Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Глобальная климатическая модель циркуляции средней и верхней атмосферы
ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы
Автореферат диссертации по теме "Глобальная климатическая модель циркуляции средней и верхней атмосферы"
На правах рукописи
ГУЛЯЕВ Владимир Тимофеевич
ГЛОБАЛЬНАЯ КЛИМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЦИРКУЛЯЦИИ СРЕДНЕЙ И ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ
25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук
НОВОСИБИРСК - 2004
Работа выполнена в Институте геофизики Сибирского отделения
Российской Академии Наук, г. Новосибирск
Научный руководитель доктор физико-математических наук,
профессор Эдуард Израйлевич Гинзбург
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук, профессор Александр Андреевич Намгаладзе
кандидат физико-математических наук Сергей Анатольевич Колесник
Ведущая организация: Новосибирский государственный университет
Защита состоится " > ° " 2004г. в ^час. на заседании
диссертационного совета Д 212.267.14 при Томском государственном университете.
Адрес: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36 Факс : (3822) 52-95-85
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Томского государственного университета
Автореферат разослан " 2004г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор физико-математических наук
П.М. Нагорский
а о о ffftfS
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Объектом исследований являются крупномасштабные динамические процессы в средней и верхней атмосфере Земли.
Актуальность темы
Динамические проявления нижней атмосферы Земли (тропосферы) оказывают на жизнедеятельность человека заметное, часто определяющее влияние. Этим объясняется стремление исследователей не только понять сущность протекающих в ней процессов, но и создать их адекватные модели, способные прогнозировать особенности развития этих процессов во времени и в пространстве.
Интерес к строению и динамике более верхних слоев атмосферы (стратосфере, мезосфере, термосфере) появился в начале 20-х годов прошлого века в связи, в частности, с обнаружением эффекта дальнего распространения коротких радиоволн. С развитием средств радиосвязи, высотных полетов аппаратов исследование верхней атмосферы становится стремительно развивающимся научным направлением, оформившись в 70-80 годах в такие международные программы как MAP, MAC, STEP и др. Такое внимание к динамике средней и верхней атмосферы объясняется осознанием ее роли в формировании климата, экологии планеты, каналов радиосвязи, ее влиянием на полеты космических аппаратов, возможности использования ее мониторинга для предсказания погоды, катастрофических явлений и при исследовании глубинного строения Земли.
Исследования ведутся по двум главным направлениям: в одном преобладают статистические методы анализа имеющегося экспериментального материала, основой другого является развитие численных моделей планетарного распределения той или иной совокупности атмосферных параметров. Оба направления тесно связаны между собой, взаимно дополняют и обогащают друг друга.
Целью этих исследований является установление роли различных факторов в формировании погоды и климата верхней атмосферы и создание на этой основе прогностических моделей. Построение как статистических (экспериментальных) так и теоретических (численных) моделей верхней атмосферы в настоящее время далеко от завершения, что связано с многопараметричностью состояния атмосферы, с исключительной сложностью взаимосвязи этих параметров, со сложным влиянием на динамику атмосферы многочисленных и не всегда хорошо известных внешних и внутренних факторов, с отсутствием достаточно представительных статистических данных о глобальном распределении термодинамических параметров атмосферы.
Поэтому создание численных как синоптических, так и климатиче-
I'Ov.. > „".i/ltAjtbtt** 1
i fctf&UMOTEKA J
ских глобальных моделей состояния средней и верхней атмосферы является актуальной задачей. Одной из основных задач, стоящих перед исследователями атмосферы, является создание такой ее численной модели, которая воспроизводила бы поля искомых термодинамических параметров с точностью не меньшей точности их экспериментального определения (адекватная модель). Построение такой модели в настоящее время на основе полной системы гидротермодинамических уравнений, по нашему мнению, мало эффективно, поскольку полную модель, во — первых, трудно приспособить для воспроизведения конкретной синоптической ситуации из-за сильной и мало изученной изменчивости большого числа внешних возмущающих факторов, и, во — вторых, полученные результаты просто не с чем сравнивать (синоптические данные верхней атмосферы фактически отсутствуют). При воспроизведении на основе полной модели имеющихся климатических, крупномасштабных пространственно-временных вариаций полей термодинамических параметров возникают до сих пор не преодоленные трудности, связанные с необходимостью параметризации большого числа разнообразных процессов и факторов. Выход из создавшегося положения мы видим в создании адекватных моделей атмосферы на основе концепции блочного построения, т.е. детальной разработки и физического обоснования отдельных блоков модели (динамики, теплового режима, состава и др.). На первом этапе такого построения разрабатывается отдельный блок при заданных эмпирических моделях остальных. Затем разработанный блок укрупняется другим блоком и построение повторяется. Большое значение имеет и математическая постановка задачи и разработка эффективных методов решения многомерных нестационарных уравнений гидротермодинамики.
В настоящее время наиболее полными являются модели состава, плотности, температуры, которые представлены такими эмпирическими моделями как: DTM, Яккия77, MSIS86(90). Эти модели основаны на статистической обработке огромных массивов данных глобального мониторинга параметров верхней атмосферы, полученных разными методами в разных гелиогеофизических условиях, и воспроизводят климатические крупномасштабные пространсвено-временные вариации указанных параметров.
Цель работы
Разработать на основе эмпирических моделей атмосферы глобальную нестационарную численную модель крупномасштабной ветровой системы средней и верхней атмосферы, которая адекватно отражает динамическое состояние этой области атмосферы и позволяет прогнозировать эффекты влияния крупномасштабной циркуляции на поведение атмосферных и ионосферных параметров.
Основные задачи исследований
1. Разработать методы и алгоритмы решения нестационарных трехмерных нелинейных уравнений динамики атмосферы с корректным учетом граничных условий и численного представления решения в высокоширотных областях.
2. Программно реализовать расчет циркуляции средней и верхней атмосферы и провести сравнительный анализ результатов расчета систем циркуляции для разных эмпирических моделей термосферы с экспериментальными данными по ветрам для различных гелиогеофизиче-ских условий.
3. Разработать нестационарную трехмерную модель распространения в средней атмосфере крупномасштабных возмущений тропосферы (планетарных волн - КПВ) с учетом их нелинейного взаимодействия между собой и фоном.
4. Провести численные эксперименты по распространению КПВ с целью определения прогностических возможностей модели и оценки влияния вихревых потоков и разрушения внутренних гравитационных волн на среднезональную циркуляцию и распространение КПВ.
5. Исследовать геофизические эффекты, сопровождающие работу мощных сейсмовибраторов, и влияние крупномасштабной ветровой системы на распространение инфразвука.
Методы исследований и фактический материал
Основными методами достижения поставленной цели являются: численное моделирование пространственно-временного распределения искомых параметров средней и верхней атмосферы Земли, сравнительный анализ имеющихся теоретических моделей циркуляции, анализ накопленного экспериментального материала по основным структурным параметрам атмосферы и циркуляции. Проведенные исследования включают в себя следующие основные этапы:
1. Математическую постановку задачи — выбор замкнутой для каждой конкретной задачи системы уравнений, учитывающей все основные процессы; формулировку начальных и граничных условий.
2. Разработку методов и алгоритмов численного решения выписанной системы уравнений, программную реализацию.
3. Проведение численных экспериментов, интерпретацию результатов расчетов, сравнительный анализ с имеющимися экспериментальными данными и результатами других исследователей с целью выяснения возможных упрощений и/или необходимых дополнений исходной системы уравнений, определения возможностей модели как инструмента для исследования, адекватного описания и прогнозирования процессов и параметров состояния атмосферы.
Научная новизна работы
1. На основе метода расщепления разработан и реализован новый подход к решению нелинейных трехмерных уравнений гидротермодинамики, который позволил сиять "проблему полюсов" в численных моделях циркуляции атмосферы. В схемах расщепления в отдельное уравнение выделяются члены нелинейного переноса, решение представляется в аналитическом виде. Задача сводится к вычислению характеристик на сфере с преобразованием уравнений характеристик к полярным координатам в высоких широтах. Аналитическое решение служит для преобразования оставшейся части уравнений на полюсах.
2. Предложена новая постановка верхнего граничного условия для вертикальной скорости ветра в метрической системе координат.
3. Разработаны оригинальные численные нестационарные трехмерные модели циркуляции (^^МТ) и распространения крупномасштабных планетарных возмущений с учетом нелинейного взаимодействия планетарных волн между собой и фоном (МТР^).
4. Уточнены основные структурные особенности крупномасштабной системы термосферных ветров. Исследованы сезонные, суточные, долготные и по мировому времени вариации параметров этой структуры и зависимость этих вариаций от солнечной и геомагнитной активности, дана физическая интерпретация природы этих вариаций.
5. По модели MTPW выполнены численные расчеты, которые позволили установить особенности распространения КПВ и исследовать роль вихревых потоков, обусловленных процессами различных масштабов, в формировании структуры барического, температурного и ветровых полей средней атмосферы.
6. Результатами расчетов распространения инфразвука с рассчитанными по созданной модели циркуляции атмосферы WSMT данными и его регистрацией установлена возможность предсказания особенностей распространения инфразвука на расстояниях до 200 км от источника.
7. Экспериментально доказана генерация сейсмических колебаний при воздействии акустической волны на грунт на расстояниях от 4 до 210 км. Передача энергии колебаний от сейсмоисточника к сейсмопри-емнику на инфразвуковых частотах по атмосферному каналу может быть более эффективной, чем ее непосредственный перенос сейсмическими волнами в твердой Земле.
Научная и практическая значимость работы
Разработанные модели глобальной циркуляции и распространения крупномасштабных планетарных возмущений могут быть использованы для решения ряда актуальных научных и прикладных задач: — планировании экспериментов и интерпретации результатов наблюдений о пространственно- временных вариациях параметров средней и
верхней атмосферы,
— моделирования переноса малых составляющих атмосферы,
— развития прогностических моделей состояния средней, верхней атмосферы и ионосферы,
— разработки технологии мониторинга состояния средней и верхней атмосферы Земли,
— разработанные численные методы могут быть применены для решения подобных нелинейных многомерных задач при моделировании процессов динамики взаимодействия геосфер,
— при планировании акустических измерений на больших расстояниях ( 1000 км) от источника.
Научная и практическая значимость работы определяется также тем, что ее основные результаты получены при поддержке РФФИ (гранты № 96 - 05 - 66055, № 99 - 05 - 64676) и при выполнении НИР с ИПГ (Москва) и ЦАО (Обнинск), результаты которых изложены в отчетах:
1. Создание физической квазитрехмерной полуэмпирической сред-неширотной Б-области ионосферы и апробирование ее в задачах прогнозирования состояния среднеширотной ионосферной плазмы: Отчет о НИР (закл.)/ ЗапСибНИИ Госкомгидромета. -ДО ГР 81082291. - Новосибирск, 1983. - 128 с.
2. Отладить и опробовать в задачах прогноза самосогласованную полуэмпирическую модель среднеширотной Б-области ионосферы: Отчет о НИР (закл.)/ ЗапСибНИИ Госкомгидромета. -ДО ГР 018400522239. -Новосибирск, 1985. - 33 с.
3. Создать модель термосферной циркуляции: Отчет о НИР (за-кл.)/ ЗапСибНИИ Госкомгидромета. - ДО ГР 01860073922. - Новосибирск, 1988. - 83 с.
4. Разработать численную глобальную (многоуровневую) модель циркуляции средней и верхней атмосферы: Отчет о НИР (закл.)/ ЗапСибНИИ Госкомгидромета.-ДО ГР 01870049358.- Новосибирск, 1998. - 34 с.
5. Разработать трехмерную нестационарную численную модель ветрового режима средней и верхней атмосферы (10-300 км) с учетом нелинейного взаимодействия фоновых полей и крупномасштабных планетарных возмущений: Отчет о НИР (закл.)/ ЗапСибНИИ Госкомгидромета. -ДО ГР 01890026562. - Новосибирск, 2001. - 23 с.
Проведенные исследования позволили сформулировать следующие основные результаты и положения, которые выносятся на защиту:
1. Построенную на основе разработанных численных методов решения нелинейных трехмерных уравнений гидротермодинамики климатическую глобальную модель циркуляции средней и верхней атмосферы
на высотах 10 - 600 км (модель WSMT).Результаты анализа и физической интерпретации численных экспериментов.
2. Разработанную нестационарную трехмерную модель распространения КПВ с учетом нелинейного взаимодействия волн между собой и фоном (модель MTPW). Результаты численных экспериментов по исследованию распространения крупномасштабных планетарных возмущений.
3. Результаты экспериментальных исследований и численных расчетов по распространению инфразвука.
Достоверность результатов, полученных в диссертации, определяется обоснованностью используемых методов при построении численных моделей; качественном и количественном соответствии с результатами, полученными другими авторами при решении аналогичных задач и с экспериментальными данными; использованием общепризнанных методов анализа и обработки больших серий экспериментальных данных.
Личный вклад автора и взаимоотношения с соавторами. Общее направление исследований (моделирование крупномасштабных динамических процессов в атмосфере Земли), подходы и принципы построения численных моделей циркуляции были определены в результате дискуссий с Э.И. Гинзбургом и Л.В. Жалковской. Лично автором разработаны численные методы решения нелинейных трехмерных уравнений гидротермодинамики; программно реализованы все блоки моделей глобальной циркуляции атмосферы на высотах 10 - 600 км (модель WSMT) и модель распространения крупномасштабных планетарных возмущений с учетом нелинейного взаимодействия волн между собой и фоном (модель MTPW); проведены численные расчеты и созданы программы для их обработки.
Под руководством В.В. Кузнецова совместно с В.В. Плоткиным и СЮ. Хомутовым автором планировались эксперименты и осуществлялись экспедиции по исследованию геофизических эффектов (в частности, инфразвука), сопровождающих работу мощных сейсмовибраторов. Численная модель распространения инфразвука разработана лично автором. Обсуждение и интерпретация экспериментальных результатов проводились совместно.
