Взаимодействия нестационарных нелинейных акустико-гравитационных и крупномасштабныхволн в средней атмосфере: прямое численное моделирование: 2019 г. этап 3

Project

Description

Итоговый отчет по гранту No (НОМЕР ГРАНТА)
«Программный комплекс для исследования физико-химических свойств сильнонеравновесных реагирующих смесей газов»
Руководитель: Кустова Елена Владимировна

Проект направлен на решение важной фундаментальной проблемы динамики атмосферы, связанной с исследованием механизмов климатических изменений в циркуляции, тепловом режиме и составе средней и верхней атмосферы, обусловленных динамическими взаимодействиями между различными слоями атмосферы. Согласно современным представлениям, средние и верхние атмосферы планет находятся под двойным энергетическом воздействием: во-первых, за счет усвоения солнечной радиации и, во-вторых, вследствие притока энергии из нижележащих слоев атмосферы, причем важное место занимает перенос энергии тропосферных движений внутренними атмосферными волнами. Указанная проблема приобретает особую актуальность в настоящее время в связи с необходимостью определения роли естественных и антропогенных факторов в изменении климата атмосферы на различных высотах. Важными источниками волн всех масштабов являются метеорологические и турбулентные процессы (ветры в горах, циклонические, мезо- и мелкомасштабные вихри, фронты, струйные течения и т.п.). Другой важный класс источников атмосферных волн – их генерация в верхней атмосфере высоких широт при явлениях, связанных с солнечной активностью. Основная генерация волн происходит в авроральной зоне, а затем волновая энергия распространяется в выше- и нижележащие области атмосферы и в более низкие широты, осуществляя эффективный динамический и энергетический обмен между различными областями атмосферы. При распространении волн от тропосферных источников вверх, их амплитуда возрастает вследствие уменьшения плотности атмосферы и на больших высотах волновые процессы становятся важнейшей компонентой динамического режима и оказывают сильное влияние на другие атмосферные процессы. Диссипация волновой энергии обеспечивает притоки тепла, сравнимые с солнечными. Разрушение волн приводит к турбулизации верхней атмосферы и определяет диффузию тепла и компонент состава атмосферы. Ионосферные неоднородности, создаваемые гидродинамическими волнами, влияют на условия распространения радиоволн. Ускорения среднего течения, создаваемые волнами, оказывают сильное воздействие на циркуляцию средней атмосферы. Исследование процессов воздействий волновых и турбулентных движений на циркуляцию, тепловой режим и состав атмосфере направлено на совершенствование методов прогнозирования климатических изменений для экологическими исследований, которые отнесены к числу приоритетных направлений развития науки. В данном проекте предполагается выполнить исследование нелинейных взаимодействий акустико-гравитационных волн (АГВ) и крупномасштабных волн в атмосфере от поверхности Земли до высот термосферы, их воздействия на среднее течение, тепловой режим и диффузионные свойства атмосферы методом прямого численного моделирования на основе решения полной трехмерной системы нелинейных гидродинамических уравнений Навье-Стокса. Модели прямого численного моделирования (direct numerical simulation, DNS) считаются наиболее точными в теории мелкомасштабной турбулентности. В области масштабов АГВ применение таких моделей только начинается. Используемый авторами проекта алгоритм позволяет выполнять прямое численное моделирования на высотах средней атмосферы, где масштаб вязкой диссипации волновой энергии становится больше шага пространственной сетки модели. Особенностью разработанной трехмерной численнойых моделей по сравнению с зарубежными аналогами является корректный учет фундаментальных законов сохранения массы, количества движения и энергии (см. подробнее п. 4.2). Это значительно повышает устойчивость численной схемы в областях разрушения нелинейных волн и делает ее применимой в областях генерации случайных турбулентных флуктуаций, где большинство вычислительных алгоритмов становятся неприменимыми. Другими положительными особенностями разработанной численной схемы являются большая протяженность области моделирования по высоте (от поверхности Земли до термосферы) и возможность использования реалистичных высотных профилей фоновых ветра и температуры. Трехмерная модель позволяет задавать как точечные, так и протяженные источники волн на любых высотах и моделировать динамические волновые взаимодействия между различными слоями атмосферы.








