Том 39, номер 02, статья № 4

Аннотация:

Солнечные термические приливы существенно влияют на глобальную атмосферную циркуляцию. Являясь важным звеном динамической взаимосвязи слоев атмосферы, приливы обеспечивают распределение эффекта от изменения солнечной активности (СА) по всем слоям атмосферы. Поэтому изучение различных внешних факторов их формирования и распространения во всей толще атмосферы является актуальным. На основе механистической нелинейной численной модели общей циркуляции средней и верхней атмосферы (МСВА) в настоящей работе оценивается влияние изменений СА на пространственно-временную структуру приливов. Рассматриваются два ансамбля МСВА-расчетов глобальной атмосферной циркуляции в январе, каждый из которых состоит из 16 реализаций, соответствующих высокой и низкой СА. Показано, что при усилении солнечного воздействия при высокой СА суточный мигрирующий прилив, распространяющийся на запад (СЗ1), ослабляется в диапазоне высот 100–150 км и усиливается на бóльших высотах. Анализ потоков Элиассена–Палма (ЭП) продемонстрировал значимую корреляцию между изменением распространения волновой активности в вертикальном направлении и амплитудой суточного мигрирующего прилива: нисходящие приращения потоков в целом соответствуют ослаблению прилива в диапазоне 110–150 км, восходящие – усилению прилива выше 150 км. Полусуточный мигрирующий прилив, распространяющийся на запад (ПЗ2), вплоть до уровня 40 км в Южном полушарии и 190 км в Северном в средне- и высокоширотной термосфере ослабляется при высокой СА. Это сопровождается преимущественно ослаблением восходящих потоков ЭП. Выше 200 км амплитуда ПЗ2 в Северном полушарии при высокой СА увеличивается в два-три раза. Выше 150 км в термосфере амплитуда стационарной планетарной волны (СПВ1) при высокой СА уменьшается, а амплитуда мигрирующих приливов увеличивается. В совокупности это приводит к сложной структуре изменений амплитуд немигрирующих приливов. Результаты могут использоваться для совершенствования численных схем прогнозирования изменения атмосферных процессов на различных временных масштабах, от суток до десятилетий.

Ключевые слова:

атмосферный прилив, мигрирующий и немигрирующий приливы, солнечная активность, волновая активность, глобальная атмосферная циркуляция, численное моделирование

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Forbes J.M. Atmospheric tides: 1. Model description and results for the solar diurnal component // J. Geophys. Res. Space Phys. 1982. V. 87. P. 5222–5240. DOI: 10.1029/JA087iA07p05222.
2. Forbes J.M. Atmospheric tide: 2. The solar and lunar semidiurnal components // J. Geophys. Res. Space Phys. 1982. V. 87. P. 5241–5252. DOI: 10.1029/JA087iA07p05241.
3. Forbes J.M., Zhang X., Ward W., Talaat E.R. Climatological features of mesosphere and lower thermosphere stationary planetary waves within ± 40° latitude // J. Geophys. Res. 2002. V. 107, N D17. P. 4322. DOI: 10.1029/2001JD001232.
4. Forbes J.M., Zhang X., Palo S., Russell J., Mertens C.J., Mlynczak M. Tidal variability in the ionospheric dynamo region // J. Geophys. Res. Space Phys. 2008. V. 113, N A02310. DOI: 10.1029/2007JA012737.
5. Forbes J.M., Zhang X., Maute A. Planetary wave (PW) generation in the thermosphere driven by the PW-modulated tidal spectrum // J. Geophys. Res. Space Phys. 2020. V. 125. P. e2019JA027704. DOI: 10.1029/2019JA027704.
6. Gerber E.P., Butler A., Calvo N., Charlton-Perez A., Giorgetta M., Manzini E., Perlwitz J., Polvani L.M., Sassi F., Scaife A.A., Shaw T.A., Son S.-W., Watanabe Sh. Assessing and understanding the impact of stratospheric dynamics and variability on the Earth system // Bull. Am. Meteorol. Soc. 2012. V. 93. P. 845–859. DOI: 10.1175/BAMS-D-11-00145.1.
7. Hagan M.E., Forbes J.M., Vial F. On modeling migrating solar tides // Geophys. Res. Lett. 1995. V. 22. P. 893–896. DOI: 10.1029/95GL00783.
8. Hagan M.E., Burrage M.D., Forbes J.M., Hackney J., Randel W.J., Zhang X. GSWM-98: Results for migrating solar tides // J. Geophys. Res. 1999. V. 104, N A4. P. 6813–6827. DOI: 10.1029/1998JA900125.