Апробация работы и публикации
Основные результаты докладывались на XXY Областной научно-технической конференции (Новосибирск, 1982), на ГУ и У Всесоюзных совещаниях по исследованию динамических процессов в верхней атмосфере (Обнинск, 1982, 1985), на I и II Всесоюзных симпозиумах по результатам исследований средней атмосферы (Алма- Ата, 1983, Моск-
на, 198G), на YП Всесоюзном семинаре по математическому моделированию ионосферных процессов (Иркутск, 1984), на III Всесоюзном совещании "Полярная ионосфера и магиитосферно- ионосферные свя-зи"(Апатиты, 1984), на 8-ой Научной Ассамблее IAGA (Упсала, Швеция, 1997), на XXY и XXYI Генеральных Ассамблеях EGS (Ницца, Франция, 2000, 2001).
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Работа изложена на 143 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 4 таблицы. Библиография содержит 170 наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во Введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цель работы, задачи и методы исследований, представлены основные защищаемые положения, определены новизна, научная и практическая ценность работы, описана структура и краткое содержание работы.
В первой главе Нестационарная трехмерная модель циркуляции термосферы на основе анализа современного состояния экспериментальных и теоретических исследований термосферы выработаны принципы и подходы к решению задач по описанию и прогнозированию состояния верхней атмосферы [1,2,3]. Приводятся математическая постановка задачи, методы ее решения и результаты численных расчетов для разных гелиогеофизических условий. На основе сравнения полученных результатов с аналогичными исследованиями других авторов и с экспериментальными данными показано, что созданная модель адекватно описывает систему циркуляции верхней атмосферы и может служить базой для создания более детальных прогностических моделей верхней атмосферы и решения ряда прикладных задач, в частности, прогнозирование состояния F-области ионосферы, расчет системы ионосферных динамо-токов, как источников электромагнитного поля, и т.д.
В первых разработках модели термосферной циркуляции для решения уравнений движения, непрерывности и гидростатики использовался метод расщепления по координатам и физическим процессам в различных его вариантах [8,10,13,14]. Местное время и долгота были совмещены, находилось периодическое решение по местному времени, т.е. стационарное в системе Солнце-Земля решение задачи. В работах [1,4,20] метод решения модернизирован, а в [21,22] на его основе разработана нестационарная глобальная модель циркуляции средней и верхней атмосферы (WSMT) в метрической и лог-изобарической системах
координат. Применена следующая схема расщепления. На временном интервале т = tj+l — Ь] исходная система уравнений для горизонтальной скорости и = = (ь,и) в сферической системе координат записывается в виде двух последовательных систем уравнений:
Эи , Эи . Эи
--L WJ--1_ yJ -
dt + дг + где
rsin^oA г \1 U )
(2)
Здесь R — матрица коэффициентов магнитоионного торможения, Fv и Fe — силы, обусловленные молекулярной вязкостью и электрическими полями.
Уравнение (1) для каждого узла сетки (г, в, А) имеет решение
v(tj+1,r, в, А) = v0 eos (JA) + и0 sin (JA), u(tj+i,r, в, A) = щ cos(JA) — va sin(JA),
rh+i
f Í+1 UJ f
6X = j —ctg 6dt = J^ eos в dX.
Здесь vq,uq - значения компонентов скорости при t = tj в точке (го, Oq,Xq). Эта начальная точка - точка "ухода", как и контур интегрирования I (траектория) находятся из решения уравнений характеристик:
dr , dd vj d\ uj — = vr,
dt ' dt r ' dt rsiné?
В высоких широтах в координатах х = sin в eos А, у = sin в sin А уравнения характеристик на сфере принимают вид
dx dv
— = (eos в гР eos A —u-7 sinA)/r, — = (eos в v3 sin X + u3 cosA)/r. dt dt
На полюсах решение уравнения (1) имеет вид
v(tj+1, г, А) = sign(cos 0)(ui eos А + V2 sin А), u(tj+i, г, А) = г>2 eos X — vi sin А,
где
v\ = sign(cos e)vo eos Ao — uq sin Ao, vi = щ eos Ao + sign(cos 9)vo sin Ao,
Ао = Ао + 2
( в / вт2 - <1А.
Л 2
В соответствии с этим, уравнение (2) на полюсах преобразуется в уравнение для вектора ир = ,
Решение уравнения (2) для вектора и находится методом матричной прогонки по высоте для каждого узла горизонтальной сетки с начальными условиями (3). В качестве нижних граничных условий на высоте 120 км принимается решение уравнений (1-2) без учета в них членов вертикального переноса. Верхние граничные условия (ВГУ) на высоте 600 км задаются в виде ди/дг = 0.
Вертикальная скорость w вычисляется из уравнения непрерывности, которое в приближении гидростатики принимает вид
которое следует из уравнения непрерывности при учете ВГУ для горизонтальных скоростей и ограниченности -ш
Начальные условия. Для сокращения времени счета решение уравнений модели разбито на два этапа. На первом этапе, исходя из нулевых начальных условий, вычисляется стационарная в системе Солнце -Земля циркуляция. В исходном уравнении для системы (1,2) делается переход от д/дЬ к д/дЬ' + 0.д/дХ, а в (5) к П д/дХ, где&оответствует уже местному времени, географический и геомагнитный полюса совмещены. При этом уравнение
дополняет систему (1,2). На каждом временном шаге последовательно находится решение уравнения (6) и затем ветрового переноса (1). Полученное решение является начальным условием для уравнения (2) на данном временном шаге. Рассчитанные горизонтальные скорости определяют вертикальную скорость ветра из уравнения (5). Полученное решение является начальным условием для следующего временного шага. Искомое решение задачи находится методом установления по Ь'.
На втором этапе находится периодическое по мировому времени решение нестационарной задачи с найденными на первом этапе начальными условиями.
с верхним граничным условием
ди/д1' + О.ди/дХ = 0
(б)
Решение уравнений находится на пространственной сетке с параметрами (базовыми): шаг по широте Ав = 5°, шаг по долготе ДА = 15°, по высоте шаг неравномерный (линейно возрастающий с высотой) с 50 высотными уровнями. Интервал интегрирования по времени г = 30 мин. Счет прекращается при выходе решения на стационарный и периодический по мировому времени режим с точностью е = |Ди(и)|/|и(«)| <0,5%.
В работах [5,6,9,15,17] на основе разработанной модели проведено исследование термосферной циркуляции для разных сезонов в зависимости от солнечной, геомагнитной активности и электрических полей. Отмечается, что роль процессов ветрового переноса существенна на средних широтах в ночные и восходно-заходные часы, а в экваториальных широтах наблюдаются большие количественные различия в меридиональной скорости ветра во все часы суток, рассчитанного с учетом переноса и в линейном приближении. При наличии электрических полей влияние нелинейных членов возрастает и распространяется на высокие широты.
В возмущенных условиях направленные к полюсу и связанные с ультрафиолетовым нагревом ветры на дневной стороне ослабевают, а направленные к экватору ночные ветры усиливаются. В ночное время эффекты высокоширотного нагрева простираются до экваториальных широт, что приводит к образованию в высоких широтах зимнего полушария обратной ячейки циркуляции. Перестройка меридиональной циркуляции начинается на высотах 140-250 км (максимального выделения дополнительной энергии); при этом зона восточных ветров нижней термосферы зимнего полушария начинают охватывать всю область высот термосферы, расширяясь к экватору.
Влияние электрических полей на ветры через передачу импульса от электромагнитного дрейфа ионов нейтральному газу наиболее заметно в высоких широтах, амплитуда ветра может усиливаться в 2-3 раза, структура ветра становится более изменчивой в широтном направлении. Вклад джоулева нагрева и электрических полей в суточные вариации ветра несколько различен. Так, дополнительный нагрев вызывает, в основном, изменения в амплитудах скорости ветра, практически не изменяя их фазовых характеристик. Учет же электрических полей приводит не только к изменениям (более значительным, чем при учете только одного нагрева) в амплитудах ветра, но и в фазовых отклонениях, которые зависят от конкретной модели электрического поля. С увеличением солнечной активности наиболее заметные изменения наблюдаются в скоростях ветра в высоких широтах, на средних широтах характер изменения ветра существенно зависит от сезона и геомагнитной возмущенности.
В работах [4,19,20,22] проведен сравнительный анализ результатов расчета циркуляции для различных гелиогеофизических условий с эмпирическими моделями термосферы БТМ, 177, М^К, М^К86, их сопоставление с эмпирической моделью горизонтальных ветров HWM93 и с экспериментальными данными среднеширотных станций НРР. Основные выводы:
а) расчеты дают значительные (десятки метров в сек) долготные с мировым временем вариации ветра, что указывают на важность их учета при изучении, прогнозировании состояния верхней атмосферы и интерпретации экспериментальных данных. Наблюдается качественное и количественное согласие в вариациях ветра, рассчитанных по разным моделям термосферы. Долготные вариации ветра наиболее сильны в низких широтах и связаны исключительно с долготными эффектами магнитоионного торможения, которые обусловлены геометрией силовых линий геомагнитного поля (несовпадение полюсов) и, в меньшей мере, долготными вариациями электронной концентрации. В высоких широтах наибольшее значение имеют долготные вариации градиентов давления для фиксированных моментов местного времени, что приводит к количественным различиям в этих вариациях для разных моделей. Унитарные вариации наиболее заметны в высоких широтах и так же вызываются выше названными причинами, однако основным механизмом их формирования является передача импульса от электромагнитного дрейфа ионов нейтральному газу;
б) при низкой солнечной активности (СА) велика роль высокоширотного источника нагрева в формировании термосферной циркуляции в результате чего зимой ветры преимущественно направлены к полюсу, а летом — к экватору;
в) в летний сезон при умеренной геомагнитной возмущенности с ростом СА прямой солнечный нагрев и магнитоионное торможение, пропорциональное электронной концентрации становятся главными факторами в формировании термосферной циркуляции, что приводит к ослаблению направленных к экватору ветров;
г) для зимних месяцев ослабление направленного к полюсу ветра при росте СА наблюдается не для всех станций и серий экспериментальных данных. Это указывает на то, что в зимние месяцы при высокой СА важную роль в установлении циркуляции играет относительная по отношению к солнечному нагреву величина высокоширотного источника нагрева. Если предположить, что с ростом СА высокоширотный источник нагрева возрастает в меньшей мере, чем солнечный нагрев, то это может объяснить возрастание зимой среднесуточного направленного к полюсу ветра с ростом СА.
д) суточная и полусуточная гармоники ветра возбуждаются
соответствующими гармониками градиентов давления и электрическими полями. Значительный вклад в амплитуду полусуточной гармоники дает корреляция суточной гармоники электронной концентрации с суточными гармониками ветра и электрических полей и значительная по амплитуде летом вторая гармоника в Ие. В связи с этим амплитуда
выше в зимние месяцы, а — в летние, амплитуда уменьшается с ростом СА, что и наблюдается в целом по всему массиву данных;
е) высокоширотный источник нагрева и электрические поля из-за несовпадения географического и геомагнитного полюсов испытывают сильные с долготой и мировым временем вариации, которые в разных географических пунктах вносят вклад в гармоники ветра с различаю -щимися амплитудами и фазами по местному времени. В связи с этим мы имеем для конкретных станций и гелиогеофизических условий количественно различающиеся суточные вариации ветра;
ж) в результате сравнительного анализа всей совокупности результатов расчета и экспериментальных данных можно сделать вывод: расчеты ветра по всем моделям находятся в пределах экспериментального разброса данных. Результаты моделирования пространственно - временных вариаций ионосферных параметров, проведенное в работах [4, 7, 20], подтвердили адекватность разработанных автором моделей циркуляции и позволили сделать аналогичный вывод: сопоставление массива экспериментальных данных по распределению N с расчетами не позволяет отдать предпочтение ни одной из эмпирической модели термосферы, поскольку путем физической коррекции для любой из моделей можно добиться приблизительно одной и той же точности ~20% в описании параметров максимума слоя Б2, что характеризует, к настоящему времени, объективную точность нашего знания состояния термосферы.
Во второй главе Циркуляция средней атмосферы и распространение планетарных волн проведен краткий анализ состояния исследований и подходов при построении моделей средней атмосферы (10 - 120 км) с целью его использования при создании численных прогностических моделей долгопериодных изменений структурных параметров атмосферы (плотности, давления, температуры, ветра). Состояние средней атмосферы описывается суммой фоновых (среднезональ-ных) и вихревых (волновых) полей атмосферных параметров. Вихревые движения представляют собой движения различных масштабов: 1) синоптические - крупномасштабные возмущения, планетарные волны, 2) мезомасштабные возмущения, в частности, гравитационные волны, 3) возмущения малых масштабов — турбулентные процессы, акустические волны. Особое внимание уделено параметризации вихревых потоков импульса и тепла [1]. Вихревые потоки, обусловленные мезо-масштабными движениями и возмущениями малых масштабов можно
параметризовать через введение коэффициентов турбулентной диффузии и релеевского трения. На высотах верней мезосферы и нижней термосферы учитывается ускорение зонального потока, как источника генерации меридиональной циркуляции, вызванного распадом внутренних гравитационных волн (ВГВ). Вихревые потоки за счет планетарных волн, тепловых солнечных приливов и т.д. учитываются автоматически при решении блока уравнений ветрового переноса (1).
Рассмотренная в главе 1 модель термосферной циркуляции с учетом перечисленных выше процессов "опущена" до высоты 10 км. Нижняя граница этой модели (WSMT) не зафиксирована и устанавливается в зависимости от используемой в расчетах эмпирической модели атмосферы. Предварительные результаты расчета среднезональной циркуляции средней атмосферы содержатся в [16,18]. Окончательный вариант модели WSMT рассмотрен в работах [21,22].
Расчеты циркуляции по модели WSMT (с эмпирической моделью MSIS90) и сравнение их с расчетами по расширенной модели HWM93 (с добавленным к ней нами блока расчета вертикальной скорости ветра из уравнения непрерывности с параметрами атмосферы MSIS90) и С!КЛ72(86) позволили сделать следующие выводы. Наблюдается хорошее качественное и количественное соответствие в зональной скорости ветра. Генерация средней меридиональной циркуляции на страто-мезосферных высотах осуществляется, в основном, механизмом релеевского трения, перераспределяющим энергию зонального потока. Учет распада ВГВ (в приближении Пламба и МакИвена, 1978) приводит к значительному замедлению зонального потока на средних широтах зимнего полушария с образованием струи восточных ветров до 40 м/с на высотах ~ 100 км и к усилению прямой меридиональной ячейки циркуляции (из летнего полушария в зимнее) в верхней мезосфере, особенно заметному в летнем полушарии. Наибольшие отличия в расчетах по моделям WSMT и HWM93 наблюдаются в средней меридиональной циркуляции. Расчеты по WSMT качественно согласуются с результатами работ Данкертона, Гарсия и Соломона, ... Расчеты по модели WSMT представляются нам более реалистичными, так как базируются на статистически более обоснованных структурных параметрах атмосферы в отличие от имеющихся данных по меридиональному ветру на высотах средней атмосферы, используемых в модели HWM93.
