Динамика атмосферы и океаны - Гилл А.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 11.30. Динамическая топография поверхности моря на северо-западе Индийского океана и непосредственно измеренные течения на глубине 10 м в период августа — сентября 1964 г. (Из [766, рис. 2].)
локальным образом с помощью механизма, сходного с рассмотренным в разд. 10.11, а позднее под действием удаленных эффектов, которые достигают береговой зоны, происходят дальнейшие изменения.
Существенные изменения с масштабами времени, превосходящими сезонные, происходят не только в атмосфере, но и в океане. Однако до настоящего времени они описаны не очень хорошо. Четко регистрируется сбой апвеллинга в восточной части Тихого океана и связанное с ним падение улова рыбы у берегов Перу. Этот эффект оказался хорошо скоррелированным с изменениями давления в г. Дарвине, расположенном почти на другом конце земного шара, а также с другими индексами
«южной осцилляции» (см. рис. 11.27). Кроме того, известно, что температура поверхности океана в центральной части экваториальной зоны Тихого океана очень хорошо коррелирует с местными осадками (см. рис. 11.26). Недавно на основе гидрологических данных [528] и данных об уровне с островных станций [880] было показано, что в термической структуре верхних слоев океана могут происходить очень большие изменения. В частности, на меридиане 137° в. д. в течение года подповерхностная температура на глубине 150 м менялась на величину до 8°, что вызывало изменения уровня на 40 см. Столь большие изменения повлекли за собой тяжелые последствия для животного и растительного мира рифов о. Гуам [88]. Высокий уровень моря на западе совпадает с понижением уровня на востоке. Оказывается, что он образуется в течение того времени, когда в год, предшествующий Эль-Ниньо, пассатные ветры в центральной части Тихого океана становятся более сильными, чем в обычные годы [880, 882]. При их ослаблении происходит резкое падение уровня на западе и соответствующий подъем на востоке. За один-два года уровень меняется на величину до 40 см. Изменения уровня имеют бароклинный характер, т. е. изменения придонного давления при них достаточно малы. По оценкам Виртки [882], количество приповерхностных вод, которое переносится при подобных перестройках ветров, в среднем соответствует потоку порядка 27 Мт/с. Таким образом, названные процессы оказываются весьма впечатляющими по своей мощности.
Глава 12
Средние широты
12.1. ВВЕДЕНИЕ
Цель этой книги состоит в том, чтобы понять природу процессов, протекающих в атмосфере и океане, и, в частности, определить закономерности, присущие процессу приспособления к силе тяжести при возникновении отклонений от равновесного состояния. В гл. 11 мы изучали особенности приспособления в экваториальной зоне. При этом было установлено, что очень существенную роль в ней играет изменение параметра Кориолиса по широте. Рассмотрим теперь этот эффект применительно к внетропическим районам.
При исследовании свободных волн на «экваториальной P-плоскости» было обнаружено их чрезвычайно важное свойство: волны распались на два класса, различия между которыми становились все более разительными с.возрастанием номера горизонтальной моды (или, иначе говоря, с расширением сферы влияния вдаль от экватора). Волны первого класса имели высокие частоты, и их локальные характеристики довольно слабо зависели от изменений параметра Кориолиса. Это гравитационные волны; они уже изучались в предыдущих главах, и нет необходимости рассматривать их далее.
Второй класс волн характеризовался низкими частотами. Само его существование связано с изменением параметра Кориолиса по широте. Максимальная частота воли из этого класса, определяемая соотношением (11.8.3), равна рс/(2/). Для океана в средних широтах это дает период порядка одного года, для атмосферы — порядка недели. Таким образом, в средних широтах в спектрах волн имеется большой провал менаду внутренними гравитационными волнами с минимальной частотой f и планетарными волнами с максимальной частотой Pc/(2f). Отношение этих частот равно некоторому большому числу 2/е, где е определяется по формуле (11.8.14), т. е.
е=р cjf2. (12.1.1)
На широте 45° отношение частот, например, равно
2/е = 2f2/(pc) = (1300 м/с)/с. (12.1.2)
В связи с тем, что новый класс движений довольно сильно отличается от гравитационных волн, его удобно изучать с
8 Зак. 796
помощью уравнений, записанных в соответствующем приближении. Как уже было показано в разд. 8.16, низкочастотные движения близки к геострофическому равновесию. Однако поскольку вертикальные движения связаны только с отклонениями от геострофики, эти отклонения очень важны. Подобное обстоятельство было отмечено в 1926 г. в работе Бранта и Дугласа [95], которые рассматривали вертикальные движения в связи с образованием осадков; однако вертикальные смещения необходимо знать также и при рассмотрении гравитационных восстанавливающих сил. В разд. 11.8 были выведены уравнения квазигеострофического приближения. Они были записаны в форме, соответствующей экваториальной зоне, но простые изменения этих уравнений, охарактеризованные в разд. 12.2, позволяют применить их и к зоне средних широт. В квазигеострофн-ческой постановке для средних широт нетрудно учесть также вертикальные изменения и нелинейные эффекты, что и будет сделано в разд. 12.8. Постановка задачи в таком виде была предложена Чарни [118, 119]. В работах Филлипса [624, 625] был дан обзор соответствующих исследований, а их детальное обсуждение можно найти в книге Педлоски [615]. При изучении квазигеострофических движений особенно полезно понятие потенциальной завихренности, развитое Россби [684, 685, 687].
