4.2. СВЯЗЬ ТУРБУЛЕНТНОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ АТМОСФЕРНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

4.3.ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТРАТИФИКАЦИЯ КОНВЕКТИВНОГО АТМОСФЕРНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ГЛАВЫ 4:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электродинамические процессы в конвективном атмосферном пограничном слое»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

Электродинамические процессы в атмосферном пограничном слое (АПС) занимают особое положение в исследованиях физики взаимодействия литосферы и атмосферы, одновременно представляя собой важное звено в моделях глобальной электрической цепи. Возросший в последние годы интерес к пограничному слою и его внутренней динамике связан, прежде всего, с разработкой параметризации подсеточных масштабов и турбулентного замыкания для прогностических моделей глобальной циркуляции и климата [204, 205]. Совершенствование существующих прогностических моделей предполагает перспективное использование дополнительных средств диагностики текущего состояния среды, включающих электрические измерения. Внутри пограничного слоя проводится подавляющая часть атмосферных электрических наблюдений, при этом задача выбора подходящего множества измеряемых величин и интерпретации, полученных в результате данных, остается актуальной [66, 100, 103, 111, 115, 206]. Можно отметить также важность рассмотрения электрических процессов в АПС для своевременного прогнозирования распространения радионуклидов в атмосфере при техногенных катастрофах [65].

Электрическая структура пограничного слоя атмосферы определяется многообразием физических процессов в широком диапазоне пространственно-временных масштабов от ионизации молекул и межчастичных взаимодействий в многокомпонентной слабоионизированной среде до формирования ионосферного потенциала грозовыми генераторами и квазистатическими токами электрифицированных облаков. Электрические поля, создаваемые в АПС объемными зарядами, образующимися вследствие неоднородностей электрической проводимости и влияния проводящей земной поверхности, имеют тот же порядок величины, что и электрическое поле внешних по отношению к АПС источников. Невозмущенный грозовой активностью и

электрифицированными облаками АПС, рассматриваемый в качестве нагрузочной области глобальной цепи, вносит существенный вклад в электрическое сопротивление столба атмосферы. Электрическое состояние АПС может служить дополнительным эффективным индикатором как турбулентной активности и режима обмена с земной поверхностью, так и наличия аэрозольного или радиоактивного загрязнения. Кроме этого, механический перенос турбулентными течениями объемных электрических зарядов, определяет короткопериодные пульсации электрического поля и формирует специфические свойства спектральных и структурных характеристик флуктуаций электродинамических величин [2, 115-119, 207, 208].

Наряду с этим, задача переноса и дисперсии взаимодействующих субстанций в турбулентной среде представляет самостоятельный интерес. Среди замечательных эффектов, проявляющихся уже при дисперсии скалярной невзаимодействующей примеси, можно отметить различные режимы аномальной диффузии и перемежаемости [209-211]. Широкая распространенность турбулентных сред, в которых возможно протекание электрического тока и существование объемных электрических зарядов, наличие нестационарных, неоднородных источников и стоков, различные режимы турбулентности, и, к тому же, нелокальность электрического поля, делают исследуемый объект чрезвычайно сложным и одновременно привлекательным для изучения.

С позиций неравновесной термодинамики атмосферный пограничный слой должен рассматриваться как открытая диссипативная система, в которой возможны квазистационарные неравновесные состояния, процессы самоорганизации и существование диссипативных структур [51,212]. Цель диссертационной работы состоит в теоретическом и численном исследовании электродинамических процессов в нестационарном конвективном атмосферном пограничном слое, количественном определении вертикальных электрических профилей в различных условиях новообразования и аэрозольного

наполнения, модельной оценке конвективного переноса аэроэлектрических неоднородностей.

Для достижения поставленной цели были решены следующие научные задачи:

1. Разработана электродинамическая модель горизонтально однородного конвективного АПС, учитывающая энергетические и термодинамические характеристики АПС, ионизационный вклад радиоактивных эманаций, процессы перезарядки аэрозольных частиц и мультидисперсность аэрозоля.

2. Исследована эволюция скорости новообразования при развитии конвекции в АПС.

3. Выполнены оценки влияния электрически активных слоев на вариабельность электрических характеристик АПС.

4. Исследована динамика конвективного электрического тока, ЭДС конвекции и потенциала верхней границы АПС.

5. Проведен анализ турбулентной и электрической активности АПС, оценены возмущения электрического поля вследствие переноса неоднородностей объемного заряда.

Научная новизна работы

1. Разработана стохастическая модель электродинамических процессов в конвективном АПС, принципиально отличающаяся от применявшихся ранее электродинамических моделей.

2. Получены выражения для эффективных коэффициентов присоединения легких атмосферных ионов к аэрозольным частицам, учитывающие мультидисперсность атмосферного аэрозоля.

3. Рассчитаны высотные профили электродинамических величин в нестационарном АПС с высоким пространственно-временным разрешением.

4. Выполнена количественная оценка вертикального конвективного электрического тока, вклада электрического сопротивления конвективного АПС в электрическое сопротивление столба атмосферы, потенциала верхней границы

АПС и ЭДС конвекции, вклада неоднородностей объемного электрического заряда в возмущения приземного электрического поля.

5. Приведены экспериментальные доказательства взаимосвязи турбулентной и электрической активности АПС.

Научная достоверность и обоснованность результатов диссертации достигается корректностью постановок задач, аналитическими оценками и численными расчетами, а также сравнением численных расчетов с результатами натурных наблюдений. Обоснованность применения используемой стохастической модели показана в предшествующих диссертации работах.

Практическая значимость результатов работы заключается в исследовании механизмов электрической активности атмосферного пограничного слоя и их связи с конвективной турбулентностью. Полученные результаты могут быть использованы для совершенствования моделей глобальной электрической цепи и молниевой активности; для разработки методов диагностики состояния АПС по результатам оперативных аэроэлектрических наблюдений; для прогнозирования распространения радионуклидов в атмосфере при техногенных катастрофах. Предлагаемые методы могут применяться для решения электродинамических задач в слабопроводящих турбулентных средах.

На защиту выносятся следующие положения и научные результаты^

1. Модель электродинамических процессов в слабопроводящей турбулентной среде на основе стохастического подхода к переносу взаимодействующих субстанций.

2. Результаты численного моделирования ионизационного и электрического состояния конвективного атмосферного пограничного слоя, учитывающего мультидисперсность атмосферного аэрозоля, вертикальную неоднородность и нестационарность скорости ценообразования.

3. Аналитические и численные оценки конвективного электрического тока, ЭДС конвекции, связи электрической активности АПС с параметрами турбулентности и локализацией источника аэрозоля.

Апробация результатов работы

Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Международной конференции МСС-09 "Трансформация волн, когерентные структуры и турбулентность" (Москва, 2009), XIV Международной конференции по атмосферному электричеству (Рио-де-Жанейро, 2011), XV Международной конференции по атмосферному электричеству (Норман, Оклахома, 2014), VII Российской конференции по атмосферному электричеству (Санкт-Петербург, 2012), Всероссийской конференции "Глобальная электрическая цепь" (Борок, 2013), Междисциплинарном научном форуме "Неделя науки в Москве" (Москва, 2014), Всероссийских конференциях молодых ученых (САТЭП-2010, САТЭП-2013, Нижний Новгород; МАПАТЭ-2012, Звенигород; САТЭП-2011, САТЭП-2014, Борок), конференциях молодых ученых и аспирантов ИФЗ РАН (Москва, 2012, 2013, 2014), научных геофизических семинарах Геофизической обсерватории "Борок" (Борок, 2010, 2011,2012,2013).

Публикации

Основные результаты по теме диссертационного исследования опубликованы в 4 статьях в реферируемых российских и международных журналах, 12 статьях в сборниках трудов российских и международных конференций, отчетах по программе фундаментальных исследований ОНЗ РАН №7, отчетах по грантам РФФИ № 12-05-00820 и № 13-05-12060.

Личный вклад автора

Основные результаты диссертации получены лично автором. Постановка задач, обсуждение и интерпретация результатов осуществлялись совместно с научным руководителем д.ф.-м.н. C.B. Анисимовым. Автору принадлежат алгоритмическая разработка и реализация численных моделей, анализ, оценка и

сопоставление результатов вычислений. Автор принимал непосредственное участие в подготовке и проведении экспериментальных исследований в ежегодных полевых сезонных геофизических наблюдениях лаборатории Геофизического мониторинга под руководством д.ф.-м.н. C.B. Анисимова, в обработке и анализе данных наблюдений, их интерпретации.