Представление ветровых полей в виде разложения по долготным гармоникам задает спектр планетарных волн, возбуждаемых долготными неоднородностями в параметрах эмпирических моделей атмосферы.
Для получения спектра планетарных волн, не заложенных в эмпирических моделях атмосферы, разработана нестационарная трехмерная модель распространения крупномасштабных возмущений из тропосфе-
ры с учетом нелинейного взаимодействия воли между собой и фоном (модель MTPW) в интервале высот 10 - 300 км [24]. Система уравнении модели WSMT дополнена уравнениями теплового баланса для возмущения температуры и для возмущения геопотенциала. Основные уравнения модели записаны в лог-изобарической системе координат. В модели учтены члены горизонтальной турбулентности и вихревой диффузии для подавления процессов подсеточного масштаба в уравнениях движения и теплопроводности. Учет процессов подсеточного масштаба, разработанный и используемый в климатических моделях КСЛЯ (Национальный Центр Атмосферных Исследований, Боулдер) и ВЦ СО РАН (Новосибирск) нами модернизирован, чтобы устранить имеющиеся там расходимости в вихревых потоках импульса и в выражениях для горизонтальных деформаций в приполюсных областях.
Задача решается при заданном распределении среднезональных параметров атмосферы по модели MSIS90 (плотность, давление, температура). Испытания численной модели MTPW проведены с заданием высоты возмущения геопотенциала на уровне 10 км выражением
при 0 = в\ < в < #2 — 60° и равным нулю на остальных широтах, #о=350 м , ¿о - характерное время нарастания возмущения (3 сут). Выражение (7) представляет наиболее часто используемую в численных моделях первую долготную гармонику возмущения.
На основе численных расчетов получены следующие результаты:
— влияние турбулентности и особенно процессов подсеточного масштаба почти не сказывается на рассчитываемые параметры. Генерация средней меридиональной циркуляции на страто-мезосферных высотах осуществляется, в основном, за счет механизма релеевского трения из энергии зонального потока;
— зимнее полушарие более активно к распространению и развитию крупномасштабных возмущений по сравнению с летним полушарием, что подтверждает оценки Чарни - Дрезина (1961), сделанные в приближении среднеширотной - плоскости;
— структура волновых полей устанавливается на ~ 15 сутки от начала возмущения и охватывает обширную высотно-широтную область зимнего полушария с максимумом возмущения на высоте ~ 40 км и широте ~ 70°. Максимальные амплитуды возмущения: в высоте геопотенциала ~ 1800 м, температуре ~ 20°, в горизонтальном ветре ~ 70 м/с. Фаза 1-й гармоники геопотенциала со временем уменьшается с увеличением высоты и в направлении к экватору и в максимуме возмущения на 15-е сутки она составляет ~ 250°, т.е. возмущение распространяется на за-
пад;
— нелинейное взаимодействие волн приводит к возбуждению значимых по амплитуде 2-й и 3-й гармоник возмущения для всех рассчитываемых параметров. Для амплитуды 2-й (3-й) зональных гармоник получены следующие значения: в высоте геопотенциала около 600 ( 200) м, температуре ~ 8° ( с:; 5°), горизонтальном ветре ~ 20 ( ~ 10) м/с;
— расчет по модели MTPW с учетом разрушения ВГВ, показывает, что распад ВГВ способствует межполушарному распространению планетарных волн и возбуждению на высотах мезопаузы и нижней термосферы значительных долготных возмущений во всех параметрах средней атмосферы;
— расчетами подтверждена важная роль проникающих из тропосферы возмущений в формировании климатической структуры барического, температурного и ветрового полей стратомезосферы.
Сравнение результатов расчета по модели MTPW с расчетами по моделям WSMT и HWM93 показало, что не смотря на схематичность задания пространственно - временной структуры возмущения на нижней границе, получено хорошее согласие между расчетами в возмущениях ветра, температуры и геопотенциала. Это позволяет сделать вывод, что наблюдаемые долготные вариации атмосферных параметров обусловлены, в основном, первой долготной гармоникой возмущения.
Это указывает также на то, что нами верно учтены основные процессы, формирующие состояние средней атмосферы и влияющие на распространение КПВ, и на эффективность разработанных численных методов решения задачи, с одной стороны, а с другой, — в моделях MSIS90 и HWM93 из всего многообразия вариаций отражены только наиболее значимые, крупномасштабные.
В третьей главе Распространение инфразвука проведены исследования распространения инфразвука с помощью комплекса аппаратуры, включающего в себя акустические датчики, сейсмодатчики и мощные сейсмовибраторы, установленные на полигоне "Быстровка" СО РАН (Новосибирск) и их анализ с помощью численных расчетов. Измерения проводились на различных расстояниях от сейсмовибраторов в диапазоне частот 5-10 Гц. Результаты этих исследований изложены в работах [11,12,23,25].
Акустические измерения за 1998-2001 гг показали, что мощные сей-смовибраторы являются эффективными генераторами инфразвука и могут быть использованы для изучения его распространения.
При свип-режиме работы сейсмовибраторов анализ взаимных корреляционных функций между записями акустических датчиков и опорным сигналом позволяют наблюдать этот сигнал на расстояниях до 210 км от вибратора в условиях, когда его амплитуда ниже уровня акустиче-
ских шумов в пункте приема и сигнал испытывает различные фазовые искажения в реальной атмосфере.
Обнаружено, что сигналы, отраженные в тропосфере, более нестабильны, чем стратосферные. Они могут наблюдаться лишь в течение одной ночи или даже одного сеанса. Бывает, что тропосферные акустические сигналы не слышны в течение нескольких дней и недель. Амплитуда и модовый состав тропосферных акустических сигналов могут существенно изменяться в течение одного сеанса.
Экспериментально доказана генерация сейсмических колебаний при воздействии акустической волны на грунт на расстояниях от 4 до 210 км. Передача энергии колебаний от сейсмоисточника к сейсмоприемни-ку на инфразвуковых частотах по атмосферному каналу может быть более эффективной, чем ее непосредственный перенос сейсмическими волнами в твердой Земле.
Результатами расчетов распространения инфразвука с рассчитанными по созданной модели циркуляции атмосферы WSMT данными и его регистрацией установлена возможность предсказания особенностей распространения инфразвука на расстояниях до 200 км от источника.
Заключение
При выполнении диссертационной работы получены следующие основные результаты:
1. На основе разработанного численного метода решения нелинейных трехмерных уравнений гидротермодинамики построена нестационарная глобальная модель циркуляции средней и верхней атмосферы на высотах 10 - 600 км (модель WSMT).
2. Анализ экспериментальных данных и результатов расчетов показал, что модель WSMT адекватно воспроизводит глобальную климатическую структуру термосферной циркуляции. Исследованы особенности сезонных, суточных, долготных и с мировым временем вариаций параметров этой структуры и зависимость этих вариаций от солнечной и геомагнитной активности, дана физическая интерпретация природы этих вариаций.
3. Анализ полученных результатов позволяет сказать, что на формирование структуры циркуляции в средних и высоких широтах сильное влияние оказывают высокоширотные источники нагрева (джоулев нагрев, высыпающиеся частицы) и импульса (электрические поля маг-нитосферной конвекции), степень этого влияния зависит от уровня С А и сезона (мощности солнечного нагрева и значений электронной концентрации, которой пропорционально магнитоионное торможение). Это приводит к тому, что узкая область средних широт оказывается как бы
"переходной зоной" для которой характерны резкие изменения во всех параметрах ветра при переходе от одних гелиогеофизических условий к другим.
4. Ветровые поля являются тонким индикатором эмпирических тер-мосферных моделей. Созданная модель является средством проверки их адекватности. Имеющиеся экспериментальные данные по ветрам и их статистическая обусловленность не позволяют отдать предпочтение какой-либо из существующих эмпирических моделей термосферы
5. На основе анализа экспериментальных и теоретических данных пространственно-временной структуры системы циркуляции средней атмосферы получено: а) структура зонального ветра и его числовые характеристики на всех высотах средней атмосферы хорошо представлены моделями Гровса и HWM93, эти же модели хорошо представляют структуру меридионального ветра на высотах выше 60 км, б) на высотах 30-60 км обоснованным является представление меридиональной циркуляции в виде прямой ячейки из летнего полушария в зимнее, а ниже 30 км — в виде ячеек Гравер-Допсона, в) ниже 60 км наблюдается численный разброс в значениях меридиональной скорости от 0.1 до ~10 м/с.
6. На высотах средней атмосферы модель WSMT адекватно воспроизводит описанную в п.5 структуру среднезонального ветра и, что особенно важно, меридиональную циркуляцию.
7. Разработана нестационарная трехмерная модель распространения крупномасштабных возмущений из тропосферы с учетом нелинейного взаимодействия волн между собой и фоном (модель MTPW). На основе численных расчетов получены следующие результаты: а) турбулентность и горизонтальная вихревая диффузия не оказывают влияния на рассчитываемые параметры, б) зимнее полушарие более активно к распространению и развитию крупномасштабных возмущений по сравнению с летним, в) нелинейное взаимодействие волн приводит к возбуждению значимых по амплитуде 2-й и 3-й гармоник возмущений во всех рассчитываемых параметрах, г) генерация средней меридиональной циркуляции на страто-мезосферных высотах осуществляется в основном за счет механизма релеевского трения из энергии зонального потока, д) эффекты за счет разрушения ВГВ создают условия для меж-полушарного распространения планетарных волн и их проникновению на высоты мезопаузы и термосферы.
8. Полученные результаты показывают, что только в рамках трехмерных нестационарных моделей возможен корректный учет процессов нелинейного взаимодействия, которые определяют динамическое состояние и структуру средней атмосферы. Модель MTPW может служить
основой для создания моделей, предназначенных для исследования тро-посферно - стратосферных взаимосвязей и прогнозирования состояния средней атмосферы.
9. Мощные сейсмовибраторы (Быстровский полигон, Новосибирск) являются эффективными генераторами инфразвука и могут быть использованы для изучения распространения акустических волн.
10. Экспериментально доказана генерация сейсмических колебаний при воздействии акустической волны на грунт на расстояниях от 4 до 210 км (этот эффект впервые обнаружен группой академика А.С. Алексеева на расстоянии 20 км от источника).
11. Передача энергии колебаний от сейсмоисточника к сейсмоприем-нику на инфразвуковых частотах по атмосферному каналу может быть более эффективной, чем ее непосредственный перенос сейсмическими волнами в твердой Земле.
12. Результатами расчетов распространения инфразвука с рассчитанными по созданной модели циркуляции атмосферы WSMT данными и его регистрацией установлена возможность предсказания особенностей распространения инфразвука на расстояниях до 200 км от источника.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю Э.И. Гинзбургу, коллегам по работе Л.В. Жалковской, В.В. Кузнецову, В.В. Плоткину, СЮ. Хомутову за сотрудничество в получении и обсуждении результатов, изложенных в диссертации. Выражаю большую признательность М.И. Эпову и Ю.А. Дашевскому за внимание к разрабатываемым вопросам, без чего работа над диссертацией, возможно, не была бы начата и закончена.
Основное содержание диссертации опубликовано в работах:
1. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т., Жалковская Л.В. Динамические модели свободной атмосферы - Новосибирск: Наука, 1987. - 293 с.
2. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т. Общие положения динамического моделирования свободной атмосферы // В кн. Принципы построения динамических моделей верхней атмосферы / Под ред. Э.И. Гинзбурга. - М:, Гидрометеоиздат, 1989. С. 6-43.
3. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т. Моделирование фоновых полей термосферы. Глобальная модель Б-области ионосферы // В кн. Принципы построения динамических моделей верхней атмосферы / Под ред. Э.И. Гинзбурга. - М:, Гидрометеоиздат, 1989. С. 114-134.
4. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т. Трехмерная модель Б-области ионосферы // В кн. Применение ЭВМ в исследованиях физических процессов в атмосфере и ионосфере, Новосибирск, ИГиГ СО АН СССР, 1987, с. 37-48.
5. Жалковская Л.В., Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т. Влияние электрических полей магнитосферной конвекции на термосферную циркуляцию // В кн.Комплексные исследования полярной ионосферы,
- Апатиты, изд. Кольского филиала АН СССР, 1987. С. 12-16.
6. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т., Жалковская Л.В. Термосферная циркуляция в высоких широтах // Ионосферные исследования - 1993,
- № 49. - С. 133-142.
7. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т. Нестационарная одномерная полуэмпирическая модель Б-области ионосферы // Исследование нижней ионосферы. - Новосибирск, ИГиГ СО АН СССР, 1982. С. 97-120.
8. Гуляев В.Т., Жалковская Л.В. Расчет трехмерной системы тер-мосферных ветров // Исследование нижней ионосферы. - Новосибирск, ИГиГ СО АН СССР, 1982. С. 120-129.
9. Жалковская Л.В., Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т. Исследование полуэмпирической модели общей циркуляции верхней термосферы: препринт № 5 - Новосибирск, ИГиГ СО АН СССР, 1984. - 47 С.
10. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т., Жалковская Л.В. Квазистационарная глобальная модель термосферных ветров. Предварительные результаты // В кн. Исследование динамических процессов в верхней атмосфере, - М.: Гидрометеоиздат, 1985. С. 210-217.
11. Гуляев В.Т., Кузнецов В.В., Плоткин В.В., Хомутоп СЮ. Генерация и распространение инфразвука в атмосфере при работе мощных сейсмовибраторов // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана,
- 2001. - Т.37. - № 3. - С. 303-312.
12. Гуляев В.Т., Кузнецов В.В., Плоткин В.В., Хомутов СЮ. Тропосферные и стратосферные отражения акустических сигналов мощных сейсмовибраторов // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана, - 2002. - Т.38. - № 4. - С. 457-469.
13. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т., Жалковская Л.В. Квазистационарная глобальная модель термосферных ветров. Предварительные результаты // Четвертое Всесоюзное совещание по исследованию динамических процессов в верхней атмосфере: Тез. докл. - Обнинск, 1982. С. 64-65.
14. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т., Жалковская Л.В. Нейтральные ветры в термосфере // Первый Всесоюзный Симпозиум по результатам исследований средней атмосферы: Тез. докл. - Алма-Ата, 1983. С 13-14.
15. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т., Жалковская Л.В. Влияние электрических полей магнитосферной конвекции на приполюсную систему термосферных ветров // Третье Всесоюзное совещание "Полярная ионосфера и магнитосферно-ионосферные связи " - Апатиты, 1984. С. 93-97.
16. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т., Смородский Б.В. Полуэмпирическая глобальная модель зональноосредненной циркуляции средней атмосферы // Пятое Всесоюзное совещание по исследованию динамических процессов в верхней атмосфере Земли: Тез. докл. - Обнинск, 1985. С. 92.
17. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т. Сравнительный анализ полуэмпирических моделей общей циркуляции нижней термосферы // Пятое Всесоюзное совещание по исследованию динамических процессов в верхней атмосфере Земли: Тез. докл. - Обнинск, 1985. С. 93.
18. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т., Жалковская Л.В. Эффект обращения циркуляции в мезо-термосфере // Второй Всесоюзный Симпозиум по результатам исследования средней атмосферы: Тез. докл. -Москва, 1986. С. 30.
19. Кузнецов В.В., Гуляев В.Т., Плоткин В.В., Нестерова И.И. Долготные вариации термосферных ветров и параметров ионосферы по эмпирическим моделям термосферы // Международная конференция "Проблемы геокосмоса": Тез. докл. - С.-Петербург, 1996.
20. Ginzburg E.I., Gulyaev V.T. A three-dimensional model of ionospheric F-region // Pure and Appl. Geophys. (PAGEOPH). - 1988. - V.127. - No 2/3. - P. 305-321.
21. Gulyaev V.T., Plotkin V.V., Nesterova LI. Three-Dimensional Unsteady Model of the Middle Atmosphere Circulation // IAGA 1997 Abstract Book (Abstr. for the 8th Sci. Assem. IAGA with ICMA and STP Symp., Uppsala, Aug. 4-9,1997; sect. 2.22). - 1997. - P. 234-235.
22. Gulyaev V.T., Plotkin V.V., Nesterova I.I., Zhalkovskaya L.V Global model of circulation of the middle and upper atmosphere // Annales Geophysicae, Suppl.lll to v.16 ST2, part 111, Space & Planet Sci., 1998, P.831.
23. Gulyaev V.T., Khomutov S.Y., Kuznetsov V.V., Plotkin V.V. Features of generation and propagation of infrasound durin vibroseismic sounding // XXV General Assembly Millennium Conference on Earth, Planetary & Solar Systems Sciences Nice, France, 25-29 April 2000.
24. Gulyaev V.T., Plotkin V.V. Influence of the planetary waves on large-scale dynamic processes in the middle atmosphere // Geophysical Research Abstracts, v.3, 2001. EGS XXVI General Assembly, Nice, France, 25-30 March 2001. Part II.
25. Gulyaev V.T., Plotkin V.V. Mesospheric reflection of infrasound radiated by powerful seismovibrators // Geophysical Research Abstracts. v.3, 2001. EGS XXVI General Assembly, Nice, Frnce, 25-30 March 2001. Part II.
Технический редактор О. М. Вараксина
Подписано к печати 0410 . 2004 Формат 60x84/16. Бумага офсет №1. Гарнитура Таймс. Офсетная печать Печ. л. 1,2. Тираж 100. Заказ 200
Издательство СО РАН. 630090, Новосибирск, Морской пр. 2 Филиал «Гео». 630090, Новосибирск, пр. Ак. Коптюга, 3
»18 3 25
РНБ Русский фонд
2005-4 14379
Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Гуляев, Владимир Тимофеевич
ВВЕДЕНИЕ
1 НЕСТАЦИОНАРНАЯ ТРЕХМЕРНАЯ МОДЕЛЬ ЦИРКУЛЯЦИИ ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ
1.1 Эмпирические данные и модели термосферы.
1.2 Исходная система уравнений модели
1.3 Методы решения уравнений.
1.4 Стационарная в системе Солнце-Земля циркуляция термосферы.
1.4.1 Общая характеристика циркуляции термосферы
1.4.2 Зависимость циркуляции от солнечной и геомагнитной активности.
1.5 Долготные эффекты в термосфере и вариации от мирового времени.
1.6 Суточные вариации термосферных ветров и их зависимость от сезона и солнечной активности
1.7 Выводы.
2 ЦИРКУЛЯЦИЯ СРЕДНЕЙ АТМОСФЕРЫ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПЛАНЕТАРНЫХ ВОЛН
2.1 Модели средней атмосферы.
2.2 Циркуляция средней атмосферы
2.3 Модель распространения планетарных волн.
2.4 Численные эксперименты.
2.5 Выводы.
3 РАСПРОСТРАНЕНИЕ ИНФРАЗВУКА
3.1 Аппаратура и методы обработки данных.
3.2 Расчет траекторий распространения инфразвука.
3.3 Тропосферное распространение акустических волн.
3.4 Стратосферное распространение акустических волн.
3.5 Выводы.
Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Глобальная климатическая модель циркуляции средней и верхней атмосферы"
Объектом исследований являются крупномасштабные динамические процессы в средней и верхней атмосфере Земли.
Актуальность темы
Динамические проявления нижней атмосферы Земли (тропосферы) оказывают на жизнедеятельность человека заметное, часто определяющее влияние. Этим объясняется стремление исследователей не только понять сущность протекающих в ней процессов, но и создать их адекватные модели, способные прогнозировать особенности развития этих процессов во времени и в пространстве.
Интерес к строению и динамике более верхних слоев атмосферы (стратосфере, мезосфере, термосфере) появился в начале 20-х годов прошлого века в связи, в частности, с обнаружением эффекта дальнего распространения коротких радиоволн. С развитием средств радиосвязи, высотных полетов аппаратов исследование верхней атмосферы становится стремительно развивающимся научным направлением, оформившись в 70-80 годах в такие международные программы как MAP, MAC, STEP и др. Такое внимание к динамике средней и верхней атмосферы объясняется осознанием ее роли в формировании климата, экологии планеты, каналов радиосвязи, ее влиянием на полеты космических аппаратов, возможности использования ее мониторинга для предсказания погоды, катастрофических явлений и при исследовании глубинного строения Земли.
Исследования ведутся по двум главным направлениям: в одном преобладают статистические методы анализа имеющегося экспериментального материала, основой другого является развитие численных моделей планетарного распределения той или иной совокупности атмосферных параметров. Оба направления тесно связаны между собой, взаимно дополняют и обогащают друг друга.
Целью этих исследований является установление роли различных факторов в формировании погоды и климата верхней атмосферы и создание на этой основе прогностических моделей. Построение как статистических (экспериментальных) так и теоретических (численных) моделей верхней атмосферы в настоящее время далеко от завершения, что связано с мно-гопараметричностью состояния атмосферы, с исключительной сложностью взаимосвязи этих параметров, со сложным влиянием на динамику атмосферы многочисленных и не всегда хорошо известных внешних и внутренних факторов, с отсутствием достаточно представительных статистических данных о глобальном распределении термодинамических параметров атмосферы.
Поэтому создание численных как синоптических, так и климатических глобальных моделей состояния средней и верхней атмосферы является актуальной задачей. Одной из основных задач, стоящих перед исследователями атмосферы, является создание такой ее численной модели, которая воспроизводила бы поля искомых термодинамических параметров с точностью не меньшей точности их экспериментального определения (адекватная модель). Построение такой модели в настоящее время на основе полной системы гидротермодинамических уравнений, по нашему мнению, мало эффективно, поскольку полную модель, во — первых, трудно приспособить для воспроизведения конкретной синоптической ситуации из-за сильной и мало изученной изменчивости большого числа внешних возмущающих факторов, и, во — вторых, полученные результаты просто не с чем сравнивать (синоптические данные верхней атмосферы фактически отсутствуют). При воспроизведении на основе полной модели имеющихся климатических, крупномасштабных пространственно-временных вариаций полей термодинамических параметров возникают до сих пор не преодоленные трудности, связанные с необходимостью параметризации большого числа разнообразных процессов и факторов. Выход из создавшегося положения мы видим в создании адекватных моделей атмосферы на основе концепции блочного построения, т.е. детальной разработки и физического обоснования отдельных блоков модели (динамики, теплового режима, состава и др.). На первом этапе такого построения разрабатывается отдельный блок при заданных эмпирических моделях остальных. Затем разработанный блок укрупняется другим блоком и построение повторяется. Большое значение имеет и математическая постановка задачи и разработка эффективных методов решения многомерных нестационарных уравнений гидротермодинамики.
В настоящее время наиболее полными являются модели состава, плотности, температуры, которые представлены такими эмпирическими моделями как: DTM, Яккия77, MSIS86(90). Эти модели основаны на статистической обработке огромных массивов данных глобального мониторинга параметров верхней атмосферы, полученных разными методами в разных гелиогеофизических условиях, и воспроизводят климатические крупномасштабные пространсвено-временные вариации указанных параметров.
Цель работы
Разработать на основе эмпирических моделей атмосферы глобальную нестационарную численную модель крупномасштабной ветровой системы средней и верхней атмосферы, которая адекватно отражает динамическое состояние этой области атмосферы и позволяет прогнозировать эффекты влияния крупномасштабной циркуляции на поведение атмосферных и ионосферных параметров.
Основные задачи исследований
1. Разработать методы и алгоритмы решения нестационарных трехмерных нелинейных уравнений динамики атмосферы с корректным учетом граничных условий и численного представления решения в высокоширотных областях.
2. Программно реализовать расчет циркуляции средней и верхней атмосферы и провести сравнительный анализ результатов расчета систем циркуляции для разных эмпирических моделей термосферы с экспериментальными данными по ветрам для различных гелиогеофизических условий.
3. Разработать нестационарную трехмерную модель распространения в средней атмосфере крупномасштабных возмущений тропосферы (планетарных волн - КПВ) с учетом их нелинейного взаимодействия между собой и фоном.
4. Провести численные эксперименты по моделированию распространения КПВ с целью определения прогностических возможностей модели и оценки влияния вихревых потоков и разрушения внутренних гравитационных волн (ВГВ) на среднезональную циркуляцию и распространение КПВ.
5. Исследовать геофизические эффекты, сопровождающие работу мощных сейсмовибраторов, и влияние крупномасштабной ветровой системы на распространение инфразвука.
Методы исследований и фактический материал
Основными методами достижения поставленной цели являются: численное моделирование пространственно-временного распределения искомых параметров средней и верхней атмосферы Земли, сравнительный анализ имеющихся теоретических моделей циркуляции, анализ накопленного экспериментального материала по основным структурным параметрам атмосферы и циркуляции. Проведенные исследования включают в себя следующие основные этапы:
1. Математическую постановку задачи — выбор замкнутой для каждой конкретной задачи системы уравнений, учитывающей все основные процессы; формулировку начальных и граничных условий.
2. Разработку методов и алгоритмов численного решения выписанной системы уравнений, программную реализацию.
3. Проведение численных экспериментов, интерпретацию результатов расчетов, сравнительный анализ с имеющимися экспериментальными данными и результатами других исследователей с целью выяснения возможных упрощений и/или необходимых дополнений исходной системы уравнений, определения возможностей модели как инструмента для исследования, адекватного описания и прогнозирования процессов и параметров состояния атмосферы
Научная новизна работы
1. На основе метода расщепления разработан и реализован новый подход к решению нелинейных трехмерных уравнений гидротермодинамики, который позволил снять "проблему полюсов" в численных моделях циркуляции атмосферы. В схемах расщепления в отдельное уравнение выделяются члены нелинейного переноса, решение представляется в аналитическом виде. Задача сводится к вычислению характеристик на сфере с преобразованием уравнений характеристик к полярным координатам в высоких широтах. Аналитическое решение служит для преобразования оставшейся части уравнений на полюсах.
2. Предложена новая постановка верхнего граничного условия для вертикальной скорости ветра в метрической системе координат.
3. Разработаны оригинальные численные нестационарные трехмерные модели циркуляции (WSMT) и распространения крупномасштабных планетарных возмущений с учетом нелинейного взаимодействия планетарных волн между собой и фоном (MTPW).
4. Уточнены основные структурные особенности крупномасштабной системы термосферных ветров. Исследованы сезонные, суточные, долготные и по мировому времени вариации параметров этой структуры и зависимость этих вариаций от солнечной и геомагнитной активности, дана физическая интерпретация природы этих вариаций.
5. По модели MTPW выполнены численные расчеты, которые позволили установить особенности распространения КПВ и исследовать роль вихревых потоков, обусловленных процессами различных масштабов, в формировании структуры барического, температурного и ветровых полей средней атмосферы.
6. Результатами расчетов распространения инфразвука с рассчитанными по созданной модели циркуляции атмосферы WSMT данными и его регистрацией установлена возможность предсказания особенностей распространения инфразвука на расстояниях до 200 км от источника.
7. Экспериментально доказана генерация сейсмических колебаний при воздействии акустической волны на грунт на расстояниях от 4 до 210 км. Передача энергии колебаний от сейсмоисточника к сейсмоприемнику на инфразвуковых частотах по атмосферному каналу может быть более эффективной, чем ее непосредственный перенос сейсмическими волнами в твердой Земле.
Научная и практическая значимость работы
Разработанные модели глобальной циркуляции и распространения крупномасштабных планетарных возмущений могут быть использованы для решения ряда актуальных научных и прикладных задач: планировании экспериментов и интерпретации результатов наблюдений о пространственно- временных вариациях параметров средней и верхней атмосферы, моделирования переноса малых составляющих атмосферы, развития прогностических моделей состояния средней, верхней атмосферы и ионосферы, разработки технологии мониторинга состояния средней и верхней атмосферы Земли, разработанные численные методы могут быть применены для решения подобных нелинейных многомерных задач при моделировании процессов динамики взаимодействия геосфер, при планировании акустических измерений на больших расстояниях ( 1000 км) от источника и размещении пунктов сейсмодатчиков с учетом возможности возбуждения сейсмических колебаний акустическими волнами.
