Глобальная климатическая модель циркуляции средней и верхней атмосферы

Объектом исследований являются крупномасштабные динамические процессы в средней и верхней атмосфере Земли.

Актуальность темы

.

Динамические проявления нижней атмосферы Земли (тропосферы) оказывают на жизнедеятельность человека заметное, часто определяющее влияние. Этим объясняется стремление исследователей не только понять сущность протекающих в ней процессов, но и создать их адекватные модели, способные прогнозировать особенности развития этих процессов во времени и в пространстве.

Интерес к строению и динамике более верхних слоев атмосферы (стратосфере, мезосфере, термосфере) появился в начале 20-х годов прошлого века в связи, в частности, с обнаружением эффекта дальнего распространения коротких радиоволн. С развитием средств радиосвязи, высотных полетов аппаратов исследование верхней атмосферы становится стремительно развивающимся научным направлением, оформившись в 70−80 годах в такие международные программы как MAP, MAC, STEP и др. Такое внимание к динамике средней и верхней атмосферы объясняется осознанием ее роли в формировании климата, экологии планеты, каналов радиосвязи, ее влиянием на полеты космических аппаратов, возможности использования ее мониторинга для предсказания погоды, катастрофических явлений и при исследовании глубинного строения Земли.

Исследования ведутся по двум главным направлениям: в одном преобладают статистические методы анализа имеющегося экспериментального материала, основой другого является развитие численных моделей планетарного распределения той или иной совокупности атмосферных параметров. Оба направления тесно связаны между собой, взаимно дополняют и обогащают друг друга.

Целью этих исследований является установление роли различных факторов в формировании погоды и климата верхней атмосферы и создание на этой основе прогностических моделей. Построение как статистических (экспериментальных) так и теоретических (численных) моделей верхней атмосферы в настоящее время далеко от завершения, что связано с мно-гопараметричностью состояния атмосферы, с исключительной сложностью взаимосвязи этих параметров, со сложным влиянием на динамику атмосферы многочисленных и не всегда хорошо известных внешних и внутренних факторов, с отсутствием достаточно представительных статистических данных о глобальном распределении термодинамических параметров атмосферы.

Поэтому создание численных как синоптических, так и климатических глобальных моделей состояния средней и верхней атмосферы является актуальной задачей. Одной из основных задач, стоящих перед исследователями атмосферы, является создание такой ее численной модели, которая воспроизводила бы поля искомых термодинамических параметров с точностью не меньшей точности их экспериментального определения (адекватная модель). Построение такой модели в настоящее время на основе полной системы гидротермодинамических уравнений, по нашему мнению, мало эффективно, поскольку полную модель, во — первых, трудно приспособить для воспроизведения конкретной синоптической ситуации из-за сильной и мало изученной изменчивости большого числа внешних возмущающих факторов, и, во — вторых, полученные результаты просто не с чем сравнивать (синоптические данные верхней атмосферы фактически отсутствуют). При воспроизведении на основе полной модели имеющихся климатических, крупномасштабных пространственно-временных вариаций полей термодинамических параметров возникают до сих пор не преодоленные трудности, связанные с необходимостью параметризации большого числа разнообразных процессов и факторов. Выход из создавшегося положения мы видим в создании адекватных моделей атмосферы на основе концепции блочного построения, т. е. детальной разработки и физического обоснования отдельных блоков модели (динамики, теплового режима, состава и др.). На первом этапе такого построения разрабатывается отдельный блок при заданных эмпирических моделях остальных. Затем разработанный блок укрупняется другим блоком и построение повторяется. Большое значение имеет и математическая постановка задачи и разработка эффективных методов решения многомерных нестационарных уравнений гидротермодинамики.

В настоящее время наиболее полными являются модели состава, плотности, температуры, которые представлены такими эмпирическими моделями как: DTM, Яккия77, MSIS86(90). Эти модели основаны на статистической обработке огромных массивов данных глобального мониторинга параметров верхней атмосферы, полученных разными методами в разных гелиогеофизических условиях, и воспроизводят климатические крупномасштабные пространсвено-временные вариации указанных параметров.

Цель работы.

