С использованием экспериментальных данных о профилях температуры воздуха в пограничном слое атмосферы за период 2021–2023 гг. над территорией Базового Экспериментального Комплекса ИОА СО РАН (пригород Томска) проведены оценки частот и периодов Брента–Вяйсяля, определяющих диапазоны возможных частот и периодов внутренних гравитационных волн при устойчивой температурной стратификации. Using experimental data on air temperature profiles in the atmospheric boundary layer for the period 2021–2023 over the territory of the Basic Experimental Complex of the Institute of Atmospheric Optics, SB RAS (suburbs of Tomsk), estimates of Brunt–Väisälä frequencies and periods were made, determining the ranges of possible frequencies and periods of internal gravity waves under stable temperature stratification.

Monitoring measurements of aerosol characteristics and meteorological parameters in the lower atmospheric layer in the winter periods of 2016–2022 in Akademgorodok located in the southeast of Tomsk were used to analyze the conditions for the occurrence of extreme concentrations of submicron particles and black carbon in their composition in the surface layer. It is shown that when surface air temperature inversion and weak (down to 1.5 m/s) wind (air stagnation) occur in combination, the average aerosol characteristics under study increase by as much as a factor of three, and by as much as a factor of 7–8 relative to the seasonal averages in the case of a weak northwesterly wind. It is found that in situations with multiday air stagnation, the typical daily behavior, characterized by the afternoon minimum, changes. The concentrations increase until 15:00 LT up to the values 1.8 times larger than the nighttime minimum. On the other winter days, the maximum occurs at 10:00 LT, with the concentrations of submicron (black carbon) particles being a factor of 1.2 (a factor of 1.5) larger than the nighttime minimum.

Основная цель работы заключалась в выделении мезомасштабной составляющей ветра и анализе ее зависимости от скорости и направления среднего ветра, что позволяет более детально изучить процессы циркуляции воздуха над карьером. Исследование такой зависимости важно для корректного моделирования (прогнозирования) термических и динамических процессов, происходящих в подобных условиях. Полученные результаты могут быть полезны при решении задач по экологической безопасности в условиях действующих карьеров, а также для оптимального выбора ветроэнергетических установок, если планируется их размещение вблизи карьеров. The main objective of the study was to isolate the mesoscale wind component and analyze its dependence on the speed and direction of the mean wind, allowing for a more detailed examination of air circulation processes over the quarry. Investigating this dependence is important for accurate modeling (forecasting) of thermal and dynamic processes occurring under such conditions. The results obtained may be useful in solving environmental safety tasks in the context of active quarries, as well as for the optimal selection of wind power installations if their placement near quarries is planned.

В статье рассматривается потенциальная возможность оценки вертикальных сдвигов скорости ветра в устойчиво стратифицированном пограничном слое атмосферы по скорости ветра в приземном слое и по профилям температуры воздуха.Для анализа использованы результаты, полученные за период с 2020 по 2022 г. с помощью микроволнового температурного профилемера, акустического метеорологического локатора (содара) и ультразвукового анемометра-термометра.Основное внимание при анализе экспериментальных данных уделено случаям температурных инверсий большой интенсивности (с большим перепадом температуры между границами инверсии).Рассмотрены сдвиги ветра в диапазоне высот от 10 до 100 м (с гарантированным измерением ветра содаром в условиях инверсий большой интенсивности).Отмечена тенденция уменьшения скорости приземного ветра и увеличение вертикального сдвига скорости с увеличением интенсивности инверсий.В частности, при скорости ветра в приземном слое атмосферы, близкой к штилю, скорость ветра в более высоких слоях достигала относительно больших значений,

