Динамика атмосферы и океаны - Гилл А.
Скачать (прямая ссылка):
В разд. 11.5 и 11.6 описаны различные типы волн, которые могут распространяться в экваториальном волноводе. Это эква-
ториальная волна Кельвина (названная так из-за сходства своей структуры со структурой береговой волны Кельвина) и экваториально захваченные гравитационные волны, которые служат аналогом волн Пуанкаре в однородно вращающейся системе. Имеется также новый важный класс волн со значительно более низкими частотами, называемых планетарными волнами. Их существование связано с изменениями невозмущенной потенциальной завихренности, и поэтому они встречаются на всех широтах. Однако траектории, вдоль которых они распространяются, изгибаются, как и траектории гравитационных волн, из-за изменения параметра Кориолиса с широтой. Именно этот изгиб и приводит к сосредоточению волн в области экваториального волновода.
Особенная природа медленного (т. е. с масштабом времени, превосходящим инерционный период) приспособления во вращающейся жидкости уже отмечалась в предыдущих главах. Оказывается, что для этого медленного процесса существенными являются изменения параметра Кориолиса с широтой. В разд. 11.8 рассматриваются приближения, которые можно использовать при его изучении. Поскольку при этом жидкость находится в состоянии, близком к геострофическому равновесию, движение называется квазигеострофическим. Вместе с тем характер приспособления может быть связан и с отклонениями от геострофичности. Очевидно, что этот тип движений важен, поскольку происходящие ото дня ко дню изменения распределений давления и скорости в атмосфере и океане преимущественно относятся к этой категории.
В разд. 11.10 изучаются свойства вертикально распространяющихся экваториально захваченных волн и приводятся ссылки на некоторые результаты их наблюдений в атмосфере и океане. Оказывается, что указанные волны могут играть существенную роль в динамике экваториальной зоны, например, ускоряя осред-ненные течения в стратосфере там, где происходит поглощение волн.
Приложения волновых решений к задаче о приспособлении рассматриваются начиная с разд. 11.11, в котором подчеркивается особая роль свободных волн. Например, изменения ветра в одной части экваториального океана (скажем, в западной части Тихого океана) могут создавать экваториальные волны, приводящие к изменениям в удаленных местах (в восточной части Тихого океана и у берегов Перу). Эти процессы могут лежать в основе некоторых изменений в Тихом океане, существенно влияющих на рыболовство у берегов Перу и на климат. С помощью других решений можно рассмотреть формирование под действием ветра экваториального противотечения и Сомалийского течения. Аналогично колебания интенсивности источников тепла в тропосфере, связанные с колебаниями облачности, могут по-
рождать волны, которые одновременно высоко распространяются в стратосферу и огибают Землю.
Стационарные вынужденные решения рассматриваются в разд. 11.13 и 11.14, начиная с уравнения потенциальной завихренности для идеальной жидкости. Оно показывает, что при отсутствии трения растягивающиеся вихревые линии смещаются к полюсу. Растяжение в атмосфере может быть вызвано нагревом, в то время как в океане его основной причиной служит экмановская подкачка. Если ее связать с распределением напряжения ветра, то в результате получается важное соотношение,, известное как уравнение Свердрупа. Оно устанавливает, что перенос вод к северу вызывается положительным вихрем напряжения ветра.
В разд. 11.14 ищутся решения в случае слабого трения. Их можно использовать для моделирования многих наблюдаемых, свойств тропической атмосферы и океана. Простые решения можно найти, например, для варианта, когда нагрев сосредоточен в отдельном районе около экватора. В самой области нагрева в нижней тропосфере в соответствии с уравнением потенциальной завихренности возникает течение в сторону полюса.. К востоку от этой зоны волны Кельвина, выходящие из зоны нагрева, формируют восточные пассаты. Это течение параллельно экватору, и поэтому для того, чтобы сбалансировать направленные к полюсу движения в участке нагрева, в его западной части должны возникать движения в сторону экватора. По этой причине на западном фланге области притока тепла формируется циклоническая циркуляция. В западной части зоны нагрева также возникают западные ветры, являющиеся реакцией типа планетарных волн. Реакция океана на ветровое воздействие может быть рассмотрена аналогичным образом.
В заключение приводятся два описательных раздела, касающиеся тропических циркуляций атмосферы и океана и их изменчивости. Отдельные аспекты этих циркуляций уже затрагивались в предыдущих разделах в связи с приложениями модельных результатов, однако они не давали цельного представления, что и послужило причиной появления двух последних обобщающих разделов.
11.2. ЭФФЕКТЫ КРИВИЗНЫ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ —
УРАВНЕНИЯ МЕЛКОЙ ВОДЫ НА СФЕРЕ
В предыдущих разделах влияние вращения Земли было ограничено случаем, когда кривизна Земли не учитывалась, т. е„ считалось, что горизонталь совпадает с плоской поверхностью,, расположенной по отношению к вектору угловой скорости вращения под фиксированным углом. Полученные при таких предположениях решения можно использовать для моделирования;
