Моделирование общей циркуляции тропосферы-стратосферы-мезосферы с включением D-cлоя ионосферы

Моделирование общей циркуляции тропосферы-стратосферы-мезосферы с включением D-cлоя ионосферы
Номер: 10 Год: 2014 Страницы: 5-44

УДК: 551.510

EDN: SZEILX

Автор(ы):

Дмитрий Вячеславович Кулямин¹ e-mail: kulyamind@mail.ru

Валентин Павлович Дымников^1,2,3

Учреждения:
1 - Институт прикладной геофизики им. академика Е.К. Федорова, Москва, Россия
2 - Институт вычислительной математики им. Г.И. Марчука РАН, Москва, Россия
3 - Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), Долгопрудный

Аннотация:
В работе 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 ионосферы взята пятикомпонентная модель. Исследованы свойства дифференциальной постановки задачи, разработана эффективная полунеявная численная схема. На основе совместной модели исследована роль термодинамических характеристик нейтральной атмосферы в формировании D-слоя.

Ключевые слова: математическое моделирование, общая циркуляция атмосферы, средняя атмосфера, D-слой ионосферы

Сведения об источниках финансирования: -

Моделирование общей циркуляции тропосферы-стратосферы-мезосферы с включением D-cлоя ионосферы
Номер: 10 Год: 2014 Страницы: 5-44

УДК: 551.510

EDN: SZEILX

Автор(ы):

Дмитрий Вячеславович Кулямин¹ e-mail: kulyamind@mail.ru

Валентин Павлович Дымников^1,2,3

Учреждения:
1 - Институт прикладной геофизики им. академика Е.К. Федорова, Москва, Россия
2 - Институт вычислительной математики им. Г.И. Марчука РАН, Москва, Россия
3 - Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), Долгопрудный

Аннотация:
В работе 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 ионосферы взята пятикомпонентная модель. Исследованы свойства дифференциальной постановки задачи, разработана эффективная полунеявная численная схема. На основе совместной модели исследована роль термодинамических характеристик нейтральной атмосферы в формировании D-слоя.

Ключевые слова: математическое моделирование, общая циркуляция атмосферы, средняя атмосфера, D-слой ионосферы

