Санкт-Петербург, г. Санкт-Петербург и Ленинградская область, Россия
Балтийский федеральный университет имени И. Канта
Калининград, Россия
с 01.01.2009 по настоящее время
Санкт-Петербург, г. Санкт-Петербург и Ленинградская область, Россия
Калининград, Россия
С помощью нелинейной численной модели высокого разрешения исследуется распространение внутренних гравитационных волн (ВГВ) из тропосферы в верхние слои атмосферы. В этом моделировании учитываются фоновые профили ветра, содержащие критические уровни, на которых горизонтальная скорость ветра становится равной горизонтальной фазовой скорости ВГВ. Согласно традиционной линейной теории атмосферных волн, вблизи критических уровней вертикальная длина волны приближается к нулю, что должно приводить к сильной диссипации ВГВ, распространяющихся из тропосферы, и может сильно уменьшить их амплитуды в верхней атмосфере. Модельные источники волн заданы в виде возмущений вертикальной скорости, распространяющихся вдоль поверхности Земли. Горизонтальный ветер в атмосфере аппроксимируется гауссовым профилем среднего зонального ветра с максимумом на высоте 50 км. Выполнен анализ спектров волновых полей вблизи критических уровней и на удалении от них. Обнаружено, что неустойчивость волн около критических уровней интенсифицирует переход энергии от первичных ВГВ, распространяющихся от приземных источников, к вторичным волновым модам. Это приводит к росту спектральных пиков на длинах волн меньших горизонтальной длины первичной ВГВ. Поэтому выше критических уровней с ростом высоты начинают преобладать режимы с более короткими горизонтальными длинами волн, чем длина волны первичной ВГВ, причем амплитуды этих вторичных волн на той же высоте могут превышать амплитуды аналогичной первичной ВГВ, распространяющейся в случае отсутствия критических уровней в средней атмосфере.
акустико-гравитационные волны, спектр, вторичные волны, численное моделирование, верхняя атмосфера, средняя атмосфера
1. Бидлингмайер Е.Р., Погорельцев А.И. Численное моделирование трансформации акустико-гравитационных воли в температурные и вязкие волны в атмосфере. Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 1992, т. 28, № 1, с. 64–74.
2. Гаврилов Н.М., Кшевецкий С.П. Численное моделирование распространения нелинейных акустико-гравитационных волн в средней и верхней атмосфере. Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2014, т. 50, № 1, с. 76–83. DOI:https://doi.org/10.7868/S0002351513050040.
3. Гаврилов Н.М., Кшевецкий С.П. Выделение спектра вторичных акустико-гравитационных волн в средней и верхней атмосфере в численной модели высокого разрешения. Солнечно-земная физика. 2023, т. 9, № 3, с. 93–99. DOI:https://doi.org/10.12737/stp-93202310 / Gavrilov N.M., Kshevetskii S.P. Identification of spectrum of secondary acoustic-gravity waves in the middle and upper atmosphere in a high-resolution numerical model. Sol.-Terr. Phys. 2023, vol. 9, iss. 3, pp. 86–92. DOI:https://doi.org/10.12737/stp-93202310.
4. Кикоин И.К. Таблицы физических величин. М.: Атомиздат, 1976, с. 272–279.
5. Погорельцев А.И., Перцев Н.Н. Влияние фонового ветра на формирование структуры акустико-гравитационных волн в термосфере. Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 1995, т. 31, № 6, с. 755–760.
6. Alexander M.J., Geller M., McLandress C., et al. Recent developments in gravity-wave effects in climate models and the global distribution of gravity-wave momentum flux from observations and models. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. Part A. 2010, vol. 136, pp. 1103–1124. DOI:https://doi.org/10.1002/qj.637.
7. Becker E., Vadas S.L. Secondary gravity waves in the winter mesosphere: Results from a high-resolution global circulation model. J. Geophys. Res.: Atmos. 2018, vol. 23, iss. 5, pp. 2605–2627. DOI:https://doi.org/10.1002/2017JD027460.
8. Bowman M.R., Thomas I., Thomas R.H. The propagation of gravity waves through a critical layer for conditions of moderate wind shear. Planet. Space Sci. 1980, vol. 28, iss. 2, pp. 119–133. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(80)90088-4.
9. Fritts D.C., Wang L., Werne J. Gravity wave-fine structure interactions: A reservoir of small-scale and large-scale turbulence energy. Geophys. Res. Lett. 2009, vol. 36, iss. 19, L19805. DOI:https://doi.org/10.1029/2009GL039501.
10. Fritts D.C., Wan K., Werne J., et al. Modeling the implications of Kelvin-Helmholtz instability dynamics for airglow observations. J. Geophys. Res.: Atmos. 2014, vol. 119, pp. 8858–8871. DOI:https://doi.org/10.1002/2014JD021737.
11. Gassmann A., Herzog H.-J. How is local material entropy production represented in a numerical model? Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 2015, vol. 141, pp. 854–869. DOI:https://doi.org/10.1002/qj.2404.