Представлены результаты анализа характеристик инверсий температуры воздуха в пограничном слое атмосферы (повторяемость, тип, интенсивность, мощность) до высоты 1 км на основе экспериментальных данных за 2020-2022 гг., полученных с помощью метеорологических температурных профилемеров МТР-5. Профили температуры воздуха измерялись одновременно в пункте с естественным ландшафтом (пригород г. Томска) и над урбанизированной территорией (окраина г. Томска, Академгородок). Установлено, что инверсии температуры фиксировались примерно в половине времени наблюдений. Приводится статистика разных форм и типов инверсии в зависимости от сезона года. Рассмотрена взаимосвязь интенсивности инверсий с метеорологическими параметрами в приземном слое атмосферы. Отмечено существенное влияние направления ветра на интенсивность инверсий. Characteristics of air temperature inversions in the atmospheric boundary layer (frequency of occurrence, intensity, and depth) up to a 1-km height are analyzed based on experimental MTP-5 (meteorological temperature profiler) data obtained in 2020-2022. Air temperature profiles were measured simultaneously at a site with natural landscape (Tomsk suburbs) and over an urban territory (Akademgorodok, outskirts of Tomsk). Temperature inversions were observed in approximately half of the observation period. The statistics of various forms and types of inversions for different seasons is presented. The correlation between the inversion intensity and weather parameters in the surface air layer is considered. A significant effect of the wind direction on the inversion intensity is noted.

Results of comparing model estimates of the mixing layer height in the boundary layer of the atmosphere under conditions of ground inversions of air temperatures with experimental estimates of the height of the intense turbulent heat exchange layer are presented. Experimental data necessary for these estimates are obtained using a temperature-wind complex including a meteorological acoustic locator (sodar), a meteorological temperature profiler, and ultrasonic anemometer-thermometers. It is shown that the mixing layer height calculated by the model formulas under conditions of ground inversions of temperature is as a rule significantly less than the height of the turbulent heat exchange layer.

Исследованы оптико-микрофизические характеристики смоговых явлений в Академгородке г.Томска в зимний период 1997-2022гг. Выявлено, что с 2011г. количество и интенсивность таких ситуаций увеличились. На примере смога 13-14 января 2022г. показано, что значительный рост концентраций атмосферного аэрозоля и эквивалента черного углерода развивается при температурной инверсии и с ветровым режимом, близким к штилю. Происходит увеличение как субмикронной, так и крупнодисперсной фракции частиц, но более интенсивное – в области субмикронной фракции. Формирование смога сопровождается уменьшением способности частиц аэрозоля впитывать влагу.

Рассмотрение результатов взаимодействия электромагнитного излучения с несферическими атмосферными частицами, обладающими анизотропными свойствами, представляет как научный, так и практический интерес. Особо следует выделить взаимодействие направленного оптического излучения с пространственно ориентированными атмосферными кристаллами льда. Неучет зеркального отражения оптического излучения от ансамбля пространственно ориентированных атмосферных частиц несферической формы может исказить модельные представления, существенно затруднить интерпретацию получаемых результатов и привести к неверному трактованию некоторых наблюдаемых в атмосфере явлений. В работе рассмотрены некоторые результаты наблюдений явления зеркального отражения от локализованных в атмосфере горизонтально-ориентированных плоских кристаллических части.

Рассмотрены разности температур между двумя пунктами наблюдений на разных высотах пограничного слоя атмосферы. Для анализа использовались результаты измерений профилей температуры в 2020–2021 гг. над урбанизированной территорией (Академгородок, окраина г. Томска) и над естественным ландшафтом (Базовый экспериментальный комплекс ИОА СО РАН). Обсуждается эффект «острова тепла», его характеристики и высотная протяженность в различных условиях.

В докладе обсуждаются результаты анализа экспериментальных данных по инверсиям температуры воздуха в пограничном слое атмосферы. Основное внимание уделяется случаям с большими («экстремальными») разностями температур между границами инверсии.

