характерные параметры волн россби
Россби волны, также известный как планетарные волны, являются разновидностью инерционная волна встречающиеся в природе во вращающихся жидкостях. [1] Впервые они были идентифицированы Карл-Густав Арвид Россби.Они наблюдаются в атмосферы и океаны планет из-за вращения планеты. Атмосферный Россби волны на Земле гигантские извилины в высокомвысота ветры которые имеют большое влияние на Погода. Эти волны связаны с системы давления и струйный поток. [2] Океанический Россби волны двигаться по термоклин: граница между теплым верхним слоем и холодной более глубокой частью океана.
Содержание
Типы волн Россби
Атмосферные волны
Атмосферные волны Россби возникают в результате сохранения потенциальная завихренность и находятся под влиянием Сила Кориолиса и градиент давления. Вращение заставляет жидкости поворачиваться вправо при их движении в северном полушарии и влево в южном полушарии. Например, жидкость, которая движется от экватора к северному полюсу, будет отклоняться на восток; жидкость движется к экватор с севера отклонится к западу. Эти отклонения вызваны силой Кориолиса и сохранением потенциальной завихренности, что приводит к изменениям относительной завихренности. Это аналогично сохранению угловой момент в механике. В планетарный атмосферы, включая Землю, волны Россби связаны с изменением эффекта Кориолиса с широта. Карл-Густав Арвид Россби впервые идентифицировал такие волны в Атмосфера Земли в 1939 году и продолжил объяснять свое движение.
Условия «баротропный» и «бароклиника»используются для различения вертикальной структуры волн Россби. Баротропные волны Россби не изменяются по вертикали и имеют самое быстрое распространение. скорости. С другой стороны, бароклинные волновые моды меняются по вертикали. Кроме того, они медленнее, со скоростью всего несколько сантиметров в секунду или меньше. [3]
Большинство исследований волн Россби проводилось на тех, которые находятся в атмосфере Земли. Волны Россби в атмосфере Земли легко наблюдать как (обычно 4-6) крупномасштабные меандры струйный поток. Когда эти отклонения становятся очень выраженными, массы холодного или теплого воздуха отделяются и становятся малопрочными. циклоны и антициклонысоответственно, и несут ответственность за ежедневные погодные условия в средних широтах. Действие волн Россби частично объясняет, почему восточные окраины континентов в Северном полушарии, такие как Северо-восток США и Восточная Канада, холоднее, чем западная Европа в то же широты. [4]
Атмосферные волны, распространяющиеся по направлению к полюсу
Глубокий конвекция (теплопередача) к тропосфера усиливается над очень теплыми морскими поверхностями в тропиках, например, во время Эль-Ниньо События. Это тропическое воздействие генерирует атмосферные волны Россби, которые мигрируют к полюсу и на восток.
Распространяющиеся по направлению к полюсу волны Россби объясняют многие наблюдаемые статистические связи между климатами низких и высоких широт. [5] Одним из таких явлений является внезапное стратосферное потепление. Распространяющиеся по направлению к полюсу волны Россби являются важной и однозначной частью изменчивости в Северном полушарии, как это выражено в модели Тихого океана в Северной Америке. Подобные механизмы применяются в Южном полушарии и частично объясняют сильную изменчивость Море Амундсена регион Антарктида. [6] В 2011 г. Природа Геонауки учиться с использованием модели общей циркуляции связали волны Россби в Тихом океане, вызванные повышением температуры в центральной тропической части Тихого океана, с потеплением в районе моря Амундсена, что привело к зимнему и весеннему континентальному потеплению. Ellsworth Land и Мэри Берд Лэнд в Западная Антарктида за счет увеличения адвекция. [7]
Волны Россби на других планетах
Атмосферные волны Россби, как Волны Кельвина, может произойти на любой вращающейся планете с атмосферой. Y-образное облако на Венере приписывается волнам Кельвина и Россби. [8]
Океанские волны
Бароклинные волны также вызывают значительные смещения океанических термоклин, часто десятки метров. Спутниковые наблюдения выявили величественное распространение волн Россби по всей бассейны океана, особенно в низких и средних широтах. Этим волнам могут потребоваться месяцы или даже годы, чтобы пересечь бассейн, такой как Тихий океан.