9. Jacobi C., Portnyagin Y., Solovjova T., Hoffmann P., Singer W., Fahrutdinova A., Ishmuratov R., Beard A., Mitchell N., Muller H., Schminder R., Kürschner D., Manson A., Meek C. Climatology of the semidiurnal tide at 52–56° N from ground-based radar wind measurements 1985–1995 // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 1999. V. 61. P. 975–991. DOI: 10.1016/S1364-6826(99)00065-6.
10. Medvedeva I.V., Semenov A.I., Pogoreltsev A.I., Tatarnikov A.V. Influence of sudden stratospheric warming on the mesosphere/lower thermosphere from the hydroxyl emission observations and numerical simulations // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2019. V. 187. P. 22–32. DOI: 10.1016/j.jastp.2019.02.005.
11. Mukhtarov P., Pancheva D., Andonov B. Climatology of the stationary planetary waves seen in the SABER/TIMED temperatures (2002–2007) // J. Geophys. Res. 2010. V. 115, N A06315. DOI: 10.1029/2009JA015156.
12. Pancheva D., Mitchell N., Hagan M., Manson A., Meek C., Luo Y., Jacobi C., Kürschner D., Clark R., Hocking W., MacDougall J., Jones G., Vincent R., Reid I., Singer W., Igarashi K., Fraser G., Nakamura T., Tsuda T., Portnyagin Y., Merzlyakov E., Fahrutdinova A., Stepanov A., Poole L., Malinga S., Kashcheyev B., Oleynikov A., Riggin D. Global-scale tidal structure in the mesosphere and lower thermosphere during the PSMOS campaign of June–August 1999 and comparisons with the global-scale wave model // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2002. V. 64. P. 1011–1035. DOI: 10.1016/S1364-6826(02)00054-8.
13. Pancheva D., Mukhtarov P., Andonov B. Global structure, seasonal and interannual variability of the eastward propagating tides seen in the SABER/TIMED temperatures (2002–2007) // Adv. Space Res. 2010. V. 46, N 3. P. 257–274. DOI: 10.1016/j.asr.2010.03.026.
14. Pancheva D., Mukhtarov P., Hall C., Meek C., Tsutsumi M., Pedatella N., Nozawa S. Climatology of the main (24-h and 12-h) tides observed by meteor radars at Svalbard and Tromsø: Comparison with the models CMAM-DAS and WACCM-X // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2020. V. 207. P. 105339. DOI: 10.1016/j.jastp.2020.105339.
15. Pancheva D., Mukhtarov P., Bojilova R. Climatology of the nonmigrating tides based on long-term SABER/TIMED measurements and their impact on the longitudinal structures observed in the ionosphere // Atmosphere. 2024. V. 15, N 4. P. 478. DOI: 10.3390/atmos15040478.
16. Smith A.K. Global dynamics of the MLT // Surv. Geophys. 2012. V. 33. P. 1177–1230. DOI: 10.1007/s10712-012-9196-9.
17. Andrews D.G., Holton J.R., Leovy C.B. Middle Atmosphere Dynamics. New York: Academic Press, 1987. 489 p.
18. Vitharana A., Du J., Zhu X., Oberheide J., Ward W.E. Numerical prediction of the migrating diurnal tide total variability in the mesosphere and lower thermosphere // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2021. V. 126. DOI: 10.1029/2021JA029588.
19. Pancheva D., Mukhtarov P., Andonov B. Global structure, seasonal and inter-annual variability of the migrating semidiurnal tide seen in the SABER/TIMED temperatures (2002–2007) // Ann. Geophys. 2009. V. 27. P. 687–703. DOI: 10.5194/angeo-27-687-2009.
20. Geißler Ch., Jacobi Ch., Lilienthal F. Forcing mechanisms of the migrating quarterdiurnal tide // Ann. Geophys. 2020. V. 38. P. 527–544. DOI: 10.5194/angeo-38-527-2020.
21. Forbes J.M., Zhang X., Ward W., Talaat E.R. Nonmigrating diurnal tides in the thermosphere // J. Geophys. Res. 2003. V. 108, N A1. DOI: 10.1029/2002JA009262.
22. Hagan M.E., Forbes J.M. Migrating and nonmigrating diurnal tides in the middle and upper atmosphere excited by tropospheric latent heat release // J. Geophys. Res. 2002. V. 107, N D24. DOI: 10.1029/2001JD001236.
23. Hagan M.E., Forbes J.M. Migrating and nonmigrating semidiurnal tides in the upper atmosphere excited by tropospheric latent heat release // J. Geophys. Res. 2003. V. 108, N A2. DOI: 10.1029/2002JA009466.
24. Oberheide J., Hagan M.E., Roble R.G., Offermann D. Sources of nonmigrating tides in the tropical middle atmosphere // J. Geophys. Res. 2002. V. 107, N D21. DOI: 10.1029/2002JD002220.
