RSS-ленты
РусскийEnglish
Выпуск 12, 2024
Том год страница
Выпуски Авторы PACS Подписчикам Для авторов

Выпуски

 / 

2022

 / 

Октябрь

←  →

Обзоры актуальных проблем


Бароклинная неустойчивость в геофизической гидродинамике

† , ,
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Пыжевский пер., 3, Москва, 109017, Российская Федерация

Бароклинная неустойчивость — это неустойчивость течений стратифицированной вращающейся жидкой среды с вертикальным сдвигом скорости. С реализацией бароклинной неустойчивости связывают образование крупномасштабных вихрей в атмосфере Земли и других планет. Представлены современные теоретические подходы к исследованию бароклинной неустойчивости. К ним относятся описание неустойчивости в терминах взаимодействия краевых волн Россби, исследование проблемы оптимальных возмущений возмущений с максимумом скорости роста энергии или других функционалов, анализ нелинейной динамики возмущений с использованием маломодовых аппроксимаций метода Галёркина. Рассмотрены также классические энергетические критерии устойчивости зональных течений, полученные с помощью прямого метода Ляпунова—Арнольда. Приведённые результаты могут представлять интерес для специалистов в области механики сплошных сред и астрофизики.

Текст: pdf (Полный текст предоставляется по подписке)
English fulltext is available at DOI: 10.3367/UFNe.2021.08.039046
Ключевые слова: геофизическая гидродинамика, бароклинная неустойчивость, энергетические критерии устойчивости, нелинейная динамика возмущений, метод Галёркина
PACS: 05.45.−a, 47.10.−g, 47.20.Ft, 47.20.Ky, 47.27.Cn, 47.32.−y, 47.32.Ef, 47.32.cd, 47.85.Dh, 92.10.Lq, 92.60.−e, 92.60.hk (все)
DOI: 10.3367/UFNr.2021.08.039046
URL: https://ufn.ru/ru/articles/2022/10/c/
001112536300003
2-s2.0-85144631071
2022PhyU...65.1039K
Цитата: Калашник М В, Курганский М В, Чхетиани О Г "Бароклинная неустойчивость в геофизической гидродинамике" УФН 192 1110–1144 (2022)
BibTexBibNote ® (generic)BibNote ® (RIS)MedlineRefWorks

Поступила: 2 июня 2021, доработана: 20 августа 2021, 26 августа 2021

English citation: Kalashnik M V, Kurgansky M V, Chkhetiani O G “Baroclinic instability in geophysical fluid dynamics” Phys. Usp. 65 1039–1070 (2022); DOI: 10.3367/UFNe.2021.08.039046

Список литературы (166) ↓ Статьи, ссылающиеся на эту (22) Похожие статьи (20)

