Сведения о фактическом выполнении плана работы в отчетный период

1.5. Обработка данных наблюдений вариаций интенсивности ночной эмиссии гидроксила и температуры на высоте мезопаузы на станциях Иркутск (52.3°N,104.3˚E), Алматы (43.2°N, 6.8˚E), Звенигород (55.7°N, 36.8˚E) и др. с целью выделения приливных компонент и зависимости их характеристик от долготы.
Распространение атмосферных волн, включая приливы, создает периодические возмущения скорости ветра, температуры и плотности. Эти возмущения могут влиять на скорость фотохимических реакций и создавать изменения интенсивности и других характеристик ночных эмиссий в верхней атмосфере. Таким образом, наблюдения вариаций ночных свечений можно использовать для определения параметров приливов и других атмосферных волн.
В течение отчетного периода, в соответствии с техническим заданием, численные алгоритмы и программы для определения параметров приливов по данным наблюдений вариаций характеристик ночных свечений на высотах 80 – 100 км, разработанные на предыдущем этапе работ по проекту, были применены для различных станций российской наблюдательной сети. Первый этап обработки данных включает спектральный анализ наблюдаемых вариаций ночных свечений для поиска интервалов наблюдений, подходящих для анализа приливов. Наблюдения характеристик ночных свечений верхней атмосферы проводятся на сети станций, расположенных на различных широтах и долготах.
Для наблюдений ночных эмиссий характерны перерывы вследствие изменений погоды и облачности во время ночных измерений. Поэтому был использован спектральный анализ методом Ломба-Скаргла, который применим для неравноотстоящих по времени данных (Lomb, 1976; Scargle, 1982). Спектральный анализ выполнялся для последовательных 60-дневных интервалов. На втором этапе обработки используется гармонический анализ путем аппроксимации наблюдаемых вариаций характеристик ночных свечений суммой 24-, 12-, 8- и 6-часовой гармоник, который выполняется методом наименьших квадратов. Такая аппроксимация позволяет определить не только амплитуды, но и фазы приливных составляющих с разными частотами. Исследование разностей фаз приливных колебаниях на станциях, разнесенных по долготе, позволяет определить зональные волновые числа приливных и планетарных волн.
Указанным методом проанализированы данные наблюдений вращательной температуры гидроксила ОН на высотах 85 – 90 км на станции Звенигород (56° с.ш., 37° в.д.), Торы (52° с.ш., 103° в.д.) и Маймага ((63°с.ш., 130°в.д.). Аппаратура, используемая в Звенигороде (спектрограф СП-50), Торах (спектрограф СП-48) и Маймаге (спектрограф СП-50) описаны в (Perminov et al., 2014; Шефов и др., 2006; Krassovsky, 1972; ). Углы зрения приборов 9°, 12°, 9°; зенитные углы наклона оптических осей 53°, 28°, 49° для указанных станций, соответственно. Это обеспечивает, в среднем, 70 – 100 измерений в течение безлунной безоблачной ночи. Вращательная температура молекул ОН* определялась по отношению заселенностей линий полосы ОН(6-2). Детальное описание методики наблюдений и первичного анализа данных можно найти в работе (Колтовской, 2017). Для анализа выбран интервал с июля 2013 г. по июль 2014 г, когда все три прибора вели наблюдения одновременно.
На рис. 1.5.1 и 1.5.2 показаны примеры изменений спектральной плотности на периодах 1 сут и 0.5 сут. в Звенигороде и Торах, соответственно. Красные линии показывают 7-точечное скользящее среднее. На рис. 1.5.1 для Звенигорода видна тенденция к увеличению амплитуд суточного и полусуточного приливов в зимние и летние месяцы с уменьшением амплитуд весной и осенью.
На рис. 1.5.2 для станции Торы видны аналогичные закономерности изменений амплитуд приливов в разные месяцы года. Вместе с тем, летний максимум амплитуды полусуточного прилива на правом графике рис. 1.5.2 в Торах выражен слабее, чем аналогичный максимум в Звенигороде на правом графике рис. 1.5.1. Это свидетельствует о долготных различиях в поведении характеристик атмосферных приливов.
1.6. Анализ нелинейных взаимодействий между отдельными мигрирующими приливными компонентами в области МНТ с использованием результатов модельных расчетов.
В ранних работах (Диденко и др., 2019) представлен метод анализа нелинейных взаимодействий стационарных планетарных волн, основанный на исследовании изменчивости возмущения потенциальной энстрофии (квадрат потенциального вихря Эртеля). Кроме взаимодействия стационарных планетарных волн с зональными волновыми числами mp=1 и 2 (СПВ1 и СПВ2) между собой, они взаимодействуют с суточными или полусуточными мигрирующими тепловыми приливами (mt=1 и 2). Вследствие этих взаимодействий возникают суточный и полусуточный немигрирующие тепловые приливы с m = mt ± mp. Также, необходимо проанализировать взаимодействие приливных составляющих между собой.
