Динамика атмосферы и океаны - Гилл А.
Скачать (прямая ссылка):
В действительности в природе возникают обе рассмотренные ситуации. Их можно увидеть, в частности, на рис. 12.17, а, демонстрирующем карту анализа поверхности 700 мбар для срока 00.00 по Гринвичу 10 ноября 1975 г. В это время над центральной областью западной части Северной Америки развивался сильный шторм. На рис. 12.17, а показано положение фронтов, а на рис. 12.17, б распределение Q-векторов. К северо-востоку от центра циклона отмечается область восходящих движений. Здесь, как и в модели А, обнаруживается мощная струя воздуха, направленная в область холода. И напротив, к юго-западу от центра образования имеется область опускания, совпадающая со струей воздуха, устремленной в теплую зону. На холодном фронте эта струя испытывает расхождение (как в модели Б), и вдоль фронта возникают восходящие движения.
Глава 13
Неустойчивость, фронты, общая циркуляция
13.1. ВВЕДЕНИЕ
Представления Галлея [284] о характере атмосферной циркуляции с подъемом теплого воздуха в тропиках и опусканием более холодного воздуха в более высоких широтах были, по-видимому, основаны на известных в то время закономерностях, присущих невращающимся жидкостям. Вместе с тем в невра-щающейся системе зонально симметричное распределение источников и стоков тепла не приводит к движению на восток или на запад и в этом и состоит основной недостаток схемы Галлея. Значение вращения позднее было осознано Гадлеем [283], который продемонстрировал, что принцип сохранения момента количества движения позволяет объяснить существование направленной на восток составляющей пассатов (хотя в своих построениях он ошибочно исходил из закона сохранения не углового момента, а угловой скорости). Последующее развитие моделей циркуляции обсуждалось в работе Лоренца [485]. В девятнадцатом веке были предприняты большие усилия по построению моделей, которые позволяют качественно правильно воспроизвести поверхностные распределения и в общем соответствуют положениям, выдвинутым Гадлеем. В работе Веттина 1857 г. [814] (см. [221]) был предложен существенно иной подход, в котором циркуляция атмосферы моделировалась с помощью вращающегося сосуда, в качестве рабочей жидкости был использован воздух, а движение генерировалось с помощью источников и стоков тепла (таких как лед). Несмотря на перспективность этого подхода он был развит лишь спустя примерно сто лет.
Основным препятствием развитию этого подхода было отсутствие представления о неустойчивости и связанных с ней нестационарных и неосесимметричных движениях, исследованных позже. В 1888 г. Гельмгольц [317] уже знал, что неустойчивость может играть важную роль, но наибольшее значение он придавал тому ее виду, который приводит к развитию облачности и тем самым способствует вертикальному перемешиванию. Позднее в 1937 г. Бьеркнес [67] (см. [485]) использовал идею о неустойчивости и получил картину циркуляции, которая очень хорошо согласуется с современными представлениями. Он пришел к выводу, что циркуляция будет существенно отличаться
от зонально симметричной, если вынуждающие силы, с одной стороны, генерируют подобную зонально-симметричную циркуляцию, а она, с другой стороны, оказывается неустойчивой к малым возмущениям, являющимся функциями долготы. В этом случае наблюдаемая циркуляция должна содержать полностью развитые возмущения, которые принимают форму циклонов и антициклонов.
Математическое описание неустойчивости, которое воспроизводило развитие циклонов, было развито в работах Чарни в 1947 г. [118] и Иди в 1949 г. [182], обсуждаемых в разд. 13.4 и 13.3. Изучавшийся в указанных работах процесс носит название бароклинной неустойчивости, а источником энергии возмущений в этом случае служит доступная потенциальная энергия (см. разд. 7.8) исходного зонально симметричного течения. Вместе с тем, простое наличие доступной потенциальной энергии еще не означает неустойчивости. Об этом свидетельствует, в частности, контрпример из разд. 13.2. Для того, чтобы неустойчивость была действительно возможной, нужны определенные условия, о которых говорится в разд. 13.5.
Другим типом неустойчивости, представляющим интерес для геофизики, является так называемая баротропная неустойчивость. Источники ее энергии связаны с неоднородностью среднего потока по горизонтали. Приведенный в разд. 13.6 пример этого процесса основан на исследовании неустойчивости плоско-параллельного течения, выполненном в 1880 г. Рэлеем [655]. Несмотря на то что эта задача непосредственно касается проблемы баротропной неустойчивости, математические выкладки разд. 13.6 очень близки к выкладкам из разд. 13.3 при изучении задачи Иди.
Теории неустойчивости в основном касаются только начальной стадии развития малого возмущения, в то время как роль вихрей в общей циркуляции зависит от их влияния на протяжении всего жизненного цикла возмущения. Цикл жизни баро-клииного возмущения обсуждается в разд. 13.9 на основе модели, характеризующей циркуляцию атмосферы. Вихри (т. е. циклоны и антициклоны) переносят тепло в направлении полюса, что можно ожидать, исходя из того обстоятельства, что они поглощают доступную потенциальную энергию среднего течения. Одновременно они переносят к полюсу зональную составляющую импульса, что возможно связано с распространением планетарных волн от зоны неустойчивости вверх и к экватору и их поглощением на экваториальной стороне струйного течения. В соответствии с требованием баланса углового момента импульса вихревой перенос импульса оказывает непосредственное воздействие на распределение ветра на подстилающей поверхности. Эти вопросы обсуждаются в разд. 13.10. Кроме того, там же рассматриваются и другие аспекты задачи о циркуля-