Автор выражает глубокую признательность д. ф.-м. н. С. В. Анисимову за научное руководство работой и плодотворные консультации, профессору, д.ф.-м.н. В.П. Щербакову и к.ф.-м.н. Б.И. Клайну за полезные научные дискуссии при обсуждении результатов исследований, коллективу лаборатории Геофизического мониторинга за помощь при обработке результатов натурных наблюдений и оформлении диссертации.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 128 страниц, включая 29 рисунков и 1 таблицу. Список литературы включает 212 наименований.

ГЛАВА 1.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В АТМОСФЕРНОМ ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ

Предметом исследований электродинамики нижней атмосферы являются физические процессы, ответственные за формирование и динамику атмосферного электрического поля и электрических токов. Наибольшая изменчивость электродинамических величин наблюдается в атмосферном пограничном слое (АПС), через посредство которого осуществляется взаимодействие и обмен различными субстанциями между свободной атмосферой и земной поверхностью. Главной причиной высокой вариабельности электрического состояния АПС служит пространственная неоднородность и нестационарность удельной электрической проводимости и объемной плотности электрического заряда [1]. Вращение Земли, атмосферная циркуляция и облачность, физико-химические трансформации компонент атмосферного воздуха, сложный рельеф и неоднородность свойств земной поверхности определяют многообразие турбулентных режимов АПС и транспорта субстанционального содержимого, участвующего в электродинамических процессах. Степень влияния локальных и региональных аэрофизических параметров на формирование и вариабельность электрического состояния приземной атмосферы является одним из ключевых пунктов в проблеме токового баланса вблизи границы атмосфера-земля, а также представляет интерес в связи с возможностью диагностики среды и метеопрогноза по наземным электрическим наблюдениям.

В качестве примера на рис. 1.1 показана суточная вариабельность некоторых величин, характеризующих электрическое и термодинамическое состояние среды в районе Геофизической обсерватории "Борок" ИФЗ РАН [58°04' Ы; 38°14' Е].

и

°С

Рис. 1.1. Температура воздуха (7°), величина плотности вертикального электрического тока (/2), величина вертикальной компоненты напряженности электрического поля (Е2), концентрации положительных (п+) и отрицательных (п-) легких ионов по данным натурных наблюдений обсерватории "Борок" 29 июля 2012 г. [2].

1.1. ЭЛЕМЕНТЫ СТРУКТУРЫ И ДИНАМИКИ АТМОСФЕРНОГО

ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

Пограничный слой представляет собой нижнюю часть тропосферы и, тем самым, атмосферы в целом, непосредственно примыкая к земной поверхности. Располагаясь между свободной атмосферой и земной поверхностью, фактически лишь эта область подвержена влиянию последней, которое проявляется, прежде всего, в воздействии сил трения на характер атмосферных течений и выраженности суточного хода температуры, скорости ветра, ионизации и некоторых других величин. Динамический и тепловой режим АПС управляется вращением Земли, атмосферной циркуляцией и балансом энергетических потоков, связанных с радиационными процессами, фазовыми превращениями воды. АПС осуществляет обмен между земной поверхностью и свободной атмосферой энергией, импульсом, аэрозольными частицами и другими субстанциями. При этом главным механизмом обмена служит турбулентный перенос. Распределение давления и линий тока барических систем оказывают региональное влияние на внутреннюю динамику и высоту АПС, условия турбулентного вовлечения на его верхней границе и величину вязких напряжений Рейнольдса у земной поверхности. Турбулентный режим АПС и характеристики обмена зависят также от рельефа и свойств подстилающей поверхности, таких как альбедо, теплоемкость, теплопроводность, влагосодержание, шероховатость. Вязкое трение у земной поверхности служит источником сдвиговой турбулентности, при этом сток импульса направлен к земле. Для теплоты, водяного пара, газовых составляющих и дисперсных примесей земная поверхность может выступать как в роли источника, так и стока [3-7].

Высотный профиль температуры, определяющий вертикальную стратификацию и устойчивость АПС, подвержен влиянию множества факторов, из которых доминирующим является энергетический баланс между земной поверхностью и слоями приземной атмосферы. Суточный цикл поглощаемого

земной поверхностью потока солнечного излучения, так называемый радиационный форсинг, модулирует интенсивность потоков явного и скрытого тепла, формирует динамику переноса, меняя условия обмена. Радиационный форсинг, по существу, является главной причиной, ответственной за температуру земной поверхности и вертикальные турбулентные потоки. Кроме того, влияние на тепловой баланс АПС и эволюцию конвективного режима оказывают поглощаемая присутствующими в пограничном слое аэрозольными частицами коротковолновая часть спектра солнечной радиации, а также вклад в альбедо, вносимый аэрозольной компонентой [8, 9]. Существует и обратное влияние: при различных погодных условиях пограничный слой эволюционирует по-разному, что приводит к изменению концентрации в нем аэрозольных частиц [10]. Исходя из условий стратификации по плотности, различают три основных типа атмосферного пограничного слоя [11—13]:

- устойчивый, формирующийся при охлаждении атмосферы снизу или при набегании теплых воздушных масс на нижележащие холодные воздушные массы;

- нейтральный, возникающий под влиянием сдвига ветра при незначительном или отсутствующем потоке тепла с земной поверхности;

- конвективный или неустойчивый АПС, развивающийся в результате доминирования притока тепла с земной поверхности в атмосферу.

Так как баланс турбулентной энергии, свойства перемешивания и высота АПС зависят от стратификации плотности, при наличии радиационного форсинга тип и вертикальная структура АПС имеют суточный ход [7, 11-13].

Конвективный пограничный слой развивается из ночного устойчивого вследствие нагрева земной поверхности излучением солнца. Передача энергии от нагретой земной поверхности в непосредственно прилегающий слой воздуха осуществляется через теплопроводность. При этом в приземном слое формируется супер-адиабатический градиент температуры, в результате чего возникает конвективная неустойчивость. Динамическое состояние АПС при

развитой конвекции характеризуется интенсивным турбулентным обменом, формированием когерентных структур, которые переносят тепло и субстанции эффективнее, чем мелкомасштабная турбулентность. При этом турбулентные потоки величин могут оказаться не зависящими от локальных градиентов. Горизонтальный перенос субстанций в АПС осуществляется преимущественно ветром, средняя скорость горизонтальной компоненты которого много больше средней вертикальной компоненты скорости. Крупно- и мезомасштабная атмосферная циркуляция, взаимодействуя с термической неустойчивостью, определяет ветровой режим в пограничном слое и формирует сложную структуру турбулентной конвекции [11, 14-16].

Используя параметры теории подобия, вертикальную структуру конвективного АПС можно схематически разделить на несколько следующих друг за другом слоев [16-18]. Прилегающий к земной поверхности слой, в котором проявляется влияние лишь сил трения, называется динамическим подслоем. Его толщина составляет от десятков сантиметров до первых метров и пропорциональна масштабу длины Монина-Обухова [16]:

Здесь и* — среднее значение квадратного корня из величины турбулентного потока импульса (в кинематических единицах), называемое скоростью трения:

к — постоянная Кармана, % — ускорение свободного падения, 0 — потенциальная температура, иVIV' — пульсации продольной, поперечной и вертикальной компонент скорости ветра, <0/> — пульсации виртуальной потенциальной температуры, — турбулентный кинематический поток

тепла (поток виртуальной потенциальной температуры) у земной поверхности, который может быть представлен в виде:

Ь =

(1.1)

(1.2)

(и/ в[ ) = (у* &) + 0.61{д'V).

(1.3)

Здесь турбулентные потоки потенциальной температуры <м?'в'> и удельной влажности (д' — пульсации массы водяного пара, отнесенной к массе

влажного воздуха) определяют турбулентные потоки явного <0#и скрытого тепла

Здесь ср — теплоемкость воздуха при постоянном давлении, Лс — удельная теплота конденсации, ра — плотность сухого воздуха. Динамический подслой всегда сохраняет приблизительно нейтральную стратификацию и не подвержен влиянию сил плавучести.

