Спектры вторичных акустико-гравитационных волн в средней атмосфере по результатам трехмерного прямого численного моделирования

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-27-00171

НазваниеСпектры вторичных акустико-гравитационных волн в средней атмосфере по результатам трехмерного прямого численного моделирования

Руководитель Гаврилов Николай Михайлович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург

Конкурс №64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-606 - Верхняя и средняя атмосфера

Ключевые слова акустико-гравитационные волны, средняя и верхняя атмоссфера, численное моделирование, вторичные волны, волновые спектры

Код ГРНТИ37.00.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Кшевецкий С. П., Курдяева Ю. А., Гаврилов Н. М. Приближение коротких по вертикали волн малой амплитуды в атмосфере с учетом среднего ветра Известия РАН, Физика атмосферы и океана, 59, 1, 44-54 (год публикации - 2022)
10.1134/S0001433823010073

2. Гаврилов Н.М., Попов А.А., Далин П., Перминов В.И., Перцев Н.Н., Медведева И.В., Аммосов П.П., Гаврильева Г.А., Колтовской И.И. Климатология коррелированных мезомасштабных возмущений вращательной температуры гидроксила вблизи мезопаузы Сборник тезисов Всесоюзной конференции "Турбулентность, динамика атмосферы и климата", 22-24 ноября 2022, Москва, ИФА РАН, с. 179, с. 179 (год публикации - 2022)

3. Гаврилов, Н. М., Кшевецкий, С. П. Identification of spectrum of secondary acoustic-gravity waves in the middle and upper atmosphere in a high-resolution numerical model. Solar-Terrestrial Physics, 9, 3, 86–92 (год публикации - 2023)
10.12737/stp-93202310

4. Ефимов, М.М., Гаврилов, Н.М., Кшевецкий, С.П., Коваль, А.В., Numerical simulation of the spectrum of secondary acoustic-gravity waves in the middle and upper atmosphere Proceedings of SPIE, 12870, 127807C (год публикации - 2023)
10.1117/12.2690531

5. Попов А.А., Гаврилов Н.М. Внутренние гравитационные волны вблизи мезопаузы по наблюдениям ночных эмиссий гидроксила и кислорода в Японии Сб. Атмосферная радиация и динамика, Изд-во ВВМ, Санкт-Петербург,, 234-236 (год публикации - 2023)

6. Гаврилов Н.М., Кшевецкий С.П., Коваль А.В. Эволюция спектра вторичных акустико-гравитационных волн после включения волнового источника в модели высокого разрешения Сб. Атмосферная радиация и динамика, Изд-во ВВМ, Санкт-Петербург,, 211-214 (год публикации - 2023)

7. Коваль А.В., Диденко К.А., Ермакова Т.С., Гаврилов Н.М., Кандиева К.К. Simulation of changes in the meridional circulation of the middle and upper atmosphere during transitional QBO phases Proceedings SPIE 12341, 1234170, 1234170 (год публикации - 2022)
10.1117/12.2643046

Публикации