Генерация пакетов волн Россби и формирование когерентных вихревых структур
в баротропно-неустойчивых атмосферных зональных течениях

Важным элементом глобальной циркуляции планетных атмосфер являются зональные течения – планетарные ветровые потоки, направленные вдоль географических параллелей [1]. Существенный вклад зональных ветров в общую картину синоптической изменчивости подтверждается многочисленными спутниковыми наблюдениями на их фоне явлений циклогенеза (зарождения крупномасштабных вихрей в виде цепочек циклонов и антициклонов) [2,3]. Вероятным физическим механизмом, порождающим периодические вихревые структуры в фоновых зональных течениях с сильной зависимостью профиля средней зональной скорости от меридиональной координаты, является баротропная (сдвиговая) неустойчивость [1,2]. Благодаря стабилизирующей роли дифференциального вращения (бета-эффекта), при развитии баротропной неустойчивости в слабонадкритических среднеширотных зональных течениях энергообмен нарастающих волновых возмущений, называемых волнами Россби, с потоком локализуется в относительно тонкой области критического слоя (КС), в которой фазовая скорость неустойчивых мод близка к скорости потока [4,5]. При этом динамика волны на стадии насыщения неустойчивости определяется нелинейными и диссипативными эффектами в КС, приводящими к перестройке течения и образованию вихревых структур внутри КС. В реальных условиях атмосферные зональные течения нередко стратифицированы по плотности в вертикальном направлении. В работе [6] показано, что в слабонадкритическом зональном течении вертикальная стратификация порождает конечное число неустойчивых бароклинных (трехмерных) мод, взаимодействующих наряду с неустойчивой баротропной (двумерной) модой с общим для них КС. В настоящем исследовании на основе применения асимптотического подхода, развитого в [4-6], построена динамическая модель, описывающая совместную генерацию пакетов баротропных и бароклинных волн Россби и эволюцию возмущений завихренности в КС. В результате использования методов качественного и численного анализа полученных уравнений изучены сценарии развития и насыщения баротропной неустойчивости в зональном потоке с профилем скорости в виде свободного слоя сдвига. Показано, что в отсутствие резонансной связи между модами нелинейное взаимодействие между ними локализуется в области КС. Основным нелинейным эффектом в этом случае является межмодовая конкуренция (взаимное подавление мод), приводящая к установлению режима генерации только одной из мод. Выяснено, что параметрическая резонансная связь между модами, возникающая при некоторых значениях радиуса Россби благодаря действию нелинейности во всей области потока, приводит к одновременному взрывному росту волновых амплитуд. При этом эволюция неустойчивых мод и возмущений завихренности в КС завершается установлением в потоке когерентного состояния совместной стационарной генерации мод с взаимно синхронизованными фазами и формированием в области КС периодических вихревых структур баротропно-бароклинного типа.
Работа выполнена в рамках государственного задания ИПФ РАН проект №0035-2014-0007.