Выше располагается слой вынужденной конвекции, в котором генерация турбулентности происходит как за счет вязкого трения, так и за счет конвективной неустойчивости. Безразмерный параметр д—21Ь (г—вертикальная координата) для слоя вынужденной конвекции принимает значения из интервала -1< д<0.

Следующий слой (д < —1), называемый слоем свободной конвекции, не подвержен влиянию поверхностного трения. Вследствие интенсивного турбулентного перемешивания средняя скорость ветра практически не изменяется с высотой, и динамическая скорость трения не входит в число определяющих параметров. Дирдорфф предложил использовать в качестве параметра, характеризующего область свободной конвекции, масштаб вертикальной скорости [19]:

Здесь г, высота, на которой вертикальный турбулентный поток тепла направлен сверху вниз и максимален по величине.

Выше области конвекции находится или приблизительно нейтральный, так называемый, остаточный слой (на раннем этапе развития конвекции), или

Яе:

(1.4)

(1.5)

устойчиво стратифицированная свободная атмосфера, имеющая постоянное значение частоты Вяйселя-Брента [14, 20—22]:

В результате взаимодействия течения свободной атмосферы с проникающими в него элементами конвекции, нижняя часть свободной атмосферы турбулизируется. Область проникновения конвекции в вышележащую область устойчиво стратифицированной атмосферы, называемая областью турбулентного вовлечения, имеет сильно изрезанную в пространстве и быстро меняющуюся во времени границу [23-25]. За счет вовлечения вышележащих масс воздуха увеличивается толщина конвективного АПС. Так как при этом происходит захват нисходящими движениями более теплого и сухого воздуха, турбулентный поток тепла, связанный с вовлечением, направлен внутрь конвективного АПС, а его максимальное значение находится внутри области турбулентного вовлечения [22, 26-30]. Проникновение конвекции в

устойчиво стратифицированную область сопровождается генерацией

»

внутренних гравитационных волн, распространяющихся вдоль поверхности раздела конвективной и устойчивой областей, а также уносящих энергию в вышележащую свободную атмосферу [31-33].

На рис. 1.2 показано схематическое представление вертикальных профилей потенциальной виртуальной температуры 0 и турбулентного потока тепла Н - <м>'0\> в конвективном АПС. Высоту слоя конвективного перемешивания принято определять из условия вертикальной координаты обращения в ноль среднего по горизонтали турбулентного потока тепла. Другими словами, это высота, на которой равны средние вертикальные турбулентные потоки тепла снизу — от нагретой земной поверхности и сверху — из области температурной инверсии. Высота пограничного слоя гг (вместе с толщиной области турбулентного вовлечения) является высотой, начиная с которой градиент потенциальной температуры имеет постоянную величину, а

(1.6)

турбулентный поток тепла равен нулю (рис. 1.2). Вообще говоря, в литературе можно встретить различные способы как смыслового, так и количественного определения параметра г,-, входящего в (1.5). Обычно значение 2/ принимают равным высоте среднего уровня максимального градиента потенциальной температуры, который находится примерно в середине области вовлечения, расположенной между г\ и .

Рис. 1.2. Схематическое представление вертикальных профилей потенциальной виртуальной температуры в и турбулентного потока тепла Н в конвективном АПС [36].

Дисперсия турбулентных флуктуаций температуры также достигает своего максимального значения вблизи z,[27, 28, 30, 34-36]. Кроме методологических трудностей, связанных с технической сложностью определения z( из наблюдений, существует физически обусловленная размытость определения z,-, являющаяся следствием турбулентной природы процессов, определяющих пространственно-временную динамику конвективного АПС и его взаимодействие со свободной атмосферой [15, 37-39]. Как показано в [40], величина градиента потенциальной температуры в свободной атмосфере

г-т- (L7>

dz

оказывает вблизи верхней границы конвективного АПС сильное влияние на статистические моменты турбулентных флуктуаций, содержащие температуру. При этом статистические моменты флуктуаций вертикальной скорости от Г практически не зависят.

Влияние вертикального сдвига скорости ветра на динамику области вовлечения и АПС в целом проявляется более сложным образом. В результате наблюдений конвективного АПС с сильным ветром была обнаружена самоорганизация конвективной турбулентности, реализующаяся в виде набора вихрей с осями вращения, ориентированными вдоль среднего ветра [41, 42]. Причины перестройки течения под влиянием сдвига скорости исследовались многими авторами [43^18]. Из этих работ можно заключить, что самоорганизация возникает в результате нелинейного взаимодействия движений разных масштабов, обратного энергетического каскада, генерируемого трансформацией потенциальной энергии и каскада спиральности. Многомасштабное взаимодействие динамической неустойчивости Кельвина-Гельмгольца с конвективной неустойчивостью Рэлея-Тэйлора порождает когерентные диссипативные структуры, обеспечивающие нелокальный транспорт энергии, импульса и субстанций [49, 50]. Вклад структурированной циркуляции в турбулентный транспорт оказывается в несколько раз больше

вклада фоновой турбулентности [51]. Нелокальность конвективного транспорта не может быть адекватно учтена в моделях, в которых турбулентные потоки определяются через градиенты усредненных величин [53]. Для корректного описания дисперсии в конвективном АПС кроме учета пространственной неоднородности коэффициентов турбулентного обмена требуется, по меньшей мере, параметризация контрградиентного переноса [52—56]. Крупномасштабные конвективные структуры, взаимодействуя с приповерхностной турбулентностью, играют важную роль в тепломассопереносе [57].

Результаты вихреразрешающего моделирования (обзор современных методов моделирования турбулентных течений приведен в параграфе 2.1 диссертации) сдвигового конвективного течения показывают, что управляющим параметром, определяющим структуру крупномасштабной конвективной циркуляции, служит отношение и*!\у*. Интервал значений 0.35 < и*< 0.4 отделяет режим свободной конвекции с преимущественной циркуляцией в виде трехмерных ячеек от режима сдвиговой конвекции с крупномасштабной циркуляцией в виде горизонтальных вихрей. При этом увеличение сдвига скорости ветра влечет уменьшение поперечных размеров вихрей [58, 59]. Подходящим масштабным фактором для статистических моментов скорости внутри сдвигово-конвективного АПС выступает:

и?т=\\£+см1, (1.8)

где с* — константа, значение которой, определенное в [59], равно 5. В [13] предложен другой способ определения масштаба скорости, основанный на интегральном выражении для кинетической энергии турбулентности:

ии}, (1.9)

где и — средняя по высоте АПС скорость горизонтального ветра.

Наличие геострофического ветра, приводящее к вертикальному сдвигу скорости среднего течения вблизи границ конвективного АПС, увеличивает генерацию турбулентности и скорость вовлечения, тем самым обеспечивая повышенный приток теплого сухого воздуха внутрь АПС. При увеличении

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Галиченко, Сергей Вадимович, 2014 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Anisimov S.V., Galichenko S.V., Shikhova N.M. Space charge and aeroelectric flows in the exchange layer: An experimental and numerical study //Atm. Res. 2014. V.135-136. P. 244-254.

http://dx.doi.org/! 0.1016/i .atmosres.2013.01.012.

2. Anisimov S., Aphinogenov K., Galichenko S. Dynamics of the atmospheric surface layer electricity // XV International Conference on Atmospheric Electricity. Norman, Oklahoma, USA, 15-20 June, 2014. http://www.nssl.noaa.gov/users/mansell/icae2014/preprints/Anisimov_16.pdf

3. Arya S.P. Atmospheric boundary layer and its parametrization // Wind Climate in Cities. Cermak J.E. et al. Eds. Kluwer, Dordrecht. 1995. P. 41-66.

4. Arya S.P. Introduction to micrometeorology. — Academic Press. 1988. 307 pp.

5. Emeis S. Surface-Based Remote Sensing of the Atmospheric Boundary Layer. -Springer. 2001. 174pp.

6. Serafín S. Boundary Layer Processes and Thermally Driven Flows over Complex Terrain. - Univeritá degli Studi di Trento. 2006. 194 pp.

7. Stull R.B. An introduction to Boundary Layer Meteorology. - Kluwer, Dordrecht. 1988. 670 pp.

8. Angevine W.A., Grimsdell A.W., McKeen S.A. Entrainment results from the Flatland boundary layer experiment // J. Geoph. Res. 1998. V. 103. № D12. P.13689—13701.