Для того, чтобы стало возможным рассмотреть нелинейные взаимодействия стационарных планетарных волн и приливов и/или приливных компонент между собой, были получены временные ряды амплитуд и фаз стоячих и распространяющихся на восток/запад планетарных волн, включая отдельные приливные составляющие. Для этого в качестве исходных данных были использованы результаты моделирования с использованием МСВА (модель средней и верхней атмосферы). Был получен ансамбль решений для условий нейтральной фазы Эль-Ниньо, западная фаза КДК (квазидвухлетнее колебание) и для анализа выбран один из членов ансамбля, когда моделировалось большое (major) внезапное стратосферное потепление в средине января. С использованием комплексного вейвлет преобразования Морле и данных МСВА были восстановлены поля температуры, зонального, меридионального ветра, вертикальной скорости и возмущения потенциального вихря Эртеля.
В качестве примера на рис. 1.6.1 показана временная изменчивость амплитудных спектров поля температур атмосферного прилива на 12,5° с. ш. Результаты позволили определить периоды восстановления данных не только для мигрирующих, но и для немигрирующих приливов. В дальнейшем можно проанализировать генерацию приливных компонент отдельно, используя отфильтрованные амплитуды и фазы. На рис. 1.6.1а наблюдается немигрирующий прилив с периодом 12 часов m=1. Для восстановления амплитуды данного прилива необходимо задать периоды 0.3-0.7. Немигрирующий прилив с m=1 и периодом 8 часов не наблюдается.
Метод анализа нелинейных взаимодействий планетарных волн, в том числе солнечных тепловых приливов, основан на исследовании сохранения возмущенной потенциальной энстрофии. В этом случае рассчитываются слагаемые, отвечающие за нелинейные взаимодействия в уравнении баланса потенциальной энстрофии. Чтобы получить уравнение баланса, уравнения сохранения потенциального вихря Эртеля умножается на его возмущение. Общий вид баланса возмущенной потенциальной энстрофии в лог-изобарической системе координат – выражение 1.6.1. Слагаемое в левой части уравнения определяется как мера временной изменчивости волновой активности. Первое и второе слагаемые в правой части описывают взаимодействия по типу волна-волна и волна-средний поток, соответственно. Следующее слагаемое отвечает за адвективный перенос потенциальной энстрофии. Последнее в правой части описывает изменения возмущенной потенциальной энстрофии из-за диабатического нагрева. Это слагаемое также включает вклады в уравнение импульса от гравитационных и инерционно-гравитационных волн.
Учитывая метод генерации вторичных планетарных волн, показанный в работе (Pogoreltsev, 2001), уравнения, аналогичные уравнению 1.6.1 могут быть записаны для суточного и полусуточного мигрирующего прилива. Согласно этому методу, суточный мигрирующий прилив с mt=1 (СП) генерируется в результате нелинейного взаимодействия полусуточного мигрирующего прилива (ПП, mt = 2) – СП, а также восьмичасового мигрирующего прилива (8чП, mt = 3) с ПП; полусуточный мигрирующих прилив генерируется в результате самовзаимодействия СП и взаимодействия 8чП – СП. В результате уравнение баланса возмущенной потенциальной энстрофии для суточного и полусуточного мигрирующих приливов, где подстрочные индексы обозначают зональное волновое число – уравнения 1.6.2 и 1.6.3, соответственно.
Амплитуды и фазы приливных компонент, полученные с помощью комплексного вейвлет преобразования Морле, использовались для анализа нелинейных взаимодействий между мигрирующими атмосферными приливами и средним потоком, а также между собой. На рис. 1.6.2-1.6.3 показаны результаты расчета слагаемых в уравнениях 1.6.2 и 1.6.3 на 95 км, усредненные по полосе широт 52.5–62.5° с.ш. с весом косинус широты, а на рис. 1.6.4-1.6.5 показаны результаты расчета слагаемых на 95 км, усредненные по полосе широт 22.5–37.5° с. ш. Панели (а) показывают временную изменчивость волновой активности; (b) и (c) - взаимодействие между мигрирующими приливами; (d) - взаимодействие между приливом и средним потоком. Значения по оси ординат приведены в единицах 1012(кг∙м–3)2∙PVU2/сут, где 1PVU (Potential Vorticity Unit) = 10–6 K∙м2∙кг–1∙с–1. Результаты расчета показывают, что на высоте 95 км вклад слагаемых, ответственных за нелинейное взаимодействие между приливами, сравним с вкладом остальных слагаемых. На результаты влияет сильная изменчивость атмосферных приливов, особенно суточных, а также сильная изменчивость наблюдается в низких широтах. Кроме того, в низких широтах изменение волновой активности суточного прилива определяется в равной степени нелинейными взаимодействиями между приливами и приливами со средним потоком – рис. 1.6.4. Изменение волновой активности полусуточного прилива в два раза меньше суточного и определяется взаимодействием волны со средним потоком – рис. 1.6.5.
2.4 Определение относительного вклада различных приливных компонент и планетарных волн (Россби-гравитационные волны и волны Кельвина) в формирование ОМЦ на высотах МНТ.
Используемая нами в рамках данного проекта Модель общей циркуляции средней и верхней атмосферы МСВА позволяет не только анализировать амплитуды планетарных волн, но и провести оценку влияния различных планетарных волн на общую циркуляцию атмосферы, и, в частности, на ОМЦ.
