Глава 1. Теоретические аспекты исследуемой тематики 5
1.1 История исследования гравитационных волн 5
1.2 Наблюдение и мониторинг 6
1.3 Моделирование ВГВ 9
1.4 Взаимосвязь ВГВ с опасными явлениями 17
Глава 2. Анализ вклада ВГВ в циркуляцию атмосферы. 19
2.1 Расчет характеристик волн с различными зональными волновыми
числами и периодами. 19
2.2 Расчет потока Эллиасена-Палма
Заключение 57
Список литературы 58
Внутренние гравитационные волны (ВГВ) - распространение колебаний воздушных масс, обусловленное действием силы тяжести. Они могут возникать орографически, то есть во время взаимодействия движущегося потока воздуха с неоднородным рельефом [1]. Когда ветровой поток сталкивается с препятствием, генерируется широкий спектр волн, сила плавучести будет усиливать колебания, и амплитуда будет экспоненциально увеличивается с уменьшением плотности воздуха при их движении вверх. При этом по горизонтали энергия и фаза волны распространяются с одинаковой скоростью и направлением, а по вертикали - в противоположных: фаза вниз, а энергия вверх [2]. В случае волн Кельвина колебания возникают из-за разности температур и плотности в слоях воздуха. Особенностью этих волн является то, что они недисперсионные, то есть не меняют форму с течением времени [3]. Помимо этого, возможны и гравитационные приливы и отливы, обусловленные гравитационным действием Луны (или Солнца) на атмосферу. Такие волны имеют четкий суточный или полусуточный период [4].
Амплитуда гравитационных волн растет с высотой до тех пор, пока не достигнет уровня мезопаузы (80 - 90 км). Там, волна диссипирует и передает свою энергию атмосфере.
ВГВ участвуют в переносе энергии и импульса в среднюю атмосферу и образовании турбулентность ясного неба, а также в формировании орографических волн. В данной работе будет проанализировано воздействие гравитационных волн на циркуляцию атмосферы в зимнее время.
Актуальность:
Атмосфера Земли представляет собой колебательную систему, динамика которой зависит от волновых процессов разных масштабов. Вклад гравитационных волн (приливов, внутренних гравитационных волн и орографических волн) весьма значителен, так как амплитуда этих волн экспоненциально растет с высотой и они, таким образом переносят энергию и импульс на большие высоты. Исследование источников гравитационных волн и их исходных характеристик представляет особый интерес для учета их в качестве граничных и начальных условий в численных моделях атмосферы Земли.
Цель: анализ волновых характеристик гравитационных волн различного масштаба для зимних условий Северного полушария в период 2019 - 2023 гг.
Задачи:
1) выделить из общего потока гармоники с интересующими периодами
2) проанализировать внутрисезонную и межгодовую изменчивость амплитуд гравитационных волн (суточного, полусуточного приливов, волны Кельвина и 2-дневной волны)
3) рассчитать потоки волновой активности Эллиасена-Палма для учета вклада гравитационных волн во взаимодействие со средним потоком.
В данной работе были изучены характеристики внутренних гравитационных волн разных периодов. Проанализировав полученные графики, стало ясно, что суточная волна оказывает наибольшее воздействие на амплитуду в поле температуры. Волны Кельвина и двухдневная оказывают значительно меньшее влияние. Полусуточная волна влияет меньше всего. В случае меридионального и зонального ветров, суточная волна также оказывает наибольшее влияние. Вклад полусуточной волны и волн Кельвина существенно меньше. Двухдневная волна практически не влияет на амплитуду. Также можно сделать вывод, что из-за слабой изменчивости амплитуды суточной приливной волны в полях температуры и ветра, её можно параметризировать для повышения точности прогнозов.
Важно отметить, что максимумы амплитуд стоячих волн меняются от года к году: в один год значения около 40, в следующий — в два раза больше, и так далее. Эта периодичность прослеживается и на графиках дивергенции потока ЭП.
После анализа компонент потока ЭП можно отметить, что наибольшее влияние на поток энергии и импульса оказывает волна с периодом 24 часа, волны с периодами 32 и 48 часов влияют на порядок меньше. Также важно, что когда межсезонная изменчивость амплитуд волны сильная (разность в 2 и 3 раза), то разность значений компонент отличаются не настолько сильно, примерно на треть.