Разработать на основе эмпирических моделей атмосферы глобальную нестационарную численную модель крупномасштабной ветровой системы средней и верхней атмосферы, которая адекватно отражает динамическое состояние этой области атмосферы и позволяет прогнозировать эффекты влияния крупномасштабной циркуляции на поведение атмосферных и ионосферных параметров.

Основные задачи исследований.

1. Разработать методы и алгоритмы решения нестационарных трехмерных нелинейных уравнений динамики атмосферы с корректным учетом граничных условий и численного представления решения в высокоширотных областях.

2. Программно реализовать расчет циркуляции средней и верхней атмосферы и провести сравнительный анализ результатов расчета систем циркуляции для разных эмпирических моделей термосферы с экспериментальными данными по ветрам для различных гелиогеофизических условий.

3. Разработать нестационарную трехмерную модель распространения в средней атмосфере крупномасштабных возмущений тропосферы (планетарных волн — КПВ) с учетом их нелинейного взаимодействия между собой и фоном.

4. Провести численные эксперименты по моделированию распространения КПВ с целью определения прогностических возможностей модели и оценки влияния вихревых потоков и разрушения внутренних гравитационных волн (ВГВ) на среднезональную циркуляцию и распространение КПВ.

5. Исследовать геофизические эффекты, сопровождающие работу мощных сейсмовибраторов, и влияние крупномасштабной ветровой системы на распространение инфразвука.

Методы исследований и фактический материал.

Основными методами достижения поставленной цели являются: численное моделирование пространственно-временного распределения искомых параметров средней и верхней атмосферы Земли, сравнительный анализ имеющихся теоретических моделей циркуляции, анализ накопленного экспериментального материала по основным структурным параметрам атмосферы и циркуляции. Проведенные исследования включают в себя следующие основные этапы:

1. Математическую постановку задачи — выбор замкнутой для каждой конкретной задачи системы уравнений, учитывающей все основные процессыформулировку начальных и граничных условий.

2. Разработку методов и алгоритмов численного решения выписанной системы уравнений, программную реализацию.

3. Проведение численных экспериментов, интерпретацию результатов расчетов, сравнительный анализ с имеющимися экспериментальными данными и результатами других исследователей с целью выяснения возможных упрощений и/или необходимых дополнений исходной системы уравнений, определения возможностей модели как инструмента для исследования, адекватного описания и прогнозирования процессов и параметров состояния атмосферы.

Научная новизна работы.

1. На основе метода расщепления разработан и реализован новый подход к решению нелинейных трехмерных уравнений гидротермодинамики, который позволил снять «проблему полюсов» в численных моделях циркуляции атмосферы. В схемах расщепления в отдельное уравнение выделяются члены нелинейного переноса, решение представляется в аналитическом виде. Задача сводится к вычислению характеристик на сфере с преобразованием уравнений характеристик к полярным координатам в высоких широтах. Аналитическое решение служит для преобразования оставшейся части уравнений на полюсах.

2. Предложена новая постановка верхнего граничного условия для вертикальной скорости ветра в метрической системе координат.

3. Разработаны оригинальные численные нестационарные трехмерные модели циркуляции (WSMT) и распространения крупномасштабных планетарных возмущений с учетом нелинейного взаимодействия планетарных волн между собой и фоном (MTPW).

4. Уточнены основные структурные особенности крупномасштабной системы термосферных ветров. Исследованы сезонные, суточные, долготные и по мировому времени вариации параметров этой структуры и зависимость этих вариаций от солнечной и геомагнитной активности, дана физическая интерпретация природы этих вариаций.

5. По модели MTPW выполнены численные расчеты, которые позволили установить особенности распространения КПВ и исследовать роль вихревых потоков, обусловленных процессами различных масштабов, в формировании структуры барического, температурного и ветровых полей средней атмосферы.

6. Результатами расчетов распространения инфразвука с рассчитанными по созданной модели циркуляции атмосферы WSMT данными и его регистрацией установлена возможность предсказания особенностей распространения инфразвука на расстояниях до 200 км от источника.

7. Экспериментально доказана генерация сейсмических колебаний при воздействии акустической волны на грунт на расстояниях от 4 до 210 км. Передача энергии колебаний от сейсмоисточника к сейсмоприемнику на инфразвуковых частотах по атмосферному каналу может быть более эффективной, чем ее непосредственный перенос сейсмическими волнами в твердой Земле.

