УДК 551.510:52-853
МОДЕЛИРОВАНИЕ КЛИМАТА НИЖНЕЙ ИОНОСФЕРЫ © 2015 г. Д. В. Кулямин*, **, ***, В. П. Дымников*, ***
*Институт вычислительной математики РАН 119991 Москва, ул. Губкина, 8 **Научно-исследовательский вычислительный центр МГУ им. М.В. Ломоносова 119991 Москва, Ленинские горы, 1, стр. 4 ***Институт прикладной геофизики им. акад. Е.К. Федорова 129128 Москва, ул. Ростокинская, 9 E-mail: kulyamind@mail.ru Поступила в редакцию 10.10.2014 г., после доработки 30.10.2014 г.
Представлена совместная модель тропосферы—стратосферы—мезосферы и D-слоя ионосферы (для высот 0—90 км). Модель базируется на трехмерной модели общей циркуляции атмосферы в гибридной системе координат. В качестве фотохимической модели нижней ионосферы взята пятикомпо-нентная модель. По результатам моделирования исследована роль термодинамических характеристик нейтральной атмосферы в формировании среднего состояния D-слоя. На основе предварительной идентификации модели по данным прямых измерений, поглощения и распространения радиоволн показано удовлетворительное воспроизведение климатических характеристик D-слоя ионосферы.
Ключевые слова: математическое моделирование, общая циркуляция атмосферы, средняя атмосфера, ионосфера, Б-слой.
Б01: 10.7868/80002351515030062
ВВЕДЕНИЕ
Развитие современных климатических моделей идет в нескольких направлениях. Первое направление связано с переходом на все более детальное описание особенностей климата на региональных масштабах, что приводит к естественным требованиям увеличения пространственного и временного разрешения и построению новых параметризаций процессов подсеточного масштаба. Успех реализации этого направления обусловлен в первую очередь ростом доступных вычислительных ресурсов.
Вторым направлениям развития является переход от моделей климата к моделям Земной системы. Под этим условным термином понимается включение в климатическую модель процессов переноса и трансформации малых газовых примесей (углеродного, метанового, озонного и др. циклов), динамики растительности и биоты в почве и океане и т.п. [1].
Естественным в этом смысле представляется и совершенствование моделей климата за счет включения описания верхних слоев атмосферы. Если значимость проблемы взаимодействия тропосферы и стратосферы можно считать установленной, то роль верхней атмосферы в формирова-
нии аномалий циркуляции нижней атмосферы еще предстоит установить. Совершенно очевидно, что проблема моделирования средней и верхней атмосферы представляет и большой самостоятельный интерес, обусловленный задачами радиофизики и космической погоды. Эти задачи диктуют необходимость включения в комплексную модель Земной системы описания ионосферы.
Таким образом, можно сформулировать по крайней мере три глобальные проблемы, для решения которых требуется построение совместной модели тропосферы—стратосферы—мезо-сферы—термосферы и ионосферы как части модели Земной системы [2].
1. Исследование роли средней и верхней атмосферы в формировании аномалий тропосферной циркуляции.
2. Изучение роли аномалий тропосферной циркуляции в формировании аномальных характеристик средней и верхней атмосферы. Здесь в первую очередь речь идет о проблеме распространения квазистационарных планетарных и внутренних гравитационных волн.
3. Воспроизведение "климата" ионосферы и исследование природы аномалий его характеристик.
В качестве основы рассматриваемой модели нейтральной атмосферы используется разработанная авторами модель общей циркуляции тро-посферы—стратосферы—мезосферы в гибридной системе координат [3]. Наличие глобальной атмосферной модели высокого уровня, объединяющей слои тропосферы, стратосферы и мезосферы, позволяет ставить задачи исследования динамического взаимодействия нижних и верхних слоев атмосферы.
С начала систематических исследований Земной атмосферы выше 10 км стала понятна особая роль области средней атмосферы, к которой обычно относят стратосферу (зону с положительным вертикальным градиентом средней температуры, на высотах 10—50 км), мезосферу (область с отрицательным вертикальным градиентом средней температуры, на высотах 50—90 км) и даже область нижней термосферы (до высот 120 км, когда роль процессов молекулярной диффузии незначительна). Ключевой особенностью средней атмосферы является доминирующая роль волновой динамики разных масштабов в формировании общей циркуляции, с одной стороны, и сложные радиационно-химические процессы (с выделением роли озона), определяющие энергетический обмен, с другой [4, 5]. В то же время данная область выступает связующим звеном между сугубо тропосферными процессами и процессами в верхней атмосфере.