Сведения об источниках финансирования: -

Скачать текст Ссылка на цитирование Ссылка на Elibrary

1. Volodin E.M., Galin V.Ya., Gusev A.V., Diansky N.A., Smyshlyaev S.P., Yakovlev N.G. Earth system model of INM RAS // Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling. 2010. V. 25. N 5. P. 531-545. 2. Kulyamin D.V., Dymnikov V.P. A three-dimensional model of general thermospheric circulation // Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling. 2013. V. 28. N 4. P. 353-380. 3. Kulyamin D.V., Dymnikov V.P. Atmospheric general circulation model with hybrid vertical coordinate // Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling. 2014. 4. Brasseur G., Solomon S. Aeronomy of the Middle Atmosphere. 3rd rev. and enlarged ed. Springer, Dordrecht, Netherlands, 2005. 646 p. 5. Holton J.R. An Introduction to Dynamic Meteorology. Academic Press, New York, 1972. 319 p. 6. Holton J.R. Wave propagation and transport in the middle atmosphere // Phil. Trans. Roy. Soc. Lond. 1980. A296. P. 73-85. 7. Baldwin M.P., Dunkerton T.J. Propagation of the Arctic Oscillation from the stratosphere to the troposphere // J. Geophys. Res. 1999. V. 104 (D24). P. 30937–30946. 8. Holton J.R. The dynamics of sudden stratospheric warmings // Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 1980. V. 8. P. 169–190. 9. Baldwin M.P. et al. The Quasi-Biennial Oscillation // Rev. Geophysics. 2001. V. 39. P. 179–229. 10. Кулямин Д.В., Володин Е.М., Дымников В.П. Моделирование квазидвухлетних колебаний зонального ветра в экваториальной стратосфере. Часть I. Малопараметрические модели // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2008. Т. 44. № 1. С. 5-20. 11. Кулямин Д.В., Володин Е.М., Дымников В.П. Моделирование квазидвухлетних колебаний зонального ветра в экваториальной стратосфере. Часть II. Модели общей циркуляции атмосферы // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2009. Т. 45. № 1. С. 43-61. 12. Chapman S., Lindzen R.S. Atmospheric Tides. D. Reidel, New York, 1970. 200 p. 13. Schunk R.W., Nagy A. Ionospheres: Physics, Plasma Physics, and Chemistry. Cambridge University Press, 2009. 586 p. 14. Hargreaves J.K. The solar-terrestrial environment. Cambridge University Press, 1995. 420 p. 15. Inan U.S., Gołkowski M., Carpenter D.L., Reddell N., Moore R.C., Bell T.F., Paschal E., Kossey P., Kennedy E., Meth S.Z. Multi-hop whistler-mode ELF/VLF signals and triggered emissions excited by the HAARP HF heater // Geophys. Res. Lett. 2004. V. 31. L24805. 16. Folkestad K., Hagfors T., Westerlund S. EISCAT: An updated description of technical characteristics and operational capabilities // Radio Sci. 1983. V. 18. P. 867-879. 17. Narcisi R.S., Bailey A.D. Mass spectrometer measurements of positive ions at altitudes from 64 to 112 kilometers // J. Geophys. Res. 1965. V. 70. P. 3687. 18. Козлов С.И., Смирнова Н.В., Власков В.А. Ионная кинетика, малые нейтральные и возбужденные составляющие в области D с повышенным уровнем ионизации. Часть I // Космические исследования. 1982. Т. 20. № 6. С. 881-891. 19. Кринберг И.А., Выборов В.И., Кошелев В.В., Конев В.В., Сутырин Н.А. Адаптивная модель ионосферы. М.: Наука, 1986. 132 с. 20. Turunen E., Matveinen H., Tolvanen J., Ranta H. D-region ion chemistry model // STEP Handbook of ionospheric models. Utah State University, 1996. P. 1-25. 21. Mitra A.P., Rowe J.N. Ionospheric effects of solar flares – VI. Changes in D region ion chemistry during solar flares // J. Atmos. Terr. Phys. 1972. V. 34. P. 79. 22. Taubenheim J. Meteorological control of the D region // Space Science Reviews. 1983. V. 34. P. 397. 23. Smirnova N.V., Lyakhov A.N., Kozlov S.I. Lower stratosphere response to electric field pulse // Int. J. of Geomagnetism and Aeronomy. 2003. V. 3. N 3. P. 281–287. 24. Смирнова Н.В., Симонов А.Г., Данилов А.Д. Влияние температуры и влажности на аэрономические параметры в верхней части области D // Геомагнетизм и аэрономия. 1983. Т. 23. № 5. С. 733. 25. Егошин А.А., Ермак В.М., Зецер Ю.И., Козлов С.И. и др. Влияние метеорологических и волновых процессов на нижнюю ионосферу в условиях минимума солнечной активности по экспериментальным данным о распространении СДВ–ДВ в средних широтах // Физика Земли. 2012. № 3. С. 101-112. 26. Shapley A.H., Beynon W.J.G. Winter anomaly in ionospheric absorption and stratospheric warnings // Nature. 1965. V. 206. P. 1242-1243. 27. Mitra A.P. Chemistry of middle atmospheric ionization-a review // J. Atmos. Terr. Phys. 1983. V. 43. N 8. P. 737-752. 28. Burns C.J., Hargreaves J.K., Turunen E., Matreinen H., Ranta H. Chemical modelling of the quiet summer D and E regions using EISCAT electron density profiles // J. Atmos. Terr. Phys. 1991. V. 53. P. 115. 29. Журавлева Л.А., Кудрявцев В.П. Нестационарная фотохимическая модель малых составляющих средней атмосферы // Динамические процессы в геосферах: Геофизика сильных возмущений. М: ИДГ РАН, 1994. С. 191-204. 30. Roble R.G., Ridley E.C. A thermosphere-ionosphere-mesosphere-electrodynamics general circulation model (TIME-GCM): Equinox solar cycle minimum simulations (30–500 km) // Geophys. Res. Lett. 1994. V. 21. P. 417–420. 31. Tomko A.A., Ferraro A.J., Lee H.S., Mitra A.P. A theoretical model of D-region ion chemistry modifications during high power radio wave heating // J. Atmos and Terr. Physics. 1980. V. 42. P. 275-285. 32. Лыкосов В.Н., Глазунов А.В., Кулямин Д.В., Мортиков Е.В., Степаненко В.М. Суперкомпьютерное моделирование в физике климатической системы: учеб. пособие. М.: Издательство Московского университета, 2012. 212 с. 33. Володин Е.М., Лыкосов В.