Key findings for the project

Реферат.
В проекте решается фундаментальная проблема динамического взаимодействия средней и верхней атмосферы с нижележащими слоями через распространение мезомасштабных волн и их динамические и тепловые воздействия. В ходе проекта выполнено усовершенствование и применение уникальной трехмерной устойчивой схемы прямого численного моделирования распространения и разрушения нелинейных акустико-гравитационных волн (АГВ) в атмосфере на высотах от земной поверхности до термосферы, которая была ранее разработана участниками проекта. Принципиальным преимуществом предлагаемой численной схемы перед зарубежными аналогами является повышенная вычислительная устойчивость в областях разрушения нелинейных волн. Это позволяет корректно моделировать процессы разрушения волн и генерации турбулентности, которые играют ключевую роль в задачах влияния атмосферных волн на общую циркуляцию, тепловой режим и состав средней и верхней атмосферы.
В соответствии с заявкой, планировалось, что в ходе проекта трехмерная численная модель нелинейных АГВ будет усовершенствована путем включения сил Кориолиса. Учет сил Кориолиса позволит моделирование эффектов геосторофического приспособления, которое предполагается важным постоянно действующим источником АГВ в атмосфере. Предлагаемая численная модель способна проверить имеющиеся гипотезы и получить новые количественные данные о вкладе спектров атмосферных волн в динамику атмосферы. Планировался также анализ экспериментальных данных с целью подготовки реалистичных профилей фоновых ветра и температуры для численного моделирования.
Результаты, полученные в соответствии с планом работ по проекту можно разделить на три основные группы: А. Усовершенствование компьютерных программ для численного моделирования нелинейных АГВ и для анализа атмосферных АГВ по данным наблюдений; Б. Анализ данных спутниковых и наземных наблюдений для определения волновых характеристик; В. Численное моделирование нелинейных нестационарных АГВ в атмосфере.
В настоящее время разработанная участниками проекта 3-мерная численная модель разрушающихся нелинейных волн и турбулентности, работающая в широкой области высот (0-500 км), практически не имеет зарубежных аналогов. Полученные результаты показывают, что численная модель позволяет получать информацию о механизмах нелинейных волновых взаимодействий, которая недостижима для экспериментальных и аналитических методов исследования. По результатам проекта опубликовано 17 научных работ (5 статей в журналах, цитируемых в Web of Science, Scopus и РИНЦ и 12 докладов на международных коференциях).

Введение
Проект направлен на решение важной фундаментальной проблемы динамики атмосферы, связанной с исследованием механизмов климатических изменений в циркуляции, тепловом режиме и составе средней и верхней атмосферы, которые обусловлены динамическими взаимодействиями между различными слоями атмосферы. Согласно современным представлениям, средние и верхние атмосферы планет находятся под двойным энергетическом воздействием: во-первых, за счет усвоения солнечной радиации и, во-вторых, вследствие притока энергии из нижележащих слоев атмосферы, причем важное место занимает перенос энергии тропосферных движений внутренними атмосферными волнами. Указанная проблема приобретает особую актуальность в настоящее время в связи с необходимостью определения роли естественных и антропогенных факторов в изменении климата атмосферы на различных высотах. В заявке предполагалось выполнить исследование нелинейных взаимодействий акустико-гравитационных волн (АГВ) и крупномасштабных волн в атмосфере от поверхности Земли до высот термосферы, их воздействия на среднее течение, тепловой режим и диффузионные свойства атмосферы методом прямого численного моделирования на основе решения полной трехмерной системы нелинейных гидродинамических уравнений Навье-Стокса.
В соответствии с заявкой, в ходе проекта предполагалось усовершенствование трехмерной численной модели нелинейных АГВ путем включения сил Кориолиса. Это позволит детально моделировать эволюцию и нелинейные взаимодействия волн с большими периодами, на которые существенно влияет вращение Земли. Учет сил Кориолиса позволит моделирование эффектов геосторофического приспособления, которое предполагается важным постоянно действующим источником АГВ в атмосфере. Усовершенствованная численная модель позволит проверить имеющиеся гипотезы и получить новые количественные данные о вкладе спектров атмосферных волн в динамику и турбулизацию атмосферы. В ходе проекта предполось продолжить анализ экспериментальных данных с целью подготовки профилей фоновых ветра и температуры, соответствующих реальным экспериментам, а также для сравнения рассчитанных по моделям характеристик с экспериментальными данными. Результаты моделирования планировалось также применить для построения и проверки упрощенных параметризаций динамического и теплового воздействия атмосферных волн для численных моделей общей циркуляции средней и верхней атмосферы.

Основная часть отчета НИР
В соответствии с планом работ по проекту полученные результаты можно разделить на три основные группы: А. Усовершенствование компьютерных программ для численного моделирования нелинейных АГВ и для анализа атмосферных АГВ по данным наблюдений; Б. Анализ данных спутниковых и наземных наблюдений для определения волновых характеристик; В. Численное моделирование нелинейных нестационарных АГВ в атмосфере.
Эти группы включают следующие основные результаты проекта:
А. Усовершенствование компьютерных программ для численного моделирования нелинейных АГВ и для анализа атмосферных АГВ по данным наблюдений.
А1. Модернизированы алгоритмы и программы для 3-мерного прямого суперкомпьютерного моделирования нелинейных мезомасштабных разрушающихся волн в атмосфере. В гидродинамических уравнениях добавлена сила Кориолиса в приближении бета-плоскости. Это является новым для численных моделей АГВ высокого разрешения и открывает путь к количественному исследованию процессов генерации атмосферных волн в процессе геострофического приспособления. Усовершенствованы програмы для определения характеристик АГВ по результатам численного моделирования.
А2. Разработаны алгоритмы и компьютерные программы для определения параметров и климатологических характеристик АГВ по данным ГНСС спутников, мереорных радаров и наблюдений ночной эмиссии гидроксила вблизи мезопаузы оптическими приборами с использованием числовой фильтрации.