  1. Wallace J M, Hobbs P V Atmospheric Science: an Introductory Survey (New York: Academic Press, 1977)
  2. Монин А С Теоретические основы геофизической гидродинамики (Л.: Гидрометеоиздат, 1988); Пер. на англ. яз., Monin A S Theoretical Geophysical Fluid Dynamics (Dordrecht: Kluwer Acad. Publ., 1990)
  3. Pedlosky J Geophysical Fluid Dynamics (Berlin: Springer-Verlag, 1987)
  4. Vallis G K Atmospheric and Oceanic Fluid Dynamics: Fundamentals and Large-Scale Circulation (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2006)
  5. Ландау Л Д, Лифшиц Е М Гидродинамика; Пер. на англ. яз., Landau L D, Lifshitz E M Fluid Mechanics (Oxford: Pergamon Press, 1987)
  6. Незлин М В УФН 150 3 (1986); Nezlin M V Sov. Phys. Usp. 29 807 (1986)
  7. Должанский Ф В, Крымов В А, Манин Д Ю УФН 160 (7) 1 (1990); Dolzhanskii F V, Krymov V A, Manin D Yu Sov. Phys. Usp. 33 495 (1990)
  8. Монин А С УФН 150 61 (1986); Monin A S Sov. Phys. Usp. 29 843 (1986)
  9. Монин А С, Жихарев Г М УФН 160 (5) 1 (1990); Monin A S, Zhikharev G M Sov. Phys. Usp. 33 313 (1990)
  10. Онищенко О Г, Похотелов О А, Астафьева Н М УФН 178 605 (2008); Onishchenko O G, Pokhotelov O A, Astaf'eva N M Phys. Usp. 51 577 (2008)
  11. Фридман А М УФН 178 225 (2008); Fridman A M Phys. Usp. 51 213 (2008)
  12. Charney J G J. Meteorology 4 (5) 135 (1947)
  13. Eady E T Tellus 1 (3) 33 (1949)
  14. Дымников В П, Филатов А Н Устойчивость крупномасштабных атмосферных процессов (Л.: Гидрометеоиздат, 1990)
  15. Шакина Н П Гидродинамическая неустойчивость в атмосфере (Л.: Гидрометеоиздат, 1990)
  16. Hide R, Mason P J Adv. Phys. 24 47 (1975)
  17. Обухов А М Изв. АН СССР. Сер. геофиз. географ. 13 (4) 281 (1949)
  18. Lindzen R S Dynamics in Atmospheric Physics: Lecture Notes for an Introductory Graduate-Level Course (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1990)
  19. Курганский М В Введение в крупномасштабную динамику атмосферы: Адиабатические инварианты и их применение (СПб.: Гидрометеоиздат, 1993)
  20. Дикий Л А Гидродинамическая устойчивость и динамика атмосферы (Л.: Гидрометеоиздат, 1976)
  21. Davies H C, Bishop C H J. Atmos. Sci. 51 1930 (1994)
  22. Hide R Quart. J. R. Meteor. Soc. 79 161 (1953)
  23. Hide R Philos. Trans. R. Soc. Lond. A 250 441 (1958)
  24. Фридман А А Избранные труды (М.: Наука, 1966)
  25. Ertel H Naturwissenschaften 30 543 (1942)
  26. Свиркунов П Н Труды Ин-та экспериментальной минералогии РАН 27 88 (1996)
  27. Захаров В Е, Кузнецов Е А УФН 167 1137 (1997); Zakharov V E, Kuznetsov E A Phys. Usp. 40 1087 (1997)
  28. Charney J G, Stern M E J. Atmos. Sci. 19 159 (1962)
  29. Bretherton F P Quart. J. R. Meteor. Soc. 92 325 (1966)
  30. Montgomery M T, Shapiro L J J. Atmos. Sci. 52 1829 (1995)
  31. Hoskins B J Quart. J. R. Meteor. Soc. 100 480 (1974)
  32. Булеев Н И, Марчук Г И Работы по динамической метеорологии: за 1951 - 1954 гг. (Труды Института физики атмосферы АН СССР, № 2, Отв. ред. И А Кибель) (М.: Изд-во АН СССР, 1958) с. 66
  33. Монин А С Изв. АН СССР. Сер. геофиз. (4) 497 (1958)
  34. Монин А С Прогноз погоды как задача физики (М.: Наука, 1969); Пер. на англ. яз., Monin A S Weather Forecasting as a Problem in Physics (Cambridge, MA: MIT Press, 1972)
  35. Дикий Л А, Курганский М В Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана 7 939 (1971); Diky L A, Kurgansky M V Izv. Atmos. Ocean. Phys. 7 623 (1971)