9. Dan S., Min-Zheng D., Da-Ren L., Pu-Cai W., Yong W., Xiao-Ling Z. Impact of different aerosols on the evolution of the atmospheric boundary layer // Atmos. Ocean. Sci. Lett. 2012. V. 5. № 2. P. 82-87.

10. Quan J., Gao Y., Zhang Q., Xuexi T., Junji C., Han S.,Meng J., Chen P., Zhao D. Evolution of planetary boundary layer under different weather conditions, and its impact on aerosol concentrations // Particuology. 2012. V. 11. P. 34—40.

11. Wyngaard J. С. Turbulence in the atmosphere. - Cambridge University Press, New York. 2010. 393 pp.

12. Garratt J.R. The Atmospheric Boundary Layer. — Cambridge University Press. Camridge, UK. 1992. 316 pp.

13. Зилитинкевич C.C., Тюряков С.А., Троицкая Ю.И., Мареев Е.А. Теоретические модели высоты пограничного слоя атмосферы и турбулентного вовлечения на его верхней границе // Физика атмосферы и океана. 2012. Т.48. № 1. С. 150-160.

14. Огура Й. Моделирование конвекции. - В: "Динамика погоды" (под ред. Манабе С.). JL: Гидрометеоиздат, 1998. - 420 с.

15. van der Kamp D., McKendiy I. Diurnal and seasonal trends in convective mixed-layer heights estimated from two years of continuous ceilometers observations in Vancouver, ВС // Bound.-L. Meteorol. 2010. 137. P. 459^75.

16. Foken T. Micrometeorology. - Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2008. 306 pp.

17. Данилов С.Д., Копров Б.М., Сазонов И.А. Некоторые подходы к моделированию атмосферного пограничного слоя (обзор) // Физика атмосферы и океана. 1995. Т. 31. № 2. С. 187-204.

18. Lenschow D.H., Stephens P.L. The role of thermals in the convective boundary layer //Bound.-Layer Meteorol. 1980. 19. P. 509-532.

19. Deardorff J.W. Convective velocity and temperature scales for the unstable planetary boundary layer and for Rayleigh convection // J. Atmos. Sci. 1970. V. 27. №8. P. 1211-1213.

20. Deardorff J.W. Observed characteristics of the outer layer. — In: "Short Course on the Planeteary Boundary Layer" (A.K. Blakadar ed.). Amer. Meteorl. Soc. Boston, Massachusetts. 1978. 101 pp.

21. Saha K. The Earth's Atmosphere. - Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2008. 367 pp.

22. Wallas J. M., Hobbs P.V. Atmospheric Science. - Elsevier Inc. 2006.483 pp.

23. Sullivan P.R., Moeng C.H., Stevens B., Lenschow D.H., Mayor S.D. Structure of the entrainment zone capping the convective atmospheric boundary layer // J. Atmos. Sci. 1998. V. 55. P. 3042-3064.

24. Otte M.J., Wingaard J.C. Stably stratified interfacial-layer turbulence from large-eddy simulation // J. Atmos. Sci. V. 58. P. 3424-3442.

25. Brooks I.M. Fowler A.M. A new measure of entrainment zone structure // Geoph. Res. Lett. 2007. V. 34. L16808. doi:10.1029/2007GL030958.

26. Deardorff J.W., Peterson E.W. The boundary layer growth equation with Reynolds averaging // J. Atmos. Sci. 1980. V. 37. P. 1405-1409.

27. Boers R., Eloranta E.W., Coulter R.L. Lidar observation of mixed layer dynamics: tests of parameterized entrainment models of mixed layer growth rate // J. Clim. App. Meteorol. 1984. V. 23. P. 247-266.

28. Fedorovich E.E., Mironov D.V. A model for a shear-free convective boundary layer with parameterized capping inversion structure // J. Atmos. Sci. 1995. V. 52. № l.P. 83-95.

29. vanZanten M.C., Duynkerke P.G., Cuijpers W.M. Entrainment parameterization in convective boundary layers // J. Atmos. Sci. 1999. V. 56. № 6. P. 813-828.

30. Fedorovich E.E., Conzemius R., Mironov D.V. Convective entrainment into shear-free, linearly stratified atmosphere: bulk models reevaluated through large eddy simulations // J. Atmos. Sci. 2004. V. 61. P. 281-295.

31. Stull R. B. Internal gravity waves generated by penetrative convection // J. Atmos. Sci. 1976. V. 33. P. 1279-1286.

32. Clark, T.L., Hauf T.F., Kuettner J.P. Convectively forced internal gravity waves: results from two-dimensional numerical experiments // Quart. J. Roy. Meteor, Soc. 112. P. 899-926.

33. Lane T.P. The vertical response to penetrative convection and the associated gravity-wave generation // Atmos. Sci. Lett. 2008. 9. P. 103-110.

34. Angevine W. M., White A. B., Avery S. K. Boundary-layer depth and entrainment zone characterization with a boundary-layer profiler // Bound.-LayerMet. 1994. 68. P. 375-385.

35. Sorbjan Z. A numerical study of daily transitions in the convective boundary layer // Bound.-Layer Met. 2007. 123. P. 365-383.

36. Chemel C., Staquet C., Chollet J.-P. Estimating the diffusive heat flux across a stable interface forced by convective motions // Nonlin. Proc. Geoph. 2010. 17. P. 187-200.

37. Tombrou M., Dandou A., Helmis C., Akylas E., Angelopoulos G., Flocas H., Assimakopoulos V., Soulakellis N. Model evaluation of the atmospheric boundary layer and mixed-layer evolution // Bound.-Layer Met. 2007. 124. P. 61-79.

38. Emeis S., Schäfer K., Münkel C. Surface-based remote sensing of mixing-layer height - a review // Meteorologische Zeitschrift. 2008. V. 17. № 5. P. 621-630.

39. Seidel D.J., Ao C.O., Li K. Estimating climatological planetary boundary layer heights from radiosonde observations: comparison of methods and uncertainty analysis//J. Geoph. Res. 2010. V. 115. D16113. doi: 10.1029/2009JD013680.

40. Sorbjan Z. Effects caused by varying the strength of the capping inversion based on a large eddy simulation model of the shear-free convective boundary layer // J. Atmos. Sei. 1996. V.53. № 14. P. 2015-2024.

41. leMone M.A. The structure and dynamics of horizontal roll vortices in the planetary boundary layer // J. Atmos. Sei. 1973. V. 30. P. 1077-1091.

42. Etling D. Roll vortices in the planetary boundary layer: a review // Boundary-Layer Meteorol. 1993. 65. P. 215-248.

43. Brown R.A. Longitudinal instabilities and secondary flows in the PBL: a review //Rev. Geophys. Space Phys. 1980. 18. P. 683-697.

44. Bakas N.A., Ionnou P.J., Kefaliakos G.E. The emergence of coherent structures in stratified shear flow // J. Atmos. Sei. 1989. V. 58. P. 2790-2806.

45. Elperin T., Kleeorin N., Rogachevskii I., Zilitinkevich S.S. Tangling turbulence and semi-organized structures in convective boundary layers // Boundary-Layer Meteorol. 2006. 119. P. 449-472.

46. McNaughton K.G. Turbulence structure of the unstable atmospheric surface layer and transition to the outer layer // Boundary-Layer Meteorol. 2004. 112. P. 199-221.

47. Katul G., Poggi D., Cava D., Finnigan J. The relative importance of ejection and sweeps to momentum transfer in the atmospheric boundary layer // Boundary-Layer Meteorol. 2006. 120. P. 367-375.

48. Farrell B.F., Ioannou P.J. Dynamics of streamwise rolls and streaks in turbulent wal- bounded shear flow // J. Fluid Mech. 2012. V. 708. P. 149-196.

49. Lothon M., Couvreux F., Donier S., Guichard F., Lacarrere P., Lenschow D.H., Noilhan J., Sa'id F. Impact of coherent eddies on airborn measurements of vertical turbulent fluxes // Bound.-Layer Met. 2007. 124. P. 425-447.

50. Weckwerth T.M. Thermodynamic variability within the convective boundary layer due to horizontal convective rolls // Monthly Weather Review. 1996. V. 124. P. 769-783.

51. Hellsten A., Zilitinkevich S. Role of convective structures and background in the dry convective boundary layer// Bound.-Layer Met. 2013. 149. P. 323-353.