Научная и практическая значимость работы.

Разработанные модели глобальной циркуляции и распространения крупномасштабных планетарных возмущений могут быть использованы для решения ряда актуальных научных и прикладных задач: планировании экспериментов и интерпретации результатов наблюдений о пространственновременных вариациях параметров средней и верхней атмосферы, моделирования переноса малых составляющих атмосферы, развития прогностических моделей состояния средней, верхней атмосферы и ионосферы, разработки технологии мониторинга состояния средней и верхней атмосферы Земли, разработанные численные методы могут быть применены для решения подобных нелинейных многомерных задач при моделировании процессов динамики взаимодействия геосфер, при планировании акустических измерений на больших расстояниях (1000 км) от источника и размещении пунктов сейсмодатчиков с учетом возможности возбуждения сейсмических колебаний акустическими волнами.

Научная и практическая ценность работы определяется также тем, что ее основные результаты получены при поддержке РФФИ (гранты № 96 — 05 — 66 055, № 99 — 05 — 64 676) и при. выполнении хоздоговорных работ с ИПГ (Москва), ЦАО (Обнинск), результаты которых изложены> в отчетах:

1. Создание физической квазитрехмерной полуэмпирической средне-широтной F-области ионосферы и апробирование-ее в,.дг/дачах прогнозирования состояния среднеширотной ионосферной плазмы: Отчет о НИР закл.)/ ЗапСибНИИ Госкомгидромета. — № ГР 81 082 291. — Новосибирск, 1983. — 128 с.

2. Отладить и опробовать в задачах прогноза самосогласованную полуэмпирическую модель среднеширотной F-области ионосферы: Отчет о НИР (закл.)/ ЗапСибНИИ Госкомгидромета. — № ГР 18 400 522 239. -Новосибирск, 1985. — 33 с.

3. Создать модель термосферной циркуляции: Отчет о НИР (закл.)/ ЗапСибНИИ Госкомгидромета. — № ГР 1 860 073 922. -Новосибирск, 1988. — 83 с.

4. Разработать численную глобальную (многоуровневую) модель циркуляции средней и верхней атмосферы: Отчет о НИР (закл.)/ ЗапСибНИИ Госкомгидромета.- ГР 1 870 049 358. Новосибирск, 1998. — 34 с.

5. Разработать трехмерную нестационарную численную модель ветрового режима средней и верхней атмосферы (10−300 км) с учетом нелинейного взаимодействия фоновых полей и крупномасштабных планетарных возмущений: Отчет о НИР (закл.)/ ЗапСибНИИ Госкомгидромета. — № ГР 1 890 026 562. — Новосибирск, 2001. — 23 с.

Проведенные исследования позволили сформулировать следующие основные результаты и положения, которые выносятся на защиту:

1. Построенную на основе разработанных численных методов решения нелинейных трехмерных уравнений гидротермодинамики климатическую глобальную модель циркуляции средней и верхней атмосферы на высотах 10 — 600 км (модель WSMT).Результаты анализа и физической интерпретации численных экспериментов.

2. Разработанную нестационарную трехмерную модель распространения КПВ с учетом нелинейного взаимодействия волн между собой и фоном (модель MTPW).Результаты численных экспериментов по исследованию распространения крупномасштабных планетарных возмущений.

3. Результаты экспериментальных исследований и численных расчетов по распространению инфразвука.

Достоверность результатов, полученных в диссертации, определяется обоснованностью используемых методов при построении численных моделейкачественном и количественном соответствии с результатами, полученными другими авторами при решении аналогичных задач и с экспериментальными даннымииспользованием общепризнанных методов анализа и обработки больших серий экспериментальных данных.

Личный вклад автора и взаимоотношения с соавторами. Общее направление исследований (моделирование крупномасщтабных динамических процессов в атмосфере Земли), подходы и принципы построения численных моделей циркуляции были определены в результате дискуссий с Э. И. Гинзбургом и JI.B. Жалковской. Лично автором разработаны численные методы решения нелинейных трехмерных уравнений гидротермодинамикипрограммно реализованы все блоки моделей глобальной циркуляции атмосферы на высотах 10 — 600 км (модель WSMT) и модель распространения крупномасштабных планетарных возмущений с учетом нелинейного взаимодействия волн между собой и фоном (модель MTPW) — проведены численные расчеты и созданы программы для их обработки.

