Аннотация результатов, полученных в 2022 году
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. В проекте для анализа вторичных АГВ разрабатываются и используются новые подходы для моделирования волновых процессов в атмосфере. В качестве основы дорабатывается и применяется уникальная трехмерная негидростатической нелинейная схема 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. Результаты, полученные по гранту в 2022 году можно разделить на 4 части : А. Модернизация и разработка блоков компьютерных программ для моделирования мезомасштабных волн и определения параметров вторичных волновых мод; Б. Анализ экспериментальных данных с целью определения параметров акустико-гравитационных волн и расчеты реалистичных профилей фоновых температуры и ветра для численного моделирования; В. Математический анализ и численное моделирование эволюции полей АГВ в средней и верхней атмосфере; Г. Публикация результатов. А.1 В ходе этапа 2022 г выполнена модернизация алгоритмов и программ для указанного 3-мерного прямого суперкомпьютерного моделирования нелинейных мезомасштабных разрушающихся волн в атмосфере. Разработаны блоки программ для вывода данных на фиксированных высотных уровнях и расчета по этим данным энергетических характеристик АГВ. Вычитание спектров первичных волн дает количественную информацию о вкладе вторичных мод АГВ во все гидродинамические поля и их эволюции во времени. А.2 В ходе проекта модель АГВ СПбГУ дополнена программным блоком, вычисляющим спектральные плотности гидродинамических полей на частотах и длинах первичных АГВ. Использование метода наименьших квадратов 4-мерные спектральные плотности для всех анализируемых гидродинамических полей. Используются параллельные вычисления с использованием многоядерных процессоров видеокарт. Б.1. За отчетный период была выполнено совершенствование методов для анализа АГВ по данным наблюдений вариаций характеристик ночных свечений на высотах мезопаузы. Использованы результаты многолетних наземных наблюдений вариаций вращательной температуры возбужденного гидроксила (ОН) на высотах 85 – 90 км, по данным спектральных измерений ночного свечения ОН на российских станциях. Разностная фильтрация позволяет определять амплитуды температурных возмущений с периодами 0.7 – 11 ч, которые могут отражать интенсивность мезомасштабных АГВ. Выполнена обработка указанных выше массивов данных и выявлены интервалы наибольшей активности АГВ, которые являются наиболее перспективными для дальнейшего анализа. Б.2. Указанные экспериментальные данные, база данных метеорологического реанализа MERRA-2 и спутниковые данные использованы для получения гладких профилей средних ветра и температуры с большим разрешением по времени, которые моделируют реалистичные изменения во время различных атмосферных процессов использована модель общей циркуляции средней и верхней атмосферы (МСВА), которая позволяет получить непрерывные профили в области высот от земной поверхности до термосферы (300 км). В.1. Выполнен математический анализ с использованием метода разных масштабов. Этим методом построены формулы для гидродинамических полей АГВ с вертикальными длинами волн, малыми по сравнению с масштабами изменений фоновых полей температуры и ветра. Эти формулы эквивалентны традиционному ВКБ-приближению, но включают в явном виде вертикальные градиенты фоновых полей. Сформулированы и анализируются условия применимости полученных формул для описания распространения АГВ из тропосферы в термосферу. Выполнено численное моделирование распространения спектра АГВ в фоновых полях ветра и температуры, соответствующих координатам станций наблюдений ночных свечений. Обнаружено общее сходство сезонных вариаций модельных амплитуд ВГВ и наблюдаемой дисперсии мезомасштабных возмущений вращательной температуры гидроксила в указанных обсерваториях. Это является свидетельством того, что интенсивность мезомасштабных возмущений температуры вблизи мезопаузы может зависеть от интенсивности ВГВ, распространяющихся из нижней атмосферы, и от профилей фоновых характеристик средней атмосферы на пути распространения волновых пакетов в различные сезоны и в разных географических пунктах. В.2. Выполнено численное моделирование эволюции АГВ в средней и верхней атмосфере после включения и выключения тропосферных волновых источников. После активации поверхностных источников волн амплитуды спектральных компонент АГВ достигают квазистационарного состояния. Затем поверхностное волновое воздействие отключается в численной модели, и амплитуды вертикально движущихся первичных мод АГВ быстро уменьшаются на всех высотах вследствие прекращения восходящего распространения волновой энергии от источника волн. Однако позже амплитуды остаточных и вторичных волновых возмущений испытывает более медленное квази-экспоненциальное снижение. Результаты работ по проекту включают: 1. Пакет усовершенствованных компьютерных программ в виде библиотеки процедур на языке ФОРТРАН, которые реализуют разработанные алгоритмы для вывода данных на фиксированных высотных уровнях и расчета по этим данным энергетических характеристик АГВ, а также вычисляющие спектральные плотности гидродинамических полей. 