Научная и практическая ценность работы определяется также тем, что ее основные результаты получены при поддержке РФФИ (гранты № 96 - 05 - 66055, № 99 - 05 - 64676) и при. выполнении хоздоговорных работ с ИПГ (Москва), ЦАО (Обнинск), результаты которых изложены> в отчетах:
1. Создание физической квазитрехмерной полуэмпирической средне-широтной F-области ионосферы и апробирование-ее в,.дг/дачах прогнозирования состояния среднеширотной ионосферной плазмы: Отчет о НИР закл.)/ ЗапСибНИИ Госкомгидромета. - № ГР 81082291. - Новосибирск, 1983. - 128 с.
2. Отладить и опробовать в задачах прогноза самосогласованную полуэмпирическую модель среднеширотной F-области ионосферы: Отчет о НИР (закл.)/ ЗапСибНИИ Госкомгидромета. - № ГР 018400522239. -Новосибирск, 1985. - 33 с.
3. Создать модель термосферной циркуляции: Отчет о НИР (закл.)/ ЗапСибНИИ Госкомгидромета. - № ГР 01860073922. -Новосибирск, 1988. - 83 с.
4. Разработать численную глобальную (многоуровневую) модель циркуляции средней и верхней атмосферы: Отчет о НИР (закл.)/ ЗапСибНИИ Госкомгидромета.- ГР 01870049358.- Новосибирск, 1998. - 34 с.
5. Разработать трехмерную нестационарную численную модель ветрового режима средней и верхней атмосферы (10-300 км) с учетом нелинейного взаимодействия фоновых полей и крупномасштабных планетарных возмущений: Отчет о НИР (закл.)/ ЗапСибНИИ Госкомгидромета. - № ГР 01890026562. - Новосибирск, 2001. - 23 с.
Проведенные исследования позволили сформулировать следующие основные результаты и положения, которые выносятся на защиту:
1. Построенную на основе разработанных численных методов решения нелинейных трехмерных уравнений гидротермодинамики климатическую глобальную модель циркуляции средней и верхней атмосферы на высотах 10 - 600 км (модель WSMT).Результаты анализа и физической интерпретации численных экспериментов.
2. Разработанную нестационарную трехмерную модель распространения КПВ с учетом нелинейного взаимодействия волн между собой и фоном (модель MTPW).Результаты численных экспериментов по исследованию распространения крупномасштабных планетарных возмущений.
3. Результаты экспериментальных исследований и численных расчетов по распространению инфразвука.
Достоверность результатов, полученных в диссертации, определяется обоснованностью используемых методов при построении численных моделей; качественном и количественном соответствии с результатами, полученными другими авторами при решении аналогичных задач и с экспериментальными данными; использованием общепризнанных методов анализа и обработки больших серий экспериментальных данных.
Личный вклад автора и взаимоотношения с соавторами. Общее направление исследований (моделирование крупномасщтабных динамических процессов в атмосфере Земли), подходы и принципы построения численных моделей циркуляции были определены в результате дискуссий с Э.И. Гинзбургом и JI.B. Жалковской. Лично автором разработаны численные методы решения нелинейных трехмерных уравнений гидротермодинамики; программно реализованы все блоки моделей глобальной циркуляции атмосферы на высотах 10 - 600 км (модель WSMT) и модель распространения крупномасштабных планетарных возмущений с учетом нелинейного взаимодействия волн между собой и фоном (модель MTPW); проведены численные расчеты и созданы программы для их обработки.
Под руководством В.В. Кузнецова совместно с В.В. Плоткиным и С.Ю. Хомутовым автором планировались эксперименты и осуществлялись экспедиции по исследованию геофизических эффектов (в частности, инфразвука), сопровождающих работу мощных сейсмовибраторов. Численная модель распространения инфразвука разработана лично автором. Обсуждение и интерпретация экспериментальных результатов проводились совместно.
Апробация работы и публикации
Основные результаты докладывались на XXY Областной научно- технической конференции (Новосибирск, 1982), на IY и Y Всесоюзных совещаниях по исследованию динамических процессов в верхней атмосфере (Обнинск, 1982, 1985), на Г и II Всесоюзных симпозиумах по результатам исследований средней атмосферы (Алма- Ата, 1983, Москва, 1986), на YII Всесоюзном семинаре по математическому моделированию ионосферных процессов (Иркутск, 1984), на III Всесоюзном совещании "Полярная ионосфера и магнитосферно-ионосферные связи "(Апатиты, 1984), на XXI Генеральной Ассамблее IUGG (Боулдер, США, 1995), на 8-ой Научной Ассамблее IAGA (Упсала, Швеция, 1997), на XXY и XXYI Генеральных Ассамблеях EGS (Ницца, Франция, 2000, 2001)
Краткое содержание работы.
В первой главе на основе анализа современного состояния экспериментальных и теоретических исследований термосферы выработаны принципы и подходы к решению задач по описанию и прогнозированию состояния верхней атмосферы [19, 11, 12]. Приводятся математическая постановка задачи, методы ее решения и результаты численных расчетов для разных гелиогеофизических условий. На основе сравнения полученных результатов с аналогичными исследованиями других авторов и с экспериментальными данными показано, что созданная модель адекватно описывает систему циркуляции верхней атмосферы и может служить базой для создания более детальных прогностических моделей верхней атмосферы и решения ряда прикладных задач, в частности, прогнозирование состояния F-области ионосферы, расчет системы ионосферных динамо-токов, как источников электромагнитного поля, и т.д.
В первых разработках модели термосферной циркуляции для решения уравнений движения, непрерывности и гидростатики использовался метод расщепления по координатам и физических процессам в различных его вариантах [13, 14, 24, 15, 31, 17]. Местное время и долгота были совмещены, находилось периодическое решение по местному времени (стационарное в системе Солнце-Земля) решение задачи. В работах [10, 19; 107] метод решения модернизирован, а в [110, 111] на его основе разработана нестационарная глобальная модель циркуляции средней и верхней атмосферы (WSMT) в метрической и лог-изобарической системах координат.
В схемах расщепления в отдельное уравнение выделяются члены нелинейного переноса, решение представляется в аналитическом виде. Задача сводится к вычислению характеристик на сфере с преобразованием уравнений характеристик к полярным координатам в высоких широтах. Аналитическое решение служит для преобразования оставшейся части уравнений на полюсах. Этим снимается "проблема полюсов" в численных моделях циркуляции атмосферы. Вертикальная скорость ветра в метрической системе координат вычисляется из уравнения непрерывности с верхним граничным условием, согласованным с граничными условиями для горизонтальных компонентов ветра и условием квазистатичности атмосферы для крупномасштабных движений.
В работах [16, 31, 9, 32, 20] на основе разработанной модели по "стационарному" блоку проведено исследование термосферной циркуляции для разных сезонов в зависимости от солнечной, геомагнитной активности и электрических полей.
Сравнение систем циркуляции для эмпирических моделей термосферы DTM, J77, MSIS, MSIS86 при различных гелиогеофизических условиях проведено в [10, 107], а в [44, 111] рассмотрены долготные изменения и вариации от мирового времени в термосферной циркуляции и сопоставление результатов расчета с эмпирической моделью горизонтальных ветров HWM93 и с экспериментальными данными среднеширотных станций НРР. Отмечены существенные различия в суточных вариациях ветра в экспериментальных данных для разных станций и в результатах расчета с разными эмпирическими моделями по меридиональному ветру на средних широтах, приведен анализ этих различий и их физическая интерпретация.
В результате сравнительного анализа всей совокупности приведенных результатов можно сделать основной вывод: расчеты ветра по всем эмпирическим моделям находятся в пределах экспериментального разброса данных. Разработанная трехмерная нестационарная модель термосфер-ной циркуляции воспроизводит отмеченные выше глобальную климатическую структуру ветровых полей и особенности вариаций циркуляции от сезона, уровней солнечной и геомагнитной активности.
Во второй главе проведен краткий анализ состояния исследований и подходов при построении моделей средней атмосферы (10 - 120 км) с целью его использования при создании численных прогностических моделей долгопериодных изменений структурных параметров атмосферы. Состояние средней атмосферы описывается суммой фоновых (среднезо-нальных) и вихревых (волновых) полей атмосферных параметров. Вихревые движения представляют собой движения различных масштабов: 1) синоптические — крупномасштабные возмущения, планетарные волны, 2) мезомасштабные возмущения, в частности, гравитационные волны, 3) возмущения малых масштабов — турбулентные процессы, акустические волны. Особое внимание уделено параметризации вихревых потоков импульса и тепла [19]. Вихревые потоки, обусловленные мезомасштабными движениями и возмущениями малых масштабов можно параметризовать через введение коэффициентов турбулентной диффузии и релеевского трения. На высотах верней мезосферы и нижней термосферы учитывается ускорение зонального потока, как источника генерации меридиональной циркуляции, вызванного распадом внутренних гравитационных волн (ВГВ). Вихревые потоки за счет планетарных волн, тепловых солнечных приливов и т.д. учитываются автоматически при решении блока уравнений ветрового переноса (1.10).
Рассмотренная в главе 1 модель термосфер ной циркуляции с учетом перечисленных выше процессов "опущена" до высоты 10 км. Нижняя граница этой модели (модель WSMT) не зафиксирована и устанавливается в зависимости от используемой в расчетах эмпирической модели атмосферы. Предварительные результаты расчета среднезональной циркуляции средней атмосферы содержатся в [21, 18]. Окончательный вариант модели WSMT рассмотрен в работах [110, 111].
Расчеты циркуляции по модели WSMT (с эмпирической моделью MSIS90) и сравнение их с расчетами по расширенной модели HWM93 (с добавленным к ней нами блока расчета вертикальной скорости ветра из уравнения непрерывности с параметрами атмосферы MSIS-90) и CIRA72(86) позволили сделать следующие выводы. Наблюдается хорошее качественное и количественное соответствие в зональной скорости ветра. Генерация средней меридиональной циркуляции на страто-мезо-сферных высотах осуществляется, в основном, механизмом релеевского трения. Учет распада ВГВ (в приближении Пламба и МакИвена [152]) приводит к значительному замедлению зонального потока на средних широтах зимнего полушария с образованием струи восточных ветров до 40 м/с на высотах ~ 100 км и к усилению прямой меридиональной ячейки циркуляции (из летнего полушария в зимнее) в верхней мезосфере, особенно заметному в летнем полушарии.
Расчеты по WSMT качественно согласуются с результатами работ Данкертона, Гарсия и Соломона,и представляются нам более реалистичными по сравнению с HWM93, так как базируются на статистически более обоснованных структурных параметрах атмосферы в отличие от имеющихся данных по меридиональному ветру на высотах средней атмосферы, используемых в модели HWM93.
Для получения спектра планетарных волн, не заложенных в эмпирических моделях атмосферы, разработана нестационарная трехмерная модель распространения крупномасштабных возмущений из тропосферы с учетом нелинейного взаимодействия волн между собой и фоном (модель MTPW) [26]. Система уравнений модели WSMT дополнена уравнениями теплового баланса для возмущения температуры и для возмущения геопотенциала. Основные уравнения модели записаны в лог-изобарической системе координат. В модели учтены члены горизонтальной турбулентности и вихревой диффузии для подавления процессов подсеточного масштаба в уравнениях движения и теплопроводности. Учет процессов подсеточного масштаба, разработанный и используемый в климатических моделях NCAR (Национальный Центр Атмосферных Исследований, Боулдер) и ВЦ СО РАН (Новосибирск) нами модернизирован, чтобы устранить имеющиеся там расходимости в вихревых потоках импульса и в выражениях для горизонтальных деформаций в приполюсных областях.
Задача решается при заданном распределении среднезональных параметров атмосферы по модели MSIS90 (плотность, давление, температура). Испытания численной модели MTPW проведены с заданием на уровне 10 км высоты возмущения геопотенциала в виде первой долготной гармоники.
Сравнение результатов расчета по модели MTPW с расчетами по моделям WSMT и HWM93 показало, что не смотря на схематичность задания пространственно - временной структуры возмущения на нижней границе, получено хорошее согласие между расчетами в возмущениях ветра, температуры и геопотенциала. Это позволяет сделать вывод, что наблюдаемые долготные вариации атмосферных параметров обусловлены, в основном, первой долготной гармоникой возмущения. Это указывает также на то, что нами верно учтены основные процессы, формирующие состояние средней атмосферы и влияющие на распространение КПВ, и на эффективность разработанных численных методов решения задачи
Расчеты показали, что влияние турбулентности и особенно процессов подсеточного масштаба, не сказывается на рассчитываемые параметры; расчеты с учетом разрушения ВГВ свидетельствуют, что распад ВГВ способствует межполушарному распространению планетарных волн и возбуждению на высотах мезопаузы и нижней термосферы значительных долготных возмущений во всех параметрах средней атмосферы.
Полученные результаты также показывают, что только в рамках трехмерных нестационарных моделей возможен корректный учет процессов нелинейного взаимодействия, которые определяют динамическое состояние и структуру средней атмосферы. Модель MTPW может служить основой для создания моделей, предназначенных для исследования тро-посферно - стратосферных взаимосвязей и прогнозирования состояния средней атмосферы.
В третьей главе проведены исследования распространения инфразвука с помощью комплекса аппаратуры, включающего в себя акустические датчики, сейсмодатчики и мощные сейсмовибраторы, установленные на полигоне "Быстровка" СО РАН (Новосибирск) и их анализ с помощью численных расчетов. Измерения проводились на различных расстояниях от сейсмовибраторов в диапазоне частот 5-10 Гц. Результаты этих исследований изложены в работах [112, 114, 25, 26].
Акустические измерения за 1998-2001 гг показали, что мощные сейсмовибраторы являются эффективными генераторами инфразвука и могут быть использованы для изучения его распространения.
При свип-режиме работы сейсмовибраторов анализ взаимных корреляционных функций между записями акустических датчиков и опорным сигналом позволяют наблюдать этот сигнал на расстояниях до 210 км от вибратора в условиях, когда его амплитуда ниже уровня акустических шумов в пункте приема и сигнал испытывает различные фазовые искажения в реальной атмосфере.