Для задания источников ПВ в МСВА используются дополнительные слагаемые в уравнении теплового баланса, имеющие форму зависящих от времени синусоидальных гармоник с зональными волновыми числами m = 1 и m = 2 и периодами, совпадающими с моделируемыми ПВ. Для задания широтной структуры компонент ПВ параметризация использует соответствующие функции Хафа, полученные с помощью метода, описанного Swarztrauber and Kasahara (1985). Периоды ПВ равны резонансному отклику атмосферы на волновое воздействие на нижней границе (Погорельцев, 1999). Нами были рассмотрены ПВ, распространяющиеся на запад (нормальные атмосферные моды, НАМ) (1,1), (1,2), (1,3), (2,1) и (2,2) в классификации Longuet-Higgins (1968), которые имеют периоды около 5, 10, 16 дней с зональным числом 1, а также 4 и 7 дней с зональным числом 2. При этом, источники ПВ, заданные в МСВА, дают амплитуды моделируемых волн, сопоставимые с наблюдаемыми в стратосфере (Koval et al., 2018). Кроме этого, исследовались распространяющиеся на восток волны Кельвина: от ультрабыстрых до медленных (с периодами около 33, 90, 168 и 336 часов).
Была проведена серия экспериментов для выявления влияния различных волновых компонент на изменчивость ОМЦ: был проведен референсный прогон модели для расчета атмосферной циркуляции для января-февраля, а также прогоны с выключенными источниками каждой из рассматриваемых волн. Амплитуды и фазы НАМ были получены с использованием разложения в ряды Фурье долготного распределения геопотенциальной высоты на 4 гармоники. Далее проводилась аппроксимация по методу наименьших квадратов к заданному периоду колебаний.
Результаты моделирования представлены на рисунке 2.4.1. Для волн с периодом около пяти дней амплитуды волн сильно зависят от источников, однако в южном полушарии в средних широтах в верхней мезосфере и нижней термосфере присутствует и иной источник генерации волн, связанный, очевидно, с нелинейными взаимодействиями других волн. Для волн с десятидневным периодом приблизительно на тех же высотах и широтах влияние этого источника усиливается. Для 16-дневной амплитуда в южном полушарии, на уровне 80-110 км мало зависят от заданного в тропосфере источника. Следовательно, при увеличении периода волны в южном полушарии становятся менее зависимы от источника.
Таким образом, был обнаружен интересный эффект: мы предположили, что основным источником 16-дневной волны в южной нижней термосфере в МСВА является нелинейное взаимодействие 5- и 7-дневной волны, амплитуды которых имеют максимумы в этом регионе (см. рис. 2.4.1 а и г, слева). Когда сигнал, состоящий из двух косинусоидальных волн с зональными волновыми числами и частотами (m1, ω1) и (m2, ω2), проходит через некоторую нелинейную квадратичную систему, то сигналом на выходе этой системы будет являться вторичная волна (2m1, 2ω1), (2m2, 2ω2), (m1–m2, ω1–ω2) или (m1+m2, ω1+ω2) (например, Spizzichino, 1969). С целью косвенного подтверждения указанной гипотезы, был проведен контрольный расчет МСВА, в котором был выключены источники всех трех волн: 16-, 5- и 7-дневной. В результате, при отсутствии взаимодействия между 5- и 7-дневной волнами, амплитуда 16-дневной волны в рассматриваемом регионе южного полушария уменьшилась на порядок. Однако, для более точного определения этого предполагаемого механизма, необходимо в явном виде рассчитать вклад нелинейных слагаемых в уравнении баланса возмущенной потенциальной энстрофии. Такая работа запланирована на следующий этап проекта.
На рисунке 2.4.2 представлены амплитуды вариаций геопотенциальной высоты при включенных и выключенных волнах Кельвина. В отличие от классических НАМ, волны Кельвина локализуются в низкоширотной области. Более короткопериодные волны Кельвина в тропических широтах в нижней мезосфере меньше зависят от тропосферного источника. Волны же с большим периодом, например быстрые волны Кельвина, обусловлены именно своим тропосферным источником, их генерация внутренними атмосферными источниками отсутствует.
Для каждого из модельных экспериментов, со включенными источниками ПВ с модели, а также с выборочным отключением источников волн, была рассчитана остаточная меридиональная циркуляция (ОМЦ)
На высотах верхней мезосферы на рисунке 2.4.3а показана меридиональная циркуляция из летнего полушария (ЮП) в зимнее (СП). Стрелками показана структура ОМЦ. Расчеты выявили наибольшую чувствительность ОМЦ к воздействию 5-дневной НАМ (рис. 2.4.3в). При этом, как было показано на рис. 2.4.1а, максимальные амплитуды 5-дневной волны наблюдаются в южной нижней термосфере. Именно в этой области приращения ОМЦ максимальны, при этом включение 5-дневной волны способствует усилению ОМЦ до 10%. Усиление вертикальной компоненты ОМЦ в высокоширотной нижней термосфере способствует адиабатическому охлаждению этой области на рис. 2.4.3в. В отличие от 5-дневной волны, вклад других рассмотренных волн максимален в северном полушарии. При этом приращения скорости циркуляции и температуры значительно меньше, чем в случае 5-дневной волны.

