Механизмы генерации и эффекты вторичных акустико-гравитационных волн в средней и верхней атмосфере: прямое численное моделирование

Проект связан с решением фундаментальных проблем динамических взаимодействий слоев атмосферы через распространения акустических и внутренних гравитационных волн (АВ и ВГВ) и их тепловых и динамических воздействий. Такие волны играют важную роль в изменениях погоды и климата атмосферы от тропосферы до околоземного космического пространства. Значительное внимание в последнее время уделяется исследованию так называемых вторичных волновых мод. Обсуждаются два механизма генерации вторичных волн: во-первых, нелинейные взаимодействия, во-вторых, пространственная и временная неоднородность волновых ускорений и притоков тепла , создаваемых при диссипации первичных АВ и ВГВ, распространяющихся от атмосферных источников. Имеющиеся в литературе оценки показывают, что вторичные волны могут передавать среднему потоку импульс и энергию, сопоставимые и даже превосходящие воздействие первичных АВ и ВГВ, генерируемых тропосферными источниками. Конкретной целью проекта является исследование механизмов генерации и эффектов вторичных мод АВ и ВГВ в атмосфере. Для получения результатов, имеющих мировой приоритет в проекте будет применена уникальная трехмерная негидростатическая нелинейная модель численного прямого моделирования распространения и разрушения нелинейных АВ и ВГВ в атмосфере на высотах от земной поверхности до термосферы. Для повышения устойчивости модели планируется усовершенствовать алгоритмы и компьютерные коды модели с использованием нового обобщенного функционала волновой энергии для нелинейных уравнений для более точного соответствия принципу неотрицательного производства и прироста энтропии. Также будет повышена точность расчетов и обеспечено соответствие результатов численного моделирования выводам имеющейся теории слабонелинейных солитонов, которые должны возникать при распаде ВГВ. Это сделает модель наиболее устойчивой и проверенной в мире, что позволит корректно моделировать процессы разрушения волн, генерации вторичных волновых мод и воздействия волн на среднюю и верхнюю атмосферу. Будут также разработаны алгоритмы и блоки программ для определения характеристик моделируемых волн отдельно для АВ и ВГВ составляющих, а также для разделения спектров первичных и вторичных АВ и ВГВ с использованием многомерного спектрального анализа результатов численного моделирования, которые решают проблему, непреодолимую во многих предыдущих исследованиях. Указанные преимущества модели позволят получить ряд принципиально новых результатов о механизмах генерации и эффектах вторичных волн. В частности, получить новые данные о формировании универсальных спектров вторичных АВ и ВГВ во время переходных процессов при «включениях» и «выключениях» волновых источников в атмосфере, а также при различных градиентах фоновой температуры и ветра в областях конвективных, динамических и сдвиговых неустойчивостей. Одним из результатов работы будут рекомендации для совершенствования схем учета вторичных АВ и ВГВ и их динамических и тепловых воздействий в моделях общей циркуляции и климата средней и верхней атмосферы. Численное моделирование обеспечит принципиально новые результаты об эволюции спектров АВ и ВГВ в условиях сильной нелинейности, когда аналитические подходы не применимы. Эти приоритетные результаты, соответствующие мировому уровню, принципиально важны не только для физики атмосферы, но и для геофизической гидродинамики в целом, поскольку аналогичные взаимодействия нелинейных волн происходят в океане, на Солнце и в других геосферах. Полученные новые пакеты алгоритмов и блоки компьютерных программ найдут практическое применение при разработке параметризаций динамического и теплового воздействия АВ и ВГВ. Результаты расчетов предполагается применить для интерпретации наблюдений атмосферных волн и турбулентности с помощью МСТ и метеорных радаров, вариаций ночных свечений, аэростатов и других наземных и спутниковых методов. Результаты проекта будут опубликованы не менее чем в 9 статьях в научных журналах, цитируемых в Web of Science, Scopus и RSCI.