Обнаружено, что сигналы, отраженные в тропосфере, более нестабильны, чем стратосферные. Они могут наблюдаться лишь в течение одной ночи или даже одного сеанса. Бывает, что тропосферные акустические сигналы не слышны в течение нескольких дней и недель. Амплитуда и модовый состав тропосферных акустических сигналов могут существенно изменяться в течение одного сеанса.
Экспериментально доказана генерация сейсмических колебаний при воздействии акустической волны на грунт на расстояниях от 4 до 210 км. Передача энергии колебаний от сейсмоисточника к сейсмоприемнику на инфразвуковых частотах по атмосферному каналу может быть более эффективной, чем ее непосредственный перенос сейсмическими волнами в твердой Земле.
Результатами расчетов распространения инфразвука с рассчитанными по созданной модели циркуляции атмосферы WSMT данными и его регистрацией установлена возможность предсказания особенностей распространения инфразвука на расстояниях до 200 км от источника.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Гуляев, Владимир Тимофеевич
3.5 Выводы
1. Акустические измерения за 1998-2001 гг показали, что мощные сей-смовибраторы (Быстровский полигон, Новосибирск) являются эффективными генераторами инфразвука и могут быть использованы для изучения распространения акустических волн.
2. Сигналы, отраженные в тропосфере, более нестабильны, чем стратосферные. Они могут наблюдаться лишь в течение одной ночи или даже одного сеанса. Бывает, что тропосферные акустические сигналы не слышны в течение нескольких дней и недель. Амплитуда и модовый состав тропосферных акустических сигналов могут существенно изменяться в течение одного сеанса.
3. Экспериментально доказана генерация сейсмических колебаний при воздействии акустической волны на грунт на расстояниях от 4 до 210 км (этот эффект впервые обнаружен группой академика А.С.Алексеева на расстоянии 20 км от источника). Передача энергии колебаний от сейсмо-источника к сейсмоприемнику на инфразвуковых частотах по атмосферному каналу может быть более эффективной, чем ее непосредственный перенос сейсмическими волнами в твердой Земле.
4. Результатами расчетов распространения инфразвука с рассчитанными по созданной модели циркуляции атмосферы WSMT данными и его регистрацией установлена возможность предсказания особенностей распространения инфразвука на расстояния до ~200 км от источника, в зависимости от времени суток, сезона и взаимного географического положения источника и приемника.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При выполнении диссертационной работы получены следующие основные результаты:
1. На основе разработанного метода решений нелинейных трехмерных уравнений гидротермодинамики построена нестационарная глобальная модель циркуляции средней и верхней атмосферы на высотах 10 - 600 км (модель WSMT).
2. В результате анализа экспериментальных данных и численных расчетов по разработанной модели циркуляции уточнены основные структурные особенности крупномасштабной системы термосферных ветров. Исследованы сезонные, суточные, долготные и с мировым временем вариации параметров этой структуры и зависимость этих вариаций от солнечной и геомагнитной активности, дана физическая интерпретация природы этих вариаций. В частности, отмечается:
2.1. Вне зависимости от сезона перенос воздушных масс осуществляется из области максимума давления в области низкого давления; наиболее сильные ветры обнаруживаются на ночной стороне с потоком через полюс и в долготном направлении с дневной стороны от подсолнечной точки на ночную, на структуру ветровых полей сильное влияние оказывает ионное трение. Ветровой перенос (нелинейные члены) существенен на средних широтах в ночные и восходно-заходные часы, а в экваториальных широтах наблюдаются большие количественные различия в меридиональной скорости ветра во все часы суток, рассчитанного с учетом переноса и в линейном приближении. При наличии электрических полей влияние нелинейных членов возрастает и распространяется на высокие широты.
2.2. Расчеты дают значительные (десятки метров в секунду) долготные и по мировому времени вариации ветра , что указывает на важность их учета при изучении, прогнозировании состояния верхней атмосферы и интерпретации экспериментальных данных. Наблюдается качественное и количественное согласие в этих вариациях ветра, рассчитанного по разным эмпирическим моделям.
3. Анализ полученных результатов показывает, что на формирование структуры циркуляции в средних и высоких широтах сильное влияние оказывают высокоширотные источники нагрева (джоулев нагрев, высыпающиеся частицы) и импульса (электрические поля магнитосфер-ной конвекции), степень этого влияния зависит от уровня СА и сезона мощности солнечного нагрева и значений электронной концентрации, которой пропорционально магнитоионное торможение). Это приводит к тому, что узкая область средних широт оказывается как бы "переходной зоной" для которой характерны резкие изменения во всех параметрах ветра при переходе от одних гелиогеофизических условий к другим. Тем не менее, можно выявить основные механизмы формирования и особенности системы термосферной циркуляции на средних широтах:
3.1 При низкой солнечной активности (СА) велика роль высокоширотного источника в формировании термосферной циркуляции в результате чего зимой ветры преимущественно направлены к полюсу, а летом — к экватору.
3.2 В летний сезон при возрастании СА прямой солнечный нагрев и магнитоионное торможение становятся главными факторами в формировании термосферной циркуляции, что приводит к ослаблению направленных к экватору ветров.
3.3 В зимние месяцы при высокой СА важную роль в установлении циркуляции играет относительная по отношению к солнечному нагреву величина высокоширотного источника нагрева. Если предположить, что с ростом СА высокоширотный источник нагрева возрастает в меньшей мере; чем солнечный нагрев, то это может объяснить возрастание зимой среднесуточного направленного к полюсу ветра с ростом СА. Это и наблюдается для большинства серий экспериментальных данных по Миллстоун-Хиллу и эмпирических моделей (кроме DTM).
3.4 Суточная V24 и полусуточная V12 гармоники ветра возбуждаются соответствующими гармониками градиентов давления и электрическими полями. Значительный вклад в амплитуду полусуточной гармоники дает корреляция суточной гармоники Ne с суточными гармониками ветра и электрических полей и значительная по амплитуде летом вторая гармоника в Ne. В связи с этим амплитуда V24 выше в зимние месяцы, a V12 — в летние, амплитуда V24 уменьшается с ростом С А, что и наблюдается в целом по всему массиву данных.
3.5 Высокоширотный источник нагрева и электрические поля из-за несовпадения географического и геомагнитного полюсов испытывают сильные с долготой и мировым временем вариации, которые в разных географических пунктах вносят вклад в гармоники, ветра с различающимися амплитудами и фазами по местному времени. В связи с этим обстоятельством и предыдущими выводами мы имеем для конкретных станций и гелиогеофизических условий количественно различающиеся суточные вариации ветра.
4. Ветровые поля являются тонким индикатором эмпирических тер-мосферных моделей. Созданная модель является средством проверки их адекватности. Имеющиеся экспериментальные данные по ветрам и их статистическая обусловленность не позволяют отдать предпочтение какой-либо из существующих эмпирических моделей термосферы
5. На основе анализа экспериментальных и теоретических данных пространственно-временной структуры системы циркуляции средней атмосферы получено: а) структура зонального ветра и его числовые характеристики на всех высотах средней атмосферы хорошо представлены моделями Гровса и HWM93, эти же модели хорошо представляют структуру меридионального ветра на высотах выше 60 км, б) на высотах 30-60 км обоснованным является представление меридиональной циркуляции в виде прямой ячейки из летнего полушария в зимнее, а ниже 30 км — в виде ячеек Гравер-Допсона, в) ниже 60 км наблюдается численный разброс в значениях меридиональной скорости от 0.1 до ~10 м/с.
6. На высотах средней атмосферы модель WSMT адекватно воспроизводит описанную в п.5 структуру среднезонального ветра и, что особенно важно, меридиональную циркуляцию.
7. Разработана нестационарная трехмерная модель распространения крупномасштабных возмущений из тропосферы с учетом нелинейного взаимодействия волн между собой и фоном (модель MTPW) на высотах 10-300 км. На основе численных расчетов получены следующие результаты: а) турбулентность и горизонтальная вихревая диффузия не оказывают влияния на рассчитываемые параметры, б) зимнее полушарие более активно к распространению и развитию крупномасштабных возмущений по сравнению с летним, в) нелинейное взаимодействие волн приводит к возбуждению значимых по амплитуде 2-й и 3-й гармоник возмущений во всех рассчитываемых параметрах, г) генерация средней меридиональной циркуляции на страто-мезо-сферных высотах осуществляется в основном за счет механизма релеев-ского трения из энергии зонального потока, д) межполушарное распространение планетарных волн и их проникновение на высоты мезопаузы и термосферы обусловлено распадом ВГВ.
8. Полученные результаты показывают, что только в рамках трехмерных нестационарных моделей возможен корректный учет процессов нелинейного взаимодействия, которые определяют динамическое состояние и структуру средней атмосферы. Модель MTPW может служить основой для создания моделей, предназначенных для исследования тро-посферно - стратосферных взаимосвязей и прогнозирования состояния средней атмосферы.
9. Акустические измерения за 1998-2001 гг показали, что мощные сей-смовибраторы (Быстровский полигон, Новосибирск) являются эффективными генераторами инфразвука и могут быть использованы для изучения атмосферы.
10. Экспериментально доказана генерация сейсмических колебаний при воздействии акустической волны на грунт на расстояниях от 4 до 210 км (этот эффект впервые обнаружен группой академика А.С. Алексеева на расстоянии 20 км от источника).
11. Передача энергии колебаний от сейсмоисточника к сейсмоприем-нику на инфразвуковых частотах по атмосферному каналу может быть более эффективной, чем ее непосредственный перенос сейсмическими волнами в твердой Земле.
12. Результатами расчетов распространения инфразвука с использованием созданной модели циркуляции атмосферы и его регистрацией установлена возможность предсказания особенностей распространения инфразвука на расстояния до ~200 км от источника в зависимости от времени суток, сезона и взаимного географического положения источника и приемника.
Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Гуляев, Владимир Тимофеевич, Новосибирск
1. Д.И.Блохинцев Д.И., Акустика неоднородной движущейся среды, -М.: Наука, 1981, 206 с.
2. Бреховских Л.М., Волны в слоистых средах, М.: Наука, 1973, -343 с.
3. Вашингтон У.М., Вильямсон Д.Л. Описание моделей глобальной циркуляции Национального центра атмосферных исследований (НЦАИ). //В кн.: Модели общей циркуляции атмосферы. / ред. Чанг Ю., Машкович С.А. Л.: Гидрометеоиздат, 1981, с. 131-195.
4. Вильямсон Д. Разностные аппроксимации уравнений движения жидкости на сфере. //В кн.: Численные методы, используемые в атмосферных моделях. / ред. Садоков В.П. Л.: Гидрометеоиздат, 1982, с. 39-87.
5. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т. Численная глобальная модель распределения электронной концентрации в верхней ионосфере. // XXY Областная научно-техническая конференция. Новосибирск, 1982, с. 5-6.
6. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т. Нестационарная одномерная полуэмпирическая модель F-области ионосферы //В кн.: Исследование нижней ионосферы. Новосибирск, ИГиГ СО АН СССР, 1982, с. 97-120.
7. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т. Сравнительный анализ полуэмпирических моделей общей циркуляции нижней термосферы. // Пятое
8. Всесоюзное совещание по исследованию динамических процессов в верхней атмосфере Земли, Обнинск, 1985, с. 93.
9. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т. Трехмерная модель F-области ионосферы. //В кн.: Применение ЭВМ в исследованиях физических процессов в атмосфере и ионосфере, Новосибирск, ИГиГ СО АН СССР, 1987, с. 37-48.
10. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т. Общие положения динамического моделирования свободной атмосферы. // В кн.: Принципы построения динамических моделей верхней атмосферы, М:, Гидрометеоиздат, 1989, с. 6-43.
11. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т. Моделирование фоновых полей термосферы. Глобальная модель F-области ионосферы. // В кн.: Принципы построения динамических моделей верхней атмосферы, М:, Гидрометеоиздат, 1989, с. 114-134.
12. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т., Жалковская JI.B. Численная модель, термосферных ветров. // XXY Областная научно-техническая конференция. Новосибирск, 1982, с. 3-5.
13. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т., Жалковская JI.B. Квазистационарная глобальная модель термосферных ветров. Предварительные результаты. // Четвертое Всесоюзное совещание по исследованию динамических процессов в верхней атмосфере. Обнинск, 1982, с. 64-65.
14. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т., Жалковская JI.B. Нейтральные ветры в термосфере. // Первый Всесоюзный Симпозиум по результатам исследований средней атмосферы, Алма-Ата, 1983, с. 13-14.
15. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т., Жалковская JI.B. Квазистационарная глобальная модель термосферных ветров. Предварительные результаты. //В кн.: Исследование динамических процессов в верхней атмосфере, М.: Гидрометеоиздат, 1985, с. 210-217.
16. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т., Жалковская JI.B. Эффект обращения циркуляции в мезо-термосфере. // Второй Всесоюзный Симпозиум по результатам исследования средней
17. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т., Жалковская JI.B. Динамические модели свободной атмосферы. Новосибирск: Наука, 1987. - 293 с.
18. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т., Жалковская JI.B. Термосферная циркуляция в высоких широтах. // Ионосферные исследования 1993,- № 49. с. 133-142.
19. Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т., Смородский Б.В. Полуэмпирическая глобальная модель зональноосредненной циркуляции средней атмосферы. // Пятое Всесоюзное совещание по исследованию динамических процессов в верхней атмосфере Земли, Обнинск, 1985, с. 92.
20. Гинзбург Э.И., Степанов В.Е. Планетарные волны в средней атмосфере. Часть 1. Линейная теория. // Гидрометеорология. Сер. Метеорология. Обзорная информация. 1990. - вып. 7-8. - 79 с.
21. Гинзбург Э.И., Степанов Б.Е. Планетарные волны в средней атмосфере. Часть 2. Нелинейная теория. // Гидрометеорология. Сер. Метеорология. Обзорная информация. 1990. - вып. 9-10. - 67 с.
22. Гуляев В.Т., Жалковская JI.B. Расчет трехмерной системы термосферных ветров // В кн.: Исследование нижней ионосферы. Новосибирск, ИГиГ СО АН СССР, 1982, с. 120-129.
23. Гуляев В.Т., Кузнецов В.В., Плоткин В.В., Хомутов С.Ю. Генерация и распространение инфразвука в атмосфере при работе мощных сейсмовибраторов. // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана,- 2001. т.37. - № 3. - с. 303-312.