Б. Анализ данных спутниковых и наземных наблюдений для определения волновых характеристик:
Б1. Изучена глобальная климатология мезомасштабных вариаций атмосферных параметров в 1995 – 2019 гг. на высотах 2-35 км по данным экспериментов по радио просвечиванию на низкоорбитальных спутниках, принимающих сигналы ГНСС. Цифровая фильтрация вертикальных профилей радиорефракции дает информацию о стандартных отклонениях вариаций с вертикальными масштабами менее 8 км. Глобальные распределения дисперсий подвержены значительным межгодовым изменениям в тропо-стратосфере. Анализируются и сравниваются сезонные изменения дисперсий радиорефракции и температуры, полученные с помощью спутников Microlab 1, CHAMP и COSMIC. На низких широтах существуют квази-двухлетние колебания. Причинами мезомасштабной изменчивости могут быть конвекция, акусто-гравитационные волны и турбулентность в атмосфере.
Б2. Выполнено исследование ВГВ по данным наблюдений ночных свечений верхней атмосферы. Метод цифровых разностных фильтров использован для анализа данных наблюдений вращательной температуры и интенсивности ночного свечения гидроксила на высотах 85–90 км прибором SATI в Алма-Ате, Казахстан (43°03' N, 76°58' E), за 2010–2017 гг. Исследованы сезонные и межгодовые изменения средней температуры и интенсивности вариаций в диапазоне периодов 0.4–5.4 ч, которые могут быть связаны с распространением внутренних гравитационных волн (ВГВ) в области мезопаузы. Для выделения вариаций с часовыми периодами проведена численная фильтрация путем вычисления разностей между последовательными средними за интервалы Δt значениями характеристик ночного свечения ОН. Среднемесячные температуры вблизи мезопаузы имеют максимум зимой и минимум летом, в июне. В отличие от среднемесячных температур, среднемесячные интенсивности, кроме зимнего максимума, имеют дополнительный максимум в июне. Дисперсия мезомасштабных вариаций вращательной температуры ОН и характеристики ВГВ максимальны весной и осенью, а минимальны зимой и летом. Для мезомасштабных вариаций интенсивности свечения ОН весенний максимум сдвинут на июнь. Детали межгодовых изменений вращательной температуры и интенсивности свечения ОН могут различаться. Это связано с сезонными и долговременными изменениями в сложной системе фотохимических процессов, приводящих к ночному свечению ОН. Выполнен анализ характеристик ВГВ по наблюдениям ночного свечения ОН в Иркутске и Звенигороде. Выполнен анализ вклада инструментальных погрешностей в наблюдаемые мезомасштабные вариации вращательной температуры ОН и разработана процедура исключения этого инструментального шума.
Б3. Выполнен анализ комбинированных многолетних наблюдений ВГВ с помощью ионосферных дрейфов и метеорного радара в Колме, Германия. Определена интенсивность ВГВ с периодами 1 – 6 ч с использованием цифровых фильтров из данных измерений скорости ветра на высотах 80 - 110 км методом дрейфа ионосферных неоднородностей в 1983 – 2008 гг. и метеорным радаром в 2004 -2018 гг. в обсерватории Коллм (51.3°N, 13.0°E) Лейпцигского университета. Исследованы высотно-временные изменения интенсивностях ВГВ в указанные годы. Обнаружено хорошее согласие между радиометеорными и дрейфовыми измерениями на высоте 88 км в 2004-2008 гг, когда оба метода использовались одновременно. Разработана процедура для совмещения и повышения однородности указанных одновременных данных обоих методов. Это позволило получить непрерывный ряд измерений для интервала 1983 - 2018 гг. Изучены сезонные и междугодовые изменения интенсивности ВГВ. Среднегодовой западный ветер в основном рос от 0 до 10 m/s. Среднегодовой меридиональный ветер в Коллме был направлен на север до 2000 года и направлен на юг позже. Интенсивность ВГВ увеличивалась в пределах до 10% в 1983 – 2014 гг на высоте 88 км в Коллме.
Б4. Было выполнено сравнение долгопериодных изменений интенсивности ВГВ по данным оптических наблюдений (п. Б2) и радиометеорных (п. Б3) измерений. При выполнении п. Б3 (см. выше) было получено хорошее согласие между ионосферными дрейфовыми и радиометеорными данными на высоте 88 км в 2004-2008 гг., когда оба метода были использованы одновременно. Была разработана процедура для совмещения и повышения однородности этих одновременных данных обоих методов. Это позволило получить непрерывную серию измерений в интервале 1983 - 2018 гг. Были изучены сезонные и междугодовые изменения амплитуд ВГВ. Во время 35-летнего интервала, кубические аппроксимации изменений ВГВ на высоте 88 км продемонстрировали разные типы изменений. В 1983 – 1998 гг. интенсивность ВГВ уменьшалась в пределах до 10% и увеличивалась после этого в 1998 – 2014 гг. После 2014 г, интенсивность ВГВ стала снова уменьшаться. Такое поведение находится в соответствии с изменениями интенсивновти ВГВ, полученных из анализа вариаций ночной эмиссии гидороксила на высотах 80 – 90 км. Междугодовые изменения с увеличением потенциальной энергии ВГВ до 2014 г и ее уменьшением поже были получены также на других станциях международной сети наблюдений ночного свечения гидроксила. Полученные результаты показывают, что долгосрочные изменения интенсивности ВГВ могут происходить различным образом в разных интервалах времени. Эти изменения в интенсивности волн могут отражать изменения в средних ветрах и температуре в средней атмосфере в разные декады. Поэтому, многолетние измерения оптическими и радиолокационными методами необходимы для непрерывного мониторинга изменений в мезосфере и нижней термосфере.

