Динамика атмосферы и океаны - Гилл А.
Скачать (прямая ссылка):
Теперь возникает вопрос: какие факторы определяют поверхностные ветры. Ответ для случая средних широт следует из того обстоятельства, что соотношение (13.10.7) применимо для всей толщи атмосферы за исключением приповерхностного пограничного слоя. Расчеты [?»] на основе этого соотношения показывают, что выше пограничного слоя в среднем имеется перенос масс в сторону экватора. Следовательно, в пограничном слое должен возникать экмановский поток в противоположном (полярном) направлении. Из соотношения (9.2.5) при этом можно заключить, что напряжение ветра на поверхности должно быть направлено на восток. В соответствии с соотношением
(9.5.1) в средних широтах у земли ветры должны быть западными. Кроме того, отсюда следует, что поскольку экмановские переносы в атмосфере и океане противоположны по направлению (см. разд. 9.2 и рис. 9.1), экмановские потоки вод в океане, расположенном под ячейкой Ферреля, должны быть направлены в сторону экватора. (Эта идея в обобщенном виде была использована в работах [334, 335] для нахождения циркуляции
океана по статистическим данным о ветре в верхней атмосфере!)
Более общие положения можно получить, если проинтегрировать по г* уравнение (13.10.4), умноженное на р*. При этом получается соотношение, характеризующее баланс углового момента количества движения зонального пояса атмосферы. В предположении, что член Tmction определяется преимущественно вертикальным градиентом горизонтальной составляющей напряжения между слоями, его интегральный эффект может быть выражен только через вклад трения на поверхности земли. Уравнение баланса при этом записывается следующим образом:
d ([й] [о] + (Mi>)eddy) р, cos2 ф dz^j/ г dqp = — (<p) cos2 <р,
(13.10.8)
где функция тх(ф) обозначает напряжение на поверхности (положительное при восточном направлении). Иначе говоря, закручивающее усилие (момент сил), создаваемое на поверхности (оно обсуждалось в разд. 2.3 и включает в себя влияние рельефа поверхности), сбалансировано с градиентом потока углового момента количества движения, связанным с движением воздуха. (Поток «планетарной составляющей углового момента» связан с ускорением Кориолиса. Он пропорционален потоку массы и, следовательно, равен нулю.) Изменения %х по широте показаны на рис. 2.2. Везде, за исключением низких широт, они находятся почти в полном равновесии с вихревыми эффектами, т. е. со слагаемым, включающим в себя (uv)eddy (оно может быть записано в виде суммы вкладов бегущей и стационарной волн). Доля, вносимая средним потоком, играет важную роль только в ячейке Гадлея низких широт. Максимальное значение этого вклада достигается в середине ячейки, где оно создает примерно такой же эффект, как и вихри на данной широте [588, рис. 4.10].
Чтобы более отчетливо представить себе, как в атмосфере реализуется баланс углового момента количества движения, надо оценить вихревые потоки импульса и определить основные порождающие их причины. Однако имеющаяся в настоящее время в распоряжении информация о вихревых потоках получена относительно недавно, и причина существования приповерхностных западных ветров долгое время оставалась загадочной. Очень интересное обсуждение истории теории общей циркуляции атмосферы и развития представлений о ней приведено в книге Лоренца [485]. Предположение, что большую роль в ней играют вихри, было введено в работе Джеффриса [375], где впервые была представлена построенная в рамках
теории мелкой воды модель общей циркуляции. Как и модель из разд. 9.16 (см. также рис. 9.14), она воспроизвела восточные приповерхностные ветры. Джеффрис в связи с этим отмечал, что единственный способ увязать соотношение (13.10.8) с существованием приповерхностных западных ветров, состоит в том, что необходимо признать очень важным вклад вихрей. Дальнейшее обсуждение баланса углового момента количества движения можно найти в работах [588 и 592, гл. 4].
Подводя итоги, следует отметить следующие особенности осредненного зонального поля ветра, которое показано на рис. 7.9.
(а) Обычно приповерхностный ветер намного слабее термического. В этом можно убедиться, рассматривая, скажем, разность между ветрами у поверхности и на высоте 200 мбар. Поэтому с точностью приближения первого порядка можно считать, что ветер у земли отсутствует, а ветры в верхней части атмосферы определяются соотношением термического ветра.
(б) Ветры у земли можно достаточно аккуратно определить из (13.10.8). Это означает, что по крайней мере в средних широтах, где влияние члена [й] [?J] относительно невелико, они формируются под воздействием вихревых потоков импульса. В разд. 13.9 было установлено, что возникновение вихревых потоков объясняется процессами, происходящими в течение заключительного периода жизненного цикла вихрей, а их направление оказывается связанным с рефракцией воли под влиянием среднего течения. На интенсивность поглощения энергии волн и расположение зон его максимума оказывает влияние и структура струйного течения. Она позволяет определенным образом судить о дивергенции потоков. Поскольку основные течения в океане приводятся в движение ветрами у поверхности, можно сказать, что они являются следствием процессов в верхней тропосфере!