С точки зрения климатических задач основной интерес представляет динамическая связь тропосферы и стратосферы, играющая существенную роль в формировании изменчивости атмосферной циркуляции [5]. Хорошо известно, что планетарные и коротковолновые возмущения, зарождаясь в слоях тропосферы (вследствие конвективной активности, орографии и др.), распространяются в верхние слои с увеличением амплитуды и дальнейшим взаимодействием со средним течением. Следует отметить, что считается общепринятым и обратное воздействие средней атмосферы на нижнюю. В частности, главные моды тропосферной долгопериодной изменчивости: Северо-Атлантические колебания (САК) или связанные с ними Арктические осцилляции (АО) испытывают сильное влияние из стратосферы, поскольку АО и циркумполярный стратосферный вихрь образуют единую динамическую систему [6]. Сильные нарушения стратосферного струйного течения в высоких широтах, резко меняющие и динамические параметры, и температуру, получили названия внезапных стратосферных потеплений (ВСП). Основной причиной их возникновения считается высокий уровень активности планетарных волн, идущих из тропосферы и вносящих значительные возмущения в средний поток [7].
Помимо сильных струйных течений и их изменчивости в средних и высоких широтах, ключевыми динамическими процессами в средней
атмосфере являются экваториальные квазидвухлетние колебания (КДК) зонального ветра в стратосфере и полугодовые колебания (ПГК) в мезо-сфере. Эти процессы также являются наиболее ярким следствием нелинейного взаимодействия волн разных масштабов со средним течением [8]. Такие долгопериодные крупномасштабные моды общей циркуляции играют роль модуляционного фона для более быстрых процессов волновой активности и переноса примесей. Отметим, что на данный момент всего несколько моделей циркуляции атмосферы способны реалистично воспроизводить КДК и ПГК [9].
Отдельной проблемой остается исследование динамики мезосферы. В отличие от сильно устойчиво-стратифицированной стратосферы (с точки зрения динамики являющейся своего рода волноводом), в слабо устойчивой мезосфере активно идут процессы обрушения коротких волн, распространяющихся снизу (амплитуда которых вырастает до сравнимых со средним течением величин). Наиболее специфичным динамическим явлением в верхней атмосфере являются термические приливы [10], представляющие собой крупномасштабные волны, связанные с суточным циклом солнечного нагрева.
Вместе с тем на сегодняшний день до конца нерешенной проблемой является задача идентификации и валидации моделей средней атмосферы с точки зрения точности воспроизведения характеристик физических процессов в стратосфере и мезосфере. Особенно это касается проблемы описания нелинейных волновых процессов различных масштабов и обмена турбулентной энергии между ними. Одной из основных причин этого является значительно меньший объем накопленных систематических данных наблюдений в этой области по сравнению с системами метеорологического мониторинга в тропосфере.
Стратосфера и, в первую очередь, мезосфера являются областями формирования нижнего слоя ионосферы, так называемого Э-слоя (50—90 км). Эта область ионосферы остается наименее изученной на сегодняшний день, что связано с практическим отсутствием средств постоянного наблюдения за ее состоянием, поскольку различные развитые методы мониторинга ионосферы — вертикальное зондирование, спутниковое зондирование, большинство радаров некогерентного рассеяния и методы радиотомографии — не регистрируют Э-слой. Вместе с тем эта область представляет большой интерес [11, 12].
С практической точки зрения исследование Э-слоя ионосферы определяется прежде всего его существенным влиянием на характеристики распространения радиоволн. Проблемы распространения радиоволн в ионосфере выделяют в самостоятельный раздел радиофизики со своей методологией [13, 14].
Критические частоты отражения радиосигналов, определяемые пиковыми значения электронной концентрации в ионосфере, для Б-области находятся в сверхдлинноволновом (СДВ, 3—30 кГц) и длинноволновом (ДВ, 30—300 кГц) диапазоне. Таким образом, распространение радиоволн этих частот идет в волноводе Земля—ионосфера по наклонным трассам, в дневных условиях с отражением от Б-слоя ионосферы и в ночных с отражением от нижней части Е-слоя в диапазоне высот 60-90 км [15].
Хорошо известно, что уровень сигнала радиоволн широкого диапазона (вплоть до коротких волн КВ 3-30 МГц, являющихся основным диапазоном профессиональной радиосвязи) зависит от интегрального профиля электронной концентрации, а также от частоты соударений электронов с нейтралами, что определяет затухание сигнала в среде. Поскольку пиковые значения частоты электрон-нейтральных столкновений находятся на высотах 60-80 км, проблема поглощения радиоволн является основным мотивирующим фактором изучения Б-слоя ионосферы [16]. Таким образом, особенности высотной области мезосферы - нижней ионосферы позволяют выделить два принципиально разных типа распространения радиосигнала в нижних слоях ионосферы — трансионосферной коротковолновой радиопередачи (ключевым фактором для которой является поглощение) и отражающегося от Б-слоя длинноволнового сигнала (так что задача СДВ-ДВ радиосвязи требует специального рассмотрения).
Интерес к моделированию Б-области в последнее время также связан с крупными программами ионосферных исследований, основанных на использовании нагревных радарных стендов (типа НААЯР) [17],
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.