2.5 Оценка динамического и теплового состояния средней атмосферы высоких широт на основе модельных данных и данных реанализа.
В этой части были продолжены и расширены успешно начатые работы по изучению динамического и теплового состояния высокоширотной атмосферы, при этом высотный диапазон был расширен до термосферы. Была детализирована технология определения фаз КДК, отработанная в первый год. В частности, сигнал КДК в поле низкоширотного зонального ветра при помощи эмпирических ортогональных функций раскладывался на 8 фаз, и были рассмотрены 2 фазы, соответствующие восточной фазе КДК и две – западной. Проведены новые ансамблевые расчеты МСВА до высот 160 км, на основе этих расчетов изучены как зональная циркуляция для января-февраля, так и остаточная циркуляция, а также структуры приливов и планетарных волн для разных фаз КДК в Северном полушарии. Помимо этого, было проведено сравнение глобальной циркуляции при разных фазах КДК между проведенными модельными расчетами и данными реанализа MERRA-2 (до 60 км) и эмпирическими моделями горизонтального ветра и температуры (HWM-14; NRLMSIS 2.0). Основные результаты исследования, использованные методы определения фаз КДК на основе эмпирических ортогональных функций, сравнение с доступными сторонними данными, а также результаты расчетов влияния изменения фаз КДК до высот термосферы представлены в статье JGR: Atmospheres (Koval et al., 2022). С целью более детального анализа изменений ОМЦ в стратосфере, мы рассмотрели меридиональные и вертикальные компоненты ОМЦ, осредненные по различным широтным интервалам. Весь диапазон широт был разделен на три промежутка между точками разворота: широтами, где стратосферный остаточный вертикальный ветер меняет свой знак. Используя этот подход, мы получили область тропического стратосферного апвеллинга между 50 ° ю.ш. и 15 ° с.ш и внетропический даунвеллинг к полюсам от этих широт (Коваль и др., 2022).
Помимо представленных в статьях результатов, с использованием Фурье-разложения и аппроксимации по методу наименьших квадратов, для рассматриваемых ансамблей численных расчетов МСВА для двух фаз КДК были рассчитаны амплитуды вариаций гидродинамических параметров атмосферы от поверхности до 270 км за счет приливов и планетарных волн. На рис. 2.5.1-2.5.3 представлены образцы результатов расчетов. В частности, на рис 2.5.1 показано широтно-высотное распределение амплитуд вариаций поля зонального ветра суточным и полусуточным приливами. Слева представлены величины при восточной фазе КДК, справа разности (зКДК - вКДК). Хорошо различима симметричная структура колебаний относительно экватора, а также локальные максимумы на высотах МНТ. Показаны статистически значимые положительные приращения амплитуд суточного прилива в низких и средних широтах, в диапазоне высот 50-120 км, при зКДК. В термосфере, в южном полушарии преобладают, наоборот, отрицательные приращения. Эти приращения сопровождаются, соответственно, усилением и ослаблением волновой активности: для этих целей были рассчитаны потоки Элиассена-Пальма. В отличие от приливов, активность которых ожидаемо максимально на низких широтах, приращения ПВ (правые панели рис. 2.5.2 и 2.5.3) преобладают именно в высокоширотной зимней атмосфере. При этом, ослабление СПВ1 в стратосфере сопровождается ослаблением ее волновой активности и усилением циркумполярного вихря при зКДК. Публикация с соответствующим анализом результатов в настоящее время готовится.
3.1 Ансамблевые расчеты с использованием МСВА для зимних месяцев Северного полушария для различных фаз КДК и ЭНЮК (в различной комбинации).
Для оценки влияния тропических осцилляций (ЭНЮК и КДК) на термодинамический режим средней и верхней атмосферы, с помощью модели МСВА проводились ансамблевые расчеты с заданием различных комбинаций тропических осцилляций. Чтобы воспроизвести КДК в модели МСВА, используется дополнительное слагаемое в уравнении импульса для зонального ветра, которое пропорционально разнице между рассчитанными и наблюдаемыми зонально-осредненными величинами на широтах между 17,5 ° ю.ш. и 17,5 ° с.ш. и высотах от 0 до 50 км (т.н. процедура nudging). Были выбраны отдельные годы с западными и восточными фазами КДК по данным MERRA (Rienecker et al. 2011), и вычислены средние зонально-осредненные распределения зонального ветра и температуры. При этом для определения фаз КДК в сигнале экваториального зонального втера использовалось разложение сигнала на эмпирические ортогональные функции, как описано в разделе 2.5 данного отчета и в Koval et al., 2022. Для задания разных фаз ЭНЮК в модели МСВА используется параметризация нагрева в тропиках за счет выделения скрытого тепла, вызванного процессом конденсации в системах глубокой конвекции на основе данных о конвективных осадках, полученных из ретроспективного анализа MERRA. Распределение интенсивности осадков разное для лет в условиях Эль Ниньо и Ла Нинья. Распределение скоростей нагрева рассчитывается с использованием эмпирической формулы, предложенной авторами работы (Hong and Wang, 1980).
