Проект связан с решением фундаментальных проблем динамических взаимодействий верхних, средних и нижних слоев атмосферы посредством распространения акустико-гравитационных волн (АГВ) и их тепловых и динамических воздействий. Такие взаимодействия играют важную роль в изменениях погоды и климата различных слоев атмосферы от тропосферы до околоземного космического пространства. Значительное внимание в последнее время уделяется исследованию так называемых «вторичных» АГВ, возникающих в результате неустойчивости и нелинейных взаимодействий "первичных" волновых мод, распространяющихся от атмосферных источников, между собой и со средним потоком. Предварительные оценки показали, что вторичные АГВ при диссипации в средней и верхней атмосфере, способны передавать среднему потоку энергию и импульс , которые сравнимые с непосредственным воздействием первичных волн, генерируемых тропосферными источниками. В условиях сильной нелинейности и неустойчивости первичные АГВ могут быть небольшой "затравкой" для запуска более мощных процессов преобразования энергии движений и вторичные волны могут иметь большие амплитуды. Ввиду значительной дискуссии о роли случайных "триггеров" в поведении нелинейных динамических и климатических систем детальное исследование процессов генерации вторичных волн с помощью трехмерных нелинейных моделей высокого разрешения позволит получить важные новые результаты о поведении геодинамических систем, недоступные другим методам исследования. Конкретной целью проекта является исследование указанных вторичных мод АГВ в атмосфере. Основной трудностью таких исследований является разделение первичных и вторичных волновых мод для анализа их характеристик в реальных наблюдаемых атмосферных ситуациях.
В проекте для анализа вторичных АГВ предлагается разработать и использовать новые подходы для моделирования волновых процессов в атмосфере. В качестве основы планируется доработка и применение уникальной трехмерной негидростатической нелинейной схемы численного прямого моделирования распространения и разрушения нелинейных АГВ в атмосфере на высотах от земной поверхности до термосферы, которая была ранее разработана участниками проекта. Принципиальным преимуществом этой численной схемы перед зарубежными аналогами является ее повышенная вычислительная устойчивость в областях разрушения нелинейных волн. Это позволяет корректно моделировать процессы разрушения волн и генерации турбулентности, которые играют ключевую роль в задачах генерации вторичных волновых мод и влияния атмосферных волн на общую циркуляцию, тепловой режим и состав средней и верхней атмосферы. В ходе проекта предполагается разработать эффективные алгоритмы многомерного спектрального анализа результатов численного моделирования для разделения первичных и вторичных мод АГВ, что является непреодолимой проблемой в большинстве предыдущих исследований.
Указанные преимущества разрабатываемого подхода позволят получить ряд принципиально новых результатов. В частности, предполагется получить новые данные о формировании универсального спектра АГВ, что позволит продвинуться в понимании механизмов нелинейных взаимодействий АГВ между собой и со средним потоком. Будет выполнено исследование формирования универсального спектра вторичных АГВ во время переходных процессов при «включениях» и «выключениях» волновых источников в атмосфере и при изменениях фоновых ветра и температуры. Будет проведено численное моделирование спектров первичных и вторичных АГВ, генерирумых в областях конвективных, динамических и сдвиговых неустойчивостей. Одним из результатов работы будут схемы учета вторичных АГВ и их динамических и тепловых воздействий в моделях общей циркуляции и климата средней и верхней атмосферы.
Планируемое численное моделирование позволит получить принципиально новые результаты об эволюции спектров АГВ на различных уровнях в атмосфере в условиях сильной нелинейности, когда аналитические подходы не применимы. Эти результаты, соответствующие мировому уровню, принципиально важны не только для физики атмосферы, но и для геофизической гидродинамики в целом, поскольку аналогичные взаимодействия нелинейных волн происходят в океане, на Солнце и в других геосферах. Полученные в результате выполнения проекта новые пакеты алгоритмов и блоки компьютерных программ найдут практическое применение при разработке параметризаций динамического и теплового воздействия АГВ в динамических моделях общей циркуляции атмосферы и климата. Расчеты будут проводиться на суперкомпьютерных системах, имеющихся в распоряжении исполнителей. Результаты расчетов предполагается применить для интерпретации наблюдений атмосферных волн и турбулентности с помощью GPS спутников, МСТ и метеорных радаров, аэростатов и других наземных и спутниковых методов.
Результаты проекта будут опубликованы не менее чем в 4 статьях в научных журналах, цитируемых в Web of Science, Scopus и РИНЦ.
