Аномальная диффузия и распространение пассивной примеси в реверсивной зональной струе

Зональные течения в атмосфере и океане Земли и других планет имеют сложные профили скорости с участками обратного (реверсивного) течения. Аномальный перенос пассивной примеси в зональных течениях с реверсивным профилем скорости представляет значительный интерес в связи с явлением атмосферной блокировки, ответственным за долгоживущие погодные аномалии. В данной работе рассматривается аномальный перенос пассивной примеси при возбуждении неподвижных цепочек волновых структур с замкнутыми линиями тока в реверсивном баротропном струйном течении. Анализ выполнен в рамках динамически согласованной модели плоскопараллельного течения в канале с жесткими стенками при наличии бета-эффекта и внешнего трения. Вдоль канала задаются периодические граничные условия, а на его стенках принимаются условия непротекания и прилипания. Уравнения баротропного (квазидвухмерного) течения решаются численно с использованием псевдоспектрального метода. Рассматривается реверсивная струя с "двугорбым " асимметричным профилем скорости, демонстрирующим переход к сложной динамике при умеренной надкритичности. В отличие от кинематических моделей аномального переноса, первичная цепочка структур становится нестационарной из-за рождения дополнительных возмущений при насыщении баротропной неустойчивости. Переходы между различными режимами генерации определялись на основе анализа эволюции пространственных гармоник интегральной продольной скорости при изменении параметров течения и начальных условий.
Показано, что при увеличении надкритичности возбуждаются новые моды течения, в результате чего возникает регулярный мультигармонический режим, переходящий в хаотический. С помощью вариации параметра реверсивности струи в каждом из этих режимов получены неподвижные цепочки структур с замкнутыми линиями тока (cкорость движения структур определялась с помощью видеофильмов, показывающих развитие картины линий тока во времени). Выяснено, что возникновение аномального переноса в регулярном режиме происходит при существенно меньшей надкритичности по сравнению с хаотическим режимом. Построены траектории частиц - трассеров в хаотическом режиме, содержащие чередования длинных пробегов (полетов Леви) и колебаний частиц. Получены зависимости от времени усредненного (по ансамблю) смещения частиц - трассеров и его дисперсии для двух основных режимов генерации неподвижных цепочек структур. Показано, что регулярном режиме адвекция примеси близка к нормальной, тогда как в обоих режимах возникает аномальная диффузия, которая может быть классифицирована как "супердиффузия". В расчетах, проведенных для 8000 частиц-трассеров, установлено, что распределение частиц примеси не ограничивается стохастическими слоями, находящимися вблизи границ замкнутых линий тока, и захватывает примыкающее к ним внешнее течение с реверсом скорости.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 17-05-00747).