2. Базу данных о реалистичных профилях температуры и ветра для численного моделирования АГВ на основе анализа данных спутников, атмосферных радаров и оптических наблюдений, а также расчетов по модели общей циркуляции средней и верхней атмосферы МСВА. 3. Результаты анализа АГВ по данным наземных наблюдений вариаций вращательной температуры возбужденного гидроксила (ОН) на высотах 85 – 90 км, по данным спектральных измерений ночного свечения ОН на российских станциях. Выявлены интервалы наибольшей активности АГВ, которые являются наиболее перспективными для дальнейшего анализа. 4. Базу данных содержащую текстовые файлы результатов численного моделирования с высоким разрешением нестационарных, нелинейных АГВ, распространяющихся вверх от тропосферных источников волн для различных временных интервалов относительно времени активации и деактивации волнового воздействия. 5. 2 статьи в журналах, цитируемых в Web of Science и Scopus - см Форму 2о.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проект связан с решением фундаментальных проблем динамических взаимодействий верхних, средних и нижних слоев атмосферы посредством распространения акустико-гравитационных волн (АГВ), которые играют важную роль в изменениях погоды и климата. Основное внимание уделяется исследованию так называемых «вторичных» АГВ, возникающих в результате неустойчивости и нелинейных взаимодействий "первичных" волновых мод, распространяющихся от атмосферных источников. В проекте для анализа вторичных АГВ разрабатываются и используются новые подходы, основанные на применении уникальной трехмерной негидростатической нелинейной схемы численного прямого моделирования распространения и разрушения АГВ на высотах от земной поверхности до термосферы. Результаты, полученные по гранту в 2023 году можно разделить на следующие части : А. Выполнена валидация блоков компьютерных программ, разработанных на предыдущем этапе работ по проекту для моделирования АГВ и определения параметров вторичных волновых мод, . Преимуществом используемой численной модели трехмерных нелинейных гидродинамических волн по сравнению с зарубежными аналогами является корректный учет фундаментальных законов сохранения массы, количества движения и энергии. Это позволяет обеспечить устойчивость численной схемы в областях разрушения нелинейных волн. В ходе этапа 2023 г усовершенствованные блоки программ были включены в модель АГВ СПбГУ и выполнена проверка их работоспособности. Б.1. Продолжен анализ АГВ по данным наблюдений вариаций характеристик ночных свечений на высотах мезопаузы. Метод цифровых разностных фильтров применен к анализу данных наблюдений вращательной температуры ОН и O2 на высотах 85–95 км фотометрами установленными на станциях мировой наблюдательной сети Rikubetsu, Shigaraki и Sata в Японии в 2010–2018 гг. Исследованы сезонные изменения среднемесячных значений вращательной температуры и дисперсий вариаций с периодами 0.7–11 ч., которые могут быть связаны с внутренними гравитационными волнами в области мезопаузы. Детали междугодовых изменений для вращательной температуры ОН и O2 могут отличаться в связи с разными высотами светящихся слоев. Б.2. Полученные экспериментальные данные о вращательной температуре были использованы для построения реалистичных вертикальных профилей ветра и температуры. Для этого также использована база данных метеорологического реанализа MERRA-2 и спутниковые данные. Этот массив профилей использован для проведения численного моделирования распространения пакетов АГВ в реалистичных условиях. В.1. Выполнено численное моделирование эволюции спектров вторичных АГВ в атмосфере с реалистичными профилями фоновых характеристик. В данной работе впервые выполнено разделение горизонтальных пространственных спектров первичных и вторичных АГВ на фиксированных высотных уровнях в средней и верхней атмосфере в различные моменты времени, которые рассчитываются с помощью трехмерной нелинейной модели высокого разрешения. Показано, что сразу после включения источника плоских волн на нижней границе модели спектр состоит из пика, соответствующего первичной АГВ. Позднее в спектрах появляются пики вторичных волн на горизонтальных волновых числах, кратных волновым числам первичной АГВ. Достаточно быстро количество