25. Talaat E.R., Lieberman R.S. Nonmigrating diurnal tides in mesospheric and lower-thermospheric winds and temperatures // J. Atmos. Sci. 1999. V. 56, N 24. P. 4073–4087. DOI: 10.1175/1520-0469(1999)056<4073:NDTIMA>2.0.CO;2.
26. Angelatsi Coll M., Forbes J.M. Nonlinear interactions in the upper atmosphere: The s = 1 and s = 3 nonmigrating semidiurnal tides // J. Geophys. Res. 2002. V. 107, N A8. DOI: 10.1029/2001JA900179.
27. Hagan M.E., Roble R.G. Modeling diurnal tidal variability with the NCAR TIME-GCM // J. Geophys. Res. 2001. V. 106, N A11. P. 24869–24882. DOI: 10.1029/2001JA000057.
28. Hibbins R.E., Espy P.J., Jarvis M.J. Quasi-biennial modulation of the semidiurnal tide in the upper mesosphere above Halley, Antarctica // Geophys. Res. Lett. 2007. V. 34. DOI: 10.1029/2007GL031282.
29. Didenko K.A., Pogoreltsev A.I., Koval A.V., Ermakova T.S. Investigation of solar thermal tides using model data // Proc. SPIE. 2021. V. 11916. P. 1191687. DOI: 10.1117/12.2603432.
30. Xu J., Smith A.K., Liu M., Liu X., Gao H., Jiang G., Yuan W. Evidence for nonmigrating tides produced by the interaction between tides and stationary planetary waves in the stratosphere and lower mesosphere // J. Geophys. Res. Atmos. 2014. V. 119. P. 471–489. DOI: 10.1002/2013JD020150.
31. Laštovicka J. Forcing of the ionosphere by waves from below // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2006. V. 68, N 3. P. 479–497. DOI: 10.1016/j.jastp.2005.01.018.
32. Koval A.V., Gavrilov N.M., Kandieva K.K., Ermakova T.S., Didenko K.A. Numerical simulation of stratospheric QBO impact on the planetary waves up to the thermosphere // Sci. Rep. 2022. V. 12. DOI: 10.1038/s41598-022-26311-x.
33. Koval A.V., Gavrilov N.M., Pogoreltsev A.I., Shevchuk N.O. Influence of solar activity on penetration of traveling planetary-scale waves from the troposphere into the thermosphere // J. Geophys. Res. Space Phys. 2018. V. 123, N 8. P. 6888–6903. DOI: 10.1029/2018JA025680.
34. Koval A.V., Gavrilov N.M., Pogoreltsev A.I., Shevchuk N.O. Reactions of the middle atmosphere circulation and stationary planetary waves on the solar activity effects in the thermosphere // J. Geophys. Res. Space Phys. 2019. V. 124. P. 10645–10658. DOI: 10.1029/2019JA027392.
35. Koval A.V., Gavrilov N.M., Didenko K.A., Ermakova T.S., Savenkova E.N. Sensitivity of the 4–10-day planetary wave structures in the middle atmosphere to the solar activity effects in the thermosphere // Atmosphere. 2022. V. 13, N 1325. DOI: 10.3390/atmos13081325.
36. Koval A.V., Didenko K.A., Ermakova T.S., Gavrilov N.M., Golovko A.G. Diagnostics of the solar activity influence on the global atmospheric circulation in the thermosphere and MLT area: Wave – mean flow interaction effects // Clim. Dyn. 2025. V. 63, N 19. DOI: 10.1007/s00382-024-07490-x.
37. Koval A.V., Toptunova O.N., Motsakov M.A., Didenko K.A., Ermakova T.S., Gavrilov N.M., Rozanov E.V. Numerical modelling of relative contribution of planetary waves to the atmospheric circulation // Atmos. Chem. Phys. 2023. V. 23. P. 4105–4114. DOI: 10.5194/acp-23-4105-2023.
38. Koval A.V., Didenko K.A., Ermakova T.S., Gavrilov N.M., Sokolov A.V. Changes in general circulation of the middle and upper atmosphere associated with main and transitional QBO phases // Adv. Space Res. 2024. V. 74, N 10. P. 4793–4808. DOI: 10.1016/j.asr.2024.07.037.
39. Pogoreltsev A.I., Vlasov A.A., Fröhlich K., Jacobi Ch. Planetary waves in coupling the lower and upper atmosphere // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2007. V. 69. P. 2083–2101. DOI: 10.1016/j.jastp.2007.05.014.
40. Balogh A., Hudson H.S., Petrovay K., von Steiger R. Introduction to the solar activity cycle: Overview of causes and consequences // Space Sci. Rev. 2014. V. 186. P. 1–15. DOI: 10.1007/s11214-014-0121-z.