  36. Kurgansky M V Adiabatic Invariants in Large-Scale Atmospheric Dynamics (Boca Raton, FL: CRC Press, 2002)
  37. Арнольд В И ДАН СССР 162 975 (1965); Пер. на англ. яз., Arnold V I Vladimir I. Arnold — Collected Works: Hydrodynamics, Bifurcation Theory, and Algebraic Geometry 1965 - 1972 (Eds A B Givental et al) (Berlin: Springer, 2014) p. 19
  38. Blumen W J. Atmos. Sci. 25 929 (1968)
  39. Blumen W J. Atmos. Sci. 35 774 (1978)
  40. Held I M et al J. Fluid Mech. 282 1 (1995)
  41. Majda A J, Tabak E G Physica D 98 515 (1996)
  42. Harvey B J, Ambaum M H P Quart. J. R. Meteor. Soc. 136 1506 (2010)
  43. Constantin P, Majda A J, Tabak E Nonlinearity 7 1495 (1994)
  44. Muraki D J, Snyder C J. Atmos. Sci. 64 2961 (2007)
  45. Carton X J. Atmos. Sci. 66 1051 (2009)
  46. Dritschel D G Geophys. Astrophys. Fluid Dyn. 105 368 (2011)
  47. Harvey B J, Ambaum M H P Geophys. Astrophys. Fluid Dyn. 105 377 (2011)
  48. Harvey B J, Ambaum M H P, Carton X J J. Atmos. Sci. 68 964 (2011)
  49. Lim C C, Majda A J Geophys. Astrophys. Fluid Dyn. 94 177 (2001)
  50. Reinaud J N, Dritschel D G, Carton X Geophys. Astrophys. Fluid Dyn. 110 461 (2016)
  51. Reinaud J N, Dritschel D G, Carton X Phys. Fluids 29 086603 (2017)
  52. Juckes M J. Atmos. Sci. 51 2756 (1994)
  53. Hakim G J, Snyder C, Muraki D J J. Atmos. Sci. 59 2405 (2002)
  54. Capet X et al J. Fluid Mech. 604 165 (2008)
  55. Tulloch R, Smith K S J. Atmos. Sci. 66 450 (2009)
  56. Ragone F, Badin G J. Fluid Mech. 792 740 (2016)
  57. Lapeyre G Fluids 2 7 (2017)
  58. Palmén E, Newton C W Atmospheric Circulation Systems: Their Structure, Physical Interpretation (New York: Academic Press, 1968); Пер. на русск. яз., Пальмен Э, Ньютон Ч Циркуляционные системы атмосферы (Л: Гидрометеоиздат, 1973)
  59. Калашник М В, Нерушев А Ф, Ивангородский Р В Изв. РАН. Физика атмосферы и океана 53 179 (2017); Kalashnik M V, Nerushev A F, Ivangorodsky R V Izv. Atmos. Ocean. Phys. 53 156 (2017)
  60. Gill A E Atmosphere-Ocean Dynamics (New York: Academic Press, 1982)
  61. Heifetz E et al Quart. J. R. Meteor. Soc. 130 233 (2004)
  62. Heifetz E et al Quart. J. R. Meteor. Soc. 130 211 (2004)
  63. Heifetz E, Methven J Phys. Fluids 17 064107 (2005)
  64. Petterssen S, Smebye S J Quart. J. R. Meteor. Soc. 97 457 (1971)
  65. Rotunno R, Fantini M J. Atmos. Sci. 46 3599 (1989)
  66. Mitsudera H J. Atmos. Sci. 51 3137 (1994)
  67. Farrell B F, Ioannou P J J. Atmos. Sci. 53 2025 (1996)
  68. Drazin P G Introduction to Hydrodynamic Stability (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2002); Пер. на русск. яз., Дразин Ф Введение в теорию гидродинамической устойчивости (М.: Физматлит, 2005)
  69. Charru F Instabilités hydrodynamiques (Paris: EDP Sciences, 2007); Пер. на русск. яз., Шарру Ф Неустойчивость в гидродинамике (М.-Ижевск: Инст. компьют. исслед., 2015); Пер. на англ. яз., Charru F Hydrodynamic Instabilities (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2011)
  70. Diaconescu E P, Laprise R Earth Sci. Rev. 113 161 (2012)
  71. Morgan M C J. Atmos. Sci. 58 2518 (2001)
  72. Morgan M C, Chen C C J. Atmos. Sci. 59 169 (2002)
  73. de Vries H, Opsteegh J D J. Atmos. Sci. 64 673 (2007)
  74. de Vries H, Opsteegh J D J. Atmos. Sci. 64 695 (2007)
  75. Kalashnik M V, Chkhetiani O J. Atmos. Sci. 75 2741 (2018)
  76. Калашник М В, Чхетиани О Г Изв. РАН. Физика атмосферы и океана 54 487 (2018); Kalashnik M V, Chkhetiani O G Izv. Atmos. Ocean. Phys. 54 415 (2018)
