Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
В работе представлены результаты расчетов нормальных мод среднего течения, обусловленного суперпозицией циклонического и антициклонического вихрей в высоких широтах. Подобная структура потока часто наблюдается зимой в верхней тропосфере — нижней стратосфере. Мы надеялись выделить в спектре колебаний нормальные моды, напоминающие крутильные колебания. Задача решалась численно в рамках баротропной квазигеострофической модели. Дополнительно оценивалась зависимость нормальных мод от параметров эксперимента — количества сферических гармоник в разложении полей функции тока, параметризации вязкости и гипервязкости. Результаты расчетов показали, что неустойчивость течения практически всегда возрастала с увеличением амплитуды антициклонического вихря, в разной степени при разных вязкостях и количестве гармоник в разложении. Более хаотично при изменении параметров эксперимента и среднего потока менялась пространственная структура наиболее неустойчивых нормальных мод. Это существенно осложняет интерпретацию реальных колебаний в терминах нормальных мод, в том числе интерпретацию крутильных колебаний. Осесимметричные нормальные моды часто присутствовали в спектре, однако они не обладали всеми свойствами крутильных колебаний и не доминировали в спектре.
гидродинамика, атмосфера, нормальные моды, крутильные колебания
1. Данилов С.Д., Гурарий Д. Квазидвумерная турбулентность. УФН. 2000. Т. 170, № 9. С. 921–969. DOI: 10.3367/ UFNr.0170.200009a.0921.
2. Дикий Л.А. Теория колебаний земной атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 194 с.
3. Дымников В.П. Устойчивость и предсказуемость крупномасштабных атмосферных процессов. М.: ИВМ РАН, 2007. 283 с.
4. Дымников В.П., Скиба Ю.Н. Баротропная неустойчивость зонально-несимметричных атмосферных потоков. Вычислительные процессы и системы. Вып. 4. М.: Наука, 1986. С. 63–104.
5. Дымников В.П., Филатов А.Н. Устойчивость крупномасштабных атмосферных процессов. М.: Отдел вычислительной математики АН СССР, 1988. 140 с.
6. Крупномасштабные динамические процессы в атмосфере. М.: Мир, 1988. С. 306–335.
7. Мордвинов В.И., Латышева И.В. Теория общей циркуляции атмосферы, изменчивость крупномасштабных процессов. Иркутск: Изд-во ИГУ, 2013. 197 с.
8. Мордвинов В.И., Зоркальцева О.С. Нормальные моды как причина крупномасштабных колебаний в тропосфере и стратосфере. Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2022. Т. 58, № 2. С. 1–11. DOI:https://doi.org/10.31857/S0002351522020092.
9. Мордвинов В.И., Девятова Е.В., Томозов В.М. Гидродинамические неустойчивости в тахоклине, обусловленные вариациями толщины слоя и неоднородностями среднего потока. Солнечно-земная физика. 2013. Вып. 23. С. 3–12.
10. Мордвинов В.И., Девятова Е.В., Томозов В.М. Влияние магнитного поля и конфигурации среднего течения на пространственную структуру и скорость роста нормальных мод. Солнечно-земная физика. 2023. Т. 9, № 4. С. 134–146. DOI:https://doi.org/10.12737/szf94202315.
11. Яглом М.А. Динамика крупномасштабных процессов в баротропной атмосфере. Изв. АН СССР. Сер. геофиз. 1953. № 4. С. 346–369.
12. Blackmon M.L., Lee Y., Wallace J.M. Horizontal structure of 500 mb height fluctuations with long, intermediate and short time scales. J. Atmos. Sci. 1984a. Vol. 41. P. 961–980. DOI:https://doi.org/10.1175/1520-0469(1984)041<0961:HSOMHF>2.0.CO;2.
13. Blackmon M.L., Lee Y., Wallace J.M., Hsu H. Time variation of 500 mb height fluctuations with long, intermediate and short time scales as deduced from lag-correlation statistics. J. Atmos. Sci. 1984b. Vol. 41, iss. 6. P. 981–991. DOI:https://doi.org/10.1175/1520-0469(1984)041<0981:TVOMHF>2.0.CO;2.
14. Branstator G. A Striking example of the atmosphere’s leading travelling pattern. J. Atmos. Sci. 1987. Vol. 44. P. 2310–2323.
15. Branstator G., Held I. Westward propagating normal modes in the presence of stationary background waves. J. Atmos. Sci. 1995. Vol. 52. P. 247–262.
16. Dikpati M., Gilman P.A. Analysis of hydrodynamic stability of solar tachocline latitudinal differential rotation using a shallowwater model. Astrophys. J. Papers. 2001. Vol. 551, no. 1. P. 536–564. DOI:https://doi.org/10.1086/320080.
17. Kasahara A. Effect of zonal flows on the free oscillations of a barotropic atmosphere. J. Atmos. Sci. 1980. Vol. 37, iss. 5. P. 917–929. DOI:https://doi.org/10.1175/1520-0469(1980)037<0917:EOZFOT >2.0.CO;2.
18. Koval A.V., Gavrilov N.M., Pogoreltsev A.I., Shevchuk N.O. Influence of solar activity on penetration of traveling planetary-scale waves from the troposphere into the thermosphere. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2018. Vol. 123, no. 8. P. 6888–6903. DOI:https://doi.org/10.1029/2018JA025680,08.2018.
19. Longuet-Higgins M.S. Planetary waves on a rotating sphere. Proc. Royal Soc., Series A. 1964. Vol. 279, iss. 1379. P. 446–473.
20. Longuet-Higgins M.S. The eigenfunctions of Laplace’s tidal equation over a sphere. Math. and Phys. Sci. London, 1968. Vol. 262. P. 511–607. DOI:https://doi.org/10.1098/RSTA.1968.0003.
21. Madden R.A. Large-scale free Rossby waves in the atmosphere — an update. Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography. 2007. Vol. 59. P. 571–590. DOI:https://doi.org/10.1111/j.1600-0870.2007.00257.x.
22. Pogoreltsev A.I., Kanukhina A.Yu., Suvorova E.V., Savenkova E. Variability of Planetary Waves as a Signature of Possible Climatic Changes. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2009. Vol. 71, iss. 14-15. P. 1529–1539. DOI:https://doi.org/10.1016/J.JASTP.2009.05.011.
23. Simmons A.J., Wallace J.M., Branstator G.W. Barotropic wave propagation and instability, and atmospheric teleconnection patterns. J. Atmos. Sci. 1983. Vol. 40, no. 6. P. 1363–1392.
24. Zorkaltseva O.S., Mordvinov V.I., Devyatova E.V., Dombrovskaya N.S. Method for calculating torsional oscillations in Earth’s atmosphere from NCEP/NCAR, MERRA-2, ECMWF ERA-40, and ERA-INTERIM. Solar-Terr. Phys. 2019. Vol. 5, iss. 1. P. 69–76. DOI:https://doi.org/10.12737/stp-501201910.
