Введение к работе
Волновые движения являются важной и неотъемлемой составляющей динамических процессов на всех высотах. Согласно современным представлениям, для энергетики верхних атмосфер планет существенны притоки энергии из нижележащих слоев атмосферы, причем важное место занимает перенос энергии тропосферных движений внутренними волнами. Важными источниками волн разных масштабов в тропосфере являются метеорологические и турбулентные процессы (ветры в горах, циклонические, мезо и мелкомасштабные вихри, фронты, струйные течения И.Т.П.).
При распространении волн от тропосферных источников вверх их амплитуды возрастают вследствие уменьшения плотности атмосферы. На ионосферных высотах волновые процессы становятся важнейшей компонентой динамического режима и оказывают сильное влияние на остальные атмосферные процессы. Диссипация волновой энергии обеспечивает притоки тепла, сравнимые с солнечными. Ионосферные неоднородности, создаваемые гидродинамическими волнами, влияют на условие распространения радиоволн. Ускорения среднего течения, создаваемые волнами, оказывают сильное воздействие на циркуляцию средней атмосферы.
В данной работе исследуется влияние мезосферных волн, генерируемых в тропосфере при обтекании неоднородного рельефа земной поверхности атмосферными потоками на общую циркуляцию и тепловой режим вышележащих слоев атмосферы. Разработаны параметризации генерации орографических волн и их теплового и динамического воздействия на среднюю и верхнюю атмосферу. Парметризации включены в трехмерную нелинейную модель общей циркуляции средней и верхней атмосферы (МЦСВА). Эта модель позволяет рассчитывать циркуляцию атмосферы на всех высотах от тропосферы до термосферы. Модель учитывает все основные динамические и радиационные процессы, включая возможность генерации распространяющихся планетарных волн вблизи земной поверхности и расчеты с учетом переменного содержания углекислого газа в атмосфере. Вертикальный поток массы в модели рассчитывается на каждом временном шаге сверху вниз из уравнения неразрывности с помощью конечных разностей на уровнях, расположенных между уровнями прогностических уравнений для горизонтальных составляющих скорости ветра и температуры. На верхней границе используется нулевое условие. Естественным нижним граничным условием является требование обращения в нуль вертикальной скорости на поверхности Земли, записываемое через возмущение геопотенциала, обусловленное приливными колебаниями на нижней границе.
Актуальность темы диссертационного исследования
По современным представлениям, без учета динамического и теплового вклада волн, генерируемых в тропосфере, невозможно построение адекватных моделей динамики и теплового режима верхней и средней атмосферы. Важным и постоянно действующим механизмом генерации мезомасштабных волн является обтекание неоднородностей топографии земной поверхности набегающим потоком. При распространении этих орографических волн в верхние разреженные слои атмосферы их амплитуды растут, и они могут создавать значительные ускорения среднего потока и притоки тепла. В связи с этим изучение мезомасштабных волн включаются во все основные российские и международные программы исследования атмосферы и околоземного космического климата.
Цель диссертационной работы
Изучение влияния орографических волн на динамику и температурный режим средней и верхней атмосферы в разные сезоны, а также на глобальный перенос озона. Для достижения этой цели были решены следующие задачи:
Получение аналитических выражений для расчета динамических и энергетических характеристик орографических волн с учетом вращения атмосферы.
Разработка численной параметризации орографических волн для включения в численные модели глобальной циркуляции атмосферы.
Исследование влияния орографических волн на формирование глобальной циркуляции атмосферы.
Изучение влияния орографических волн на глобальный перенос озона в атмосфере.
Научная новизна
Главной особенностью разработанного метода исследования орографических волн является использование новых математических выражений для расчета характеристик орографических волн с учетом вращения атмосферы. Уточнены поляризационные соотношения для случая стационарных волн. При использовании дисперсионного уравнения и поляризационных соотношений для стационарных волн во вращающейся атмосфере были получены уравнения волнового действия в неоднородной атмосфере, аналогичные полученным ранее для нестационарных волн. Эти уравнения решаются для получения параметров волн для различных
атмосферных приложений. Указанные формулы получены в данной работе впервые и ранее при оценках эффектов орографических волн не использовались.
Практическая и научная значимость
Практическая и научная значимость работы заключается в том, что исследование чувствительности численных моделей циркуляции и температурного режима атмосферы к влиянию орографических волн позволяет более точно прогнозировать глобальные климатологические изменения в атмосфере. Также разработка простых параметризаций орографических волн необходима для расчетов с помощью полных численных моделей глобальной циркуляции.
Положения, выносимые на защиту
полученные аналитические выражения для расчета динамических и энергетических характеристик орографических волн с учетом вращения атмосферы;
численная параметризация орографических волн для использования в численных моделях глобальной циркуляции атмосферы;
результаты оценок влияния орографических волн на динамику и температурный режим атмосферы.
расчеты влияния орографических волн на глобальный перенос озона в средней атмосфере.
Личный вклад автора
Большинство представленных в диссертации результатов получено автором самостоятельно. В опубликованных работах по разработке численной параметризации орографических волн, а также в доработке модели глобальной циркуляции средней и верхней атмосферы автор участвовал в постановке задач, их решении, практических расчетах, математической обработке и подготовке исходных данных, а также в анализе результатов моделирования.
Апробация и публикация работы
Работа выполнялась на физическом факультете СПбГУ. Тема диссертации включена в план работ кафедры физики атмосферы. Результаты работы докладывались на 9-ти российских и международных научных конференциях: на молодежной конференции «Физика и прогресс» (Санкт-Петербург, 2007 г.), международных симпозиумах стран СНГ «Атмосферная радиация и динамика» МСАРД-2009 и МСАРД-2011 (Санкт-Петербург, 2009 и 2011 гг.), международной
конференции «25th International Laser Radar Conference» IRLC 25 (С-Петербург, 2010 г.), 12-м симпозиуме Международного Научного камитета по Солнечно-Земной Физике «SCOSTEP Symposium STP12» (Берлин, Германия, 2010 г.), школе молодых ученых РГГМУ (С-Петербург, 2010г.), 5-ой международной конференции "Атмосферная физика, климат и окружающая среда" (Санкт-Петербург, 2010 г.), 4-м семинаре по проблеме вертикального взаимодействия в системе атмосфера-ионосфера «4th IAGA/ICMA/CAWSES-II» (Прага, Чехия, 2011 г.), XI-ой международной научно-практической конференции "Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности" (Санкт-Петербург, 2011 г.). Также результаты исследований докладывались на семинарах кафедры физики атмосферы (2007 - 2011 гг.).
Работа выполнена при частичной поддержке Министерства образования и науки российской Федерации в рамках реализации мероприятия 1.1 Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (государственный контракт №02.740.11.0728 от 05 апреля 2010 г.) по направлению «Геофизика», мероприятия 1.3 федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (государственный контракт №П107 от 12 апреля 2010 г.) по направлению «Мониторинг и прогнозирование состояния атмосферы и гидросферы», а также Российского фонда фундаментальных исследований (Гранты РФФИ 07-05-00913-а (2007-2009 гг.) и 10-05-00719-а.(2012 - 2014 гг.)).
Основные результаты работы представлены в 9 публикациях, включая 1 в рецензируемом журнале.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 68 наименований. Работа содержит 110 страниц, 47 рисунков.
