ХАОС И ПОРЯДОК В АТМОСФЕРНОЙ ДИНАМИКЕ Часть 1. Хаотические вариации погоды

В связи с проблемой сосуществования хаоса и порядка в динамике погоды и климата уточняются представления о временных энергетических спектрах крупномасштабных атмосферных движений в диапазоне масштабов от суток до года. Для внетропических широт это спектры индексов Блиновой среднего и сдвигового по вертикали зонального

движения. Для тропиков это спектры модифицированных индексов Южного колебания и Эль-Ниньо. В отличие от ранее имевшихся представлений у индексов Блиновой найдено, что переходы между частями спектров, имеющими разные средние наклоны, происходят плавно, так что нет «синоптического максимума» спектральной плотности на периоде порядка недели и «цикла индекса» на периодах двух-трех недель. Это подтверждает хаотичность вариаций погоды внетропических широт. У спектров тропических индексов найден излом в ходе спектральной плотности на периоде около 5 дней, ранее замеченный лишь в спектрах некоторых локальных характеристик тропической погоды. В спектре модифицированного индекса Южного колебания найден второй излом на периоде около 45 дней, ранее известный лишь для колебания Маддена–Джулиана. Эти изломы указывают на существование элементов «порядка» в динамике тропической погоды, которая, в целом, тоже хаотична. Спектры месячных – сезонных вариаций погоды на всей Земле найдены слагающимися из кажущегося непрерывным основания и наложенных на него дельта-пиков, так что в этом диапазоне масштабов динамика является смешанной (отчасти хаотической и отчасти упорядоченной).

DOI:10.18500/0869-6632-2017-25-4-4-22

Образец цитирования: Серых И.В., Сонечкин Д.М. Хаос и порядок в атмосферной динамике. Часть 1. Хаотические вариации погоды // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2017. Т. 25, No 4. С. 4–22. DOI:10.18500/0869-6632-2017-25-4-4-22

 
Литература

1. Lorenz E.N. Atmospheric predictability experiments with a large numerical model // Tellus. 1982. Vol. 34. P. 505–513.
2. Bengtsson L., Hodges K.I. A note on atmospheric predictability // Tellus A. 2005. Vol. 58. No. 1. P. 154–157.
3. Bengtsson L., Hodges K.I., Froude L.S.R. Global observations and forecasting skill // Tellus A. 2005. Vol. 57. No. 4. P. 515-527.
4. Froude L.S.R., Bengtsson L., Hodges K.I. Atmospheric predictability revisited //Tellus A. 2013. Vol. 65i0, doi:10.3402/tellusa.v65i0.19022
5. Bunimovich L.A. Short- and long-term forecast for chaotic and random systems // Nonlinearity. 2014. Vol. 27. P. R51-R60.
6. Cullen MJ.P. The unified forecast/Climate model // Meteorol. Magazine. 1993. Vol. 122. P. 81–94.
7. Palmer T.N., Doblas-Reyes F.J., Weisheimer A., Rodwell M.J. Toward seamless prediction: calibration of climate change projections using seasonal forecasts // Bull. Amer. Meteorol. Soc., 2008. Vol. 89. No. 4. P. 459–470.
8. Арнольд В.И., Афраймович В.С., Ильяшенко Ю.С., Шильников Л.П. Теория бифуркаций //В книге: Динамические системы–5, Итоги науки и техн. Сер. Соврем. пробл. мат. Фундам. направления, 5. М.: ВИНИТИ. 1986. С. 5–218.
9. Eliasen E., Machenhauer B. On the observed large-scale atmospheric wave motions // Tellus. 1969. Vol. 21. P. 149–166.
10. Wiin-Nielsen A. On the annual variation and spectral distribution of atmospheric energy // Tellus. 1967. Vol. 19. P. 540–558.
11. Wiin-Nielsen A., Chen T.-C. Fundamentals of Atmospheric Energetics. New York: Oxford University Press, 1993. 376 p.
12. Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика. 2-е изд., С-Пб.: Гидрометеоиздат, 1996. Т. 2. 742 с.
13. Мирабель А.П., Монин А.С. Двумерная турбулентность // Успехи Механики. 1979. Т. 2. No 3. С. 47–95.
14. Данилов С.Д., Гурарий Д. Квазидвумерная турбулентность // Успехи Физических Наук. 2000. Т. 170. No 9. С. 947–968.
15. Lilli D.K. Numerical simulation of two-dimensional turbulence // Phys. Fluids, Suppl. II. 1969. Vol. 12. II-240 – II-249.