24. Гуляев В.Т., Кузнецов В.В., Плоткин В.В., Хомутов С.Ю. Тропосферные и стратосферные отражения акустических сигналов мощных сейсмовибраторов. // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана,- 2002. т.38. - № 4. - с. 457-469.
25. Деминов М.Г., Карпачев А.Т. Долготный эффект в ночной сред-неширотной ионосфере по данным ИСЗ «Интеркосмос-19». // Геомагнетизм и аэрономия 1988. - t.XXVIII. - № 1.-е. 76-80.
26. Деминова Г.Ф. Изменения высотно-долготных характеристик экваториальной аномалии в течение ночи. // Геомагнетизм и аэрономия 2002. - т.42. - № 6. - с. 771-779.
27. Дробжева Я.В., Погорельцев А.И., Хачикян Г.Я. О вкладе долготных вариаций нейтрального ветра в долготные вариации вертикального дрейфа плазмы на высотах ионосферного слоя F2. // Геомагнетизм и аэрономия 1991. - т.31. - № 4. - с. 736-738.
28. Дубенцов В.П. Воздушные течения и распределение температуры в стратосфере и мезосфере. М.: Гидрометеоиздат, 1965. - 106 с.
29. Жалковская JI.B., Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т. Исследование полуэмпирической модели общей циркуляции верхней термосферы. -Новосибирск, ИГиГ СО АН СССР, 1984. 47 с. -(препринт № 5).
30. Жалковская JI.B., Гинзбург Э.И., Гуляев В.Т. Влияние электрических полей магнитосферной конвекции на термосферную циркуляцию. // В кн.: Комплексные исследования полярной ионосферы, -Апатиты, изд. Кольского филиала АН СССР, 1987, с. 12-16.
31. Иванов-Холодный Г.С., Михайлов А.В. Прогнозирование состояния ионосферы. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1980. - 192 с.
32. Изаков М.Н. О влиянии турбулентности на тепловой режим термосфер планет. // Космич. исслед. 1978. - t.XVI. - в. 3. - с. 403-411.
33. Казимировский Э.С., Кокоуров В.Д. Движения в ионосфере. Новосибирск: Наука, 1979. - 344 с.
34. Карпачев А.Т. Механизмы долготного эффекта в ночной экваториальной аномалии электронной концентрации во внешней ионосфере. // Геомагнетизм и аэрономия 1988. - t.XXVIII. - № 4. - с. 620-624.
35. Карпачев А.Т., Афонин В.В. Зависимость вероятности наблюдения ионосферных провалов от сезона, местного времени, долготы и уровня магнитной активности. // Геомагнетизм и аэрономия 1998. - т.38. -№3. - с. 79-91.
36. Колесник А.Г., Голиков И.А Трехмерная модель высокоширотной области F с учетом несовпадения географических и геомагнитных координат. // Геомагнетизм и аэрономия 1982. - т.ХХП. - № 5. - с. 725-731.
37. Колесник А.Г., Голиков И.А Механизм формирования главного ионосферного провала области F. // Геомагнетизм и аэрономия -1983. т.ХХШ. - № 6. - с. 909-914.
38. Колесник А.Г., Королев С.С. Трехмерная модель термосферы. // Геомагнетизм и аэрономия 1983. - т.ХХШ. - № 5. - с. 774-780.
39. Колесник А.Г., Королев С.С. Численная модель термосферы Земли. //В кн.: Принципы построения динамических моделей верхней атмосферы, М:, Гидрометеоиздат, 1989, с. 135-149.
40. Колесник А.Г., Платонов В.Н., Чернышев В.И. Трехмерная модель ионосферы для интерпретации и анализа экспериментов на ИСЗ в реальном времени. // Ионосферные исследования 1987. - t.XXV. - № 3. - с. 400-409.
41. Красненко Н.П. Акустическое зондирование атмосферы. Новосибирск: Наука, 1986. - 168 с.
42. Кузнецов В.В., Гуляев В.Т., Плоткин В.В., Нестерова И.И. Долготные вариации термосферных ветров и параметров ионосферы по эмпирическим моделям термосферы. // Международная конференция "Проблемы геокосмоса". Тезисы, С.-Петербург, 1996.
43. Липеровский В.А., Похотелов О.А., Шалимов С.Л. Ионосферные предвестники землетрясений. М.: Наука, 1992. - 304 с.
44. Марчук Г.И. Численные методы в прогнозе погоды. Л.: Гидрометеоиздат, 1967. - 353 с.
45. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. М.: Наука, 1977. - 456 с.
46. Математическое моделирование общей циркуляции атмосферы и океана. / Г.И.Марчук, В.П.Дымников, В.Б.Залесный и др. Л:, Гидрометеоиздат, 1984.- 320 с.
47. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. М.: Наука, 1965. - т. 1. - 640 с.
48. Осташев В.Е. Теория распространения звука в неоднородной движущейся среде. // Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, -1985. т.21. № 4. - с. 358-373.
49. Плоткин В.В., Израйлева Н.И. О радиоакустическом зондировании ионосферы. // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1988. - т.31. № 5. -с. 537-544.5253 54 [555657 585960 61 [62
50. Портнягин Ю.И. Исследование закономерностей циркуляции в области мезопаузы нижней термосферы. // Автореф. докт. дисс. М.: ИЭМ, - 1984. - 37 с.
51. Самарский А.А., Николаев B.C. Методы решения сеточных уравнений. М.: Наука, 1978. - 592 с.
52. Тарасенко Д.А. Стандартная атмосфера. // Аэрология 1970. -М.: Гидрометеоиздат, 1971. - с. 119-136.
53. Татарский В.И. К теории распространения звука в стратифицированной атмосфере. // Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана,- 1979. т. 15. № 11. - с. 1140-1150.
54. Уваров В.М., Барашков П.Д. Модель непрерывного распределения крупномасштабных электрических полей с учетом зависимости от Кр индекса. - Якутск, 1988. - 12 с. -(препринт).
55. Уэбб В. Структура стратосферы и мезосферы. М.: Мир, 1969. -258 с.
56. Хачикян Г.А., Погорельцев А.И., Дробжева Я.В. Долготные вариации полуденных значений JqF2 на средних широтах северного полушария: зависимость от сезона и уровня солнечной активности. // Геомагнетизм и аэрономия 1991. - т.31. - Я2 3. - с. 454-459.
57. Хачикян Г.А., Погорельцев А.И., Дробжева Я.В. Характеристики долготных вариаций JqF2 на средних широтах северного полушария: зависимость от местного времени и сезона. // Геомагнетизм и аэрономия 1989. - t.XXIX. - № 4. - с. 571-576.
58. Холтон Дж.Р. Динамическая метеорология стратосферы и мезосферы. JL: Гидрометеоиздат, 1979. - 224 с.
59. Щепкин Л.Ф., Климов Н.Н. Термосфера Земли. М.: Наука, 1980.- 220 с.
60. Яненко Н.Н. Математика и механика. Избранные труды. М.: Наука, 1991. - 416 с.
61. Amayenc P. Tidal oscillations of the meridional neutral wind at midlatitudes. // Radio Sci. 1974. - v.9. - No 2. - p. 281-293.
62. Babcock R.R., Evans J.V. Seasonal and solar cycle variations in the thermospheric circulation observed over Millstone Hill. // J. Geophys. Res. 1979. - v.84. - No A12. - p. 7348-7352.
63. Banks P, Kockarts G. Aeronomy. New York: Academic Press, 1973. - 785 p.
64. Barlier F., Berger C., Falin J.L., Kockarts G., Thuillier G. A thermospheric model based on satellite drag data. // Ann. Geophys. -1978. v.34. - No 1. - p. 9-24.
65. Barlier F., Berger C., Falin J.L.,Kockarts G., Thuillier G. Comparisons between various semi-empirical thermospheric models of the terrestrial atmosphere. // Planet. Space Sci. 1983. - v.31. - No 9. - p. 945-966.
66. Barlier F., Berger C. A point of view on semi empirical thermospheric models. // J. Atmos. Terr. Phis. - 1979. - v.41. - No 5. - p. 527-541.
67. Barnett J.I., Corney M. Middle atmosphere reference model derived from satellite data. // Handbook MAP 16, SCOSTER, University of Illions, Urbana 1985. - v. 16. - p. 47-85.
68. Barnett J.I., Corney M. Planetary waves. // Handbook MAP 16, SCOSTER, University of Illions, Urbana 1985. - v.16. - p. 86-137.
69. Batten E.S. Wind system in the mesosphere and lower ionosphere. // J. Meteorology, 1961. - v.18. - No 2. - p. 285-291.
70. Blum P.W., Harris I. Full non-linear treatment of the global thermospheric wind system I. Mathematical method and analysis of forces. // J. Atmos. Terr. Phys. - 1975. - v.37. - No 2. - p.193-212.
71. Blum P.W., Harris I. Full non-linear treatment of the global thermospheric wind system II. Results and comparison with observations. // J. Atmos. Terr. Phys. - 1975. - v.37. - No 2. - p.213-235.
72. Borne G. Uber die Verbreitung der durch die Dynamitexplosion zu Erde in Westfallen verursachten Schallphanomene. // Erdebenwarte -1904. v.4. - p.l.
73. Brown E., Hall F. Advances in atmospheric acoustics. // Rev. Geoph. Space Phys. 1978. - v. 16. - p.47-110.
74. Buonsanto M.J. Neutral Winds in the Thermosphere at Mid-Latitudes Over a Full Solar Cycle: A TidalDecomposition. // J. Geophis. Res. -1991. v.96. - No A3. - p. 3711-3724.
75. Buonsanto M.J. An updated climatology of termospheric neutral winds and F region ion drifts above Millstone Hill. // J. Geophis. Res. A -1999. v.104. - No 11. - p. 24.675-24.687.
76. Chan Kwing L., Mayer H.G., Mengel J.J., Harris I. A spectral approach for studing middle and upper atmospheric phenomena. // J. Atmos. Terr. Phys. 1994. - v.56. - No 10. - p.1395-1419.
77. Charney J.G., Drazin P.G. Propagation of planetary-scale disturbances from the lower into the upper stratosphere. // J. Geophis. Res. 1961. - v.66. - No 1. - p. 83-109.
78. Ching B.K., Chiu Y.T. A phenomenological model of global ionospheric electron density in the E, F1 and F2 regions. // J. Atmos. Terr. Phys. 1973. - v.35. - No 9. - p. 1615-1630.
79. Chiu Y.T. An improved phenomenological model of ionospheric density. // J. Atmos. Terr. Phys. 1975. - v.37. - No 12. - p. 15631570.
80. Creekmore S.P., Straus J.M., Harris R.M., Ching B.K., Chiu Y.T. A global modelof thermospheric dynamics. I. Wind and density fields derived from a phenomenological temperature. // J. Atmos. Terr. Phys. 1975. - v.37. - No 3. - p. 491-515.
81. Straus J.M., Creekmore S.P., Stephen P., Harris R.M., Ching B.K., Chiu Y.T. A global modelof thermospheric dynamics. II. Wind, density and temperature fields generrated by EUV heating. // J. Atmos. Terr. Phys. 1975. - v.37. - No 9. - p. 1245-1253.
82. Delany M.E. Sound propagation in the atmosphere: a historical review. // Acustica 1977. - v. 38, No 4. - p. 201-233.
83. Derham W. Experimenta et observationes de soni motu. // Phil. Trans. Roy. Soc. London 1708. - v. 26. - p. 2-35.
84. Dickinson R.E., Ridley E.C., Roble R.G. Meridional circulation in the thermosphere I. Equinox conditions. // J. Atmos. Sci. 1975. - v.32. -p. 1737-1754.
85. Dickinson R.E., Ridley E.C., Roble R.G. Meridional circulation in the thermosphere II. Solstice conditions. //J. Atmos. Sci. 1977. - v.34. -No 1. - p. 178-192.
86. Dickinson R.E., Ridley E.C., Roble R.G. A three-dimensional general circulation model of the thermosphere. //J. Geophys. Res. 1981. -v.86. - No A3. - p. 1499-1512.
87. Dickinson R.E., Ridley E.C., Roble R.G. Thermospheric general circulation with coupled dynamics and composition. //J. Atmos. Sci.- 1984. v.41. - No 2. - p. 205-219.
88. Duboin M.-L., Lafeuille M. Thermospheric Dynamics Above Saint-Santin: Statistical Study of the Data Set. //J. Geophis. Res. -1992. -v.97. No A6. - p. 8661-8671.
89. Dunkerton T. On the mean meridional mass motions of the stratosphere and mesosphere. //J. Atmos. Sci. 1978. - v.35. - No 12. - p. 2325-2333.
90. Emery B.A. Neutral thermospheric winds deduced above Millstone Hill. 1. Mathematical model, uncertainties, and representative results. // J. Geophys. Res. 1978. - v.83. - No A12. - p. 5691-5703.
91. Emery B.A. Neutral thermospheric winds deduced above Millstone Hill. 2. Sesonal wind variations, 1970-1971. // J. Geophys. Res. 1978.- v.83. No A12. - p. 5704-5716.
92. Fesen C.G., Roble R.G., Ridley E.C. Thermospheric tides simulated by the National Center for Atmospheric Research Thermosphere-Ionosphere General Circulation Model at equinox. //J. Geophys. Res.- 1993. v.98. - No A5. - p. 7805-7820.
93. Fesen C.G., Roble R.G., Duboin M.-L. Simulations of seasonal and geomagnetic activity effects at Saint Santin. //J. Geophys. Res. 1995.- v.100. No All. - p. 21,397-21,407.
94. Fontanari J., Alcayde D., Amayec R, Kockarts G. Simulations numeriques tridimensionnelles de la circulation a grande ёсЬе11е induite par des modeles globaux de thermosphere. // Ann. Geophys. 1982. -v.38. - No 6. - p. 815-840.
95. Forbes J.M., Vial F. Monthly simulations of the solar semidiurnal tide in the mesosphere and lower thermosphere. // J. Atmos. Terr. Phys. -1989. v.51. - p. 649-661.
96. Forbes J.M., Roble R.G., Fesen C.G. Acceleration, heating, and compositional mixing of the thermosphere due to upward propagating tides. // J. Geophys. Res. 1993. - v.98. - p. 311-321.
97. Fuller-Rowell T.J., Rees D. A three-dimensional time-dependent global model of the thermosphere. // J. Atmos. Sci. 1980. - v.37. - No 11. -p. 2545-2567.