пиков в коротковолновой области спектра возрастает настолько, что спектр выглядит как квази-непрерывный спектр вторичных АГВ. В.2. Выполнено численное моделирование эволюции АГВ при изменяющихся профилях среднего ветра, содержащих критический уровень. Рассмотрены случаи высотного струйного течения с максимумом на высоте 100 км и страто-мезосферного течения с максимумом на высоте 50 км. В случае высотного струйного течения АГВ диссипируют из-за большой молекулярной и турбулентной вязкости. В случае низкого струйного течения полной диссипации первичной АГВ не происходит и часть волновой энергии проходит через слой, в котором скорость среднего ветра превосходит горизонтальную фазовую скорость волны и распространяется далее в верхнюю атмосферу. В.3. Выполнено численное моделирование АГВ в областях конвективной и динамической неустойчивости профилей средней температуры и ветра. При умеренной амплитуде волнового источника происходит распад АГВ на высотах 100 - 140 км на мелкомасштабные волновые компоненты, создающие тонкие конвективные слои. При большой амплитуде источника волн на нижней границе причиной неустойчивости может быть чередование более теплых и более холодных слоев в профилях первичных волн. В ходе проекта была решена аналитически общая задача о генерации волн источниками тепла. Показано, что тепловой источник всегда генерирует внутренние гравитационные и акустические волны (ВГВ и АВ) одновременно. Построены парциальные источники, ответственные за генерацию АВ и ВГВ по отдельности и оценены их мощности. В.4. Выполнены численные оценки динамического и теплового воздействия первичных и вторичных АГВ в средней и верхней атмосфере. Неустойчивости и неоднородности профилей температуры и ветра могут увеличивать относительные амплитуды вторичных АГВ. Наличие критического уровня в профиле среднего ветра в средней атмосфере приводит к ослаблению первичных АГВ, проникающих в термосферу и к преобладанию вторичных АГВ, оказывающих значительное динамическое и тепловое воздействие на больших высотах. Сразу после включения волнового источника области максимального среднего нагрева в верхней атмосфере соответствуют максимальным вертикальным градиентам горизонтальной скорости, создаваемым прохождением начальных импульсов АГВ. В более поздние моменты модельного времени АГВ формируют струйные течения, которые приводят к увеличению диссипации АГВ за счет молекулярной вязкости и теплопроводности. Выполнены оценки относительных амплитуд и энергии ВГВ и АВ, генерируемых тропосферными тепловыми источниками. Показано, что если характерное время изменения источника больше периода Брента-Вяисяля, то в нижней атмосфере амплитуды и энергии ВГВ более чем на порядок превышают амплитуды генерируемых АВ. В верхней атмосфере амплитуды АВ и ВГВ имеют одинаковый порядок величины. Результаты работ по проекту в 2023 г включают: 1. Базу данных с результатами 3-мерных численных расчетов распространения первичных и вторичных гармоник АГВ в реалистичных вертикальных профилях температуры и ветра. 2. Базу данных с результатами численного моделирования генерации вторичных АГВ в областях конвективной неустойчивости профиля средней температуры. 3. Базу данных с результатами численного моделирования генерации вторичных АГВ при изменениях средних ветра и температуры; 4. Базу данных с результатами численного моделирования генерации вторичных АГВ в областях динамической неустойчивости профиля среднего ветра. 5. Базу данных с результаты анализа АГВ по данным наземных наблюдений вариаций вращательной температуры возбужденного гидроксила (ОН) на высотах 85 – 90 км, по данным спектральных измерений ночного свечения ОН в обсерваториях Звенигород (56° с. ш., 37° в. д.) в 2004 – 2016 годах, Торы (52° с. ш., 103° в. д.) в 2012 – 2017 гг. и Маймага (63° с. ш., 130° в. д.) в 2000 – 2015 гг., а также на станциях Rikubetsu (43.5N, 143.8E) Shigaraki (34.8N, 136.1E) и Sata (31.0N, 130.7E) в Японии в 2010–2018 гг 6. Результаты численных оценок воздействия первичных и вторичных АГВ в средней и верхней атмосферы. С использованием указанных выше баз данных рассчитаны файлы с таблицами дисперсий первичных и вторичных АГВ для различных фоновых полей температуры и ветра на разных высотах атмосферы. Наличие критического уровня в профиле среднего ветра в средней атмосфере приводит к ослаблению первичных АГВ, проникающих в термосферу и к преобладанию вторичных АГВ, оказывающих значительное динамическое и тепловое воздействие на больших высотах. 7. Результаты этапа 2023 г опубликованы в 4-х статьях, цитируемых в Web of Science, Scopus, РИНЦ и других библиографических базах данных, а также были представлены в 6-и докладах на очных российских и международных конференциях.