Под руководством В. В. Кузнецова совместно с В. В. Плоткиным и С. Ю. Хомутовым автором планировались эксперименты и осуществлялись экспедиции по исследованию геофизических эффектов (в частности, инфразвука), сопровождающих работу мощных сейсмовибраторов. Численная модель распространения инфразвука разработана лично автором. Обсуждение и интерпретация экспериментальных результатов проводились совместно.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты докладывались на XXY Областной научнотехнической конференции (Новосибирск, 1982), на IY и Y Всесоюзных совещаниях по исследованию динамических процессов в верхней атмосфере (Обнинск, 1982, 1985), на Г и II Всесоюзных симпозиумах по результатам исследований средней атмосферы (АлмаАта, 1983, Москва, 1986), на YII Всесоюзном семинаре по математическому моделированию ионосферных процессов (Иркутск, 1984), на III Всесоюзном совещании «Полярная ионосфера и магнитосферно-ионосферные связи «(Апатиты, 1984), на XXI Генеральной Ассамблее IUGG (Боулдер, США, 1995), на 8-ой Научной Ассамблее IAGA (Упсала, Швеция, 1997), на XXY и XXYI Генеральных Ассамблеях EGS (Ницца, Франция, 2000, 2001).

Краткое содержание работы.

В первой главе на основе анализа современного состояния экспериментальных и теоретических исследований термосферы выработаны принципы и подходы к решению задач по описанию и прогнозированию состояния верхней атмосферы [19, 11, 12]. Приводятся математическая постановка задачи, методы ее решения и результаты численных расчетов для разных гелиогеофизических условий. На основе сравнения полученных результатов с аналогичными исследованиями других авторов и с экспериментальными данными показано, что созданная модель адекватно описывает систему циркуляции верхней атмосферы и может служить базой для создания более детальных прогностических моделей верхней атмосферы и решения ряда прикладных задач, в частности, прогнозирование состояния F-области ионосферы, расчет системы ионосферных динамо-токов, как источников электромагнитного поля, и т. д.

В первых разработках модели термосферной циркуляции для решения уравнений движения, непрерывности и гидростатики использовался метод расщепления по координатам и физических процессам в различных его вариантах [13, 14, 24, 15, 31, 17]. Местное время и долгота были совмещены, находилось периодическое решение по местному времени (стационарное в системе Солнце-Земля) решение задачи. В работах [10, 19- 107] метод решения модернизирован, а в [110, 111] на его основе разработана нестационарная глобальная модель циркуляции средней и верхней атмосферы (WSMT) в метрической и лог-изобарической системах координат.

В схемах расщепления в отдельное уравнение выделяются члены нелинейного переноса, решение представляется в аналитическом виде. Задача сводится к вычислению характеристик на сфере с преобразованием уравнений характеристик к полярным координатам в высоких широтах. Аналитическое решение служит для преобразования оставшейся части уравнений на полюсах. Этим снимается «проблема полюсов» в численных моделях циркуляции атмосферы. Вертикальная скорость ветра в метрической системе координат вычисляется из уравнения непрерывности с верхним граничным условием, согласованным с граничными условиями для горизонтальных компонентов ветра и условием квазистатичности атмосферы для крупномасштабных движений.

В работах [16, 31, 9, 32, 20] на основе разработанной модели по «стационарному» блоку проведено исследование термосферной циркуляции для разных сезонов в зависимости от солнечной, геомагнитной активности и электрических полей.

Сравнение систем циркуляции для эмпирических моделей термосферы DTM, J77, MSIS, MSIS86 при различных гелиогеофизических условиях проведено в [10, 107], а в [44, 111] рассмотрены долготные изменения и вариации от мирового времени в термосферной циркуляции и сопоставление результатов расчета с эмпирической моделью горизонтальных ветров HWM93 и с экспериментальными данными среднеширотных станций НРР. Отмечены существенные различия в суточных вариациях ветра в экспериментальных данных для разных станций и в результатах расчета с разными эмпирическими моделями по меридиональному ветру на средних широтах, приведен анализ этих различий и их физическая интерпретация.