Волны Россби были предложены в качестве важного механизма для объяснения нагрева океан на европе, луна Юпитер. [10]
Волны в астрофизических дисках
Волновые неустойчивости Россби также считаются астрофизическими диски, например, вокруг вновь образующихся звезд. [11] [12]
Усиление волн Россби
Было высказано предположение, что ряд региональных экстремальных погодных явлений в Северном полушарии, связанных с блокировкой атмосферной циркуляции, может быть вызван квазирезонансное усиление волн Россби. Примеры включают Европейские наводнения 2013 г., то 2012 наводнение в Китае, то Жара в России 2010 г., то 2010 наводнение в Пакистане и Европейская жара 2003 г.. Даже принимая глобальное потепление принимая во внимание, аномальная жара 2003 года была бы крайне маловероятной без такого механизма.
Обычно свободно путешествует синоптическиймасштабные волны Россби и квазистационарный волны Россби планетарного масштаба существуют в средние широты только со слабыми взаимодействиями. Гипотеза, предложенная Владимир Петухов, Стефан Рамсторф, Стефан Петри, и Ганс Иоахим Шелльнхубер, заключается в том, что при некоторых обстоятельствах эти волны взаимодействуют, создавая статический узор. Они предполагают, что для этого зональный (Восток-Запад) волновое число обоих типов волн должны быть в диапазоне 6–8, синоптические волны должны задерживаться в пределах тропосфера (чтобы энергия не уходила в стратосфера) и средних широтах волноводы должен улавливать квазистационарные компоненты синоптических волн. В этом случае волны планетарного масштаба могут необычно сильно реагировать на орография а также тепловые источники и стоки из-за «квазирезонанса». [13]
Исследование 2017 г. Манн, Рамсторф и др. связано явление антропогенного Арктическое усиление к резонансу планетарных волн и экстремальным погодным явлениям. [14]
Математические определения
Свободные баротропные волны Россби при зональном течении с линеаризованным уравнением завихренности
Предполагается, что возмущение намного меньше среднего зонального потока.
Рассматривая воздушную подушку, не имеющую относительной завихренности перед возмущением (однородная U не имеет завихренности), но с планетарной завихренностью ж в зависимости от широты возмущение приведет к небольшому изменению широты, поэтому возмущенная относительная завихренность должна измениться, чтобы сохранить потенциальная завихренность. Также указанное выше приближение U >> ты гарантирует, что поток возмущений не адвектирует относительную завихренность.
Зональный (Икс-направление) фазовая скорость и групповая скорость волны Россби тогда даются
Значение бета
Волна Россби
Резюме
Характеристики
Мы говорим о « баротропных » и « бароклинных » волнах Россби в зависимости от структуры атмосферы:
Волны Россби сохраняют потенциальный вихрь и обязаны своим существованием изэнтропическому градиенту этого вихря.
Атмосфера
Океаны
С начала 1990-х годов спутники наблюдали прогрессирование крупномасштабных аномалий с востока на запад со скоростью, несколько меньшей, чем предсказывается теорией бароклинных волн Россби (в 1,5–2 раза в зависимости от используемого метода и широты).
Включение эффекта среднего тока и топографии в расчет обычно увеличивает фазовую скорость и значительно улучшает согласие между наблюдениями и теорией.
На поверхности и внизу граничные условия задаются термодинамическим уравнением сохранения плотности:
Можно получить уравнение для амплитуды F:
Зональная фазовая скорость этих волн для каждой моды i равна: против я <\ displaystyle c_ >
Поэтому он направлен на запад независимо от вертикальной моды и становится все слабее и слабее, когда номер моды увеличивается. Обычно порядка одного метра в секунду для баротропных волн и одного сантиметра в секунду для первого бароклинного режима.