На рисунке 3.1.1 представлено распределение среднезональной температуры (а) и среднезональной компоненты зонального ветра (с) в условиях отрицательной фазы ЭНЮК (Ла-Нинья) и восточной фазы КДК для Северного и Южного полушарий. Область низких температур (до 240 К) над зимним полушарием достигает высоты 50 км. Выше наблюдается повышение температуры до 260 К. Панели 3.1.1b и 3.1.1d демонстрируют разницу в поле среднезональных температуры и зональной компоненты ветра соответственно между условиями восточной и западной фаз КДК (фаза ЭНЮК отрицательная). Наблюдается повышение температуры (на 7 К) в стратосфере высоких широт зимнего полушария и понижение в мезосфере (до 5 К) при восточной фазе КДК относительно западной. Зональная компонента сильнее (до 5 м/с) в умеренных и высоких широтах на высотах стратосферы и нижней мезосферы. От 30° с.ш. до 60° с.ш. зональная компонента существенно слабее (до 20 м/с) в верхней стратосфере и мезосфере.
При анализе рисунка 3.1.2 (положительная фаза ЭНЮК, левые панели построены для восточной фазы КДК), очевидно, что результаты моделирования показывают более низкие температуры над Северным полюсом при Эль Ниньо (3.2а), зональный ветер слабее на 20 м/с в верхней стратосфере и нижней мезосфере в зоне от 30° с.ш. до 60° с.ш. Панели 3.1.2b и 3.1.2d демонстрируют разницу в поле среднезональных температуры и зонального ветра соответственно между условиями восточной и западной фаз КДК (фаза ЭНЮК положительная). Полярная стратосфера при таких условиях ЭНЮК теплее на 10 К при восточной фазе КДК, в мезосфере наблюдается обратная ситуация. Приполярный зональный ветер в стратосфере имеет скорость больше при западной фазе КДК.
Подводя итог, следует отметить, что, анализируя осредненный результат четырех ансамблей (5 прогонов модели в каждом), развитие ВСП более вероятно при восточной фазе КДК в условиях обеих фаз ЭНЮК, аномалия температуры, однако, будет выше в условиях Эль Ниньо. В совокупности это делает условия циркуляции при Эль Ниньо и вКДК наиболее предпочтительными для возникновения ВСП.
3.2 Обработка данных моделирования с целью выделения событий ВСП, как классических зимних (major/minor), финальных (final), а также “высоких” (high SSW). Создание композитов ВСП для условий января – февраля, а также финальных ВСП при различных фазах КДК и ЭНЮК.
После включения в модель МСВА параметризации нормальных атмосферных мод появилась возможность внутренними средствами модели (без задания дополнительных триггеров) воспроизводить события ВСП, включая главные («major»). Для анализа атмосферной циркуляции использовались ансамбли расчетов, построенные по результатам работы над пунктом 3.1 данного отчета. Использовались 4 ансамбля, состоящие из 5 членов, для каждой из четырех возможных комбинаций КДК и ЭНЮК. Для начала была проанализирована зональная компонента горизонтального ветра, температура и амплитуды планетарных волн с зональным числом 1 и 2, с целью определить даты ВСП в условиях зимы и весны в северном полушарии. На рис. 3.2.1-3.2.4 представлены примеры временного хода среднезонального зонального ветра на 62.5° СШ и отклонения от средней за январь-февраль температуры на 87.5° СШ для различных комбинаций КДК и ЭНЮК. Как и ожидалось, при западной фазе КДК волновая активность ПВ в высоко- и среднеширотной стратосфере слабее, чем при восточной фазе, вне зависимости от ЭНЮК. Это сопровождается более сильным и устойчивым полярным вихрем. В таких условиях ослабляется взаимный обмен энергии между планетарными волнами и средним потоком, что приводит к тому, что ВСП наблюдаются значительно реже, чем при восточной фазе, что подтверждается наблюдениями. При фазе Эль-Ниньо полярных вихрь слабее и теплее, чем при Ла-Нинья, что, в свою очередь, усиливает вероятность появления ВСП. Таким образом, как показал анализ ансамблей МСВА, комбинация Эль-Ниньо и восточной фазы КДК является наиболее предпочтительной для возникновения главных ВСП, как на рис. 3.2.1. Из 5 прогонов модели главное ВСП формировалось 3 раза. Обратная ситуация наблюдается в комбинации Ла-Нинья и западной фазы (рис. 3.2.4) ВСП как правило не наблюдается. Из 5 прогонов модели ВСП не наблюдалось. Проведенные аналогичные тестовые расчеты с помощью МСВА для марта месяца показали схожие тенденции к возникновению финальных ВСП. В дальнейшем планируется проанализировать данные реанализа MERRA-2, уже подобраны годы с разными фазами КДК и ЭНЮК, а также провести статистический анализ структуры ОМЦ на разных стадиях ВСП, возбуждающихся при различных фазах этих осцилляций.

Ссылки:

•Диденко К.А., Ермакова Т.С., Коваль А.В., Погорельцев А.И. Диагностика нелинейный взаимодействий стационарных планетарных волн // Ученые записки РГГМУ. 2019. № 56. C. 19–29.