В результате сравнительного анализа всей совокупности приведенных результатов можно сделать основной вывод: расчеты ветра по всем эмпирическим моделям находятся в пределах экспериментального разброса данных. Разработанная трехмерная нестационарная модель термосфер-ной циркуляции воспроизводит отмеченные выше глобальную климатическую структуру ветровых полей и особенности вариаций циркуляции от сезона, уровней солнечной и геомагнитной активности.

Во второй главе проведен краткий анализ состояния исследований и подходов при построении моделей средней атмосферы (10 — 120 км) с целью его использования при создании численных прогностических моделей долгопериодных изменений структурных параметров атмосферы. Состояние средней атмосферы описывается суммой фоновых (среднезо-нальных) и вихревых (волновых) полей атмосферных параметров. Вихревые движения представляют собой движения различных масштабов: 1) синоптические — крупномасштабные возмущения, планетарные волны, 2) мезомасштабные возмущения, в частности, гравитационные волны, 3) возмущения малых масштабов — турбулентные процессы, акустические волны. Особое внимание уделено параметризации вихревых потоков импульса и тепла [19]. Вихревые потоки, обусловленные мезомасштабными движениями и возмущениями малых масштабов можно параметризовать через введение коэффициентов турбулентной диффузии и релеевского трения. На высотах верней мезосферы и нижней термосферы учитывается ускорение зонального потока, как источника генерации меридиональной циркуляции, вызванного распадом внутренних гравитационных волн (ВГВ). Вихревые потоки за счет планетарных волн, тепловых солнечных приливов и т. д. учитываются автоматически при решении блока уравнений ветрового переноса (1.10).

Рассмотренная в главе 1 модель термосфер ной циркуляции с учетом перечисленных выше процессов «опущена» до высоты 10 км. Нижняя граница этой модели (модель WSMT) не зафиксирована и устанавливается в зависимости от используемой в расчетах эмпирической модели атмосферы. Предварительные результаты расчета среднезональной циркуляции средней атмосферы содержатся в [21, 18]. Окончательный вариант модели WSMT рассмотрен в работах [110, 111].

Расчеты циркуляции по модели WSMT (с эмпирической моделью MSIS90) и сравнение их с расчетами по расширенной модели HWM93 (с добавленным к ней нами блока расчета вертикальной скорости ветра из уравнения непрерывности с параметрами атмосферы MSIS-90) и CIRA72(86) позволили сделать следующие выводы. Наблюдается хорошее качественное и количественное соответствие в зональной скорости ветра. Генерация средней меридиональной циркуляции на страто-мезо-сферных высотах осуществляется, в основном, механизмом релеевского трения. Учет распада ВГВ (в приближении Пламба и МакИвена [152]) приводит к значительному замедлению зонального потока на средних широтах зимнего полушария с образованием струи восточных ветров до 40 м/с на высотах ~ 100 км и к усилению прямой меридиональной ячейки циркуляции (из летнего полушария в зимнее) в верхней мезосфере, особенно заметному в летнем полушарии.

Расчеты по WSMT качественно согласуются с результатами работ Данкертона, Гарсия и Соломона, и представляются нам более реалистичными по сравнению с HWM93, так как базируются на статистически более обоснованных структурных параметрах атмосферы в отличие от имеющихся данных по меридиональному ветру на высотах средней атмосферы, используемых в модели HWM93.

Для получения спектра планетарных волн, не заложенных в эмпирических моделях атмосферы, разработана нестационарная трехмерная модель распространения крупномасштабных возмущений из тропосферы с учетом нелинейного взаимодействия волн между собой и фоном (модель MTPW) [26]. Система уравнений модели WSMT дополнена уравнениями теплового баланса для возмущения температуры и для возмущения геопотенциала. Основные уравнения модели записаны в лог-изобарической системе координат. В модели учтены члены горизонтальной турбулентности и вихревой диффузии для подавления процессов подсеточного масштаба в уравнениях движения и теплопроводности. Учет процессов подсеточного масштаба, разработанный и используемый в климатических моделях NCAR (Национальный Центр Атмосферных Исследований, Боулдер) и ВЦ СО РАН (Новосибирск) нами модернизирован, чтобы устранить имеющиеся там расходимости в вихревых потоках импульса и в выражениях для горизонтальных деформаций в приполюсных областях.