В. Численное моделирование нелинейных нестационарных АГВ в атмосфере.
В1. Выполнено численное моделирование распространения АГВ в реалистичных фоновых полях атмосферных параметров. Согласно современным представлениям, АГВ существующие в верхней атмосфере, могут генерироваться вблизи земной поверхности различными источниками и распространяться вверх. В последние годы был разработан алгоритм трехмерного численного моделирования вертикального распространения АГВ от земной поверхности в верхнюю атмосферу. Алгоритм решения гидродинамических уравнений использует конечно-разностные аналоги основных законов сохранения. Этот подход позволяет отбирать физически-корректные обобщенные волновые решения нелинейных уравнений.
Перемещающиеся горизонтально синусоидальные структуры вертикальной скорости на поверхности земли служат источниками АГВ в модели. Численное моделирование проводилось в области земной атмосферы с размерами до нескольких тысяч км по горизонтали и 500 км по вертикали. Вертикальные профили средней температуры, плотности, молекулярной вязкости и теплопроводности заданы из моделей стандартной атмосферы. Моделирование проводилось для разных амплитуд, горизонтальных длин волн и скоростей перемещения волновых источников на нижней границе модели. Показано, что после «включения» тропосферного источника атмосферные волны очень быстро (за несколько минут) могут распростаняться до высот больших 100 км. Вследствие роста амплитуд АГВ с высотой, волны могут разрушаться в средней и верхней атмосфере. Неустойчивость и диссипация волновой энергии может приводить к возникновению волновых ускорений среднего потока и к созданию струйных течений, индуцированных волнами в средней и верхней атмосфере. Нелинейные взаимодействия могут приводить к неустойчивости первоначальной волны и к образованию мелкомасштабных структур. Эти мелкие неоднородности могут увеличивать градиенты температуры и ветра и усиливать диссипацию волновой энергии. Моделирование для профилей фоновых температуры и ветра, соответствующих низкому и высокому уровням солнечной активности, показывает, что характеристики АГВ в средней и верхней атмосфере могут меняться при изменениях солнечной активности. Это может изменить нагрев и ускорение различных слоев атмосферы, а также изменить условия динамического взаимодействия между нижней и верхней атмосферой.
В2. Выполнено моделирование распространения гравитационных волновых (ГВ) мод , имеющих сверхзвуковые горизонтальные фазовые скорости на земной поверхности, в верхние слои атмосферы с использованием численной модели высокого разрешения. Такие ГВ могут возбуждаться низкочастотными спектральными составляющими поверхностных сейсмических волн, распространяющихся в земной коре с горизонтальными скоростями до нескольких км/сек. Согласно линейной теории, ГВ моды с такими высокими горизонтальными скоростями должны быть захваченными с амплитудами экспоненциально уменьшающимися с высотой. Численные эксперименты с нелинейной волновой моделью показали, что первоначальный импульс акустико-гравитационных волн, возникающий при «включении» нестационарного приземного волнового источника, может создавать систему относительно медленно движущихся мезомасштабных неоднородностей на высотах от поверхности Земли до верхней атмосферы. Захваченные ГВ моды, возбуждаемые наземным сверхзвуковым источником, могут подпитывать эту систему неоднородностей энергией и обеспечивать ее существование в течение временных интервалов до десятков волновых периодов. Неоднородности могут формировать волнообразные наклонные фронты, похожие на эффективные ГВ, распространяющиеся вверх. Таким образом, сверхзвуковые захваченные моды, возбуждаемые на земной поверхности, могут создавать атмосферные внутренние ГВ, имеющие дозвуковые горизонтальные фазовые скорости и распространяющиеся до больших высот.
В3. Выполнено численное моделирование распространения АГВ в фоновых полях, соответствующих различной солнечной активности (СА). Численное моделирование нестационарных нелинейных АГВ, распространяющихся от поверхностного волнового источника в термосферу, показывает, что условия их распространения и параметры зависят от изменений фоновых температуры, плотности, состава, молекулярной вязкости и теплопроводности, вызванных изменениями СА. При малых амплитудах волновых источников амплитуды, потоки импульса и волновые ускорения, создаваемые АГВ, несколько больше при малой СА на высотах больших 150 км из-за меньшей плотности и экспоненциального роста волновых амплитуд в средней атмосфере при малой диссипации. Большие кинематические коэффициенты молекулярной вязкости и теплопроводности ведут к большему убыванию волновых амплитуд и потоков импульса на высотах больших 150 км при малой СА. При больших амплитудах поверхностного волнового возбуждения возникает разрушение АГВ и появляются мелкомасштабные неоднородности на высотах 100 – 150 км, интенсивность котрых выше при малой СА. Повышенная диссипация разрушающихся АГВ может создавать индуцированные волнами струйные течения со скоростями близкими к горизонтальной фазовой скорости и к