•Коваль А. В., Гаврилов Н. М., Погорельцев А. И., Ефимов М. М., (2022) Моделирование остаточной меридиональной циркуляции в разные фазы квазидвухлетнего колебания // Известия РАН. Физика атмосферы и океана, Т. 58, № 1, с. 27-36. DOI: 10.31857/S0002351522010059
•Колтовской И. И. Исследование волновых поцессов в области высокоширотной мезопаузы по излучению молекул гидроксила и кислорода. /Автореферат кандидатской диссертации. Якутск. 2017. 16c.
•Шефов Н.Н., Семенов А.И., Хомич В.Ю. Излучение верхней атмосферы – индикатор ее структуры и динамики // M.: ГЕОС. 2006. 741c.
•Gavrilov, N.M., Efimov, M.M. Automated determination of the dates of sudden stratospheric warming // Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2021, 11916, 119167T
•Hong S-S, Wang P-H (1980) On the thermal excitation of atmospheric tides. Bull Geophys 19:56
•Koval, A.V., Gavrilov, N.M., Pogoreltsev, A.I., Kandieva, K.K. (2022) Dynamical impacts of stratospheric QBO on the global circulation up to the lower thermosphere // Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 127, e2021JD036095. DOI 10.1029/2021JD036095
•Koval, A. V., Gavrilov, N. M., Pogoreltsev, A. I., & Shevchuk, N. O. (2018). Influence of solar activity on penetration of traveling planetary-scale waves from the troposphere into the thermosphere. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 123. (8), 6888-6903, doi: 10.1029/2018JA025680
•Lomb N. Least-squares frequency analysis of unequally spaced data // Astrophysics and space science. 1976. V. 39. №. 2. P. 447–462.
•Longuet-Higgins, M. S. (1968) The eigenfunctions of Laplace's tidal equation over a sphere // Philos. T. R. Soc. Lond. 262: 511-607
•Krassovsky V.I. Infrasonic variations of OH emission in the upper atmosphere // Annales de Géophysique. 1972. V. 28. P. 739-746.
•Perminov, V.I., Semenov, A.I., Medvedeva, I.N., Pertsev, N.N., 2014. Temperature variability in the mesopause region according to hydroxyl-emission observations at midlatitudes. Geomag. Aeronomy 54(2), 230-239. https://doi.org/10.1134/S0016793214020157.
•Pogoreltsev A.I. Numerical simulation of secondary planetary waves arising from the nonlinear interaction of the normal atmospheric modes // Phys. Chem. Earth (Part C). 2001. V. 26. No. 6. P. 395–403.
•Rienecker MM et al (2011) MERRA: NASA’s modern-era retrospective analysis for research and applications. J Climate 24(14):3624–3648. https://doi.org/10.1175/JCLI-D-11-0001
•Scargle, J. D. Statistical aspects of spectral analysis of unevenly spaced data // Astrophysical Journal, Part 1, 1982. V. 263. P. 835-853.
•Spizzichino A. Etude des interactions entre les differentes composantes du vent dans la haute atmosphere // Ann. Geophys. 1969. V. 25. № 4. P. 773–783.
•Swarztrauber, P. N., Kasahara, A., 1985. The vector harmonic analysis of Laplace's tidal equations // SIAM J. Sci. Stat. Comp. 6, 464-491

Сведения о достигнутых конкретных научных результатах в отчетном периоде
1.5 База данных выделенных приливных компонент в МНТ области, включая их долготные зависимости.
Одним из результатов работы по п.1.5 плана исследований по проекту явилось создание базы данных приливных компонент в МНТ области по данным наблюдений вращательной температуры ОН. В базе данных содержатся спектры временных рядов вращательной температуры ОН на станциях Звенигород, Торы и Маймага, разнесенных по долготе и широте. База данных содержит текстовые файлы, включающие данные за 2013 – 2014 гг. о спектральных плотностях вариаций вращательной температуры ОН на высотах 85 – 90 км с периодами 1 и 0.5 сут. Исходные данные о вращательной температуре ОН взяты из открытой базы данных результатов оптических наблюдений на станциях Звенигород, Торы и Маймага. Спектральный анализ неравнооотстоящих данных выполнен с применением стандартного алгоритма Ломба-Скаргла. Использованы скользящие по времени 60-дневные интервалы. База данных дает возможность изучения средних значений и изменчивости периодов, амплитуд и других спектральных характеристик суточного и полусуточного приливов. Методы получения этой информации описаны выше в п. 1.5 формы 1.3. База данных содержит полную информацию и не требует существенных процессорных мощностей для обработки данных. Потенциальные пользователи базы данных - академические и отраслевые институты, вузы, реализующие НИР в области метеорологии и климатологии, такие как Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова, Центральная аэрологическая обсерватория Росгидромета, Арктический и антарктический научно-исследовательский институт и др.
1.6 На основе модельных расчетов с использованием МСВА впервые будут сделаны оценки вклада различных слагаемых в уравнении баланса возмущенной потенциальной энстрофии для объяснения наблюдаемой временной изменчивости полусуточного мигрирующего прилива в МНТ области.
