Санкт-Петербург, г. Санкт-Петербург и Ленинградская область, Россия
Калининград, Россия
В последнее время значительное внимание уделяется исследованию так называемых вторичных акустико-гравитационных волн (АГВ), возникающих в результате неустойчивости и нелинейных взаимодействий первичных волновых мод, распространяющихся от атмосферных источников, между собой и со средним потоком. В данной работе впервые выполнено разделение горизонтальных пространственных спектров первичных и вторичных АГВ на фиксированных высотных уровнях в средней и верхней атмосфере в различные моменты времени, которые рассчитываются с помощью трехмерной нелинейной модели высокого разрешения AtmoSym. Показано, что через небольшое время после включения источника плоских волн на нижней границе модели спектр состоит из пика, соответствующего первичной АГВ, и квазибелого шума, образуемого случайными возмущениями атмосферы и шумами численной модели. Позднее в спектрах появляются пики вторичных волн на горизонтальных волновых числах, кратных волновым числам первичной АГВ. Предлагаемое разделение спектров первичных и вторичных АГВ позволяет оценивать относительный вклад вторичных АГВ на различных высотах, в разное время и при разной устойчивости фоновых профилей температуры и ветра в атмосфере.
акустико-гравитационные волны, спектр, вторичные волны, численное моделирование, верхняя атмосфера, средняя атмосфера
1. 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. T. 50, № 1. С. 76-83.
2. Госсард Э.Э., Хук У.Х. Волны в атмосфере. Инфразвук и гравитационные волны в атмосфере - их возникновение и распространение. М.: Мир, 1978. 532 с.
3. Кикоин И.К. Таблицы физических величин. М.: Атомиздат, 1976. С. 272-279.
4. 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, iss. 650. P. 1103-1124. DOI:https://doi.org/10.1002/qj.637.
5. Azeem I., Vadas S.L., Crowley G., Makela J.J. Traveling ionospheric disturbances over the United States induced by gravity waves from the 2011 Tohoku tsunami and comparison with gravity wave dissipative theory. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017. Vol. 122, iss. 3. P. 3430-3447. DOI:https://doi.org/10.1002/2016JA023659.
6. Bacmeister J.T., Schoeberl M.R. Breakdown of vertically propagating two dimensional gravity waves forced by orography. J. Atmos. Sci. 1989. Vol. 46. P. 2109-2134.
7. Becker E., Knopfel R., Lubken F.-J. Dynamically induced hemispheric differences in the seasonal cycle of the summer polar mesopause. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2015. Vol. 129. P. 128-141. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2015.04.014.
8. Chen C., Chu X., Zhao J., et al. Lidar observations of persistent gravity waves with periods of 3-10 h in the Antarctic middle and upper atmosphere at McMurdo (77.83° S, 166.67° E). J. Geophys. Res.: Space Phys. 2016. Vol. 121. P. 1483-1502. DOI:https://doi.org/10.1002/2015JA022127.
9. Franke P.M., Robinson W.A. Nonlinear behavior in the propagation of atmospheric gravity waves. J. Atmos. Sci. 1999. Vol. 56. P. 3010-3027.
10. Fritts D.C., Vadas S.L., Wan K., Werne J.A. Mean and variable forcing of the middle atmosphere by gravity waves. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2006. Vol. 68, no. 3-5. P. 247-265. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2005.04.010.
11. 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, no. 19, L19805. DOI:https://doi.org/10.1029/2009GL039501.
12. 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. P. 8858-8871. DOI:https://doi.org/10.1002/2014JD021737.
13. 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. P. 854-869. DOI:https://doi.org/10.1002/qj.2404.
14. 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. P. 1831-1838. DOI:https://doi.org/10.5194/gmd-8-1831-2015.
15. 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. P. 3713-3724. DOI:https://doi.org/10.5194/acp-22-13713-2022.
16. Geller M.A., Alexander M.J., Love P.T., et al. A comparison between gravity wave momentum fluxes in observations and climate models. J. Climate. 2013. Vol. 26, iss. 17. P. 6383-6405. DOI:https://doi.org/10.1175/JCLI-D-12-00545.1.
17. Liu X., Xu J., Liu H., Ma R. Nonlinear interactions between gravity waves with different wavelengths and diurnal tide. J. Geophys. Res.: Atmos. 2008. Vol. 1139, no. D8, D08112. DOI:https://doi.org/10.1029/2007JD009136.
18. Lomb N. Least-squares frequency analysis of unequally spaced data. Astrophys. Space Sci. 1976. Vol. 39, no. 2. P. 447-462.
19. Miyoshi Y., Fujiwara H. Gravity waves in the thermosphere simulated by a general circulation model. J. Geophys. Res. 2008. Vol. 113, no. D1, D01101. DOI:https://doi.org/10.1029/2007JD008874.
20. Miyoshi Y., Fujiwara H., Jin H., Shinagawa H. A global view of gravity waves in the thermosphere simulated by a general circulation model. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2014. Vol. 119. P. 5807-5820. DOI:https://doi.org/10.1002/2014JA019848.
21. Picone J.M., Hedin A.E., Drob D.P., Aikin A.C. 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.
22. Scargle J.D. Statistical aspects of spectral analysis of unevenly spaced data. Astrophys. J. Part 1. 1982. Vol. 263. P. 835-853.
23. Smith R.B., Nugent A.D., Kruse C.G., et al. Stratospheric gravity wave fluxes and scales during DEEPWAVE. J. Atmos. Sci. 2016. Vol. 73, iss. 7. P. 2581-2869. DOI:https://doi.org/10.1175/JAS-D-15-0324.1.
24. Townsend A.A. Excitation of internal waves by a turbulent boundary layer. Journal of Fluid Mechanics. 1965. Vol. 22. P. 241-252.
25. Townsend A.A. Internal waves produced by a convective layer. Journal of Fluid Mechanics. 1966. Vol. 24. P. 307-319.
26. Vadas S.L., Fritts D.C. The importance of spatial variability in the generation of secondary gravity waves from local body forces. Geophys. Res. Lett. 2002. Vol. 29, no. 20, 1984. DOI:https://doi.org/10.1029/2002GL015574.
27. Vadas S.L., Crowley G. Sources of the traveling ionospheric disturbances observed by the ionospheric TIDDBIT sounder near Wallops Island on 30 October 2007. J. Geophys. Res. 2010. Vol. 115, A07324. DOI:https://doi.org/10.1029/2009JA015053.
28. Vadas S.L., Crowley G. Neutral wind and density perturbations in the thermosphere created by gravity waves observed by the TIDDBIT sounder. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017. Vol. 122. P. 6652-6678. DOI:https://doi.org/10.1002/2016JA023828.
29. 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 6h of deep convection in Brazil. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2013. Vol. 118. P. 2593-2617. DOI:https://doi.org/10.1002/jgra.50249.
30. 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.
31. Yiğit E., Medvedev A.S., Aylward A.D., et al. Modeling the effects of gravity wave momentum deposition on the general circulation above the turbopause. J. Geophys. Res. 2009. Vol. 114, iss. D7, D07101. DOI:https://doi.org/10.1029/2008JD011132.
32. 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. P. 836-846. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2009.05.014.
33. 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. P. 5041-5062. DOI:https://doi.org/10.1002/2016JD026368.
34. URL: http://atmos.kantiana.ru/language/ru (дата обращения 15 февраля 2023 г.).