52. Holtslag A.A.M. Moeng C.-H. Eddy diffusitivity and countergradient transport in the convective atmospheric boundary layer // J. Atmos. Sci. 1991. V. 48. № 14. P. 1690-1698.

53. Zilitinkevich S., Gryanik V.M., Lykossov V.N., Mironov D.V. Third-order transport and nonlocal turbulence closures for convective boundary layers // J. Atmos. Sci. 1999. V. 56. P. 3463-3477.

54. vanDop H., Verver G. Countergradient transport revisited // J. Atmos. Sci. 2001. V. 58. P. 2240-2247.

55. De Roode S.R., Jonker H.J.J., Duynkerke P.G., Stevens B. Countergradient fluxes of conserved variables in the convective and stratocumulus-topped

boundary layer: the role of the entrainment flux // Boundary-Layer Meteorol. 2004. 112. P. 179-196.

56. Sorbjan Z. Improving non-local parameterization of the convective boundary layer // Boundary-Layer Meteorol. 2009. 130. P. 57-69.

57. Zilitinkevich S.S., Hunt J.C.R., Esau I.N., Grachev A.A., Lalas D.P., Akylas E., Tombrow M., Fairall C.W., Fernando H.J.S., Baklanov A.A., Joffre S.M. The influence of large convective eddies on the surface-layer turbulence // Q. J. R. Meteorol. Soc. 2006. 132. P. 1423-1456.

58. Sykes R.I., Henn D.S. Large-eddy simulation of turbulent sheared convection // J. Atmos. Sci. 1989. V.46. № 8. P. 1106-1118.

59. Moeng C.-H., Sullivan P.P. A comparison of shear- and buoyancy-driven planetary boundary layer flows // J. Atmos. Sci. 1994. V.51. № 7. P. 999-1022.

60. Pino D., Vilá-Guerau de Arellano J., Duynkerke P.G. The contribution of shear to the evolution of a convective boundary layer // J. Atmos. Sci. 2003. V.60. P. 1913-1926.

61. . Kim S.-W., Park S.-U. Entrainment processes in the convective boundary layer

with varying wind shear // Bound.-Layer Met. 2003. 108. P. 221-245.

62. Conzemius R.J., Fedorovich E. Dynamics of sheared convective boundary layer entrainment. Part I: methodological background and large-eddy simulations // J. Atmos. Sci. 2006. V.63. P. 1151-1178.

63. Conzemius R.J., Fedorovich E. Dynamics of sheared convective boundary layer entrainment. Part II: evaluation of bulk model predictions of entrainment flux // J. Atmos. Sci. 2006. V.63. P. 1179-1199.

64. Pino D., Vilá-Guerau de Arellano J. Effects of shear in the convective boundary layer: analysis of the turbulent kinetic energy budget // Acta Geophysica. 2008. V. 56. № 1. P. 167-193.

65. Смирнов B.B. Ионизация в тропосфере. -С.-Пб.: Гидрометеоиздат. 1992-312с.

66. Hoppel W.A., Anderson R.V., Willet J.C. Atmospheric electricity in the planetary boundary layer // The Earth's electrical environment. Krider, E.P. and Roble, R.G., Eds. - Washington: Natl. Acad. Press. 1986. P. 149-165.

67. Beer J., McCracken K., von Steiger R. Cosmogenic Radionuclides. — Springer. 2012. 426 pp.

68. Мухин K.H. Экспериментальная ядерная физика. (4.1. Физика атомного ядра) - M.: Энергоатомиздат.1993. - 376 с.

69. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. — М.: Наука, 1987. — 592 с.

70. Hirsikko A., Nieminen T., Gagné S., Lehtipalo К., Manninen Н.Е., Ehn M., Hôrrak U., Kerminen V.-M., Laakso L., McMurry P.H., Mirme A., Mirme S., Petâjâ T., Tammet H., Vakkari V., Vana M., Kulmala M. Atmospheric ions and nucleation: a review of observations // Atmos. Chem. Phys. 2011. V. 11. P. 767798.

71. Smirnov V.V. Study of aerosol emission at continental area of Russia // Nucleation and Atmospheric Aerosols. 2007. P. 777-781.

72. Smirnov V.Y., Makelâ J. Ultrafine nucleus in ionized air // Proc.l2th Int. Conf. Atm. Electricity. -Versailles-2003.

73. Vana M., Virkkula A., Hirsikko A., Aalto P., Kulmala M., Hillamo R. Air ion measurements during a cruise from Europe to Antarctica // Nucleation and Atmospheric Aerosols. 2007. P. 368-372.

74. Hôrrak U., Komsaare K., Tammet H. Intermediate Ions in the Atmosphere // Proc. 14th Int. Conf. Atm. Electricity. - Rio de Janeiro -2011.

75. Siingh D., Kamra A.K., Gautam A.S. A unique nucleation event for the formation of charged aerosol particles - a case study // Proc. 14th Int. Conf. Atm. Electricity. - Rio de Janeiro - 2011.

76. Gautam A.S., Gopalakrishan V., Siingh D. Study of nucleation events and rain induced events of the atmospheric air-ions measured by NAIS at Pune (India) // Proc. 14th Int. Conf. Atm. Electricity. - Rio de Janeiro - 2011.

77. Kamra A.K., Gautam A.S., Siingh D. Nucleation events for the formation of charged aerosol particles at a tropical stations // Proc.l4A Int. Conf. Atm. Electricity. - Rio de Janeiro — 2011.

78. Eisele F.L., Lovejoy E.R., Kosciuch E., Moore K.F., Mauldin III R.L., Smith J.N., McMurry P.H., Lida K. Negative atmospheric ions and their potential role in ion-induced nucleation// J. Geophys. Res. 2006. V. 111. D04305.

79. Laakso L., Antilla Т., Lehtinen K. E.J., Aalto P.P., Kulmala M., Horrak U., Paatero J., Hanke M., Arnold F. Kinetic nucleation and ions in boreal forest particle formation events//Atmos. Chem. Phys. 2014. V. 4. P. 2353-2366.

80. Hinds W.C. Aerosol technology: properties, behavior, and measurement of airborne partiles. -Wiley. New York. - 1999. 504 pp.

81. Zhou L., Tinsley B.A. Production of space charge at the boundaries of layer of clouds // J. Geophys. Res. 2007. V. 112. D11203.

82. Nagato K., Ogawa T. Atmospheric ion mobility spectra near the ground // Planet. Space Sci. 1988. V. 36. № 2. P 163-176.

83. Nagato K., Ogawa T. Evolution of tropospheric ions observed by an ion mobility spectrometer with a drift tube//J. Geophys. Res. 1998. V. 103. №D12. P 1391713925.

84. Wilkening M. H., Clements W.E. Radon-222 from the ocean surface // J. Geophys. Res. 1975. V. 80. P. 3828-3830.

85. Сапожников Ю.А., Алиев P.А., Калмыков C.H. Радиоактивность окружающей среды. — M.: Бином. Лаборатория знаний. 2006.-286 с.

86. Chamberlian А.С. Radioactive Aerosols. - Cambrige University Press. 1991. -255 pp.

87. Bazilevskaya G.A., Usoskin I.G., Fluckiger E.O., Harrison R.G., Desorgher L., Biitikofer R., Krainev M.B., Makhmutov V.S., Stozhkov Y.I., Svirzhevskaya A.K., Svirzhevskky N.S., Kovaltsov G.A. Cosmic Ray Induced Ion Production in the Atmosphere // Space Sci. Rev. 2008. V. 137. P. 149-173.

88. Williams A.G., Zahorowski W., Chambers S., Griffiths A., Hacker J.M., Element A., Werczynsky S. The vertical distribution of radon in clear and cloudy daytime terrestrial boundary layers // J. Atmos. Sci. 2011. V. 68. P. 155-174.

89. Vinuesa J.-F., Basu S., Galmarini S. The diurnal evolution of 222Rn and its progeny in the atmospheric boundary layer during the WANGARA experiment // Atmos. Chem. Phys. 2007. V.7. P. 5003-5019.

90. Hess G.D., Hicks B.B., Yamada T. The impact of the WANGARA experiment //Boundary-Layer Meteorol. 1981. V.20. P. 135-174.