С использованием модельных расчетов МСВА (модель средней и верхней атмосферы) были изучены планетарные волны, в частности атмосферные тепловые приливы и их нелинейные взаимодействия. Амплитуды и фазы отдельных приливных составляющих с различными зональными волновыми числами и периодами были получены с помощью комплексного вейвлет преобразования Морле. Были определены необходимые периоды для восстановления немигрирующих приливов. Полученные амплитуды и фазы были использованы для расчета слагаемых в балансе возмущенной потенциальной энстрофии, описывающих нелинейные взаимодействия между планетарными волнами. Уравнение баланса позволяет оценить вклад слагаемых, отвечающих за изменчивость волновой активности во времени, взаимодействие между волнами и взаимодействие волны со средним потоком. На уровнях мезосферы/нижней термосферы вклад различных слагаемых в уравнение возмущенной потенциальной энстрофии сравним. Уменьшение волновой активности суточного прилива, сопровождается увеличением полусуточного в широтном поясе 52.5–62.5° с. ш., и изменения наблюдаются во время развития внезапного стратосферного потепления. Аналогичные результаты получены при анализе взаимодействия волны со средним потоком. Расчет взаимодействий по типу волна-волна показывает значительный вклад восьмичасового прилива в генерацию атмосферных приливов. Следует отметить, что генерация суточного прилива интенсивна до наступления внезапного стратосферного потепления, а полусуточного – во время его развития. Анализ вклада слагаемых в уравнение баланса на широтах 22.5–37.5° с. ш. также показывает вклад восьмичасового мигрирующего атмосферного прилива. Такой подход, полученные амплитуды и фазы могут быть использованы в исследовании генерации немигрирующих атмосферных тепловых приливов.
2.4 Широтно-высотные распределения амплитуд волновых и приливных атмосферных колебаний, результаты изменений структуры их волноводов в зависимости от изменений циркуляции, связанных с квазидвухлетними колебаниями низкоширотного зонального потока. Оценки влияния рассматриваемых волновых компонент на формирование и изменчивость ОМЦ.
Рассчитаны амплитуды волновых и приливных колебаний в средней и верхней атмосфере, произведена оценка чувствительности атмосферной циркуляции и ОМЦ к этим колебаниям в модели МСВА. Показано, что вклад каждой отдельно рассматриваемой волны в структуру ОМЦ слаб, однако, например, 5-дневаная волна, имеющая максимум амплитуды в МНТ области южного полушария, способна изменять скорость ОМЦ в этой области до 10%.
Продемонстрирован эффект генерации ПВ в средней атмосфере внутренними источниками: предположительно речь идет о нелинейном взаимодействии ПВ, в результате которого генерируется вторичная волна. Таким образом, на следующий год была сформулирована новая подзадача, заключающаяся в анализе нелинейных взаимодействий ПВ в средней атмосфере, которые способны генерировать вторичные волновые возмущения.
2.5 Результаты расчетов амплитуд приливных компонент и ПВ в средней атмосфере высоких широт на основе модельных данных и данных реанализа в численном и графическом виде.
Отработана новая технология определения фаз КДК на основе разложения экваториального зонального ветра на эмпирические ортогональные функции. Произведены ансамблевые расчеты атмосферной циркуляции для западной и восточной фаз КДК, полученные данные сопоставлены с данными реанализа и эмпирическими моделями горизонтального ветра и температуры. Получены статистически значимые результаты, иллюстрирующие, как изменения в структуре ПВ способствуют распространению эффектов КДК на высокие широты и в термосферу посредством изменения потока Элиассена-Палма (ЭП) и его дивергенции, либо через формирование индуцированной волнами вихревой составляющей меридиональной циркуляции. Основной вклад в охлаждение полярной зимней стратосферы при западном КДК вносит ослабление волновой активности, в частности, ослабление вертикального потока ЭП, что приводит к ослаблению направленного к полюсу потока тепла. Чувствительность вихревой циркуляции к изменению фазы КДК выше, чем у ОМЦ, что свидетельствует о том, что ПВ, распространяющиеся из нижней тропосферы, являются важнейшим механизмом переноса глобальных циркуляционных возмущений из экваториальной области КДК в полярные широты (Koval et al., 2022). При рассмотрении вертикальной и меридиональной составляющих ОМЦ по широтным интервалам, соответствующим стратосферному апвеллингу в низких широтах и даунвеллингу в высоких, было выявлено, что при западной фазе КДК по сравнению с восточной фазой наблюдается ослабление ОМЦ в интервале 20–30 км в зоне апвеллинга и даунвеллинга. В диапазоне 50 – 60 км наблюдается противоположный эффект – усиление ОМЦ при западной фазе (Коваль и др., 2022).
Помимо ОМЦ, проведено исследование структур приливов и ПВ. Для двух фаз КДК были рассчитаны амплитуды вариаций гидродинамических параметров атмосферы от поверхности до 270 км за счет приливов и планетарных волн. Показана чувствительность этих колебаний к изменению фазы КДК, в частности, при зКДК наблюдается увеличение амплитуд суточного прилива в низких и средних широтах, в диапазоне высот 50-120 км. В термосфере, в южном полушарии преобладают, наоборот, отрицательные приращения. Эти приращения сопровождаются, соответственно, усилением и ослаблением волновой активности. Приращения ПВ преобладают в высокоширотной зимней атмосфере. Публикация с соответствующим анализом результатов в настоящее время готовится.
