抽象性

非静态地球中性风系统模型早期开发于极地地球物理研究所,用于调查太阳活动如何影响中间层和下热层大规模全球循环的形成使用模型的特殊性在于内能方程中性气体没有在模型计算中解决取而代之的是,全球温度场假设为给定分布,即模型输入参数此外,模型计算中,不仅横向构件,而且中风速度垂直构件都是通过泛纳维尔-斯托克斯方程数值解算得的压缩气,所以静态方程不应用模拟结果显示,太阳活动应大大影响中间层和下热层全球中性风系的形成影响受空气垂直从下热层迁移到中间层和平流层制约不同的太阳活动条件下,这种运输可能大相径庭

开工导 言

近三十年来开发出几大流模式中下层大气(例如见[一号-11))可发现中低层大气现有泛环流模型可成功用于模拟慢度气候变化可惜这些模型无法以可接受的精度生成垂直大气风事实就是垂直速度动量方程在常用泛环流模型中省略,垂直速度由简单静态方程帮助获取可惜这些模型无法产生可接受精度垂直大气风简化后,这些模型无法模拟所有系统大规模全球循环,特别是在扰动条件下。众所周知,刚才提到的全球模型生成风速垂直分量,值为低热层二分数分数所观测垂直速度已知在高纬度区域中间层和下热层达到约数十m/s12-16))因此,有必要使用更复杂泛环流模型,更充分地描述垂直迁移,模拟中层大气和下热层瞬态大规模环流

极地地球物理研究所(PGI)不久前开发非静水模型地球大气中中立风系统17,18号..模型能计算三维全局分布对流层、平流层、中层和下热层中中中性风构件,不论对中性气体垂直传输的限制不存在使用该模型模拟中层大气的全球循环条件与北半球夏冬相匹配(见[见17-19号))从这些研究中发现,中立风的全球分布为北半球夏季和冬季计算,特别是大型环极浮云与从观察中获取的地球环流一致。

当前工作的目的是继续这些研究并使用全球中风系统非静水模型进行数值调查[17,18号太阳活动如何影响中间层和下热层大规模全球循环的形成

二叉数学模型

非水文静态模型地球大气中中立风系统,早先在PGI开发17,18号.本研究使用使用模型生成对流层、平流层、中间层和下热层三级中中风速度和中性气密度三维分布模型特征是中风速度垂直构件和中风横向构件均以数值式求解法获取,即粘性气适当动量方程不简化此方程,静态方程不使用静态方程此外,模型不包括中性气体内部能量方程取而代之的是,全球温度场假设为给定分布已知大气温度分布法使用现有包含内能方程的全球环流模型计算,通常不同于观测到的大气温度分布法。这些差异取决于各种化学辐射加热和冷却率的不确定性和复杂性。因此,没有理由期望计算和测量中性气体温度之间有精确对应关系另一方面,过去几年中成功开发了全球大气温度场实证模型,这些模型精度令人满意。本研究从NRLMISE-00实验模型取全局温度分布20码并视之为输入参数

使用模型无法模拟重波源传播,因为在模型计算中温度独立时间模型有可能描述干扰条件下的全球中性风系统,当中性风速度垂直构件可达低热层数万米秒[12-16..

本研究使用数学模型基础数方程系统求解法,内含中性气体动态方程和连续性方程求解方程系统应用有限异差法中性气体向量式动态方程可写成 去哪儿 中性气密度 中度风速 加速化包括重力加速化、Coriolis加速化、加速翻译和加速化 完全压力拉后抗拉分解如下: 去哪儿 即压力 单元AROR 额外压力推理分量由状态矩形或粘度摩擦定律提供球形坐标系转接地球用于模型计算从动态方程一号动向方程可导出中性气速分量方程中不仅包括压力梯度,还包括额外应力压分量部分衍生物 .后抗冲由牛顿部分组成 并补充部分 ,即 前shor 由著名的牛顿法则 粘性摩擦 去哪儿 即分子粘度系数,对温度依赖假设为服从萨瑟兰定律 stror定义为 去哪儿 压力速率推理 表示抗拉迹补充压力推理 受小波扰动约束 尺度等同小于有限差近似假设该粒子表示波流对平均流的影响,并用类似于牛顿粘度摩擦法则的表达式表示(牛顿摩擦法则)4标量系数粘性 由三种显式系数取而代之,描述用球形坐标系基向量方向计算Eddy粘度时 Obukhov乱流理论21号应用式