91. Iordanov D. On the Stationary Vertical Distribution of a Weightless Radioactive Substance in the Surface Air Layer // Arch. Met. Geoph. Biokl. 1968. Ser. A. 17. P. 246-250

92. Гальпер A.M. Космические лучи. - M.: МИФИ. 2002. - 172 с.

93. Hensen A., van der Hage J. С. H. Parameterization of cosmic radiation at sea level //J. Geophys. Res. 1994. V. 90. D5. P. 10682-10695.

94. Анисимов C.B., Мареев E.A. Геофизические исследования глобальной электрической цепи // Физика Земли. 2008. № 10. С. 8-18.

95. Rycroft M.J., Harrison R.G., Nicoll К.A., Mareev E.A. An overview of Earth's global circuit and atmospheric conductivity // Space Sci. Rev. 2008. V. 137. P. 83-105.

96. Muhleisen R. The global circuit and its parameters // Electrical Processes in Atmospheres. Dolezalek, H. and Reiter, R., Eds. - Steinkopff, Darmstadt. 1977. P. 467—476.

97. Анисимов C.B., Шихова H.M. Вариабельность электрического поля невозмущенной атмосферы средних широт // Геофизические исследования. 2008. №3. С. 25-38.

98. Williams Е., Mareev Е. Recent progress on the global electrical circuit // Atm. Res. 2014. V. 135-136. P. 208-227.

99. Volland H. Atmospheric electrodynamics. — Springer Verlag Berlin Heidelberg. 1984. 204 pp.

100. Bennet A. Measurement of atmospheric electricity during different meteorological conditions // Ph. D. Thes. University of Reading. - 2007.258 pp.

101. Bradley W.E. Aircraft soundings of potential gradient, space charge and conduction current, and their relation to precipitation // J. Atmos. Sci. 1968. V. 25. P. 863-870.

102. Anderson В., Markson R., Fairall C.W., Willett J.C. Aircraft investigation of electric charge flux over land and sea // Proc. 8th Int. Conf. Atm. Electricity. — Uppsala-1988. P. 782-787.

103. Anderson В., Markson R., Fairall C.W., Willett J.C. Aircraft investigation of the turbulent transport of electric charge through the unstable planetary boundary layer // Final Technical Report submitted to the Air Force Office of Scientific Research. 1989. 321 pp.

104. Kraakevik I.H. Electrical conduction and convection currents in the troposphere // Recent advances in atmospheric electricity. Pergamon Press, London-New York. 1958.-P. 75.

105. Willett J.C. Fair weather electric charge transfer by convection in unstable planetary boundary layer//J. Geophys. Res. 1979. V. 84. № C2. P. 703-718.

106. Morozov V.N. The influence of convective current generator on the global current // Nonlin. Proc. Geophys. 2006. V. 13. P. 243-246.

107. Мареева O.B., Мареев E.A., Калинин A.B., Жидков А.А. О роли конвективного генератора в глобальной электрической цепи // Солнечно-земная физика. 2012. Вып. 21. С. 115-118.

108. Морозов В.Н. Математическое моделирование атмосферно- электрических процессов с учетом влияния аэрозольных частиц и радиоактивных веществ. - С.-П.: РГГМУ. 2011. - 253 с.

109. Куповых Г.В., Морозов В.Н., Шварц Я.М. Теория электродного эффекта в атмосфере. -Таганрог: ТРТУ. 1998. - 123 с.

110. Анисимов С.В., Дмитриев Э.М. Численное моделирование электричества приземной атмосферы // Геофизические исследования. 2008. Т. 9. №3. С. 7-15.

111. Дмитриев Э.М. Численное моделирование электродного эффекта по данным аэроэлектрических и метеорологических наблюдений // в сб. «Геофизика межгеосферных взаимодействий». М.: ГЕОС. 2008, С. 354— 361.

112. Marshall Т.С., Rust W.D., Stolzenburg М., Roeder W.P., Krehbiel P.R. A study of enhanced fair-weather electric fields occurring soon after sunrise // J. Geophys. Res. 1999. V. 104. P. 24455-24469.

113. Смирнов С.Э., Михайлова Г.А., Капустина O.B. К вопросу о природе эффекта восхода солнца в суточных вариациях электрического поля атмосферы на Камчатке. I. Временные вариации градиента потенциала электрического поля // Геомагнетизм и аэрономия. 2012. Т. 52. № 4. С. 535— 540.

114. Михайлова Г.А., Капустина О.В., Смирнов С.Э. К вопросу о природе эффекта восхода солнца в суточных вариациях электрического поля атмосферы на Камчатке. I. Частотные вариации электрического поля // Геомагнетизм и аэрономия. 2013. Т. 53. № 2. С. 247-255.

115. Анисимов С.В., Афиногенов К.В., Шихова Н.М. Динамика электричества невозмущенной атмосферы средних широт: от наблюдений к скейлингу // Радиофизика. 2013. Т. 56. № 11-12. С. 787-802.

116. Anisimov S.V., Mareev Е.А., ShikhovaN.M., Shatalina M.V., Galichenko S.V., and Zilitinkevich S.S. Aeroelectric structures and turbulence in the atmospheric boundary layer // Nonlin. Processes Geophys. 2013. V. 20. P. 819-824. www.nonlin-processes-geophys.net/20/819/2013/ doi: 10.5194/npg-20-819-2013.

117. Anisimov S.V., Bakastov S.S., Mareev E.A. Spatiotemporal structures of electric field and space charge in the surface atmospheric layer // J. Geophys. Res. 1994. V. 99. P. 10603-10610.

118. Anisimov S.V., Mareev E.A., Bakastov S.S. On the generation and evolution of aeroelectric structures in the surface layer// J. Geophys. Res. 1999. V. 104. № 12. P. 14359-14367.

119. Anisimov S.V., Mareev E.A., Shikhova N.M., Dmitriev E.M. Universal spectra of electric field pulsations in the atmosphere // Geophys. Res. Lett. 2002. V. 29. P. 2217-2220.

120. Ерохин H.C., Зольникова H.H., Михайловская JT.А. Структурные функции электрической турбулентности атмосферы при наличии когерентных структур // Международная конференция МСС-09 "Трансформация волн, когерентные структуры и турбулентность". Москва. 2009. Сборник трудов. - М: ЛЕНАНД. 2009. - 512 с.

121. Анисимов С.В., Галиченко С.В., Шихова Н.М. Формирование электрически активных слоев атмосферы с температурной инверсией // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48. № 4. С. 442-452.

122. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. - М.: Наука. 1965, 1967.-223 с.

123. Бэтчелор Д. К. Теория однородной турбулентности. — М.: ИЛ. 1955. - 197с.

124. Хинце И.О. Турбулентность. - М.: ГИФМЛ. 1963.-197 с.

125. Теодорович Э.В. Методы теории поля в статистической гидродинамике // в "Методы гидрофизических исследований. Волны и вихри" (Гапонов-Грехов А.В. Христианович С.А. ред.) Горький. ИПФ АН СССР. 1987. С. 163-183

126. Pope S.B. Turbulent Flows. -Cambrige University Press. 2000. - 802 p.

127. Foias C., Manley O., Rosa R., Temam R. Navier-Stokes Equations and Turbulence. -Cambrige University Press. 2001. - 363 p.

128. Fisher M.E. Renormalization group theory: its basis and formulation in statistical physics // Rev. Mod. Phys. 1998. V.70. № 2. P. 653-681.

129. Sreenivasan K.R. Fluid turbulence // Rev. Mod. Phys. 1999. V.71. № 2. P. 3 83394.

130. Белоцерковский O.M., Опарин A.M. Численный эксперимент в турбулентности: От порядка к хаосу. — М.: Наука. 2000. - 223 с.

131. Ладыженская О.А. Шестая проблема тысячелетия: уравнения Навье-Стокса, существование и гладкость // УМН. 2003. Т. 58. Вып. 2(350). С. 4578.

132. Фрик П.Г. Турбулентность: подходы и модели. — Москва-Ижевск: ИКИ. 2003.-292 с.

133. Mellor G.L., Yamada Т. A hierarchy of turbulence closure models for planetary boundary layer// J. Atmos. Sci. 1974. V. 31. P. 1971-1806.

134. Zeman O., Lumley J.L. Modeling Buoyancy Driven Mixed Layers // J. Atmos. Sci. 1974. V. 33. P. 1974-1988.

135. Moeng C.-H., Wingaard J.C. An analysis of closures for pressure-scalar covariances in the convective boundary layer // J. Atmos. Sci. 1986. V. 43. P. 2499-2513.