The height of the region of intense turbulent heat exchange in the atmospheric boundary layer is analyzed based on experimental data obtained using acoustic meteorological locators (sodars), temperature profilers, and ultrasonic anemometer-thermometers. The main aim of the work is to study the turbulent heat exchange under conditions of temperature inversions in winter. Results obtained in a territory with a natural landscape and in an urbanized territory in January–February 2020 are considered. In the first part of the paper, the technique for experimental data acquisition and statistics of temperature inversions in the boundary layer and heights of the layer of intense turbulent heat exchange are described.

Particular cases of the air temperature distributions in the atmospheric boundary layer during formation of an urban heat island (UHI) have been analyzed. For UHI calculations, we used the temperature values measured at the two observations sites spaced by 3 km and located in the Tomsk suburbs (Akademgorodok) and the rural territory (Basic Experimental Observatory of IAO SB RAS). The goal of this study was to reveal and examine the cases of a cold lens covering an urban heat island.

Experimental data obtained with MTP-5 temperature profilometers are used to estimate the Brunt–Vaisala frequencies in the atmospheric boundary layer at the territory of Basic Experimental Observatory (BEC) of IAO SB RAS and in Akademgorodok (suburbs of the city of Tomsk). The statistics of these frequencies in different seasons is analyzed.

In diagnostics of the atmospheric boundary layer (ABL), it is interesting to study an urban heat island (UHI), in which the air temperature over an urban territory markedly exceeds that outside the city. The aim of our study was to calculate and analyze the difference between temperatures measured at different heights inside and outside the city. The data obtained were used (1) to reveal UHI events, (2) to estimate the vertical dimension of UHI, (3) to analyze the relation of UHI to the local time, temperature gradients in the bottom part of ABL, and wind speed and direction.

The second part of the paper is devoted to the analysis of how heights of intense turbulent exchange and their corresponding temperature gradients in the atmospheric boundary layer are interrelated with ground values of the wind velocity and vertical turbulent heat flow. We consider only cases of temperature inversions in winter (January–February 2020). The division of inversions into two types (ground and raised) and four forms is introduced and the statistic for the height of the turbulent exchange region is obtained for them. According to results of the analysis, a conclusion is made that the direct (well-defined) relation between the height of the intense turbulent heat exchange layer and ground values of the wind velocity and turbulent heat flow is absent under conditions of temperature inversions.

The relation of the height of intense turbulent heat exchange layer in the atmospheric boundary layer to the air temperature gradients, wind velocity, and turbulent heat flux in the atmospheric surface layer has been analyzed. Experimental data obtained with the sodar, temperature profilometer, and ultrasonic meteostation have been used for the analysis. The emphasis is on the conditions with stable stratification (temperature inversion) in the boundary layer in winter.

Possible deviations of a laser beam from a detector in the case of slant propagation paths are calculated based on air temperature profiles measured in the atmospheric boundary layer. The possible seasonal and diurnal dynamics of the deviations under regular refraction is considered. The cases of simultaneous strong (regular) refraction and significant broadening of a laser beam due to the turbulence effect are revealed and analyzed.

The coherence length and the degree of broadening of a laser beam under the turbulence effect are estimated from the results of remote acoustic sounding of the atmospheric boundary layer with a Volna-4M sodar. The daily average profile of the coherence length in different seasons is considered. Corrections to the effective radius of a laser beam due to turbulence and the monthly average values of these corrections are calculated. A noticeable excess of the possible broadening of the laser beam in winter above that in summer was found.

The coherence length and possible broadening of a laser beam in the atmospheric boundary layer under the effect of random inhomogeneities of the refractive index are estimated from experimental data of remote acoustic sounding. The possibility of significant loss of coherence and noticeable broadening of the laser beam due to turbulence in nighttime are noted.

Possible displacements of laser beams in the atmospheric boundary layer under the effect of regular refraction are calculated. The case where a radiation source is located at the level of underlying surface is considered. The displacements are estimated for different wavelengths and angles of the beam entrance into the atmosphere. The calculations are based on experimental data on the optical refractive index up to an altitude of 1000 m received in long-term (1 year) measurements of the vertical air temperature profiles with a MTP-5 meteorological temperature profiler.