Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проведение высококачественных астрономических наблюдений за временные интервалы разной длительности налагает значительные требования на динамически изменяющиеся атмосферные характеристики над потенциально возможным пунктом размещения крупного астрономического телескопа. Проект предусматривает решение проблемы, связанной с поиском нового места для размещения крупного миллиметрового / субмиллиметрового телескопа с наилучшими астроклиматическими характеристиками, а также развитие подходов и методов для математического описания механизмов формирования содержания водяного пара в атмосфере. По результатам исследований разработан новый метод коррекции ("привязки") осажденного водяного пара с учётом рельефа местности. Метод основан на расчете характерной зависимости изменений содержания водяного пара с высотой, определенной по нескольким ближайшим референсным сетевым станциям радиозондирования атмосферы. Конкретно, для уточнения значений осажденного водяного пара для произвольно выбранной горной вершины, используются данные о характерном масштабе высоты влажной атмосферы, которая оценивается по данным измерений вертикальных профилей атмосферных характеристик на сети станций радиозондирования атмосферы. Анализ вертикальных изменений осажденного водяного пара показал, что характерный масштаб высоты влажной атмосферы, ассоциируемый с экспоненциальным уменьшением осажденного водяного пара с высотой, составляет около 2300 м в регионе расположения Большого Телескопа Альт-Азимутального. Метод верифицирован с учетом данных радиозондовых измерений, измерений на глобальной спутниковой сети станций и с учетом данных измерений радиометра APEX (Atacama Pathfinder EXperiment, 183 ГГц) и радиометра Tipper (850 ГГц). С применением разработанного метода определены статистически репрезентативные характеристики осажденного водяного пара в ночное время, получены референсные пространственные распределения содержания водяного пара для макрорегиона расположения Большого Телескопа Альт-Азимутального. Показано, что в регионе БТА формируется устойчивая обширная зона с пониженным содержанием осажденного водяного пара. Преимущественная ориентация этой зоны: с запада на восток. В течение разных сезонов года пространственное положение этой зоны сохраняется на фоне существенного фонового уменьшения медианных значений осажденного водяного пара в холодный период. Результаты исследований показывают, что в месте расположения БТА средняя годовая медиана осажденного водяного пара равна 10.3 мм. В зимний период медиана минимальна и равна 4.9 мм, в летний период медиана возрастает до 17.4 мм. В сравнении с БТА на пике Терскол средняя годовая медиана осажденного водяного пара уменьшается в 1.63 раза (средняя годовая медиана равна 6.3 мм). В летний сезон на пике Терскол медиана осажденного водяного пара изменяется от 10.5 до 11.5 мм. В зимний сезон (минимум наблюдается в декабре) медиана составляет 2.9 мм. С применением модели MOILERE в конфигурациях JPL и HITRAN, а также модели MPM Liebe, хорошо описывающей спектры поглощения, по крайней мере, для отдельных частот ниже 400 ГГц, выполнены расчеты оптической толщи атмосферы (в ночное время) в местах расположения п.Терскол и БТА. В моделировании учитывалось нерезонансное молекулярное поглощение (N2, O2, H2O, CO2) для континуума, что важно для нижней и средней тропосферы, а также поглощение в резонансных дискретных линиях на строго определенных частотах. Получено, что для 100 ГГц средние значения оптических толщин составляют 0,09 (в конфигурациях JPL и HITRAN) и 0,07 (по модели MPM Liebe). Значения оптических толщин рассчитаны для ситуаций в атмосфере, когда осажденный водяной пар в столбе атмосфере был меньше 5 мм. Для 150 ГГц средние значения оптической толщи примерно равны друг другу (0,10 в конфигурациях JPL и HITRAN и 0,09 по модели MPM). Значения оптической толщи, рассчитанные с применением модели MPM Liebe, несколько выше, величин , определенных в модели MOLIERE (в конфигурациях JPL и HITRAN) для излучения на частоте 225 ГГц. Средние оптические толщины для пика Терскол для 225 ГГц, определяемые по модели MOILERE и модели MPM соответственно равны 0,16 (в конфигурациях JPL , HITRAN) 0,16 и 0,18 (по модели MPM). Впервые получены результаты по ранжированию астропунктов, перспективных с точки зрения размещения крупных миллиметровых/субмиллиметровых телескопов наземного базирования. Ранжирование выполнено на основе диаграммы, демонстрирующей зависимость средних годовых медианных значений осажденного водяного пара от высоты места (для астрономически перспективных пунктов мира). Эта диаграмма характеризует усредненный для широкого набора разных атмосферных ситуаций паттерн изменений содержания водяного пара, который является основой для выбора наиболее перспективных пунктов с применением единой методики для проведения миллиметровых и субмиллиметровых астрономических наблюдений. Получены первые результаты по определению статистически усредненных вертикальных профилей атмосферной турбулентности по данным о вертикальных сдвигах скорости ветра и вертикальных градиентах температуры воздуха конкретно над астропунктом Большого Телескопа Альт-Азимутального. Профили удовлетворительно описывают общие тенденции изменений турбулентности с высотой.