появлению слоев близких к критическим на высотах 110 -150 км, которые значительно уменьшают амплитуду и поток импульса первоначальной АГВ, которая распространяется от поверхностного волнового источника. Индуцированный волнами горизонтальный средний ветер становится слабее выше 150 км и допускает рост амплитуд первоначальной волновой моды частично проникающей через слой близкий к критическому, а также вторичных мод АГВ, которые могут генерироваться внутри индуцированного волнами струйного течения. Скорость роста волновой амплитуды при z > 150 км больше при высокой СА из-за меньшей скорости индуцированных волнами ветров и меньшей молекулярной вязкости и теплопроводности. Ускорения среднего потока диссипирующими АГВ, в основном, больше при малой СА. Это определяет большую скорость роста индуцированных волнами струйных течений при малой СА. Почти во всех моделируемых случаях скорости индуцированных волнами средних течений выше при малой СА по сравнению с большой СА. Результирующее воздействие СА на заданной термосферной высоте зависит от соотношения между увеличением амплитуды АГВ из-за меньшей молекулярной диссипации и меньшей передаче волновой энергии индуцированному волной среднему потоку и уменьшением амплитуды АГВ, вызванным большей плотнотью и более сильным отражением при высокой СА.
В4. Выполнено численное моделирование процессов вырождения АГВ в средней и верхней атмосфере после выключения тропосферных волновых источников. Согласно современным представлениям, АГВ существующие в верхней атмосфере, могут генерироваться вблизи земной поверхности различными источниками и распространяться вверх. Перемещающиеся горизонтально синусоидальные структуры вертикальной скорости на поверхности земли служат источниками АГВ в модели. Численное моделирование проводилось в области земной атмосферы с размерами до нескольких тысяч км по горизонтали и 500 км по вертикали. Вертикальные профили средней температуры, плотности, молекулярной вязкости и теплопроводности заданы из моделей стандартной атмосферы. Моделирование проводилось для разных амплитуд, горизонтальных длин волн и скоростей перемещения волновых источников на нижней границе модели. Показано, что после «включения» тропосферного источника атмосферные волны очень быстро (за несколько минут) могут распростаняться до высот больших 100 км. После включения волнового источника на нижней границе атмосферы и рассеяния первоначального волнового пакета, амплитуды АГВ стабилизируются на всех высотных уровнях в атмосфере. В этом квазистационарном состоянии, поверхностный волновой источник в численной модели был выключен. После этого, амплитуды главной моды АГВ быстро уменьшаются на всех высотах из-за прекращения распространения волновой энергии вверх. Однако, спустя 50 - 60 час после выключения поверхностного волнового источника дисперсия остаточных волновых возмущений показывает более медленное экспоненциальное убывание с постоянной времени убывания между 40 и 150 часами в зависимости от высоты и параметров волнового источника. Дисперсия остаточных волновых возмущений в средней и верхней атмосфере значительно больше в случае быстрой деактивации волнового вынуждения в течение 1 с по сравнению с постепенной активацией/ деактивацией за 28 часов. Результаты численного моделирования показывают, что нестационарные волновые источники в нижней атмосфере могут приводить не только к изменения первичных мод АГВ, распространяющихся от источников, но также могут создавать долгоживущие остаточные волновые возмущения, которые могут формировать фоновый уровень волнового шума в средней и верхней атмосфере.
В5. Выполнено численное моделирование процессов установления АГВ при изменениях вертикальных профилей ветра и температуры планетарными волнами и приливами. Использовалась вышеупомянутая программа для 3-мерного численного моделирования нелинейных нестационарных АГВ в атмосфере. На первой стадии расчетов были исследованы процессы установления волнового процесса при наличии критического уровня, на котором скорость среднего ветра равна горизонтальной фазовой скорости АГВ. Согласно классической теории, АГВ, распространяющиеся снизу, не могут преодолеть такой критический уровень и дойти до верхних слоев атмосферы. Проведенное численное моделирование показало, что указанное поведение характерно для установившегося волнового режима спустя достаточно большое время после включения волнового источника в численной модели. Нестационарные волновые пакеты, возникающие после "включения" волновых источников в нижней атмосфере могут проникать через критический уровень и распространяться до больших высот в атмосфере. Для установления волнового режима требуются промежутки времени в несколько десятков периодов АГВ. Большинство источников АГВ в атмосфере имеют меньшие промежутки когенрентности. Поэтому, следует ожидать, что пакеты АГВ от таких источников являются нестационарными и могут проникать через критический уровень. Вторая часть модельных расчетов использует изменяющиеся во времени фоновые профили температуры и ветра, которые могут, в частности, быть образованы крупномасштабными атмосферными волнами, например, приливными модами и планетарными волнами. Такие изменяющиеся во времени волновые поля строились по данным спутниковых и наземных измерений и баз данных метеорологического реанализа. Численное моделирование показало, что волновая изменчивость фоновых профилей температуры и ветра приводит к модуляции амплитуды и других параметров АГВ приливами и планетарными волнами. Это, в частности, приводит к изменению средних за период волны ускорений среднего потока и притоков тепла, создаваемых АГВ.