Россби волны, также известный как планетарные волны, являются разновидностью инерционная волна встречающиеся в природе во вращающихся жидкостях. [1] Впервые они были идентифицированы Карл-Густав Арвид Россби.Они наблюдаются в атмосферы и океаны планет из-за вращения планеты. Атмосферный Россби волны на Земле гигантские извилины в высокомвысота ветры которые имеют большое влияние на Погода. Эти волны связаны с системы давления и струйный поток. [2] Океанический Россби волны двигаться по термоклин: граница между теплым верхним слоем и холодной более глубокой частью океана.
Содержание
Типы волн Россби
Атмосферные волны
Атмосферные волны Россби возникают в результате сохранения потенциальная завихренность и находятся под влиянием Сила Кориолиса и градиент давления. Вращение заставляет жидкости поворачиваться вправо при их движении в северном полушарии и влево в южном полушарии. Например, жидкость, которая движется от экватора к северному полюсу, будет отклоняться на восток; жидкость движется к экватор с севера отклонится к западу. Эти отклонения вызваны силой Кориолиса и сохранением потенциальной завихренности, что приводит к изменениям относительной завихренности. Это аналогично сохранению угловой момент в механике. В планетарный атмосферы, включая Землю, волны Россби связаны с изменением эффекта Кориолиса с широта. Карл-Густав Арвид Россби впервые идентифицировал такие волны в Атмосфера Земли в 1939 году и продолжил объяснять свое движение.
Условия «баротропный» и «бароклиника»используются для различения вертикальной структуры волн Россби. Баротропные волны Россби не изменяются по вертикали и имеют самое быстрое распространение. скорости. С другой стороны, бароклинные волновые моды меняются по вертикали. Кроме того, они медленнее, со скоростью всего несколько сантиметров в секунду или меньше. [3]
Большинство исследований волн Россби проводилось на тех, которые находятся в атмосфере Земли. Волны Россби в атмосфере Земли легко наблюдать как (обычно 4-6) крупномасштабные меандры струйный поток. Когда эти отклонения становятся очень выраженными, массы холодного или теплого воздуха отделяются и становятся малопрочными. циклоны и антициклонысоответственно, и несут ответственность за ежедневные погодные условия в средних широтах. Действие волн Россби частично объясняет, почему восточные окраины континентов в Северном полушарии, такие как Северо-восток США и Восточная Канада, холоднее, чем западная Европа в то же широты. [4]
Атмосферные волны, распространяющиеся по направлению к полюсу
Глубокий конвекция (теплопередача) к тропосфера усиливается над очень теплыми морскими поверхностями в тропиках, например, во время Эль-Ниньо События. Это тропическое воздействие генерирует атмосферные волны Россби, которые мигрируют к полюсу и на восток.
Распространяющиеся по направлению к полюсу волны Россби объясняют многие наблюдаемые статистические связи между климатами низких и высоких широт. [5] Одним из таких явлений является внезапное стратосферное потепление. Распространяющиеся по направлению к полюсу волны Россби являются важной и однозначной частью изменчивости в Северном полушарии, как это выражено в модели Тихого океана в Северной Америке. Подобные механизмы применяются в Южном полушарии и частично объясняют сильную изменчивость Море Амундсена регион Антарктида. [6] В 2011 г. Природа Геонауки учиться с использованием модели общей циркуляции связали волны Россби в Тихом океане, вызванные повышением температуры в центральной тропической части Тихого океана, с потеплением в районе моря Амундсена, что привело к зимнему и весеннему континентальному потеплению. Ellsworth Land и Мэри Берд Лэнд в Западная Антарктида за счет увеличения адвекция. [7]
Волны Россби на других планетах
Атмосферные волны Россби, как Волны Кельвина, может произойти на любой вращающейся планете с атмосферой. Y-образное облако на Венере приписывается волнам Кельвина и Россби. [8]
Океанские волны
Бароклинные волны также вызывают значительные смещения океанических термоклин, часто десятки метров. Спутниковые наблюдения выявили величественное распространение волн Россби по всей бассейны океана, особенно в низких и средних широтах. Этим волнам могут потребоваться месяцы или даже годы, чтобы пересечь бассейн, такой как Тихий океан.
