Исследование перехода к сложной динамике цепочек волновых структур в
баротропных зональных течениях на бета-плоскости

Изучены бифуркации режимов генерации цепочек волновых структур при переходе к динамическому хаосу в баротропных зональных течениях в атмосфере Земли с профилем скорости в форме слоя сдвига. Анализ проводится в рамках модели плоскопараллельного течения в канале с жесткими стенками и приближения бета-плоскости. Проведено численное решение уравнений геофизической гидродинамики, применимых как для атмосферных зональных течений, так и для их лабораторных аналогов. Переход к хаосу изучен при нарастании перепада скорости течения между стенками канала. В расчетах обнаружен ряд эффектов, наблюдавшихся в лабораторных экспериментах: чередование режимов генерации стационарных вихревых цепочек, нестационарность переходов между этими режимами, бифуркации удвоения периода колебаний и возникновение сложной динамики поля скорости. Показано, что в случае слоя сдвига с монотонным профилем скорости последовательно происходят две бифуркации удвоения периода, а рождение хаоса является результатом потери устойчивости многомерного предельного цикла. Обнаружено, что усложнение профиля скорости в виде небольшой волнистости приводит к увеличению числа бифуркаций при переходе к турбулентному течению. При относительно небольшой надкритичности реализуется сценарий Рюэля и Такенса, однако затем наблюдается возврат к регулярным колебаниям и происходят две бифуркации удвоения периода, которые сопровождаются появлением сплошной составляющей частотного спектра. При большой надкритичности обнаружено скачкообразное перестроение частотного и волнового спектров, которое можно интерпретировать как переход на новый хаотический аттрактор. С практической точки зрения представляется важным вывод о том, что в сдвиговом слое с усложненным профилем скорости возможно возникновение динамического хаоса при более низких скоростях течения, что увеличивает вероятность наблюдения сложной динамики цепочек волновых структур, возникающих в натурных условиях (например, при умеренных скоростях ветра). Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта № 17-05-00747).