Динамика крупномасштабных вихревых структур в тропосферных зональных струях

Крупномасштабные волновые движения в атмосфере оказывают существенное влияние на формирование погоды и климата Земли, а также на процессы переноса пассивных примесей. Одним из основных механизмов возникновения квазидвумерных крупномасштабных движений (с однородным распределением скорости по вертикали) является баротропная неустойчивость горизонтального сдвига скорости в зональных (направленных вдоль параллелей) течениях [1]. Эта неустойчивость исследовалась в лабораторных экспериментах [1,2], в которых моделировались квазидвумерные струйные течения в неподвижном и во вращающемся тонких слоях жидкости со свободной поверхностью. Характерной особенностью кольцевых течений в этих экспериментах являлось возникновение цепочек вихрей и скачкообразное уменьшение числа вихрей (переключение мод) с ростом надкритичности течения. Как отмечалось в [3], описание эффекта переключения мод выходит за рамки приближения слабой нелинейности. В данной работе проводится прямое численное моделирование баротропной неустойчивости в квазидвумерных струйных течениях с горизонтальным сдвигом скорости, созданных под действием внешних сил в канале с жесткими стенками. Рассматриваются произвольные надкритичности, что позволяет изучить не только переключение мод, но и переход к сложной динамике течения. Анализ строится на основе хорошо известной квазидвумерной модели течения с условиями прилипания на стенках канала и периодическими граничными условиями вдоль потока. Используется приближение плоскопараллельного течения, позволяющее описать динамику высоких мод в кольцевых течениях. Поскольку эффекты вращения не учитываются, проводимый анализ применим для баротропных движений в атмосфере и океане с относительно небольшими масштабами (несколько сотен километров).
Работа выполнена в рамках государственного задания ИПФ РАН проект №0035-2014-0007.
1. Ф.В. Должанскийi, В.А. Крымов, and Д.Ю. Манин, Успехи Физ. Наук 1990, 160(7), 1-47.
2. M.V.Nezlin and E.N.Snezhkin, Rossby Vortices, Spiral Structures, Solitons, Springer-Verlag, Heidelberg, 1993, p.223.
3. S.M. Churilov and I.G. Shukhman, J. Fluid Mech.,1992, 243, 155-169.
4. A. Pikovsky, M. Rosenblum, Ju. Kurts. Synchronization. A universal concept in nonlinear sciences. Cambridge Univ. Press, 2002.