Волны Россби были предложены в качестве важного механизма для объяснения нагрева океан на европе, луна Юпитер. [10]
Волны в астрофизических дисках
Волновые неустойчивости Россби также считаются астрофизическими диски, например, вокруг вновь образующихся звезд. [11] [12]
Усиление волн Россби
Было высказано предположение, что ряд региональных экстремальных погодных явлений в Северном полушарии, связанных с блокировкой атмосферной циркуляции, может быть вызван квазирезонансное усиление волн Россби. Примеры включают Европейские наводнения 2013 г., то 2012 наводнение в Китае, то Жара в России 2010 г., то 2010 наводнение в Пакистане и Европейская жара 2003 г.. Даже принимая глобальное потепление принимая во внимание, аномальная жара 2003 года была бы крайне маловероятной без такого механизма.
Обычно свободно путешествует синоптическиймасштабные волны Россби и квазистационарный волны Россби планетарного масштаба существуют в средние широты только со слабыми взаимодействиями. Гипотеза, предложенная Владимир Петухов, Стефан Рамсторф, Стефан Петри, и Ганс Иоахим Шелльнхубер, заключается в том, что при некоторых обстоятельствах эти волны взаимодействуют, создавая статический узор. Они предполагают, что для этого зональный (Восток-Запад) волновое число обоих типов волн должны быть в диапазоне 6–8, синоптические волны должны задерживаться в пределах тропосфера (чтобы энергия не уходила в стратосфера) и средних широтах волноводы должен улавливать квазистационарные компоненты синоптических волн. В этом случае волны планетарного масштаба могут необычно сильно реагировать на орография а также тепловые источники и стоки из-за «квазирезонанса». [13]
Исследование 2017 г. Манн, Рамсторф и др. связано явление антропогенного Арктическое усиление к резонансу планетарных волн и экстремальным погодным явлениям. [14]
Математические определения
Свободные баротропные волны Россби при зональном течении с линеаризованным уравнением завихренности
Предполагается, что возмущение намного меньше среднего зонального потока.
Рассматривая воздушную подушку, не имеющую относительной завихренности перед возмущением (однородная U не имеет завихренности), но с планетарной завихренностью ж в зависимости от широты возмущение приведет к небольшому изменению широты, поэтому возмущенная относительная завихренность должна измениться, чтобы сохранить потенциальная завихренность. Также указанное выше приближение U >> ты гарантирует, что поток возмущений не адвектирует относительную завихренность.
Зональный (Икс-направление) фазовая скорость и групповая скорость волны Россби тогда даются
Значение бета
Волновые процессы в атмосфере
Страницы работы
Содержание работы
17. Волновые процессы в атмосфере
Уравнения движения воздуха допускают решения в виде различного вида волновых процессов. Пример – распространение звуковых волн как периодических пульсаций давления воздуха (длины волн порядка сантиметров и метров). Этот пример относится к группе самых коротковолновых колебательных процессов в атмосфере. Здесь же нас будут интересовать волновые движения значительно более крупных масштабов. Кроме продольных упругих звуковых волн с длинами порядка сантиметров и метров, существуют атмосферные волны с более значительными длинами [39]:
Бывают динамически устойчивые и неустойчивые волны. Первые существуют продолжительное время без сильного изменения амплитуды, а затем затухают. Вторые характеризуются прогрессивным нарастанием амплитуды и потерей со временем волнового характера движения.
Волна препятствия – возникает в воздушном потоке, обтекающем препятствие. Образуется над препятствием и за ним вниз по потоку.
Волна давления – одна из периодических составляющих суточного хода атмосферного давления. Генераторами волны являются атмосферные приливы и суточный ход температуры, которые попадают в резонанс с собственными упругими колебаниями атмосферы. Волны давления могут быть также обусловлены прохождением циклонов и антициклонов, а также длинными волнами. Могут быть также волны давления с периодом в 24 и 36 суток, обусловленные особенностями общей циркуляции атмосферы.
Волна сдвига обусловлена разрывом горизонтальной скорости ветра на фронтальной поверхности.
