Approximation of Small Amplitude Waves Short in Vertical in the Atmosphere Taking Into Account the Average Wind

S. Р. Kshevetskii; Кшевецкий С. П.; Y. А. Kurdyaeva; Курдяева Ю. А.; N. М. Gavrilov; Гаврилов Н. М.

doi:10.31857/S0002351523010078

Приближение коротких по вертикали волн малой амплитуды в атмосфере с учетом среднего ветра

Авторы: Кшевецкий С.П.¹, Курдяева Ю.А.², Гаврилов Н.М.³
Учреждения:
1. Балтийский государственный университет им. И. Канта
2. Калининградский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН
3. Санкт-Петербургский государственный университет
Выпуск: Том 59, № 1 (2023)
Страницы: 44-54
Раздел: Статьи
URL: https://ogarev-online.ru/0002-3515/article/view/136899
DOI: https://doi.org/10.31857/S0002351523010078
EDN: https://elibrary.ru/EHFRZW
ID: 136899

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Методом разных масштабов построены формулы для гидродинамических полей акустико-гравитационных волн (ВГВ) с вертикальными длинами волн, малыми по сравнению с масштабами изменений фоновых полей температуры и ветра. Эти формулы эквивалентны традиционному ВКБ-приближению, но включают в явном виде вертикальные градиенты фоновых полей. Сформулированы и анализируются условия применимости полученных формул для описания распространения АГВ из тропосферы в термосферу. Одним из условий применимости приближенных формул является отсутствие особых точек (критических уровней) в уравнениях для волновых мод в анализируемом интервале высот. Для случая ветра из эмпирической модели HWM, особые точки часто располагаются ниже 200 км и характерны для внутренних гравитационных волн (ВГВ), с длинами волн порядка 10 км. С увеличением длины волны количество особых точек уменьшается. Для ВГВ с масштабами порядка или более 300 км, особые точки обычно отсутствуют. Показано, что у ВГВ с периодами менее 20 мин, распространяющихся вверх с тропосферных высот, обычно существует одна точка поворота в интервале высот от 100 до 130 км. Полученные формулы полезны, в частности, для параметризации эффектов АГВ в численных моделях атмосферной динамики и энергетики.

Ключевые слова

акустико-гравитационные волны, приближение коротких волн, приближение ВКБ, дисперсионное соотношение, критический уровень, особая точка