Задача решается при заданном распределении среднезональных параметров атмосферы по модели MSIS90 (плотность, давление, температура). Испытания численной модели MTPW проведены с заданием на уровне 10 км высоты возмущения геопотенциала в виде первой долготной гармоники.

Сравнение результатов расчета по модели MTPW с расчетами по моделям WSMT и HWM93 показало, что не смотря на схематичность задания пространственно — временной структуры возмущения на нижней границе, получено хорошее согласие между расчетами в возмущениях ветра, температуры и геопотенциала. Это позволяет сделать вывод, что наблюдаемые долготные вариации атмосферных параметров обусловлены, в основном, первой долготной гармоникой возмущения. Это указывает также на то, что нами верно учтены основные процессы, формирующие состояние средней атмосферы и влияющие на распространение КПВ, и на эффективность разработанных численных методов решения задачи.

Расчеты показали, что влияние турбулентности и особенно процессов подсеточного масштаба, не сказывается на рассчитываемые параметрырасчеты с учетом разрушения ВГВ свидетельствуют, что распад ВГВ способствует межполушарному распространению планетарных волн и возбуждению на высотах мезопаузы и нижней термосферы значительных долготных возмущений во всех параметрах средней атмосферы.

Полученные результаты также показывают, что только в рамках трехмерных нестационарных моделей возможен корректный учет процессов нелинейного взаимодействия, которые определяют динамическое состояние и структуру средней атмосферы. Модель MTPW может служить основой для создания моделей, предназначенных для исследования тро-посферно — стратосферных взаимосвязей и прогнозирования состояния средней атмосферы.

В третьей главе проведены исследования распространения инфразвука с помощью комплекса аппаратуры, включающего в себя акустические датчики, сейсмодатчики и мощные сейсмовибраторы, установленные на полигоне «Быстровка» СО РАН (Новосибирск) и их анализ с помощью численных расчетов. Измерения проводились на различных расстояниях от сейсмовибраторов в диапазоне частот 5−10 Гц. Результаты этих исследований изложены в работах [112, 114, 25, 26].

Акустические измерения за 1998;2001 гг показали, что мощные сейсмовибраторы являются эффективными генераторами инфразвука и могут быть использованы для изучения его распространения.

При свип-режиме работы сейсмовибраторов анализ взаимных корреляционных функций между записями акустических датчиков и опорным сигналом позволяют наблюдать этот сигнал на расстояниях до 210 км от вибратора в условиях, когда его амплитуда ниже уровня акустических шумов в пункте приема и сигнал испытывает различные фазовые искажения в реальной атмосфере.

Обнаружено, что сигналы, отраженные в тропосфере, более нестабильны, чем стратосферные. Они могут наблюдаться лишь в течение одной ночи или даже одного сеанса. Бывает, что тропосферные акустические сигналы не слышны в течение нескольких дней и недель. Амплитуда и модовый состав тропосферных акустических сигналов могут существенно изменяться в течение одного сеанса.

Экспериментально доказана генерация сейсмических колебаний при воздействии акустической волны на грунт на расстояниях от 4 до 210 км. Передача энергии колебаний от сейсмоисточника к сейсмоприемнику на инфразвуковых частотах по атмосферному каналу может быть более эффективной, чем ее непосредственный перенос сейсмическими волнами в твердой Земле.

Результатами расчетов распространения инфразвука с рассчитанными по созданной модели циркуляции атмосферы WSMT данными и его регистрацией установлена возможность предсказания особенностей распространения инфразвука на расстояниях до 200 км от источника.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

3.5 Выводы.

1. Акустические измерения за 1998;2001 гг показали, что мощные сей-смовибраторы (Быстровский полигон, Новосибирск) являются эффективными генераторами инфразвука и могут быть использованы для изучения распространения акустических волн.

2. Сигналы, отраженные в тропосфере, более нестабильны, чем стратосферные. Они могут наблюдаться лишь в течение одной ночи или даже одного сеанса. Бывает, что тропосферные акустические сигналы не слышны в течение нескольких дней и недель. Амплитуда и модовый состав тропосферных акустических сигналов могут существенно изменяться в течение одного сеанса.