136. Cheng Y., Canuto V.M., Howard A.M. An Improved Model for the Turbulent PBL // J. Atmos. Sci. 2001. V. 59. P. 1550-1565.

137. Sandham N.D. Introduction to Direct Numerical Simulation // in "Closure Strategies for Turbulent and Transitional Flows" Launder B.E., Sandham N.D. eds. Cambrige University Press. 2002. P. 267-298.

138. Sagaut P., Deck S., Terracol M. Multiscale and Multiresolution Approaches in Turbulence. - Imperial College Press. 2006. — 340 p.

139. Frohlich J., Rodi W. Introduction to Large Eddy Simulation of Turbulent Flows // in "Closure Strategies for Turbulent and Transitional Flows" Launder B.E., Sandham N.D. eds. Cambrige University Press. 2002. P. 248-266.

140. Lesieur M., Metais О., Comte P. Large-Eddy Simulations of Turbulence. — Cambrige University Press. 2005. — 219 p.

141. Moeng C.-H. A Large-Eddy-Simulation Model for the Study of Planetary Boundary-Layer Turbulence // J. Atmos. Sci. 1984. V. 41. № 13. P. 2052-2062.

142. Mason P.J. Large-Eddy Simulation of the Convective Atmospheric Boundary Layer// J. Atmos. Sci. 1988. V. 46. № 11. P. 1492-1516.

143. De Roode S. R., Duynkerke P.G. Large-Eddy Simulation: How Large is Large Enough? //J. Atmos. Sci. 2003. V. 61. P. 403-421.

144. Глазунов A.B., Дымников В.П. Пространственные спектры и характерные горизонтальные масштабы флуктуаций температуры и скорости в конвективном пограничном слое атмосферы // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2013. Т. 49. № 1. С. 37-61.

145. Thomson D.J. Criteria for the selection of stochastic models of particle trajectories in turbulent flows // J. Fluid Mech. 1987. V. 180. P. 529-556.

146. Кляцкин В.И. Стохастические уравнения глазами физика (Основные положения, точные результаты и асимптотические приближения). - М.: ФИЗМАТЛИТ. - 2001. - 528 с.

147. Laval J.-P., Dubrulle В., МсWilliams J.C. Langevin models of turbulence: Renormalization group, distant interaction algorithms or rapid distortion theory //Physics of Fluids. 2003. V.15. № 5. P. 1327-1339.

148. Lin J.C. Lagrangian Modeling of the Atmosphere: An Introduction // in "Lagrangian Modeling of the Atmosphere" Lin J., Brunner D., Gerbig C., Stohl A., Luhar A.,Webley P., eds. AGU. Geopress. 2012. P. 1-11.

149. Heinz S. Statistical Mechanics of Turbulent Flows. - Springer. 2003. - 215 p.

150. Wilson J.D., Sawford B.L. Review of Lagrangian stochastic models for trajectories in the turbulent atmosphere // Boundary Layer Meteorol. 1996. V. 78. P. 191-210.

151. Sawford B. Turbulent Relative Dispersion // Annu. Rev. Fluid. Mech. 2001. V. 33. P. 289-317.

152. Weil J., Sullivan P.P., Moeng C.-H. The Use of Large_Eddy Simulations in Lagrangian Particle Dispersion Models // J. Atmos. Sci. 2004. V.61. P. 28772887.

153. Flohr P., Vassilicos J.C. A scalar subgrid model with flow structure for large-eddy simulations of scalar variances // J. Fluid Mech. 2000. V. 407. P. 315-349.

154. Aguirre C., Brizuela A.B., Vinkovic I., Simoens S. A subgrid Lagrangian stochastic model for turbulent passive and reactive scalar dispersion // Intern. J. Heat and Fluid Flow. 2006. V. 27. P. 627-635.

155. Grigoriadis D.G.E., Kassinos S.C. Lagrangian particle dispersion in turbulent flow over a wall mounted obstacle // Intern. J. Heat and Fluid Flow. 2009. V. 30. P. 462-470.

156. Steinfeld G., Raasch S., Markkanen T. Footprints in Homogeneously and Heterogeneously Driven Boundary Layers Derived from a Lagrangian Stochastic Particle Model Embedded into Large-Eddy Simulation // Boundary-Layer Meteorol. 2008. V. 129. P. 225-248.

157. Cai X., Chen J., Desjardins R.L. Flux Footprints in the Convective Boundary Layer: Large-Eddy Simulation and Lagrangian Stochastic Modelling // Boundary-Layer Meteorol. 2010. V. 137. P. 31-47.

158. Markson R. Airborne Atmospheric Electrical Measurements of the Variation of Ionospheric Potential and Electrical Structure in the Exchange Layer Over the Ocean // Electrical Processes in Atmospheres. Dolezalek, H. and Reiter, R., Eds. - Steinkopff, Darmstadt. 1977. P. 450-459.

159. Willet J.C. The turbulent electrode effect as influenced by interfacial ion transfer //J. Geophys. Res. 1983. V. 88. P. 8453-8469.

160. Du S. Universality of the Lagrangian velocity structure function constant (Co) across different kind of turbulence // Boundary-Layer Meteorol. 1997. V. 83. P. 207-219.

161. Anfossi D., Degrazia G.A., Ferrero E., Gryning S.E., Morselli S.E., Trini Castelli S. Estimation of the Lagrangian Structure Function Constant Co from Surface Layer Wind Data // Boundary-Layer Meteorol. 2000. V. 95. P. 249-270.

162. Heinz S. On the Kolmogorov constant in the stochastic turbulence models // Phys. Fluids. 2002. V. 14. P. 4095-4098.

163. Bserentsen J.H., Berkowicz R. Monte Carlo simulation of plume dispersion in the convective boundary layer // Atmos. Environ. 1984. V. 18. P. 701-712.

164. Luhar A.K., Britter R.E. A random walk model for dispersion in inhomogeneous turbulence in a convective boundary layer // Atmos. Environ. 1989. V. 23 (9). P. 1911-1924.

165. Du S., Wilson J.D., Yee E. Probability density functions for velocity in the convective boundary layer, and implied trajectory models // Atmos. Environ. 1994. V. 28. P. 1211-1217.

166. Rodean H. Stochastic Lagrangian models of turbulent diffusion. — American Meteorological Society. Boston. - 1996. 84 p.

167. Franzese P., Luhar A.K., Borgas M.S. An efficient Lagrangian stochastic model of vertical dispersion in the convective boundary layer// Atmos. Envir. 1999. V. 33. P. 2337-2345.

168. Wilson J.D., Flesch T.K. Flow boundaries in random-flight dispersion models: Enforcing the well-mixed condition // J. App. Meteor. 1993. V. 32. P. 16951707.

169. Legg B.J., Raupach M.R. Markov chain simulation of particle dispersion in inhomogeneous flows: The main drift velocity induced by a gradient in Eulerian velocity variance // Boundary Layer Meteorology. 1982. V. 24. P. 3-13.

170. Cassiani M., Franzese P., Giostra U. A PDF micromixing model of dispersion for atmospheric flow. Part II: application to convective boundary layer // Atmos. Environ. 2005. V. 39. P. 1471-1479.

171. Sun J., Xu Q. Parameterization of Sheared Convective Entrainment in the FirstOrder Jump Model: Evaluation Through Large-Eddy Simulation // Boundary-Layer Meteorol. 2009. V. 132. P. 279-288.

172. Rotach M.W., Gryning S.E., Tassone C. A two dimensional stochastic Lagrangian dispersion model for daytime conditions // Quart. J. Royal Meteorol. Soc. 1996. V. 122. P. 367-389.

173. Schwere S., Stohl A., Rotach M.W. Practical considerations to speed up Lagrangian stochastic particle models // Computers & Geosciences. 2002. V. 28. P. 143-154

174. Gryning S.-E. The height of the atmospheric boundary layer during unstable conditions.-Riso National Laboratory. 2005. Roskilde. Denmark. 64 pp.

175. Pino D., Vila-Guerau de Arellano J., Kim S.-W. Representing Sheared Convective Boundary Layer by Zeroth- and First-Order-Jump Mixed-Layer Models: Large-Eddy Simulation Verification // J. App. Met. Clim. 2006. V. 45. P.1224-1243.