Н. Параметризация процессов тепло- и влагообмена в системе растительность - почва для моделирования общей циркуляции атмосферы. 1. Описание и расчеты с использованием локальных данных наблюдений // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 1998. Т. 34. № 4. С. 453-465. 34. Palmer T.N., Shutts G.J., Swinbank R. Alleviation of a systematic westerly bias in general circulation and numerical weather prediction models through an orographic gravity wave drag parameterization // Quart. J. Roy. Met. Soc. 1986. V. 112. № 474. P. 1001-1031. 35. Галин В.Я. Параметризация радиационных процессов в атмосферной модели ИВМ // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 1998. Т. 34. № 3. С. 380-389. 36. Betts A.K. A new convective adjustment scheme. Part 1. Observational and theoretical basis // Quart. J. Roy. Met. Soc. 1986. V. 112. № 473. P. 677-691. 37. Hines C.O. Doppler spread parameterization of gravity wave momentum deposition in the middle atmosphere. Part 1, Basic formulation // J. Atm. Terr. Phys. 1997. V. 59. № 4. P. 371-386. 38. Wang W.-C., Liang X.-Z., Dudek M.P., Pollard D., Thompson S.L. Atmospheric ozone as a climate gas // Atmospheric Research. 1995. V. 37. № 1–3. P. 247-256. 39. Галин В.Я., Володин Е.М., Смышляев С.П. Модель общей циркуляции атмосферы ИВМ РАН с динамикой озона // Метеорология и гидрология. 2003. № 5. С. 13–21. 40. Burridge D.M., Haseler J. A model for medium range weather forecasting - adiabatic formulation // Technical Report 4, ECMWF. 1977. Reading, UK. 46 p. 41. Марчук Г.И. Численные методы в прогнозе погоды. Л.: Гидрометеоиздат, 1967. 356 с. 42. Asselin R. Frequency filter for time integrations // Mon. Wea. Rev. 1972. V. 100. P. 487–490. 43. Robert A.J., Henderson J., Turnbull C. An implicit time integration scheme for baroclinic modes in the atmosphere // Mon. Wea. Rev. 1972. V. 100. P. 329–335. 44. Uppala S.M. et al. The ERA-40 re-analysis // Quart. J. Roy. Meteor. Soc. 2005. V. 131. № 612. P. 2961-3012. 45. Fleming E.L., Chandra S., Shoeberl M.R., Barnett J.J. Monthly Mean Global Climatology of Temperature, Wind, Geopotential Height and Pressure for 0-120 km // NASA Technical Memorandum 100697, 1988. 46. Кондратьев К.Я., Жадин Е.А., Варгин П.Н. Межгодовые вариации озонового слоя, стратосферной циркуляции и аномалий температуры поверхности Мирового океана // Исследование Земли из космоса. 2005. № 2. P. 3-12. 47. Bancalá S., Krüger K., Giorgetta M. The preconditioning of major sudden stratospheric warmings // J. Geophys. Res. 2012. V. 117 (D04101). doi:10.1029/2011JD016769. 48. Zhang X. et al. Monthly tidal temperatures 20–120 km from TIMED/SABER // J. Geophys. Res. 2006. V. 111 (A10S08). doi:10.1029/2005JA011504. 49. 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 (A2). P. 1062. doi:10.1029/2002JA009466. 50. Volodin E.M., Schmitz G. A troposphere-stratosphere-mesosphere general circulation model with parameterization of gravity waves: climatology and sensitivity studies // Tellus. 2001. V. 53a. P. 300-316. 51. Zhang C. Madden-Julian Oscillation // Rev. Geophys. 2005. V. 43 (RG2003). doi:10.1029/2004RG000158. 52. Dymnikov V.P., Kulyamin D.V. Structural stability of quasi-biennial oscillations of zonal wind in the equatorial stratosphere // Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling. 2010. V. 25. № 3. P. 235-251. 53. Кудрявцев В.П., Романюха Н.Ю. Моделирование ионизационно-рекомбинационных процессов в средней атмосфере // Математическое моделирование. 1995. Т. 7. № 3. С. 3. 54. Кудрявцев В.П. Эффективные скорости образования положительных ионов-связок в D-области ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 1989. Т. 29. № 5. С. 805. 55. Боярчук К.А., Карелин А.В., Широков Р.В. Базовая модель кинетики ионизированной атмосферы. М.: ВНИЭМ, 2006. 204 с. 56. Burns C.J., Turunen E., Matveinen H., Ranta H., Hargreaves J.K. Chemical modelling of the quiet summer D- and E- regions using EISCAT electron density profiles // J. Atmos. Terr. Phys. 1991. V. 53. P. 115. 57. Thomas G.E., Krassa R.F. OGO-mesurements of the Layman-alfa sky background // Astrophys. J. 1971. V. 11. P. 218-222. 58. Takeuchi Y., Norihiko A., Tokumaru H. The stability of generalized Volterra equations // Journal of Math. An. and App. 1978. V. 62. N 3. P. 453–473. 59. Shampine L.F., Reichelt M.W. The MATLAB ODE Suite // SIAM Journal on Scientific Computing. 1997. V. 18. P. 1–22.

Ссылка на XML

Troposphere-stratosphere-mesosphere general circulation modelling with inclusion of the ionosphere D layer
Number: 10 Year: 2014 Pages: 5-44

Dmitry Vyacheslavovich Kulyamin¹ e-mail: kulyamind@mail.ru

Valentin Pavlovich Dymnikov^1,2,3

Institutions:
1 - Institute of Applied Geophysics named after Academician E.K. Fedorova, Moscow, Russia
2 - G.I. Marchuk Institute of Computational Mathematics, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
3 - Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University), Dolgoprudny

Abstract
The paper presents a coupled troposphere-stratosphere-mesosphere and ionosphere D layer model (for altitudes 0-90 km). It is based on three-dimensional atmospheric general circulation model with a hybrid vertical coordinate. Five component model is taken as photochemical presentation of the D layer. The properties of the differential formulation are studied, an efficient semi-implicit numerical scheme is developed. On the basis of presented coupled model the role of the thermodynamic characteristics of the neutral atmosphere in the formation of D-layer is investigated.

Keywords: mathematical modeling, general atmospheric circulation, middle atmosphere, ionosphere D layer

Information about sources of financing: -