3. Экспериментально доказана генерация сейсмических колебаний при воздействии акустической волны на грунт на расстояниях от 4 до 210 км (этот эффект впервые обнаружен группой академика А. С. Алексеева на расстоянии 20 км от источника). Передача энергии колебаний от сейсмо-источника к сейсмоприемнику на инфразвуковых частотах по атмосферному каналу может быть более эффективной, чем ее непосредственный перенос сейсмическими волнами в твердой Земле.

4. Результатами расчетов распространения инфразвука с рассчитанными по созданной модели циркуляции атмосферы WSMT данными и его регистрацией установлена возможность предсказания особенностей распространения инфразвука на расстояния до ~200 км от источника, в зависимости от времени суток, сезона и взаимного географического положения источника и приемника.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

При выполнении диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1. На основе разработанного метода решений нелинейных трехмерных уравнений гидротермодинамики построена нестационарная глобальная модель циркуляции средней и верхней атмосферы на высотах 10 — 600 км (модель WSMT).

2. В результате анализа экспериментальных данных и численных расчетов по разработанной модели циркуляции уточнены основные структурные особенности крупномасштабной системы термосферных ветров. Исследованы сезонные, суточные, долготные и с мировым временем вариации параметров этой структуры и зависимость этих вариаций от солнечной и геомагнитной активности, дана физическая интерпретация природы этих вариаций. В частности, отмечается:

2.1. Вне зависимости от сезона перенос воздушных масс осуществляется из области максимума давления в области низкого давлениянаиболее сильные ветры обнаруживаются на ночной стороне с потоком через полюс и в долготном направлении с дневной стороны от подсолнечной точки на ночную, на структуру ветровых полей сильное влияние оказывает ионное трение. Ветровой перенос (нелинейные члены) существенен на средних широтах в ночные и восходно-заходные часы, а в экваториальных широтах наблюдаются большие количественные различия в меридиональной скорости ветра во все часы суток, рассчитанного с учетом переноса и в линейном приближении. При наличии электрических полей влияние нелинейных членов возрастает и распространяется на высокие широты.

2.2. Расчеты дают значительные (десятки метров в секунду) долготные и по мировому времени вариации ветра, что указывает на важность их учета при изучении, прогнозировании состояния верхней атмосферы и интерпретации экспериментальных данных. Наблюдается качественное и количественное согласие в этих вариациях ветра, рассчитанного по разным эмпирическим моделям.

3. Анализ полученных результатов показывает, что на формирование структуры циркуляции в средних и высоких широтах сильное влияние оказывают высокоширотные источники нагрева (джоулев нагрев, высыпающиеся частицы) и импульса (электрические поля магнитосфер-ной конвекции), степень этого влияния зависит от уровня СА и сезона мощности солнечного нагрева и значений электронной концентрации, которой пропорционально магнитоионное торможение). Это приводит к тому, что узкая область средних широт оказывается как бы «переходной зоной» для которой характерны резкие изменения во всех параметрах ветра при переходе от одних гелиогеофизических условий к другим. Тем не менее, можно выявить основные механизмы формирования и особенности системы термосферной циркуляции на средних широтах:

3.1 При низкой солнечной активности (СА) велика роль высокоширотного источника в формировании термосферной циркуляции в результате чего зимой ветры преимущественно направлены к полюсу, а летом — к экватору.

3.2 В летний сезон при возрастании СА прямой солнечный нагрев и магнитоионное торможение становятся главными факторами в формировании термосферной циркуляции, что приводит к ослаблению направленных к экватору ветров.

3.3 В зимние месяцы при высокой СА важную роль в установлении циркуляции играет относительная по отношению к солнечному нагреву величина высокоширотного источника нагрева. Если предположить, что с ростом СА высокоширотный источник нагрева возрастает в меньшей меречем солнечный нагрев, то это может объяснить возрастание зимой среднесуточного направленного к полюсу ветра с ростом СА. Это и наблюдается для большинства серий экспериментальных данных по Миллстоун-Хиллу и эмпирических моделей (кроме DTM).