区间、中度和垂直气速构件动方程最终获取一种泛式纳维尔-斯托克斯方程以压缩气体比有限差近似步骤更多,使用实战子格度参数计时波流效果中度和经度方向的有限差近似数完全相同并等于1度高度阶梯不一致性,不超出1千米值

模拟域是环绕地球的全球层,从地面延伸至赤道126千米高度上界条件提供模拟域内质量保护定律地球表面估计约与双目人形并发,该半径赤道比极半径多使用模型的更完整细节可见I类研究V级Mingalev和VS.Mingalev17Mingalev等[18号..

3级介绍和讨论结果

使用的全球中性风系统数学模型可用于不同的太阳周期、季节性条件和地磁条件本研究计算低地磁活动 和两个不同日期,即1月16日和7月16日,分别属于北半球冬季和夏季研究太阳活动对大气全球循环的影响, 我们计算出两种不同的10.7cm太阳通量条件:中高即 和230随时间变化的大气参数计算直到固定化大气参数稳定状态分布取自两个考虑日期,条件是输入模型时与日对齐(10.30UT)温度分布与这一时刻相对应,从NRLMISE-00实验模型中逐日取出20码..NRLMISE-00实验大气模型从地面扩展至exobase模型和相关NRLMSIS数据库包括下列数据:(1)卫星加速计和轨迹测定总质量密度,(2)1981-1997年异散射雷达温度和(3)分子氧数密度,[O₂太阳紫外线封装

上文描述的方程体系数字解决方案的获取条件是边界条件和输入模型独立时间并对应1030UT所得结果不同,宜分别提交

3.1.一月条件模拟结果

北半球冬季模拟结果(1月16日)大气温度是使用数学模型主要输入参数之一如前所述,本研究从NRLMISE-00实验模型获取输入参数20码..实验模型NRLMISE-00计算两种显性太阳活动值的大气温度 和230)非常相似约100千米下方,而高空上方则可能大相径庭事实很容易从图中看出一号并2与行星分布 大气温度基本不一致性从图一号可以看到,在90公里高度上,两种10.7cm太阳通量所得温度几乎相等,在整个模拟域内差小于0.001K从图2可以看到,在110公里高度上,两种10.7cm太阳通量所取温度之差可在地球相同点上达数十度应用NRLMISE-00实验模型显示,对流层、平流层和中间层高度应不存在太阳活动水平对全球大气温度分布的影响,而北半球冬季下热层高度应可见这种影响。

利用数学模型计算并取自1月16日的大气参数分布图3-7.建模结果既说明常见特征,又说明太阳活动不同值造成的差别。

计算全局分布的大气参数显示下列常见特征横向和垂直风速组件为中间层和下热层层次可变经度函数横向域存在水平速度场斜坡横向风速可有各种方向,近点可对立此外,横向域存在垂直中性风构件反向风速水平和垂直组件最大绝对值在高空较大平面水平横向风速可达160米/秒以上值

从多观察中可以知道,环极浮云是在接近夏季和冬季休眠时平流层和中层高度形成的。环极龙卷风产生北半球冬季条件,环极反子元产生南半球夏季条件

从结果显示图3-5可以看到北半球冬季平流层和中间层,北半球中立气运动主要是向东运动,因此形成环极龙卷风可以看到北气旋中心可能从极地移位同时,中性气体运动主要是西向南半球平流层和中间层层,因此为南半球夏季形成环极抗子元可以看到北南环极浮云模拟中高10.7cm太阳通量