Список литературы

Borchevkina O.P., Kurdyaeva Y.A., Dyakov Y.A., Karpo I.V., Golubko, G.V., Wang P.K., Golubkov M.G. Disturbances of the Thermosphere and the Ionosphere during a Meteorological Storm // Atmosphere. 2021. V. 12. P. 1384. https://doi.org/10.3390/atmos12111384
Boška J., Šauli P. Observations of gravity waves of meteorological origin in the F-region ionosphere // Physics and Chemistry of the Earth. 2001. V. 26. P. 425–428. https://doi.org/10.1016/S1464-1917(01)00024-1
Kumar K.V., Ajeet K.M., Kumar S., Singh R. July 22, 2009, Total Solar Eclipse induced gravity waves in the ionosphere as inferred from GPS observations over EIA // Advances in Space Research. 2016. V. 58. P. 1755–1762.
Рыбнов Ю.С., Соловьев С.П. Cинхронные вариации атмосферного давления и электрического поля при прохождении солнечного терминатора // Геомагнетизм и аэрономия. 2019. Т. 59(2). С. 249–257.
Захаров В.И., Куницын В.Е. Региональные особенности атмосферных проявлений тропических циклонов по данным наземных GPS-сетей // Геомагнетизм и аэрономия. 2012. Т. 52(4). С. 562.
Перцев Н.Н., Шалимов С.Л. Генерация атмосферных гравитационных волн в сейсмически активном регионе и их влияние на ионосферу // Геомагнетизм и аэрономия. 1996. Т. 36(2), С. 111–118.
Клименко М.В., Клименко В.В., Карпов И.В., Захаренкова И.Е. Моделирование сейсмоионосферных эффектов, инициированных внутренними гравитационными волнами // Химическая физика. 2011. Т. 30. (5). С. 41–49.
Fritts D.C., Vadas S.L. et al. Wan and variable forcing of the middle atmosphere by gravity waves // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2006. V. 68. P. 247–265.
Lindzen R.S., Turbulence and stress owing to gravity wave and tidal breakdown // Journal of Geophysical Research. 1981. V. 86. P. 9707–9714.
Holton J.R. The role of gravity wave induced drag and diffusion in the momentum budget of the mesosphere // Journal of the Atmospheric Sciences. 1982. V. 39. P. 791–799.
Lindzen R.S., Holton J.R. A Theory of the Quasi-Biennial Oscillation // Journal of the Atmospheric Sciences. 1968. V. 25. P. 1095–1107. https://doi.org/10.1175/1520-0469(1968)025<1095: ATOTQB>2.0.CO;2
Alexander M.J., Dunkerton T.J. A Spectral Parameterization of Mean-Flow Forcing due to Breaking Gravity Waves // Journal of the Atmospheric Sciences. 1999. V.56(24), P. 4167–4182.
Weinstock J. Saturated and unsaturated spectra of gravity waves and scale-dependent diffusion //Journal of Atmospheric Sciences. 1990. V. 47(18). P. 2211–2226.
Medvedev A.S., Klaassen G.P. Vertical evolution of gravity wave spectra and the parameterization of associated wave drag // Journal of Geophysical Research. 1995. V. 100. P. 25841–25853.
Medvedev A.S., Klaassen G.P. Parameterization of gravity momentum deposition based on a nonlinear theory of wave spectra // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2000. V. 62. P. 1015–1033.
Yiğit E., Aylward A., Medvedev A.S. Parameterization of the effects of vertically propagating gravity waves for thermosphere general circulation models: Sensitivity study // Journal of Geophysical Research. 2008. V. 113. D19106. .https://doi.org/10.1029/2008jd010135
Godin O. Wentzel–Kramers–Brillouin approximation for atmospheric waves // Journal of Fluid Mechanics. 2015. V. 777. P. 260–290. https://doi.org/10.1017/jfm.2015.367
Gossard E.E., Hooke W.H. Waves in the atmosphere. Elsevier: Amsterdam, 1975, p. 456.
Jones R.M., Georges T.M. Propagation of acoustic-gravity waves in a temperature- and wind-stratified atmosphere // Journal of the Acoustical Society of America. 1976. V. 59. P. 765–779.
Fritt D.C., Alexander M.J. Gravity wave dynamics and effects in the middle atmosphere // Reviews of Geophysics. 2003. V. 41. P. 1003.
Godin O.A. Diffraction of acoustic-gravity waves in the presence of a turning point // The Journal of the Acoustical Society of America. 2016. V. 140. P. 283. https://doi.org/10.1121/1.4955283
Nayfeh A.H. Introduction to perturbation techniques. A Willey intersience publication. New York. 1981. 535 p.
Найфэ А.Х. Методы возмущений. Москва. Мир. 1976. 456 с.
Ostashev V.E., Wilson D.K. Acoustics in Moving Inhomogeneous Media. Second Edition. by CRC Press. 2019. 544 p.
Brekhovskikh L.M., Godin O.A. Acoustics of Layered Media. Springer. 1998.
Ostashev V.E. Equation for acoustic and gravity-waves in a stratified moving medium // Soviet Physics Acoustics. 1987. V. 33. P. 95–96.
Yeh K.C. and Liu C.H. Acoustic-Gravity Waves in the Upper Atmosphere // Reviews of Geophysics and Space Physics. 1974. V. 12. P. 193–216.
Лайтхилл Дж. Волны в жидкостях. Мир. М. 1981. 598 с.
Gavrilov N.M., Fukao S.A. Comparison of Seasonal Variations of Gravity Wave Intensity Observed by the MU Radar with a Theoretical Model // Journal of the Atmospheric Sciences. 1999 V. 56(20). P. 3485–3494.
Федорюк М.В. Асимптотические методы для линейных обыкновенных дифференциальных уравнений. Москва. Наука. 1983. 352 с.
Федорюк М.В. Асимптотические методы в теории обыкновенных линейных дифференциальных уравнений // Математический сборник. 1969 Т. 79(121), № 4(8). С. 477–516.
Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. Наука. Москва. 1976. 576 с.
Смирнов В.И. Курс высшей математики. Т. 3, часть 2. М. 1974. 672 с.
Booker J., Bretherton F. The critical layer for internal gravity waves in a shear flow // Journal of Fluid Mechanics. 1967. V. 27(3). P. 513–539. https://doi.org/10.1017/S0022112067000515
Drob D.P., Emmert J.T., Meriwether J.W. et al. An update to the Horizontal Wind Model (HWM): The quiet time thermosphere // Earth and Space Science. 2015. V. 2. P. 301–319.
Polyakova A.S., Perevalova N.P. Comparative analysis of TEC disturbances over tropical cyclone zones in the north-west Pacific Ocean // Advances in Space Research. 2013. V. 52. № 8. P. 1416–1426. https://doi.org/10.1016/j.asr.2013.07.029
Куличков С.Н., Цыбульская Н.Д., Чунчузов И.П. и др. Исследования внутренних гравитационных волн от атмосферных фронтов в Московском регионе // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2017. Т. 53(4). С. 455–469. https://doi.org/10.7868/S0003351517040031
Дикий Л.А. Теория колебаний земной атмосферы. Ленинград. Гидрометеоиздат, 1969. 194 с.