3.4 Суточная V24 и полусуточная V12 гармоники ветра возбуждаются соответствующими гармониками градиентов давления и электрическими полями. Значительный вклад в амплитуду полусуточной гармоники дает корреляция суточной гармоники Ne с суточными гармониками ветра и электрических полей и значительная по амплитуде летом вторая гармоника в Ne. В связи с этим амплитуда V24 выше в зимние месяцы, a V12 — в летние, амплитуда V24 уменьшается с ростом С А, что и наблюдается в целом по всему массиву данных.

3.5 Высокоширотный источник нагрева и электрические поля из-за несовпадения географического и геомагнитного полюсов испытывают сильные с долготой и мировым временем вариации, которые в разных географических пунктах вносят вклад в гармоники, ветра с различающимися амплитудами и фазами по местному времени. В связи с этим обстоятельством и предыдущими выводами мы имеем для конкретных станций и гелиогеофизических условий количественно различающиеся суточные вариации ветра.

4. Ветровые поля являются тонким индикатором эмпирических тер-мосферных моделей. Созданная модель является средством проверки их адекватности. Имеющиеся экспериментальные данные по ветрам и их статистическая обусловленность не позволяют отдать предпочтение какой-либо из существующих эмпирических моделей термосферы.

5. На основе анализа экспериментальных и теоретических данных пространственно-временной структуры системы циркуляции средней атмосферы получено: а) структура зонального ветра и его числовые характеристики на всех высотах средней атмосферы хорошо представлены моделями Гровса и HWM93, эти же модели хорошо представляют структуру меридионального ветра на высотах выше 60 км, б) на высотах 30−60 км обоснованным является представление меридиональной циркуляции в виде прямой ячейки из летнего полушария в зимнее, а ниже 30 км — в виде ячеек Гравер-Допсона, в) ниже 60 км наблюдается численный разброс в значениях меридиональной скорости от 0.1 до ~10 м/с.

6. На высотах средней атмосферы модель WSMT адекватно воспроизводит описанную в п. 5 структуру среднезонального ветра и, что особенно важно, меридиональную циркуляцию.

7. Разработана нестационарная трехмерная модель распространения крупномасштабных возмущений из тропосферы с учетом нелинейного взаимодействия волн между собой и фоном (модель MTPW) на высотах 10−300 км. На основе численных расчетов получены следующие результаты: а) турбулентность и горизонтальная вихревая диффузия не оказывают влияния на рассчитываемые параметры, б) зимнее полушарие более активно к распространению и развитию крупномасштабных возмущений по сравнению с летним, в) нелинейное взаимодействие волн приводит к возбуждению значимых по амплитуде 2-й и 3-й гармоник возмущений во всех рассчитываемых параметрах, г) генерация средней меридиональной циркуляции на страто-мезо-сферных высотах осуществляется в основном за счет механизма релеев-ского трения из энергии зонального потока, д) межполушарное распространение планетарных волн и их проникновение на высоты мезопаузы и термосферы обусловлено распадом ВГВ.

8. Полученные результаты показывают, что только в рамках трехмерных нестационарных моделей возможен корректный учет процессов нелинейного взаимодействия, которые определяют динамическое состояние и структуру средней атмосферы. Модель MTPW может служить основой для создания моделей, предназначенных для исследования тро-посферно — стратосферных взаимосвязей и прогнозирования состояния средней атмосферы.

9. Акустические измерения за 1998;2001 гг показали, что мощные сей-смовибраторы (Быстровский полигон, Новосибирск) являются эффективными генераторами инфразвука и могут быть использованы для изучения атмосферы.

10. Экспериментально доказана генерация сейсмических колебаний при воздействии акустической волны на грунт на расстояниях от 4 до 210 км (этот эффект впервые обнаружен группой академика А. С. Алексеева на расстоянии 20 км от источника).

11. Передача энергии колебаний от сейсмоисточника к сейсмоприем-нику на инфразвуковых частотах по атмосферному каналу может быть более эффективной, чем ее непосредственный перенос сейсмическими волнами в твердой Земле.

12. Результатами расчетов распространения инфразвука с использованием созданной модели циркуляции атмосферы и его регистрацией установлена возможность предсказания особенностей распространения инфразвука на расстояния до ~200 км от источника в зависимости от времени суток, сезона и взаимного географического положения источника и приемника.