  77. Kalashnik M V, Chkhetiani O J. Atmos. Sci. 74 293 (2017)
  78. Калашник М В, Чхетиани О Г Изв. РАН. Механика жидкости и газа (2) 28 (2020); Kalashnik M V, Chkhetiani O G Fluid Dyn. 55 171 (2020)
  79. Dodd R K et al Solitons and Nonlinear Wave Equations (London: Academic Press, 1982)
  80. Гледзер Е Б, Должанский Ф В, Обухов А М Системы гидродинамического типа и их применение (М.: Наука, 1981)
  81. Калашник М В, Курганский М В Изв. РАН. Механика жидкости и газа (4) 126 (2020); Kalashnik M V, Kurgansky M V Fluid Dyn. 55 554 (2020)
  82. Hunt B G J. Atmos. Sci. 35 1133 (1978)
  83. McGuirk J P, Reiter E R J. Atmos. Sci. 33 2079 (1976)
  84. Pedlosky J Tellus 15 20 (1963)
  85. Pedlosky J J. Atmos. Sci. 27 15 (1970)
  86. Pedlosky J J. Atmos. Sci. 29 53 (1972)
  87. Pedlosky J, Polvani L M J. Atmos. Sci. 44 631 (1987)
  88. Hart J E Annu. Rev. Fluid Mech. 11 147 (1979)
  89. Hart J E J. Atmos. Sci. 38 400 (1981)
  90. Barcilon A, Drazin P G J. Atmos. Sci. 41 3314 (1984)
  91. Wang B, Barcilon A J. Atmos. Sci. 43 1275 (1986)
  92. Klein P, Pedlosky J J. Atmos. Sci. 43 1243 (1986)
  93. Калашник М В, Чхетиани О Г Изв. РАН. Механика жидкости и газа (5) 29 (2016); Kalashnik M V, Chkhetiani O G Fluid Dyn. 51 606 (2016)
  94. Тимофеев А В УФН 102 185 (1970); Timofeev A V Sov. Phys. Usp. 13 632 (1971)
  95. Thorncroft C D, Hoskins B J J. Atmos. Sci. 47 2317 (1990)
  96. Chang E K J. Atmos. Sci. 49 2452 (1992)
  97. Калашник М В Изв. РАН. Физика атмосферы и океана 51 648 (2015); Kalashnik M V Izv. Atmos. Ocean. Phys. 51 576 (2015)
  98. Kalashnik M V, Kurgansky M V, Kostrykin S V J. Atmos. Sci. 77 239 (2020)
  99. Мешалкин Л Д, Синай Я Г Прикладная математика и механика 25 1140 (1961); Meshalkin L D, Sinai Ia G J. Appl. Math. Mech. 25 1700 (1961)
  100. Vasavada A R, Showman A P Rep. Prog. Phys. 68 1935 (2005)
  101. Maximenko N A, Bang B, Sasaki H Geophys. Res. Lett. 32 L12607 (2005)
  102. Sokolov S, Rintoul S R J. Phys. Oceanogr. 37 1394 (2007)
  103. Phillips N A Tellus 6 274 (1954)
  104. Kalashnik M V, Kurgansky M V, Chkhetiani O G Phys. Fluids 33 076608 (2021)
  105. Drazin P G, Reid W H Hydrodynamic Stability (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2004)
  106. Miles J W J. Fluid Mech. 10 496 (1961)
  107. Kuo H L J. Meteor. 6 105 (1949)
  108. Kuo H L J. Atmos. Sci. 35 1840 (1978)
  109. Rayleigh Lord Philos. Trans. R. Soc. Lond. A 93 148 (1917)
  110. Solberg H Proces-verbaux del'assoc. de meteor., Un. Geod. Geophys. Int., Edimbourg 33 66 (1933)
  111. Emanuel K A J. Atmos. Sci. 36 2425 (1979)
  112. McIntyre M E Geophys. Fluid Dyn. 1 19 (1970)
  113. Dunkerton T J J. Atmos. Sci. 38 2354 (1981)
  114. Thomas L N et al Deep Sea Res. Pt. II Topical Stud. Oceanogr. 91 96 (2013)
  115. Courant R, Gilbert D Methods of Mathematical Physics Vol. 2 (New York: Interscience Publ., 1962); Пер. на русск. яз., Курант Р, Гильберт Д Методы математической физики Т. 2 (М.: Мир, 1964)
  116. Howard L N J. Fluid Mech. 10 509 (1961)
  117. Ooyama K J. Atmos. Sci. 23 43 (1966)
  118. Калашник М В Изв. РАН. Физика атмосферы и океана 44 848 (2008); Kalashnik M V Izv. Atmos. Ocean. Phys. 44 787 (2008)
  119. Четаев Н Г Устойчивость движения 4 изд., испр. (М.: Наука, 1990); Пер. на англ. яз. 2 изд., Chetaev N G The Stability of Motion (New York: Pergamon Press, 1961)