176. Svensson G., Holtslag A.A.M., Kumar V., Mauritsen T., Steeneveld G. J., Angevine W.M., Bazile E., Beljaars A., de Bruijn E.I.F., Cheng A., Conangla L., Cuxart J., Ek M., Falk M.J., Freedman F., Kitagawa H., Larson V.E., Lock A., Mailhot J., Masson V., Park. S, Pleim J., Soderberg S., Weng W., Zampieri M. Evaluation of the Diurnal Cycle in the Atmospheric Boundary Layer Over Land as Represented by a Variety of Single-Column Models: The Second GABLS Experiment// Boundary-Layer Meteorol. 2011. V. 140. P. 177-206.

177. Gentine P., Betts A.K., Lintner B.R., Findell K.L., van Heerwaarden C.C., Tzella A., D'Andrea F. A Probabilistic Bulk Model of Coupled Mixed Layer and Convection. Part I: Clear-Sky Case // J. Atmos. Sci. 2013. V. 70. P. 1542-1556.

178. Brooks I.M. Fowler A.M. An evaluation of boundary-layer depth, inversion and entrainment parameters by large-eddy simulation // Boundary-Layer Meteorol. 2012. V. 142. P. 245-263. doi 10.1007/s 10546-011-9668-3.

179. Angevine W.M., Baltink H.K., Bosveld F.C. Observation of the morning transition of the convective boundary layer // Boundary-Layer Meteorol. 2001. V. 101. P. 209-227.

180. Beare R.J. Simulation of the morning transition boundary layer // 18th Simposium on Boundary Layers and Turbulence. 2008. 11B.4. Extended Abstract.

181. Conzemius R., Fedorovich E. Bulk Models of the Sheared Convective Boundary Layer: Evaluation through Large Eddy Simulations // J. Atmos. Sci. 2006. V. 64. P. 786-807.

182. Deardorff J.W. Three-dimensional numerical study of the height and mean structure of a heated planetary boundary layer // Boundary-Layer Meteorol. 1974. V. 7. P. 81-106.

183. Batchvarova E., Gryning S.-E. Applied model for the growth of the daytime mixed layer// Boundary-Layer Meteorol. 1990. V. 56. P. 261-274.

184. Kim S.-W., Park S.-U., Pino D., Vila-Guerau de Arellano J. Parameterization of entrainment in a sheared convective boundary layer using a first-order jump model // Boundary-Layer Meteorol. 2006. V. 120. P. 455^75.

185. Beyrich F. Mixing-height estimation in the convective boundary layer using sodar data//Boundary-Layer Meteorol. 1995. V. 74. P. 1-18.

186. Melas D. Similarity Methods to Derive Turbulence Quantities and Mixed-Layer Depth from SODAR Measurements in the Convective Boundary Layer: A Review // Appl. Phys. B. 1993. V. 57. P. 11-17.

187. Зукау B.B., Яковлева B.C., Каратаев В.Д., Нагорский П.М. Ионизация приземной атмосферы излучением почвенных радионуклидов // Известия Томского политехнического университета. 2010. Т. 317. № 2. С. 171-175.

188. Смеркалов В.А. Аппроксимация среднего распределения аэрозольных частиц по размерам // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1984. Т.20. №4. С. 341-348.

189. Hoppel W.A., Frick G.M. Aerosol charge distributions produced by radioactive ionizers // NRL Report 9108. Atmos. Phys. Branch Space Science Division. 1988.35 p.

190. Hoppel W.A., Frick G.M. Ion-aerosol coefficients and the steady-state charge distribution on aerosols in a bipolar ion environment // Aerosol Sci. Tech. 1986. V. 5. P. 1-21.

191. Hoppel W.A. Ion-aerosol attachment, ion depletion and charge distribution on aerosols //J. Geoph. Res. 1985. V.90. № D4. P. 5917-5923.

192. Ивлев JI.C., Довгалюк Ю.А. Физика атмосферных аэрозольных систем. — СПб.: НИИХ СПбГУ. 1999.-258 с.

193. Алоян А.Е. Моделирование динамики и кинетики газовых примесей и аэрозолей в атмосфере. -М.: Наука. 2008. — 416 с.

194. Гледзер Е.Б., Гранберг И.Г., Чхетиани О.Г. Динамика воздуха вблизи поверхности почвы и конвективный вынос аэрозоля // Физика атмосферы и океана. 2010. Т. 46. № 1. С. 35^7.

195. Gish О.Н. Evaluation and interpolation of the columnar resistance of the, atmosphere // J. Geophys. Res. 1944. 49. P. 159-168.

196. Анисимов C.B., Шихова H.M., Мареев E.A, Шаталина M.B. Структуры и спектры турбулентных пульсаций аэроэлектрического поля // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2003. Т. 39. №6. С. 765-780.

197. Анисимов, С.В., Шихова Н.М. Перенос электричества в атмосферном слое обмена // Геофизические исследования. 2010. Т. 11. № 1. С. 55-62.

198. Rodean Н.С. Stochastic Lagrangian Models of Turbulent Diffusion. — The American Meteorological Society. 2006. — 82 pp.

199. Kurbanmuradov O., Sabelfeld K. Lagrangian stochastic models for turbulent dispersion in the atmospheric boundary layer // Boundary-Layer Meteorol. 2000. V.97. P. 191-218.

200. Kljun N., Rotach M.W., Schmid H.P. A Three-dimensional backward Lagrangian footprint model for a wide range of boundary-layer stratifications // Boundary-Layer Meteorol. 2002. V. 103. P. 205-226.

201. Degrazia G.A., Anfossi D., Carvalho J.C., Mangia C., Tirabassi Т., Campos Velho H.F. Turbulence parameterization for PBL dispersion models in all stability conditions //Atmos. Envir. 2000. V.34. P. 3575-3583.

202. Анисимов C.B., Мареев E.A., H.M. Шихова. Механизмы связи аэроэлектрического и температурного полей нижней атмосферы // Радиофизика. 2006. Т.49. №1. С. 35-52.

203. Анисимов С.В., Галиченко С.В., Шихова Н.М., Афиногенов К.В. Электричество конвективного атмосферного пограничного слоя: натурные наблюдения и численное моделирование // Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2014. Т. 50. № 4. С. 1-9. DOI: 10.7868/S0002351514040026.

204. Rycroft M.J., Israelsson S., Price С. The global atmospheric electric circuit, solar activity and climate change // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2000. V. 62. P. 1563— 1576.

205. Дымников В.П., Лыкосов В.Н., Володин Е.М. Моделирование климата и его изменений // Вестник РАН. 2012. Т. 82. № 3. С. 227-236.

206. Анисимов С.В., Шихова Н.М. Исследование электрической составляющей климата среднеширотного региона // Российский журнал наук о Земле. 2009. Т. 11. doi: 10.2205/2009ES000363 (URL: http://elpub.wdcb.ru/iournals/ries/vll/2009ES000363/2009ES000363.pdf)

207. Anisimov S.V., Shikhova N.M. Intermittency of turbulent aeroelectric field // Atmospheric Research. 2014. V. 135-136. P. 255-262. http://dx.d0i.0rg/l 0.1016/j.atmosres.2012.12.018

208. Anisimov S., Shikhova N. Dynamical scaling of aeroelectrical field and current at middle latitudes // XV International Conference on Atmospheric Electricity.

(128

Norman, Oklahoma, USA, ' 15-2& June, 2014. http://www.nssl.noaa.gov/users/mansell/icae2014/preprints/Anisimov_l 5 .pdf

209. Кляцкин В.И. Диффузия и кластеризация пассивной примеси в случайных гидродинамических потоках. -М.: Физматлит. 2005.-151 с.

210. Zaslavsky G. M. Lagrangian turbulence and anomalous transport // Fluid Dynamics Research. 1991. V. 8. P. 127-133.

211. Зеленый JI.M., Милованов A.B. Фрактальная топология и странная кинетика: от теории перколяции к проблемам космической электродинамики //УФН. 2004. Т. 174. № 8. С. 809-852.

212. Paradisi P., Cesari R., Donateo A., Continy D., Allegrini P. Scaling laws of diffusion and time intermittency generated by coherent structures in atmospheric turbulence //Nonlin. Proc. Geoph. 2012. V. 29. P. 113-126.