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Развит и апробирован метод коррекции значений осажденного водяного пара, учитывающий рельеф местности и эффективный вертикальный масштаб водяного пара [1]. Учет рельефа местности выполняется для каждого узла сетки в рассматриваемом регионе при горизонтальном разрешении 0.25 °. В частности, предложено рассчитывать превышение высоты опорного узла сетки относительно среднего значения высот M количества узлов в пределах некоторой области вокруг опорного узла. Размер области для каждого опорного узла и, следовательно, количество соседних узлов вокруг опорного узла определяется путем минимизации дисперсии между модельными и расчетными значениями ОВП на основе анализа данных измерений в отдельных пунктах (в пределах исследуемого региона). Оцененные линейные размеры этой области для Северо-Кавказского региона ∆x и ∆y составляют около 120 км. Для уточнения значений осажденного водяного пара оценены статистические характеристики эффективного вертикального масштаба водяного пара для станций радиозондирования Минеральные Воды и, в сравнительных целях, для Алматы. Как результат интегрирования вертикальных профилей содержания водяного пара, определенного в тонких атмосферных слоях, показано, что в местах расположения станций радиозондирования Минеральные Воды и Алматы характерные значения эффективного вертикального масштаба водяного пара, усредненные для холодного периода года, составляют 1600 м и 1400 м соответственно. Анализ вертикальных профилей значений осажденного водяного пара, интегрированных в пределах узких атмосферных слоев показал, что локальные максимумы в содержании водяного пара часто формируются в атмосферном пограничном слое под слоями с инверсионным, обратным, распределением температуры с высотой. Термические инверсии образуются в слое от подстилающей поверхности до 700 м – 900 м для Минеральных Вод. Для станции Алматы наблюдается менее упорядоченная картина формирования вертикальной структуры метеорологических характеристик. В период измерений в нижнем слое атмосферы выявлялись два характерных слоя инверсии температуры: от подстилающей поверхности до высоты 550 м и от 1060 м до 1360 м. Эти характеристики близки к расчету по данным ре-анализа Era-5. Также показано, что при близких значениях осажденного водяного пара в приземном слое атмосферы, распределение содержания водяного пара с высотой может существенным образом изменяться. Как показывают данные реанализа, так и радиозондирования атмосферы над многими пунктами наблюдаются слои инверсионного распределения водяного пара различной вертикальной мощности. Такой характер распределения может негативным образом сказываться на оценки эффективной вертикального масштаба водяного пара в атмосфере Heff, предполагающим экспоненциальное уменьшение содержания водяного пара с высотой над подстилающей поверхностью. Полученные оценки Heff находятся в хорошем согласии с результатами для лучших мировых пунктов и астрономических обсерваторий. По результатам исследований уточнены пространственные распределения осажденного водяного пара, в том числе, в Северо-Кавказском регионе. С применением модели Лиебе и данных ре-анализа Era-5 получены впервые получено статистически репрезентативное распределение оптической толщи атмосферы на длине волны 3 мм по территории России, скорректированное с учетом рельефа (при ОВП < 5 мм). Отдельно оценены сезонные изменения оптической толщи атмосферы на длине волны 3 мм для условий низкого (ОВП < 3 мм) и среднего водосодержания атмосферы (< 7 мм) для мест расположений Большого Телескопа Альт-Азимутального и пика Терскол. Получено, что при значениях осажденного водяного пара менее 7,0 мм, средняя оптическая толща атмосферы изменяется от 0,07 до ~ 0,13 непер и от 0,09 до ~ 0,13 непер для пика Терскол и БТА соответственно. Наилучшие атмосферные условия, характеризуемые часовыми значениями ОВП менее 3 мм, наблюдаются в 5 % и 12 % от возможного ночного наблюдательного времени для мест расположения БТА и п. Терскол соответственно. Получены первые результаты по моделированию атмосферных характеристик релевантных для ночной астрономии в месте расположения Кавказской Горной Обсерватории (КГО) ГАИШ МГУ. В частности, для выбранного временного периода в качестве опорного, с 1 января 2007 г. по 31 декабря 2016 г. оценены внутригодовые ночные изменения часовых значений ОВП. В сравнении с результатами анализа данных измерений GPS, представленными в работе [2], можно отметить близость медианных значений осажденного водяного пара для разных сезонов наблюдений. В частности медианные значения ОВП, оцененные по данным реанализа Era-5 и GPS, различаются на 1 - 2 мм. Результаты моделирования демонстрируют существенную зависимость оцененных статистических характеристик ОВП от облачности. Наибольшие отклонения измеренных от модельных значений ОВП соответствуют 2009 г., а течение которого количество облачности верхнего яруса было максимальным для рассматриваемого периода. [1] Шиховцев А. Ю., Ковадло П. Г. Статистические оценки содержания водяного пара и оптической толщи атмосферы по данным реанализа и радиозондирования применительно к миллиметровым телескопам // Оптика атмосферы и океана. 2024. Т. 37. № 02. С. 169–175. DOI: 10.15372/AOO20240212. [2] В. Г. Корнилов, М. В. Корнилов, Н. И. Шатский, О. В. Возякова, И. А. Горбунов, Б. С. Сафонов, C. А. Потанин, Д. В. Черясов, В. А. Сеник Метеорологические условия в Кавказской Обсерватории ГАИШ МГУ по результатам кампании 2007 – 2015 годов // Письма в Астрономический журнал, 2016. Т.42. № 9. С. 678 – 693.