让我们考虑模拟结果,从太阳活动的独特值和特征中获取从图3可以看到,在30千米高度上,北半球环极龙卷风横向构件为中度太阳活动所得,可达值不足35m/s,而高度活动所得此构件超过40m/s北半球环极龙卷风中横向风速为中度太阳活动所得,低于高度太阳活动所得速度相类似地,南半球环极反子元中度活动所得水平风速小于高太阳活动所得速度

从图3可以看到,低纬度水平风速为高太阳活动获取,可达35m/s以上值,而中太阳活动获取的这一速度不超过25m/s低纬度水平风速为高太阳活动所得,大于中度太阳活动所得,高度为30千米。

从图4并5可见横向风速最大绝对值为中度太阳活动所得值小于高太阳活动所得值50至70千米高度

从结果显示图6并7可以看到北半球冬季时段 介层水平 垂直风速在横向域可能有对向 并有不同配置向下垂直风构件最大绝对值适配上垂直风构件最大模块适配中线活动条件反之,对于高太阳活动条件,下向和上向风构件最大绝对值可能大相径庭低纬度垂直风速最大绝对值为中度太阳活动所得,大于中度云层高度高度太阳活动所得值

模拟结果取自一月条件显示,尽管10.7cm太阳通量在约100千米下独立存在,但太阳活动水平对平流层和中间层全球循环的影响的确存在。中层大气和热层大规模循环关系产生这种影响,毫无疑问热层循环依赖太阳活动水平影响受空气垂直从下热层迁移到中间层和平流层制约不同的太阳活动条件下,这种运输可能大相径庭

3.2模拟7月条件结果

北半球夏季模拟结果(7月16日)大气温度计算使用NRLMISE-00实验模型实现两个显性太阳活动值 和230)均值低于100千米高海拔与地球相同点可能大相径庭从图中可见8温度之差可达110千米高度30千米以上太阳活动对大气温度全球分布的影响,用NRLMISE-00实验模型计算,北半球夏季应低于100千米。

建模结果7月16日显示在图中九九-13.这些结果说明共同特征,这些特征实质上与前小节描述的一月条件相同。模拟结果以图显示九九并10表示北半球夏季平流层和中间层,北半球中立气运动主要是西向的,因此形成环极反子元同时,中性气体运动主要是南半球东向平流层和中间层层,因此南半球冬季形成环极龙卷风

从多观察中可以知道北半球夏季产生环极反粒子,而环极龙卷风冬季产生南半球很容易看出北南环极浮云模拟中高10.7cm太阳通量7月条件与从观察中获取的全球环流质量对应

从结果显示图九九并10可见南半球环极气旋横向风速为中度太阳活动所得,大于高度太阳活动所得并取图九九可以看到,低纬度向西横向风速为中度太阳活动所获取,大于高太阳活动所获取,高度为30千米。从图10可以看到,接近-30度的长窄带存在,风速横向构件按高太阳活动计算可达110米/秒以上值算出中度太阳活动结果时没有这种奇特性从图11可见横向风速最大绝对值为中度太阳活动获取,大于高度太阳活动获取值90千米从图中可见12并13中层和下热层水平上,垂直风速计算北半球夏季时段时,横向域可能有对向并有不同配置横向域与长窄带相似,横向域中中度风垂直构件向上相似,与长宽点相似

图显示结果12可见上垂直风构件最大值计算中高悬浮活动时约等值50千米高度反之,下垂直风组件最大值计算高太阳活动比中太阳活动所得值多50公里高度从图13可以看到垂直风速最大绝对值可以在90公里高度实现约2m/s使用静水法的泛环流模型模拟这些星值值得怀疑。反之,可预期非静态泛环流模型模拟这些量值,特别是用于Smith等研究的全层大气社区气候模型模拟[22号..