В6. Выполнено численное моделирование генерации АГВ в процессе геострофического приспособления средних полей ветра и температуры. Согласно современным представлениям атмосферные волны могут возбуждаться из-за постоянной конкуренции между стремлением атмосферы к установлению геострофического равновесия между полями ветра и давления и нарушением этого равновесия из-за нелинейных эффектов. В то же время, прямые доказательства действия этого механизма в литературе очень ограничены. Поэтому, представляется целесообразным численное моделирование генерации атмосферных волн при геострофическом приспособлении полей ветра и давления. Для такого моделирования слагаемые, описывающие силу Кориолиса были добавлены в уравнения движения численной 3-мерной модели нелинейных АГВ. Выполнялось моделирование генерации АГВ изолированными вихрями в атмосфере, эволюционирующим в процессе квазигеострофического приспособления. Такие вихри в численной модели создавались заданием временно действующих локальных по горизонтали и вертикали источников нагрева. Для исключения нестационарных пакетов АГВ из-за переходных процессов время включения и выключения теплового источника превышало 7 сут. После выключения нагревного источника в нижней атмосфере вблизи его действия остается круговой квазигеострофический вихрь. Нелинейные процессы ведут к постоянному нарушению геострофического равновесия. Моделирование АГВ, возбуждаемых указанными вихрями производилось в области атмосферы на высотах 0 - 500 км с горизонтальными размерами, равными длинам широтных и долготных кругов. Граничные условия на горизонтальных границах предполагают непрерывность гидродинамических полей в точках сшивания широтных и долготных кругов. Численное моделирование показывает существование АГВ, распространяющихся от области атмосферного вихря и достигающих высот верхней атмосферы. Это можно считать иллюстрацией процессов постоянной генерации АГВ в процессе геострофического приспособления.
В7. Выполнено численное исследование тепловых эффектов АГВ в средней и верхней атмосфере при изменениях фоновых полей температуры под воздействием солнечной активности (СА). Численное моделирование нелинейных АГВ, генерируемых на поверхности земли и распространяющихся в термосферу показывают что характеристики волн зависят от изменений средней плотности, температуры, молекулярной диссипации и состава из-за изменений СA. Амплитуды волновых возмущений температуры, в основном, больше при высокой СА на высотах больших 150 км из-за большей средней температуры и меньшей молекулярной теплопроводности. Увеличенные кинематические коэффициенты молекулярной теплопроводности и вязкости приводят к уменьшению амплитуд АГВ на высотах более 150 км при низкой СА. Диссипирующие АГВ обычно производят нагрев на высотах меньших 120 км. На больших высотах, АГВ обычно нагревают термосферу при низкой СА и охлаждают ее при высокой СА. Волновые потоки энтальпии при высокой СА, главным образом, направлены вверх ниже 120 км и направлены вниз выше 150 км, где они могут иметь направления, противоположные восходящим волновым потокам энергии. Направленные вниз волновые потоки энтальпии соответствуют охлаждению верхней атмосферы при высокой СА.
Нелинейные диссипирующие АГВ могут создавать восходящий и нисходящий перенос массы в атмосфере. Эти потоки массы могут производить адиабатические притоки тепла в верхней атмосфере. Главным образом положительные остаточные потоки массы, наведенные волнами на высотах больших 150 км могут способствовать волновому охлаждению верхней атмосферы. Разрушение волн и взаимодействия между волнами и средним потоком в нелинейной модели сильнее при высоких амплитудах приземных источников АГВ, что приводит к большим потерям энергии для волн с большой амплитудой. При высокой СА, результирующие эффекты в термосфере зависят от баланса между, с одной стороны, увеличением амплитуд волн, из-за более слабой молекулярной диссипации и меньшим переходом энергии волны к среднему течению и, с другой стороны, уменьшением амплитуд из-за большей плотности и большего отражения АГВ. Тепловое воздействие волн в верхней атмосфере может зависеть от конкуренции между нагреванием из-за диссипации восходящего волнового потока энергии и охлаждением из-за дивергенции нисходящего волнового потока энтропии (или потенциальной энтальпии). При высокой СА, большие средние температуры и большие возмущения температуры могут усилить нисходящие волновые потоки энтропии, которые могут привести к более частым нисходящим волновым потокам энтальпии и к охлаждению верхней атмосферы волнами.