41. Xiao C., Hu X., Tian J. Global temperature stationary planetary waves extending from 20 to 120 km observed by TIMED/SABER // J. Geophys. Res. 2009. V. 114, N D17101. DOI: 10.1029/2008JD011349.
42. Didenko K.A., Koval A.V., Ermakova T.S., Sokolov A.V., Toptunova O.N. Analysis of a secondary 16-day planetary wave generation through nonlinear interactions in the atmosphere // Earth Planets Space. 2024. V. 76, N 124. DOI: 10.1186/s40623-024-02072-x.
43. Коваль А.В. Статистически значимые оценки влияния солнечной активности на планетарные волны в средней атмосфере Северного полушария по данным модели МСВА // Солнечно-земная физика. 2019. Т. 5, № 4. С. 64–72. DOI: 10.12737/szf-54201907.
44. Lilienthal F., Jacobi C., Geißler C. Forcing mechanisms of the terdiurnal tide // Atmos. Chem. Phys. 2018. V. 18. P. 15725–15742. DOI: 10.5194/acp-18-15725-2018.
45. Lilienthal F., Jacobi C. Nonlinear forcing mechanisms of the migrating terdiurnal solar tide and their impact on the zonal mean circulation // Ann. Geophys. 2019. V. 37. P. 943–953. DOI: 10.5194/angeo-37-943-2019.
46. Суворова Е.В., Погорельцев А.И. Моделирование немигрирующих приливов в средней атмосфере // Геомагнетизм и аэрономия. 2011. Т. 51, № 1. С. 107–118.
47. Jucker M. Scaling of Eliassen–Palm flux vectors // Atmos. Sci. Lett. 2021. V. 22. DOI: 10.1002/asl.1020.
48. Kodera K., Mukougawa H., Itoh S. Tropospheric impact of reflected planetary waves from the stratosphere // Geophys. Res. Lett. 2008. V. 35. L16806. DOI: 10.1029/2008GL034575.
49. Jin H., Miyoshi Y., Pancheva D., Mukhtarov P., Fujiwara H., Shinagawa H. Response of migrating tides to the stratospheric sudden warming in 2009 and their effects on the ionosphere studied by a whole atmosphere–ionosphere model GAIA with COSMIC and TIMED/SABER observations // J. Geophys. Res. 2012. V. 117, N A10323. DOI: 10.1029/2012JA017650.
50. Singh D., Gurubaran S. Variability of diurnal tide in the MLT region over Tirunelveli (8.7° N), India: Consistency between ground- and space-based observations // J. Geophys. Res. Atmos. 2017. V. 122. P. 2696–2713. DOI: 10.1002/2016JD025910.
51. Wu C., Ridley A.J., Cullens C.Y. Seasonal dependency of the solar cycle, QBO, and ENSO effects on the interannual variability of the wind DW1 in the MLT region // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2024. V. 129. DOI: 10.1029/2024JA032472.
52. Pedatella N.M., Liu H.-L. The influence of atmospheric tide and planetary wave variability during sudden stratosphere warmings on the low latitude ionosphere // J. Geophys. Res. Space Phys. 2013. V. 118. P. 5333–5347. DOI: 10.1002/jgra.50492.
53. He M., Forbes J.M., Chau J.L., Li G., Wan W., Korotyshkin D.V. High-order solar migrating tides quench at SSW onsets // Geophys. Res. Lett. 2020. V. 47. DOI: 10.1029/2019GL086778.
54. Liu Y., Xu J., Smith A.K., Liu X. Seasonal and interannual variations of global tides in the mesosphere and lower thermosphere neutral winds: I. Diurnal tides // J. Geophys. Res. Space Phys. 2024. V. 129. DOI: 10.1029/2023JA031887.
55. Liu Y., Xu J., Smith A.K., Liu X. Seasonal and interannual variations of global tides in the mesosphere and lower thermosphere neutral winds: II. Semidiurnal and terdiurnal tides // J. Geophys. Res. Space Phys. 2024. V. 129. DOI: 10.1029/2023JA031846.
56. Jin H., Miyoshi Y., Fujiwara H., Shinagawa H. Electrodynamics of the formation of ionospheric wave number 4 longitudinal structure // J. Geophys. Res. 2008. V. 113, N A09307. DOI: 10.1029/2008JA013301.
57. Li X., Wan W.X., Cao J.B., Ren Z.P. The source of tropospheric tides // Earth Planet. Phys. 2020. V. 4, N 5. P. 449–460. DOI: 10.26464/epp2020049.
58. Zhou Y.-L., Wang L., Xiong C., Lühr H., Ma S.-Y. The solar activity dependence of nonmigrating tides in electron density at low and middle latitudes observed by CHAMP and GRACE // Ann. Geophys. 2016. V. 34. P. 463–472. DOI: 10.5194/angeo-34-463-2016.