16. Шаповалова Н.С. Статистические характеристики спектрального представления поля геопотенциала Н500 для северного полушария // Труды Гидрометцентра СССР. 1987. Вып. 278. С. 90–99.
17. Taylor G.I. The spectrum of turbulence // Proc. R. Soc. London. Ser A. Vol. 164. P. 476-490.
18. Старр В.П. Физика явлений с отрицательной вязкостью. М.: Мир, 1971. 130 с.
19. Монин А.С. Гидродинамическая теория краткосрочных прогнозов погоды // Успехи Физических Наук. 1968. Т. 96. No 2. С. 327–367.
20. Виноградская А.А., Власова И.Л., Даценко Н.М., Сонечкин Д.М. Теория годового хода зональной циркуляции атмосферы. I. Шестимодовая модель супергармонических резонансов // Труды Гидрометцентра СССР. 1988. Вып. 297. С. 150–165.
21. Ogura Y. Energy transfer in a normally distributed and isotropic turbulent velocity field in two dimension // Physics Fluids. 1962. Vol. 5. No. 4. P. 395–401.
22. Namias J. The index cycle and its role in the general circulation // J. Meteorol. 1950. Vol. 8. P. 131–140.
23. Webster P.J., Keller J.L. Atmospheric variations: vacillation and index cycle // J. Atmos. Sci. 1975. Vol. 32. P. 1283–1300.
24. Dickey J.O., Ghil M., Marcus S.L. Extratropical aspects of the 40–50 day oscillation in length-of-day and atmospheric angular momentum // J. Geophys. Res.: Atmosphere. 1991. Vol. 96. No. D12. P. 22643–22658.

25. Lovejoy S., Schertzer D. Scale invariance in climatological temperatures and the spectral plateau // Annales Geophysicae. 1986. Vol. 4B. P. 401–410.
26. Блинова Е.Н., Марчук Г.И. К теории годового хода чисто зональной циркуляции // Труды ИФА АН СССР. 1958. No 2. С. 106–113.
27. Марчук Г.И. Годовой ход индекса циркуляции // Труды ИФА АН СССР. 1958. No 2. С. 114–118.

28. Compo G.P., Whitaker J.S., Sardeshmukh P.D. et al. The Twentieth Century Reanalysis Project // Quarterly J. Roy. Meteorol. Soc. 2011. 137. P. 1–28.

29. Saltzman B., Fleisher A. The exchange of kinetic energy between larger scales of atmospheric motions // Tellus. 1960. Vol. 12. P. 374–377.
30. Saltzman B., Teweles S. Further statistics on the exchange of kinetic energy between harmonic components of the atmospheric flow // Tellus. 1964. Vol. 16. P. 432–435.
31. Silberman I. Planetary waves in the atmosphere // J. Meteorol. 1954. Vol. 11. P. 27–34.
32. Elsaesser H.W. Evaluation of spectral versus grid methods of hemispheric numerical weather prediction // J. Appl. Meteorol. 1966. Vol. 5. P. 246–262.
33. Madden R.A., Julian P.R. Observations of the 40–50 day tropical oscillation – a review // Mon. Wea. Rev. 1994. Vol. 122. P. 814–837.
34. Donald A., Meinke H., Power N., de Maia H.N., Wheeler M.C., White N., Stone R.C., Ribbe J. Near-global impact of the Madden – Julian Oscillation on rainfall // Geophys. Res. Lett. 2006. Vol. 33. L09704.
35. Zhang C. Madden – Julian Oscillation. Bringing weather and climate // Bull. Amer. Meteor. Soc. 2013. Vol. 94. P. 1849–1870.

36. Huybers P., Curry W. Links between annual, Milankovitch and continuum temperature variability // Nature. 2006. Vol. 441. P. 329–332.

37. Saffman P.G. A note on the spectrum and decay of random two-dimensional vorticity distributions at large Reynolds number // Studies in Applied Mathematics // 1971. Vol. 50. No. 4. P. 377–383.

Статус: 
одобрено к публикации
Краткое содержание (PDF):