В8. Выполнено включение модернизированной параметризации динамического и теплового воздействия ВГВ в модель верхней и средней атмосферы (МСВА), которая рассчитывает общую циркуляцию, планетарные и приливные волны в атмосфере. Результаты этого моделирования показали, что одной из причин изменения средней температуры в верхней атмосфере может быть тепловое влияние ВГВ. Солнечная активность (СА) изменяет термосферную температуру, плотность, диссипацию и статическую стабильность, которые могут влиять на условия распространения ВГВ. Использование нелинейной модели высокого разрешения показало, что динамическое и тепловое воздействие ВГВ на фиксированной высоте в термосфере при увеличении СА зависит, с одной стороны, от увеличения амплитуд волн из-за уменьшения молекулярной вязкости и уменьшения перехода энергии волны к среднему ветру и, с другой стороны, от уменьшения амплитуды из-за увеличенной плотности и усиления отражения ВГВ. Анализ волновых ускорений и притоков тепла, даваемых параметризацией ВГВ в МСВА, показал их существенные значения на высотах более 80 – 100 км. Изменения волновых ускорений и притоков тепла при изменениях солнечной активности могут влиять на средние температуру, ветер и волноводы для стационарных планетарных волн (СПВ), особенно в нижней термосфере. Таким образом, воздействие параметризации ВГВ в модели МСВА приводит к изменениям среднего ветра и температуры в термосфере, которые, в свою очередь, могут приводить к изменениям отражения СПВ, распространяющихся из нижней атмосферы и к изменениям динамического и теплового воздействия СПВ в средней атмосфере.
В9. Выполнено численное моделирование нелинейных взаимодействий двух спектральных гармоник ВГВ.
В этом исследовании волновые источники содержат суперпозицию двух гармоник АГВ с разными периодами, длинами волны и фазовыми скоростями. Результаты моделирования показали, что длиннопериодные АГВ могут менять фоновые условия для распространения короткопериодных волновых мод. Таким образом, крупномасштабные АГВ могут модулировать амплитуды мелкомасштабных волн. Взаимодействие крупномасштабной и мелкомасштабной волновых мод приводит к образованию мелкомасштабных структур в атмосфере. Поэтому, взаимодействия двух волн могут обострять вертикальные температурные градиенты и облегчать разрушение волн и генерацию турбулентности. С другой стороны, мелкомасштабные волны могут усиливать диссипацию и изменять крупномасштабные моды. Поэтому, суперпозия двух АГВ имеет амплитуды меньше суммы амплитуд этих волновых составляющих. Диссипирующие АГВ могут создавать как нагревание, так и охлаждение верхней атмосферы.
По результатам проекта опубликовано 19 научных работ: 5 статей в журналах Web of Science, 1 статья в изданиях РИНЦ и 13 тезисов докладов на международных конференциях. Кроме этого, сданы в печать 2 статьи в журналы 2-го квартиля Web of Science, и заявлен 1 доклад на Генеральной Ассамблее Европейского Союза Геонаук (см. прилагаемые файлы).
Статьи в журналах 1-го и 2-го квартилей Web of Science:
1. Gavrilov N.M., Kshevetskii S.P., Koval A.V. Propagation of non-stationary acoustic-gravity waves in thermospheric temperatures corresponding to different solar activity. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2018, Том 172, DOI 10.1016/j.jastp.2018.03.021, стр. 100-106.
2. Koval A.V., Gavrilov N.M., Pogoreltsev A.I., Shevchuk N.O. Reactions of the middle atmosphere circulation and stationary planetary waves on the solar activity effects in the thermosphere. J. Geophys. Res.: Space Physics, 2019, v. 124, DOI 10.1029/2019JA027392.
Другие журналы Web of Science
3. Gavrilov N.M., Kshevetsky S.P. Features of the supersonic gravity wave penetration from the Earth's surface to the upper atmosphere. Radiophysics and Quantum Electronics, 2018, Том 61, № 4, DOI: 10.1007/s11141-018-9885-4, стр. 243-252.
4. Попов А.А., Гаврилов Н.М., Андреев A.A., Погорельцев А.И. Межгодовые изменения интенсивности мезомасштабных вариаций ночного свечения гидроксила в Алма-Ате. Солнечно-земная физика, 2018, Том 4, № 2, стр. 102-108.
Б. 1 статья в изданиях РИНЦ:
5. Popov A.A., N. M. Gavrilov, A. B. Andreev, and A. I. Pogoreltsev .Seasonal and interannual variability of temperature and gravity wave intensity from hydroxyl emission observations in Alma Aty. Atmosphere, ionosphere. safety: Part 1.. ред. / I. V. Karpov. Том 1 Kaliningrad : Издательство Балтийского федерального университета им. И. Канта, 2018. стр. 201-205.
В. 2 статьи, сданные в печать в журналах Web of Science (см. тексты в прилагаемых файлах 1 и 2):
7. Gavrilov N. M., Kshevtskii S. P., Koval A. V. Thermal effects of nonlinear acoustic-gravity waves in the upper atmosphere at high and low solar activity. J. Atmos. Solar-Terr. Phys., 2019, 184, in press. (см. прилагаемый файл)
8. Popov A. A., Gavrilov N. V., Perminov V. I., Pertsev N. N., Medvedeva I. V. Long-term changes in the mesoscale variations of hydroxyl rotational temperature near the mesopause at Tory and Zvenigorod. J. Atmos. Solar-Terr. Phys., 2019, 184, in press. (см. прилагаемый файл)

