Введение к работе
Актуальность темы. Характерной особенностью структуры средней атмосферы является существенная незональность /особенно в зимний период) климатических распределений метеорологических параметров. Обычно эти долготные вариации аппроксимируют суммой зональных гармоник, причем на высотах стратосферы и мезосферн заметный вклад в долготные изменения оказывают только крупномасштабные гармоники с зональными волновыми числами m=I и т=2, получившие название стационарных планетарных волн (СШ) - под стационарностью понимается неподвижность этих гармоник относительно земной поверхности. Распространяясь с групповыми скоростями, эти золны обеспечивают эффективный перенос энергии, импульса и тепла из тропосферы,где их возникновение обусловлено орографическими не однородностями земной поверхности и планетарным распределением материков и океанов, приводящим к незональности источников и стоков тепла в мезосферу и даже термосферу.
В ранних работах по моделированию структуры СШ использова лось квазигеострофическое приближение, следствием которого является обращение в нуль возмущений геопотенциала (или давления) на экваторе. Это означает,что использование квазигеострофического приближения ведет к полной изолированности полушарий, т.к. обмен волновой энергией между полуигариями отсутствует. Таким образом, для адекватного моделирования глобальной структуры СШ необходимо использовать полные линеаризованные уравнения, учитывавшие агеострофические члены, обусловленные.как релеевским трением, так и адвективными членами в уравнении движения . В последние годи было разработано несколько таких моделей. Результаты расчетов по этим моделям показывают, что при налігши западных среднезональных
ветров над экватором возможно проникновение СПВ из одного полушария в другое. Однако, для получения устойчивого решения на сфере в существующих моделях приходилось либо вводить дополнительную диссипацию (рост коэффициента релеевского трения) в экваториальной области , либо использовать сглаживание по широте, что также эквивалентно дополнительной вязкой диссипации. Увеличение диссипации вблизи экватора ведет к искажению структури СШ в низких широтах, а также затрудняет оценку роли внутренних агеостро-фических членов, обусловленных адвективными членами в уравнении движения .
В настоящее время общепризнано, что вертикально распространяющиеся СШ, возникакшие в тропосфере, вносят существешшй вклад в динамику стратосферы, т.к. они обеспечивают большую часть вихревых потоков импульса и тепла. Однако, вопрос о присутствии СШ в мезосфере- нижней термосферв.и их роли в формировании термода на-мического режима этих областей еще не исследован в должной степени.
В связи с изложенным для надежной интерпретации экспериментальных данных и более глубокого понимания процессов динамического взаимодействия различных атмосферных областей актуальной является задача построения численной модели, позволяющей рассчитывать глобальную структуру стационарных планетарных волн до термо-сферннх высот и получать устойчивое решение в экваториальной области. .
Целью работы являлось: I. Создание модели, позволяющей на основе нового метода, который заключается в численном обращении широтного оператора с учеток взаимодействия возмущений на различных высотных уровнях, рассчитывать характеристики крупномасштабных долготных возмущений сред-
незонального состояния атмосферы до высот термосферы.
-
Численное моделирование глобальной структури СПВ с зональными волновыми числами m=I,2 в средней атмосфере до высот нижней термосферы с использованием реалистических фоновых ветра, температуры и коэффициента радиационного затухания температурных пульсаций для условий солнцестояния.
-
Исследовать проникновение СПВ из стратосферы зимнего полушария в термосферу летнего через волноводы, образоватше западными зональными фоновыми ветрами над экватором.
-
Провести сравнительный анализ полученных результатов для стационарных планетврных волн с зональными волновыми числами га=1 и 2
-
Исследовать роль СПВ с ш=1 и т=2 в формировании термодинамического режима мезосферы- нижней термосферы и их вклад в зональ-но-осредленную динамику этой области.
Научная новизна работы состоит в том, что
-
Предложен новый метод расчета структуры СШ на сфере, позволяющий адекватно моделировать крупномасштабные квазистационарные движения в экваториальной области.
-
Впервые с помощью оделенного моделирования при задании реалистического распределения среднезонального ветра и зависящих от высоты фоновой температуры и коэффициента ньютоновского выхолаживания корректно рассчитана глобальная структура СПВ с зональными волновыми числами и=1,2 до термосферных высот не только в высоких, но и в низких широтах.
-
Впервые установлено, что присутствие СПВ в экваториальной области может бить экспериментально обнаружено наиболее надежным образом с помощью измерений долготных вариаций зональной компоненты скорости ветра.
-
Впервые проведен сравнительный анализ глобальной структуры СПВ
с зональными волновыми числами m=I и ш=2 на высотах мезосферы-нихней термосфзри. Показано, что обе гармоники проникают из стратосфери зимнего полушария в термосферу летнего через волновода, образованные зональними фоновими ветрами над экватором. Б. Впервые исследована роль крупномасштабных пеоднородностей в формировании термодинамического режима мезосферы - нижней термо-сфори и вклад этих волн в зональноосроднную динамку этой области.
Теоретическая и практическая ценность работа. В диссертации разработай метод решения граничной задачи па сфере, который позволяет обойти трудности, связанные с моделированием в экваториальной области, и может бить использован для расчета глобальних, структур крупномасштабных долготных возмущений срвднезопалыюго состояния атмосфери (стационарные и бегущие планетарные волны, приливше колебания). Результаты, полученные при реализации этого ыотода для расчета структуры стационарных планетарних волн, могут бить использованы при построении динамических моделей тер-мосферц и ионосферы, учитывающих взаимодействие с метеорологическими процессами нижележащих атмосферных областей. Разработанная модель открывает возможность использования ее в моделях общей циркуляции атмосферы.
В диссертации выносятся на защиту:
-
Модель глобальной структуры стационарных планетарных волн в области высот 50-140 км.
-
Комплекс програш и результаты расчетов структуры СПВ с зональными волновыми числами m=i и т=2 для климатических условий зимы северного полушария до высоты 120 км, полученные с исполь зованием разработанной модели.
-
Результаты расчетов воздействия СПБ с ш=1 н 3 на тармр-
7 динамически* ражим иезосфери и нижней термосферц. Реализация работы.Результаты исследования использовались при выполнении работ по грантам и темам НИР РГГМИ.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на научных семинарах отдела физики атмосфера ПИИФ СПбГУ, Института ионосферы АН Казахстана, кафедры метеопрогнозов РГГМИ, итоговой сессии ученого совета РГГМИ (Санкт-Петербург, 19ЭЗ), Всесоюзном симпозиуме "Геофизические аспекты переноса npirveceft в верхней атмосфере" (Обнинск, 1990), на XX Международной Ассамблее» МГТС .(Вена, 1991), на XVII Генеральной Ассамблее в Эдипгбурге в 1992г..
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка используекшс источников и двух приложении. Работа содержит III страниц машинописного текста, 31 рисунок, библиографию из 94 наименовании.