12. Gavrilov N.M., Kshevetskii S.P., Koval A.V. Verifications of the high-resolution numerical model and polarization relations of atmospheric acoustic-gravity waves. Geoscientific Model Development. 2015, vol. 8, pp. 1831–1838. DOI:https://doi.org/10.5194/gmd-8-1831-2015.
13. Gavrilov N.M., Kshevetskii S.P., Koval A.V. Decay times of atmospheric acoustic-gravity waves after deactivation of wave forcing. Atmos. Chem. Phys. 2022, vol. 22, pp. 3713–3724. DOI:https://doi.org/10.5194/acp-22-13713-2022.
14. Gavrilov N.M., Kshevetskii S.P., Koval A.V., Kurdyaeva Yu.A. Tunneling of acoustic-gravity waves through critical levels to the upper atmosphere. Adv. Space Res. 2025, vol. 75, iss. 4, pp. 3661–3670. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2024.12.005.
15. Gossard E.E., Hooke W.H. Waves in the Atmosphere: Atmospheric Infrasound and Gravity Waves: Their Generation and Propagation. Elsevier Sci. Publ. Co., 1975, 456 p.
16. Liu X., Xu J., Liu H., et al. Nonlinear interactions between gravity waves with different wavelengths and diurnal tide. J. Geophys. Res.: Atmos. 2008, vol. 1139, iss. 8, D08112. DOI:https://doi.org/10.1029/2007JD009136.
17. Lomb N. Least-squares frequency analysis of unequally spaced data. Astrophys. Space Sci. 1976, vol. 39, iss. 2, pp. 447–462.
18. Miyoshi Y., Fujiwara H., Jin H., et al. A global view of gravity waves in the thermosphere simulated by a general circulation model. J. Geophys. Res. Space Phys. 2014, vol. 119, iss. 7, pp. 5807– 5820. DOI:https://doi.org/10.1002/2014JA019848.
19. Picone J.M., Hedin A.E., Drob D.P., et al. NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparisons and scientific issues. J. Geophys. Res. 2002, vol. 107, iss. A12, 1468. DOI:https://doi.org/10.1029/2002JA009430.
20. Scargle J.D. Studies in astronomical time series analysis. II – Statistical aspects of spectral analysis of unevenly spaced data. Astrophys. J. 1982, vol. 263, pp. 835–853. DOI:https://doi.org/10.1086/160554.
21. Townsend A.A. Excitation of internal waves by a turbulent boundary layer. Journal of Fluid Mechanics. 1965, vol. 22, pp. 241–252. DOI:https://doi.org/10.1017/S002211206500071X.
22. Townsend A.A. Internal waves produced by a convective layer. Journal of Fluid Mechanics. 1966, vol. 24, pp. 307–319. DOI:https://doi.org/10.1017/S0022112066000661.
23. Vadas S.L., Liu H.-L. Numerical modeling of the large-scale neutral and plasma responses to the body forces created by the dissipation of gravity waves from 6 h of deep convection in Brazil. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2013, vol. 118, pp. 2593–2617. DOI:https://doi.org/10.1002/jgra.50249.
24. Vadas S.L., Fritts D.C., Alexander M.J. Mechanism for the generation of secondary waves in wave breaking regions. J. Atmos. Sci. 2003, vol. 60, iss. 1, pp. 194–214. DOI:https://doi.org/10.1029/2004JD005574.
25. Vadas S.L., Zhao J., Chu X., Becker E. The excitation of secondary gravity waves from local body forces: Theory and observation. J. Geophys. Res.: Atmos. 2018, vol. 123, iss. 17, pp. 9296–9325. DOI:https://doi.org/10.1029/2017JD027970.
26. Vadas S.L., Becker E., Bossert K., et al. Secondary gravity waves from the stratospheric polar vortex over ALOMAR Observatory on 12–14 January 2016. J. Geophys. Res.: Atmos. 2023, vol 128, e2022JD036985. DOI:https://doi.org/10.1029/2022JD036985.
27. Vadas S.L., Becker E., Bossert K., et al. The role of the polar vortex jet for secondary and higher-order gravity waves in the northern mesosphere and thermosphere during 11–14 January 2016. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2024, vol. 129, iss. 9, e2024JA032521. DOI:https://doi.org/10.1029/2024JA032521.
28. Yiğit E., Medvedev A.S. Heating and cooling of the thermosphere by internal gravity waves. Geophys. Res. Lett. 2009, vol. 36, L14807. DOI:https://doi.org/10.1029/2009GL038507.
29. Yu Y., Hickey M.P., Liu Y. A numerical model characterising internal gravity wave propagation into the upper atmosphere. Adv. Space Res. 2009, vol. 44, pp. 836–846. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2009.05.014.
30. Zhao J., Chu X., Chen C., et al. Lidar observations of stratospheric gravity waves from 2011 to 2015 at McMurdo (77.84° S, 166.69° E), Antarctica: 1. Vertical wavelengths, periods, and frequency and vertical wave number spectra. J. Geophys. Res. Atmos. 2017, vol. 122, iss. 10, pp. 5041–5062. DOI:https://doi.org/10.1002/2016JD026368.