В. 12 тезисов докладов на международных конференциях см п. "Аппробация результатов"

Заключение
Участники данного проекта разработали уникальную трехмерную численную модель, описывающую распространение нелинейных АГВ через атмосферу от земной поверхности до термосферы. Численная схема корректно учитывает фундаментальные законы сохранения массы, импульса и энергии, а также закон увеличения энтропии. Эта модель позволяет получить физически правильные обобщенные решения гидродинамических уравнений, а также обеспечить устойчивость численной схемы в области разрушения нелинейных волн в турбулентность, где многие вычислительные алгоритмы становятся неприменимыми. В сочетании с большим диапазоном исследуемых высот, этот стабильный алгоритм делает указанную численную модель уникальной и не имеющих аналогов.
Численное моделирование нелинейных волн в рамках данного проекта позволило лучше понять механизмы динамического взаимодействия разных слоев атмосферы. В частности, были изучены процессы установления/вырождения волнового процесса в атмосфере после включения/выключения волнового источника. Промоделировано распространения гравитационных волновых (ГВ) мод , имеющих сверхзвуковые горизонтальные фазовые скорости на земной поверхности, которые могут возбуждаться низкочастотными спектральными составляющими поверхностных сейсмических волн, распространяющихся в земной коре с горизонтальными скоростями до нескольких км/сек. Выполнено численное моделирование распространения АГВ в фоновых полях, соответствующих различной солнечной активности (СА) и различным фазам крупномасштабных и мезомасштабных волновых структур. Выполнено численное моделирование генерации АГВ в процессе геострофического приспособления средних полей ветра и температуры. Эти результаты получены впервые и в настоящее время нам не известны аналогичные зарубежные публикации по прямому численному моделированию указанных процессов в атмосфере.
Изложенное выше позволяет считать, что разработанная авторами проекта 3-мерная численная модель разрушающихся нелинейных волн и турбулентности, работающая в широкой области высот (0-500 км), в настоящее время практически не имеет зарубежных аналогов. Включение сил Кориолиса в численную модель нелинейных АГВ позволяет изучать крупномасштабные волны и процессы генерации АГВ в процессе геострофического приспособления. Уточнение параметризаций динамического и теплового воздействия АГВ и их включение в численную модель общей циркуляции позволило получить новые данные о взаимодействии движений разного масштаба и их влияния на циркуляцию атмосферы на разных высотах.

Academic ownership of participants (text description)

Гаврилов Николай Михайлович - анализ данных измерений и численного моделирования, да.
Ефимов Матвей Максимович - анализ баз данных метеорологического реанализа, да.
Коваль Андрей Владиславович - проведение численного моделирования, да.
Мануйлова Рада Олеговна - оценки теплового эффекта атмосферных волн, да.
Попов Андрей Алексеевич - анализ наблюдений ночных свечений, да.
Сигачев Петр Константинович - исследование волновых вариаций в верхней атмосфере.

Transfer of the full copy of the report to third parties for non-commercial use: permitted/not permitted

разрешается

Check of the report for improper borrowing in external sources (plagiarism): permitted/not permitted

разрешается
Short title__
AcronymRFBR_a_2017 - 3
StatusFinished
Effective start/end date23/03/1915/12/19