98. Fuller-Rowell T.J., Rees D., Quegan S., Moffett R.J., Bailey G.J. Interaction between neutral thermospheric composition and polar ionosphere using a coupled ionosphere-thermosphere model. // J. Geophys. Res. 1987. - v.A92. - No 7. - p. 7744-7748.
99. Gartner V., Memmesheimer M., Blum P.W. A zonal-averaged dynamical model for the middle atmosphere including gravity wave mean flow interaction: solstice conditions. // Planet. Space Sci. 1983.- v.31. No 12. - p. 1465-1478.
100. Garcia R.R., Solomon S. A numerical model of the zonally averaged dynamical and chemical structure of the middle atmosphere. // J. Geophys. Res. 1983. - v.88. - No C2. - p. 1379-1400.
101. Garcia R.R., Solomon S. The effect of breaking gravity waves on the dynamics and chemical composition of the mesosphere and lower thermosphere. // J. Geophys. Res. 1985. - v.90. - No D2. - p. 38503868.
102. Geller M.A., Wu M.-F., Gellman M.E. Troposphere stratosphere (surface - 55 km) monthly winter general circulation statistics for the Northern hemisphere. - Interannual variations. // J. Atmos. Sci. - 1984.- v.41. No 10. - p. 1726-1744.
103. Gille J.C., Lyjak L.V. An overview of wave mean flow interections during the winter of 1978-79 derived from LIMS observations. // Dyn.
104. Middle Atmosphere. Proc. U.S. Jap.Seminar, Honolulu, 8-12 Nov., 1982 Tokyo; Dordrecht e.a. - 1984. - p. 289-306.
105. Ginzburg E.I., Gulyaev V.T. A three-dimensional model of ionospheric F-region. // Pure Appl. Geophys. 1988. - v.127. - No 2/3. - p. 305-321.
106. Groves G.V. Atmospheric struct ure and its variations in the region from 25 km to 120 km. // International reference atmosphere 1972 (CIRA-72). Berlin: Akademie-Verlag, - 1972. - p. 33-224.
107. Groves G.V. Seasonal and diurnal variations of middle atmosphere winds. // Phil. Trans Roy. Soc. London, - 1980. - V.A296. - No 1418. - p. 19-40.
108. Gulyaev V.T., Plotkin V.V., Nesterova I.I., Zhalkovskaya L.V Global model of circulation of the middle and upper atmosphere. // Annales Geophysicae, Suppl.lll to v. 16 ST2, part 111, Space & Planet Sci., 1998, p.831.
109. Gulyaev V.T., Plotkin V.V. Influence of the planetary waves on large-scale dynamic processes in the middle atmosphere. // Geophysical Research Abstracts, v.3, 2001. EGS XXVI General Assembly, Nice, France, 25-30 March 2001. Part II.
110. Gulyaev V.T., Plotkin V.V. Mesospheric reflection of infrasound radiated by powerful seismovibrators. // Geophysical Research Abstracts, v.3, 2001. EGS XXVI General Assembly, Nice, France, 25-30 March 2001. Part II.
111. Hagan M.E. Queit Time Upper Thermospheric Winds Over Millstone Hill Between 1983 and 1990. //J. Geophis. Res. 1993. - v.98. - No A3. - p. 3731-3739.
112. Harris I., Priester W. Time-dependent structure of the upper atmosphere. //J. Atmos. Sci. 1962. - v. 19. - p. 286-295.
113. Hedin A.E., Reber C.A., Newton G.P., Spenser N.W., Brinton H.C., Mayer H.G. A global thermospheric model based on mass spectrometer and incoherentscatter data MSIS 2. Composition. //J. Geophys. Res.- 1977. v.82. - No 16. - p. 2148-2156.
114. Hedin A.E. MSIS-86 thermospheric model. // J. Geophys. Res. 1987.- v.92. No A5. - p. 4649-4662.
115. Hedin A.E., Spenser N.W., Killeen T.L. Empirical global model of upper thermosphere winds bazed on atmosphere and dynamics explorer satellite data. //J. Geophys. Res. 1988. - v.93. - No A9. - p. 9959-9978.
116. Hedin A.E. Extension of the MSIS thermospheric model into the middle and lower atmosphere. // J. Geophys. Res. 1991. - v.96. -p. 1159-1172.
117. Heelis R.A., Lowell J.K., Spiro R.W. A model of the high-latitude ionospheric convection pattern. //J. Geophys. Res. 1982. - v.87. - No A8. - p. 1159-1172.
118. Heppner J.P. Polar Cap Electric Field Related to the Interplanetary Magnectic Field Direction. // J. Geophis. Res. 1972. - v.77. - p. 48774887.
119. Heppner J.P. Empirical models of high latitude electric fields. // J. Geophis. Res. 1977. - v.82. - p. 1115-1125.
120. Hernandez G., Roble R.G. Direct measurements of nighttime thermospheric winds and temperatures. 1. Seasonal variations during geomagnetic quiet periods. // J. Geophys. Res. 1976. - v.81. - No 13.- p. 2065-2074.
121. Hernandez G., Roble R.G. Direct measurements of nighttime thermospheric winds and temperatures. 3. Monthiy variations during solar minimum. // J. Geophys. Res. 1977. - v.82. - No 35. - p. 55055511.
122. Hinteregger H.E. The extreme ultraviolet solar spectrum and its variation during a solar cycle. // Ann. Geophys. 1970. - v.26. - p. 547-554.
123. Holton J.R., Xun Zhu A further study of gravity wave induced drag and diffusion in the mesosphere. // J. Atmos. Sci. 1984. - v.41. - No 18. - p. 2653-2662.
124. Hunt B.G. The impact of gravity wave drag and diurnal variability on the generalcirculation of the middle atmosphere. // J. Met. Soc. Japan- 1986. v.64. - No 1. - p. 1-16.
125. Jacchia L.G. Static diffusion models of the upper atmosphere with empirical temperature profiles. // Smithson. Contrib. Astrophys. -1965. No 8. - p. 215-257.
126. Jacchia L.G. Revised static models of the termosphere and exosphere with empirical temperatures profiles. // Smithson. Astrophys. Observ. Spec. Rep. 1971. - No 332. - 114 p.
127. Jacchia L.G. Thermospheric temperature, density, and composition: new models. // Smithson. Astrophys. Observ. Spec. Rep. 1977. - No 375. - 106 p.
128. Kida H. A numerical experiment on the general circulation of the middle atmosphere with a three-dimensional model explicityrepresenting internal gravity waves and their breaking. // Pure and Appl. Geophys. 1984-1985. - v. 122. - No 5. - p. 731-746.
129. Kuo H.L. Forced and free meridional circulations in the atmosphere. // J. Meteorology. 1956. - v. 13. - No 6. - p. 561-568.
130. Kuznetsov V.V., Plotkin V.V., Nesterova I.I., Gulyaev V.T. Numerical Modelling of Global Electromagnetic Fields. // XXI General Assembly of Internat. Union of Geodesy and Geophysics, Boulder, July 1995, Week B, GAB416-1. 1995c. - p. B151.
131. Kuznetsov V.V., Plotkin V.V., Nesterova I.I., Gulyaev V.T. Geomagnatic control of Universal variations of foF2. // XXI General Assembly of Internat. Union of Geodesy and Geophysics, Boulder, July 1995, Week B, GAB41H-1. 1995d. - p. B152.
132. Kuznetsov V.V., Plotkin V.V., Khomutov S.Y. Acoustic, electromagnetic and ionospheric disturbances during the vibroseismic sounding. // Geophys. Res. Lett. 1999. - v.26. - No 13. - p. 2017-2020.
133. Leovy C.B. Simple models of thermally driven mesospheric circulations. // J. Atmos. Sci. 1964. - v.21. - No 4. - p. 327-341.
134. Lindzen R.S. Thermally driven diurnal tide in the atmosphere. // Quart. J. Roy. Meteor. Soc. 1967. - v.93. - p. 18-42.
135. Lindzen R.S. Turbulence and stress owing to gravity wave and tidal breakdown. // J. Geophys. Res. 1981. - v.86. - No CIO - p. 9707-9714.
136. Marcs C.J. Some features of the climatology of the middle atmosphere revealed by Nimbus 5 and 6. // J. Atmos. Sci. 1989. - v.86. - No 16. - p. 2485-2508.
137. Massie S.T., Hunten D.M. Stratospheric eddy diffusion coefficients from tracer data. //J. Geophys. Res. 1981. - v.86. - No C10 - p. 9859-9868.
138. Matsuno T. A quasi one-dimensional model of the middle atmosphere circulation interacting with internal gravity waves. //J. Meteor. Soc. Japan 1982. - v.60. - No 1. - p. 215-226.
139. Mendillo M., Rishbeth H., Roble R.G., Wroten J. Modelling F2-layer seasonal trends and day-to-day variability driven by coupling with loweratmosphere. 11 J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2002. - v.64. - p. 19111931.
140. Murgatroyd R.J. The structure and dynamics of the stratosphere. // The global Circulation of the Atmosphere. G.A.Corby, Ed., London, Roy. Meteor. Soc. - 1969. - p. 159-195.
141. Murgatroyd R.J., Singleton F. Possible meridional circulation in the stratosphere and mesosphere. // Quart. J. Roy. Meteorol. Soc. 1961.- v.87. No 372. - p. 125-135.
142. Namgaladze A.A., Korenkov Yu. N., Klimenko V.V., Karpov I.V., Bessarab F.S., Surotkin V.A., Glushenko T.A., Naumova N.M. Global model of the thermosphere-ionosphere-protonosphere system. // Pure Appl. Geophys. 1988. - v.127. - No 2/3. - p. 219-254.
143. Nisbet J.S. On the construction and use of a simple ionospheric model. // Radio Sci. 1971. - v.6. - p. 437-446.
144. Peymirat C., Richmond A.D., Emery B.A., Roble R.G. A magnetosphere-thermosphere-ionosphere electrodynamics general circulation model. // J. Geophys. Res. A 1998. - v.103. - No 8. - p. 17.467-17.477.
145. Plumb R.A., McEvan A.D. The instability of a forced steady wave in a viscous stratified fluid: A laboratory analogue of the quasi-biennial oscillation . // J. Atmos. Sci. 1978. - v.35. - p. 1827-1839.
146. Rastogi R.G., James M.E., Tripathi D. Longitudinal inequalities in equtorial ionospheric electric field. // Indian J. Radio and Space Phys.- 1996. v.25. - No 1. - p. 27-35.
147. Rees D. Teoretical thermosphere models. // Adv. Space Res. 1985.- v.5. No 7. - p. 215-228.
148. Richmond A.D., Ridley E.C., Roble R.G. A thermosphere/ionosphere general circulation model with coupled electrodynamics. // Geophys. Res. Lett. 1992. - v.19. - No 6. - p. 601-604.
149. Rishbeth H. Thermospheric winds and the F-region (A review). // J. Atmos. Terr. Phis. 1972. - v.34. - No 1. - p. 1-47.
150. Roble R.G., Emery B.A., Salah J.E., Hays P.B. Diurnal variations of the neutral thermospheric winds determined from incoherent scatter radar data. // J. Geophys. Res. 1974. - v.79. - No 19. - p. 2868-2876.
151. Roble R.G., Dickinson R.E., Ridley E.C. Seasonal and solar cycle variations of the zonal mean circulation in the thermosphere. // J. Geophys. Res. 1977. - v.82. - No 35. - p. 5493-5504.
152. Roble R.G., Salah J.E., Emery B.A. The seasonal variation of the diurnal thermospheric winds over Millstone Hill during solar cycle maximum. // J. Atmos. Terr. Phis. 1977. - v.39. - p. 503-511.
153. Roble R.G., Dickinson R.E., Ridley E.C. Global circulation and temperature structure of thermosphere with high-latitude plasma convection. // J. Geophys. Res. 1982. - v.A87. - No 3: - p. 1599-1614.
154. Roble R.G., Ridley E.C. An auroral model for the NCAR thermospheric general circulation model (TGCM). // Ann. Geophys. -1987. v.A5. - No 6. - p. 369-382.
155. Roble R.G., Ridley E.C., Richmond A.D., Dickinson R.E. A coupled thermosphere/ionosphere general circulation model. // Geophys. Res. Lett. 1988. - v.15. - No 12. - p. 1325-1328.
156. Salah J.E., Holt J.M. Midlatitude thermospheric winds from incoherent scatter and theory. // Radio Sci. 1974. - v.9. - No 2. -p. 301-313.
157. Schoeberl M.K., Strobel D.F. The zonally averaged ciculation of the middle atmosphere. // J. Atmos. Sci. 1978. - v.35. - No 4. - p. 577-591.
158. Shimazaki T. Effective eddi diffusion coefficient and atmospheric composition in the lower thermosphere. // J. Atmos. and Terr. Phys. -1971. v.33. - No 9. - p. 1383-1401.
159. Smith M.F., Rees D., Fuller-Rowell T.J. The consequences of high latitude particle precipitation on global thermospheric dynamics. // Planet. Space Sci. 1982. - v.30. - No 12. - p. 1259-1267.
160. Tyndall J. On the atmosphere as a vehicle of sound. // Phil. Trans. Roy. Soc. London. Ser. A 1844. - v. 164. - p. 183-244.
161. Vincent D.G. Mean Meridional circulation in the Northen Hemisphere lover stratosphere during 1964 and 1965. // Quart. J. Roy. Meteorol. Sos. 1968. - v.94. - No 401. - p. 333-349.
162. Volland H. A model of the magnetospheric electric convection field. // J. Geophis. Res. 1978. - v.83. - p. 2695-2699.
-
Гуляев, Владимир Тимофеевич
-
кандидата физико-математических наук
-
Новосибирск, 2004
-
ВАК 25.00.29
- Моделирование циркуляции океана и исследование его реакции на короткопериодные и долгопериодные атмосферные воздействия
- Разработка математической модели и методики расчета параметров атмосферной циркуляции
- Влияние плёнок поверхностных загрязнений на формирование циркуляций Ленгмюра при различных гидрометеорологических условиях
- Влияние динамических процессов на сроки весенней перестройки циркуляции стратосферы
- Диагноз и моделирование внутрисезонной изменчивости аномалий температуры поверхности Атлантического океана
