| 16. |
Аннотация |
Фундаментальная задача динамики атмосферы состоит в описании структуры, динамики и механизмов формирования крупномасштабных вихревых образований (циклонов, антициклонов), атмосферных фронтов и связанных с ними высотных струйных течений. С решением этой фундаментальной задачи связаны практические задачи среднесрочного и долгосрочного прогнозов погоды, метеорологического обеспечения авиации и промышленного рыболовства, задачи получения оценок частоты и повторяемости экстремальных погодных явлений. Актуальность решения этих задач возрастает в условиях происходящих в настоящее время климатических изменений, прежде всего глобального потепления Арктики, выразившегося в стремительном таянии морского льда и изменению площади снежного покрова. Такое потепление привело к уменьшению горизонтального контраста температур, поддерживающих полярное струйное течение, изменению характеристик устойчивости этого течения и по времени совпало с периодом более частого появления экстремальных погодных явлений по всему Северному полушарию (засуха в России 2010 г, холодные вторжения в Северной Америке). Сокращение площади льда и снежного покрова привело также к изменению характера взаимодействия атмосферы полярных и средних широт, что сказалось на расположении характерных шторм треках Северного полушария, условиях формирования полярных циклонов. Остается также неопределенной реакция циклонов в средних широтах на глобальное потепление. Это связано, в частности, с двумя эффектами - ослабление меридионального градиента температуры у поверхности и более высокого уровня влажности в нижнем слое тропосферы вследствие увеличения концентрации парниковых газов. Особого внимания требует оценка влияние повышенной влажности (эффекты скрытого тепла, образования облачности, другие неадиабатические эффекты) на развитие и эволюцию погодных систем в средних широтах. Вопрос о количественных оценках происходящих изменений требует совместных усилий специалистов в области теории гидродинамической неустойчивости, лабораторного и численного моделирования атмосферных процессов, геофизического мониторинга атмосферы. С этим связано разделение содержания проекта на три направления – теоретическое исследование проблем гидродинамической неустойчивости, лабораторное моделирование вихревой динамики атмосферы, численное моделирование и анализ натурных данных. Теоретическая часть проекта предполагает развитие новых подходов к решению проблемы гидродинамической неустойчивости сдвиговых атмосферных течений и описанию механизмов формирования струйных течений. В этой части проекта планируется исследовать проблему бароклинной неустойчивости зональных течений в рамках моделей, описывающих совместную динамику тропосферы и стратосферы, исследовать новые и малоизученные сценарии атмосферного циклогенеза. Для атмосферных течений с горизонтальным и вертикальным сдвигом скорости предполагается развить немодальный подход к описанию неустойчивости, разработать алгоритм нахождения оптимальных возмущений, развивающихся в процессе неустойчивости, исследовать динамику вихревых дорожек и планетарных волн Россби в сдвиговых течениях. Принципиально новый подход, основанный на разработке динамических моделей активного слоя атмосферы, предполагается использовать для изучения проблем формирования горизонтальных струйных течений и их устойчивости. В рамках разработанных моделей впервые будут получены критерии неустойчивости струйных течений и исследована их зависимость от внешних климатических параметров. Запланированное в проекте лабораторное моделирование будет направлено на изучение механизма формирования крупномасштабных вихрей и струйных течений, связанного с обратным каскадом энергии в квазидвумерных течениях – переносом энергии из мелкомасштабного интервала в крупномасштабный интервал спектра масштабов. При этом возможно образование крупномасштабных вихрей из мелкомасштабных вихревых возмущений. Образование струйных течений связывается с анизотропизацией потока энергии в поле возмущений, к которому во вращающемся потоке приводит широтное изменение параметра Кориолиса. Этот процесс может сформировать зональные струи в потоке (например, такие, как на Юпитере и других планетах–гигантах). Моделирование обратного каскада планируется выполнить в экспериментах с проводящей жидкостью и возбуждением мелкомасштабных возмущений магнитогидродинамическим методом (МГД метод). Участвующие в проекте сотрудники ИФА РАН имеют многолетний опыт лабораторного моделирования вихревых течений атмосферы и океана МГД методом. Важная прикладная часть проекта будет связана с изучением влияния происходящих климатических изменений на устойчивость и динамику атмосферных течений полярного региона, характер взаимодействия атмосферы полярных и средних широт. С использованием данных реанализа (ERA-Interim) и данных моделирования климатическими моделями (PLASIM и INMCM4 из CMIP5) в этой части предполагается изучить временную динамику индексов бароклинной неустойчивости полярной атмосферы, исследовать влияние аномалий снежного покрова в Сибирском регионе на динамику шторм треков Северного полушария. Планируется провести анализ корреляционных связей экстремальных погодных явлений с изменениями климатических характеристик полярного струйного течения. В настоящее время эти вопросы находятся в центре внимания исследователей всего мирового научного сообщества. |