На основе отработанной новой технология определения фаз КДК были выбраны годы не только с восточной и западной фазами КДК, но и с переходными фазами (т.н. easterly-shear и westerly-shear). В результате, на следующий этап проекта удалось сформулировать новую задачу: исследовать особенности внетропической циркуляции, а также ОМЦ в переходные фазы КДК. Эта новая задача позволит нам расширить представления об особенностях динамики атмосферы и о дальних связях – взаимодействиях между тропическими и внетропическими регионами.
3.1 Базы данных статистически обработанных полей гидродинамических параметров атмосферы для зимних месяцев для изучения совместного влияния КДК и ЭНЮК на атмосферную циркуляцию и волновые структуры, воздействующие на формирование ОМЦ.
С помощью численной модели общей циркуляции средней и верхней атмосферы «МСВА» были получены ансамбли решений для различных условий Эль-Ниньо – Южное колебание (ЭНЮК) и квазидвухлетнего колебания зонального ветра в экваториальной стратосфере (КДК). База данных основных рассчитываемых моделью параметров представлена на сайте Лаборатории моделирования средней и верхней атмосферы ЛМСВА в директории http://ra.rshu.ru/files/MUAM_ENSO_QBO_archive.
База данных включает в себя рассчитанные поля зональной и меридиональной скоростей ветра, температуры и геопотенциала для января в следующих комбинациях: Эль-Ниньо/восточная фаза КДК, Эль-Ниньо/западная фаза КДК, Ла-Нинья/восточная фаза КДК и Ла-Нинья/западная фаза КДК. Для каждой комбинации были рассчитаны ансамбли, состоящие из 5 модельных решений (файлы помечены _1…_5).
В директории MUAM_ENSO_QBO_archive на сайте лаборатории в папках /EL_eQBO_1/… /EL_eQBO_5/; /EL_wQBO_1/…/EL_wQBO_5/; /LA_eQBO_1/…/LA_eQBO_5/; /LA_wQBO_1/…/LA_wQBO_5/ представлены результаты обработки ансамблей решений. Файлы gh_a0_Jan/_/.dx, zw_a0_Jan/_/.dx и tp_a0_Jan/_/.dx содержат среднезональные значения геопотенциала, зонального ветра и температуры, соответственно. Амплитуды и фазы ПВ в геопотенциале с зональными волновыми числами m=1, 2, 3, 4 содержатся в файлах gh_m1_Jan/_/.dx … gh_m4_Jan/_/.dx. Аналогично, амплитуды и фазы планетарных волн в зональном ветре и температуре представлены в файлах zw_... и tp_... Кроме того, в папке /UVT_ave/ представлены осредненные по 5 членов ансамбля распределения полей гидродинамических величин для указанных выше комбинаций ЭНЮК и КДК. Осредненные поля были обработаны и получены результаты для среднезональных значений температуры и зонального ветра – файлы: tp_a0_aveJ_EL_eQ.dx, tp_a0_aveJ_EL_wQ.dx, tp_a0_aveJ_LA_eQ.dx, tp_a0_aveJ_LA_wQ.dx, zw_a0_aveJ_EL_eQ.dx, zw_a0_aveJ_EL_wQ.dx, zw_a0_aveJ_LA_eQ.dx, zw_a0_aveJ_LA_wQ.dx. Амплитуды и фазы планетарных волн в температуре и зональном ветре с зональными волновыми числами m=1, 2, 3, 4 содержатся в аналогичных файлах, если заменить a0 на m=1, 2, 3 или 4.
В дальнейшем, полученные данные будут применены для анализа изменения структур приливов, ПВ и ОМЦ на разных стадиях ВСП, а также будет произведено сравнение с данными реанализов.
3.2 Базы данных композитных явлений ВСП различных типов и осредненных по временным интервалам в разные фазы ВСП гидродинамических полей с целью изучения изменчивости ОМЦ, амплитуд приливных колебаний во время ВСП, с учетом различных фаз КДК и ЭНЮК.
На основе представленных в предыдущем разделе массивов данных смоделированных гидродинамических параметров атмосферы для четырех возможных совместных комбинаций КДК и ЭНЮК определены даты ВСП для каждого модельного прогона, формирующего каждый их четырех ансамблей решений. Примеры ВСП приведены на рис. 3.2.1-3.2.4. Даты ВСП определялись по методу, недавно разработанному с участниками данного проекта, основанному на определении максимального температурного градиента в приполярных широтах (Gavrilov & Efimov, 2021). С целью постройки композитных ВСП для дальнейшего анализа, поля рассчитанных атмосферных параметров, включающие описанные выше компоненты горизонтального ветра, температуру, геопотенциал, были осреднены по 14-дневным временным промежуткам перед, во время и после ВСП. В дальнейшем, для достижения большей статистической значимости изменения атмосферных параметров во время ВСП, планируется увеличить объем модельных ансамблей.