从北半球夏季模拟结果可以看出,用NRLMISE-00实验模型计算出的大气温度不依赖约100公里以下10.7cm太阳通量尽管如此,低于100千米的太阳活动对大气全球循环的影响的确存在。受中间大气循环和热层关系制约10.7cm太阳通量变化导致热层大规模循环变化,特别是垂直风变化,可渗透到低高度并影响中间层和平流层的全球循环

4级摘要和结论

早先在极地地球物理研究所开发的非水文静态地球中风系统模型用于调查太阳活动如何影响中间层和下热层大规模全球循环的形成应用数学模型与现有大气环流模型大相径庭第一,内能中性气体方程不包含在应用数学模型中取而代之的是,假设全球温度场为特定分布区,即模型输入参数并取自NRLMISE-00实验模型20码..第二,中风速度垂直组件计算时不使用静态方程中风速度垂直构件和横向构件均通过通用纳维尔-斯托克斯方程数值求解获取压缩气,不设对中立气垂直传输的限制

应用数学模型用于获取大气参数稳定状态分布,使用方法建立条件对应两个不同日期,即1月16日和7月16日,即相同时段(10.30UT)计算低地磁活动条件和中高两种10.7cm太阳通量对应条件 和230

模拟结果说明常见特征特别是计算风速横向和垂直构件是中间层和下热层层次上可变经函数计算横向风速全球分布取自不同日期和太阳活动水平,含有北半球和南半球大规模环极浮壳北半球环极龙卷风是在冬季生成的,环极抗子元是在夏季生成的南半球环极抗子元建于1月,环极龙卷风建于7月需要强调的是,北半球和南半球的环极浮标与现有观察数据一致,这些浮标使用1月和7月中层数学模型获取,与1月和7月条件一致。这一事实显示本研究使用数学模型的充分性

模拟结果为一月条件显示,太阳活动应对中间层和下热层全球中性风系统形成产生极大影响北半球和南半球约25千米以上水平风速最大绝对值,中度太阳活动所得值应小于高度太阳活动所得值低纬度水平风速最大绝对值,高太阳活动所得值应大于中度太阳活动所得值,高度超过25千米。低纬度风速垂直构件最大绝对值,取自中度太阳活动,应大于中度太阳活动所得值,高度太阳活动取自中间层高度

模拟结果为7月条件获取,具有下列特征北半球约40千米以下水平风速最大绝对值,中度太阳活动应小于高度太阳活动所得值,而高度海拔以上中度太阳活动所得值应多于高度太阳活动所得值。南半球约40公里以下水平风速最大绝对值应大于中度太阳活动所得值,高度太阳活动所得值,而高度上方中度太阳活动所得值应小于高度太阳活动所得值。低纬度约25千米下方,横向风速最大绝对值中度活动所得值应小于高太阳活动所得值,而高太阳活动所得值中度太阳活动所得值大于高太阳活动所得值

从模拟结果可以看出,用NRLMISE-00实验模型计算出的大气温度不依赖约100公里以下10.7cm太阳通量尽管如此,太阳活动对100公里以下大气全球循环的影响的确存在。受热层全球循环与中层大气关系制约在这种关系中,垂直运动空气可起重要作用高度超过100千米时,按10.7cm太阳通量计算的全球大气温度分布不同。结果,代理全球循环的这些高度也不同,包括垂直风系统垂直风可渗透低高度,中间层和平流层全球循环可变换以这种方式,太阳活动对中间层和平流层全球循环的影响主要实现。顺带一提,使用数学模型能够模拟这种影响,因为模型非静水性

可注意到观点存在,即大气温度应依赖100千米以下10.7cm太阳通量(例如见[23号,24码))NRLMISE-00经验模型以及其他现有大气温度分布经验模型不复制这种依赖性NRLMISE-00实验模型的应用导致太阳活动对100公里以下大气全球循环的影响,原因是空气从下热层垂直迁移到中间层和平流层考虑到大气温度对100千米以下10.7千米太阳通量的依赖性,人们今后可获取太阳活动对100千米以下大气全球循环的更显著效果

感知感知

这项工作得到Grant No部分支持1001-00451俄国基础研究基金会作者想感谢审查者提出帮助建议,使原创论文得到改进。