Волна тропопаузы – имеющее волновой характер изменение высоты тропопаузы при прохождении высоких циклонов и антициклонов. Тропопауза снижается над тыловой частью циклона и передней частью следующего за ним антициклона и поднимается над тыловой частью следующего циклона. Волны тропопаузы тесно связаны с фронтальными волнами. Механизм возникновения сводится к горизонтальным перемещениям воздуха в соответствии с барическим полем на высотах верхней тропосферы и нижней стратосферы, а также с вертикальным перемещением воздуха в процессе циклогенеза (образования циклонов). Возможно также спонтанное образование на тропопаузе волн бόльших длины и периода.
Факторами развития фронтальных волн, приводящих к образованию циклонов, являются разрыв температуры и ветра на фронте и сила Кориолиса. При определенных соотношениях названных параметров волны становятся неустойчивыми и приводят к зарождению циклона.
Волновые процессы в атмосфере играют большую роль в передаче количества движения (импульса) из одной области атмосферы в другую, и таким образом обеспечивают «взаимодействие» между процессами, происходящими в разных областях атмосферы, например, в тропосфере и стратосфере, или в тропиках и субтропиках.
Волновые процессы различаются (и классифицируются) по возвратному механизму, являющемуся основной причиной колебаний. Например, выталкивающая сила, или сила плавучести, является причиной возникновения так называемых гравитационных волн. В волнах Россби возвращающей силой является дисбаланс между барическим градиентом и силой Кориолиса. Инерционно-гравитационные волны возникают в результате взаимодействия сил плавучести воздуха и силы Кориолиса. Например, зонально распространяющаяся (вдоль круга широты) гравитационная волна, которая осциллирует в вертикальной плоскости, при достаточно большой длине волны колебаний будет подвержена действию также и силы Кориолиса, приводящей появлению меридиональной компоненты скорости. Волны, обладающие свойствами волн Россби и инерционно-гравитационных, называют смешанными волнами (Rossby-gravity waves).
Земная атмосфера, как любое упругое тело, может совершать собственные внутренние колебания с вполне определенными частотами. Если в атмосфере происходят те или иные процессы с подходящими частотами, то благодаря резонансу, они могут привести к возбуждению колебаний атмосферы. В частности, в качестве таких процессов могут выступать суточные колебания температуры воздуха, состоящие из простых гармонических колебаний с периодами 24, 12, 8, 6 и т.д. часов. И действительно, в атмосфере имеются собственные колебания (их обнаруживают по местным колебаниям давления[1]) с периодами 24, 12 и 8 часов. Так, суточная волна, очевидно, связана с суточными изменениями температуры: над более теплой областью (сушей –днем, над морем – ночью) изобарические поверхности повышаются, и в более высоких слоях атмосферы происходит отток воздуха. Над более холодными областями, наоборот, создается приток воздуха. Это и служит причиной колебаний давления. Полусуточная волна состоит из волны, обегающей вокруг Земли за 12 часов, и стоячей волны. Особенностью 8-ми часовой волны является смена фазы волны на 180 градусов при переходе от зимы к лету. Весьма характерной особенностью названных волн давления является различная зависимость их амплитуд от широты. Кроме того, в ходе давления обнаруживаются 6-ти часовые колебания и полусуточные колебания, вызванные приливным действием Луны.
Характерные параметры волн россби
13 Марта 2011 © Бондаренко А. Л. (albert-bond@mail.ru)
 |
 |
Считается, что меандры отделяются от Гольфстрима и превращаются в вихри, как это демонстрируется на рис. 2. Вот этот аппендикс со временем должен оторваться и превратится в вихрь. Всё на первый взгляд объяснимо: вихрь вращается против часовой стрелки циклонически по движению течений в Гольфстриме и внутри его вода холодная, как в циклонах.
Подобные аномалии, принимаемые за вихри, позже, в семидесятых годах были обнаружены в открытой части океанов учёными и-та океанологии АН СССР [Каменкович, Кошляков, Монин, 1982]. Их назвали синоптическими вихрями (рис. 3.).
 |
Температурные аномалии – вихри теперь обнаруживаются везде в океанах и морях (рис. 4). В данном случае температура воды в холодных аномалиях
240C. Перепады температуры весьма существенны
