Баротропная неустойчивость горизонтального сдвига скорости в зональных (направленных вдоль параллелей) течениях является одним из основных механизмов возникновения баротропных крупномасштабных движений, имеющих почти однородное распределение скорости по вертикали [1] и играет существенную роль в динамике атмосферы Земли и Планет. Эта неустойчивость исследовалась в лабораторных экспериментах [1-3], в которых моделировались квазидвумерные струйные течения в неподвижном и вращающемся тонких слоях жидкости со свободной поверхностью. Характерной особенностью кольцевых течений в этих экспериментах являлось возникновение цепочек вихрей. Дорожки вихрей, имеющие преимущественно баротропное происхождение неоднократно фиксировались на спутниковых изображениях [4,5]. В натурных условиях обычно наблюдаются цепочки вихреволновых структур с нарушениями порядка. Чтобы получить ответ на вопрос о происхождении этих нарушений порядка, в данной работе проводится прямое численное моделирование генерации баротропных вихреволновых структур в плоскопараллельных струйных течениях с горизонтальным сдвигом скорости в канале с жесткими стенками. Для изучения перехода к сложной динамике течения используются понятия и методы теории динамических систем [6,7]. Поскольку эффекты вращения не учитываются, проводимый анализ применим для баротропных движений в атмосфере и океане с относительно небольшими масштабами (несколько сотен километров). В расчетах обнаружено, что критическая скорость струи, при которой возникает динамический хаос, существенным образом зависит от формы профиля скорости. Так в струе Бикли, имеющей симметричный профиль скорости, параметр надкритичности G, равный отношению критической скорости рождения хаоса к критической скорости возникновения изгибной неустойчивости струи, составляет 12-13. В то же время в случае асимметричной струи со слабо выраженным двугорбым профилем скорости было получено значительно меньшее значение G=2.25, которое в большей степени соответствует натурным наблюдениям.
Работа выполнена в рамках государственного задания ИПФ РАН проект №0035-2014-0007.

Ключевые слова: Баротропная неустойчивость, вихреволновые структуры, переход к хаосу.

Литература:

Ф.В. Должанский, В.А. Крымов, and Д.Ю. Манин, Успехи Физ. Наук 1990, 160(7), 1-47.
M.V. Nezlin and E.N. Snezhkin, Rossby Vortices, Spiral Structures, Solitons, Springer-Verlag, Heidelberg, 1993, p.223.
Ana C. Barbosa Aguiar, Peter L. Read, Robin D. Wordsworth, Tara Salter, and Y. Hiro Yamazaki. A laboratory model of Saturn’s north polar hexagon. Icarus, 206(2):755 – 763, 2010. Cassini at Saturn.
http://www.jpl.nasa.gov/spaceimages/details.php?id=PIA00729
http://www.nasa.gov/centers/jpl/news/two-elninos.html
Шустер Г. Детерминированный хаос: введение. Пер. с англ. М.: Мир. 1988. 240 с.
Кузнецов С. П. Динамический хаос. М.: Физматлит. 2006. 356 с.

Дистанционные методы исследования атмосферных и климатических процессов

191