  120. Charney J Proc. of the 9th General Assembly, UGGI, Assoc. Meteorol., Brussel, 1951 p. 47
  121. Курганский М В Изв. РАН. Физика атмосферы и океана 29 464 (1993); Kurgansky M V Izv. Atmos. Ocean. Phys. 29 444 (1994)
  122. Tassoul J-L Theory of Rotating Stars (Princeton, NJ: Princeton Univ. Press, 1978); Пер. на русск. яз., Тассуль Ж-Л Теория вращающихся звезд (М.: Мир, 1982)
  123. Maeder A et al Astron. Astrophys. 553 A1 (2013)
  124. Калашник М В, Свиркунов П Н Докл. РАН 348 811 (1996); Kalashnik M V, Svirkunov P N Dokl. Earth Sci. 349 829 (1996)
  125. Калашник М В, Свиркунов П Н Метеорология и гидрология (4) 58 (1998); Kalashnik M V, Svirkunov P N Russ. Meteor. (4) 42 (1998)
  126. Mu M, Shepherd T G, Swanson K J. Atmos. Sci. 53 2918 (1996)
  127. Mu M, Vladimirov V, Wu Y H J. Atmos. Sci. 56 400 (1999)
  128. Kurgansky M V Quart. J. R. Meteor. Soc. 135 2168 (2009)
  129. Eliassen A Astrophis. Norvegica 5 19 (1951)
  130. Rüdiger G, Arlt R, Shalybkov D Astron. Astrophys. 391 781 (2002)
  131. Shakura N I, Sunyaev R A Astron. Astrophys. 24 337 (1973)
  132. Велихов Е П ЖЭТФ 36 1398 (1959); Velikhov E P Sov. Phys. JETP 36 995 (1959)
  133. Chandrasekhar S Hydrodynamic and Hydromagnetic Stability (Oxford: Clarendon Press, 1961)
  134. Balbus S A, Hawley J F Astrophys. J. 376 214 (1991)
  135. Balbus S A Annu. Rev. Astron. Astrophys. 41 555 (2003)
  136. Le Bars M, Le Gal P Phys. Rev. Lett. 99 064502 (2007)
  137. Le Dizès S, Riedinger X J. Fluid Mech. 660 147 (2010)
  138. Park J, Billant P J. Fluid Mech. 725 262 (2013)
  139. Rüdiger G et al Geophys. Astrophys. Fluid Dyn. 111 429 (2017)
  140. Le Gal P et al J. Fluid Mech. 907 R1 (2021)
  141. Tassoul J-L Stellar Rotation (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2000)
  142. Barnes J R J. Atmos. Sci. 41 1536 (1984)
  143. Polichtchouk I, Cho J Y-K Mon. Not. R. Astron. Soc. 424 1307 (2012)
  144. Sugimoto N, Takagi M, Matsuda Y J. Geophys. Res. Planets 119 1950 (2014)
  145. Goldreich P, Schubert G Astrophys. J. 150 571 (1967)
  146. Shibahashi H Publ. Astron. Soc. Jpn. 32 341 (1980)
  147. Knobloch E Astrophys. Space Sci. 116 149 (1985)
  148. Marcus P S, Press W H J. Fluid Mech. 79 525 (1977)
  149. Spruit H C, Knobloch E Astron. Astrophys. 132 89 (1984)
  150. Cabot W Astrophys. J. 277 806 (1984)
  151. Кичатинов Л Л Письма в Астрон. журн. 39 631 (2013); Kitchatinov L L Astron. Lett. 39 561 (2013)
  152. Kitchatinov L L Astrophys. J. 784 81 (2014)
  153. Gilman P A J. Atmos. Sci. 24 119 (1967)
  154. Gilman P, Dikpati M Astrophys. J. 787 60 (2014)
  155. Gilman P A Astrophys. J. 853 65 (2018)
  156. Chiang E Astrophys. J. 675 1549 (2008)
  157. Klahr H H, Bodenheimer P Astrophys. J. 582 869 (2003)
  158. Klahr H H Astrophys. J. 606 1070 (2004)
  159. Lesur G, Papaloizou J C B Astron. Astrophys. 513 A60 (2010)
  160. Adams F C, Watkins R Astrophys. J. 451 314 (1995)
  161. Barge P, Sommeria J Astron. Astrophys. 295 L1 (1995)
  162. Ou S et al Astrophys. J. 667 1220 (2007)
  163. Petersen M R, Julien K, Stewart G R Astrophys. J. 658 1236 (2007)
  164. Lorén-Aguilar P, Bate M R Mon. Not. R. Astron. Soc. Lett. 453 L78 (2015)
  165. Barge P, Richard S, Le Dizès S Astron. Astrophys. 592 A136 (2016)
  166. Richard S, Nelson R P, Umurhan O M Mon. Not. R. Astron. Soc. 456 3571 (2016)
© Успехи физических наук, 1918–2024
Электронная почта: ufn@ufn.ru Телефоны и адреса редакции О журнале Пользовательское соглашение