1999 Солдатенко, Синоптические вихри в атмосфере и океане (1119303), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В развитых антициклонахдавление воздуха в центре может достигать значений1070 гПа и более. В отличие от циклона в антициклоне в северном полушарии вращение происходитпо часовой стрелке, в южном полушарии – противчасовой стрелки. Сила трения, действие которойощутимо в пограничном слое атмосферы, способствует отклонению ветра от касательной к изобарамвлево. В результате линии тока в антициклоне принимают форму спиралей, расходящихся от центра(рис. 2). Давление, максимальное в центре антициклона, убывает к периферии.
Градиенты давления в антициклоне обычно меньше, чем в циклоне,а в центральной его части, как правило, наблюдается штиль.Изобары, которые проводятся на картах погоды,в циклонах и антициклонах имеют форму, близкуюв круговой или эллиптической. На перифериях циклонов часто наблюдаются вытянутые в одном направлении изобары, образующие барическую ложбину с относительно пониженным давлением вдольее оси, а иногда наблюдаются небольшие циклоны,нтроый фТеплА▼▼▼▼▼▼▼▼▼▼▼▼▼▼▼▼▼Холодный воздухАких параметров резко увеличены. Фронтальная зона имеет наклон в сторону холодного воздуха, приэтом тангенс угла наклона составляет 0,01–0,001.Рис. 2. Поле изобар и приземных линий тока в антициклоне северного полушарияëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹2, 1999называемые вторичными.
На окраинах антициклонов, в свою очередь, часто наблюдаются барическиегребни с относительно повышенным давлениемвдоль оси, а иногда и вторичные антициклоны, илиядра высокого давления.éëçéÇçõÖ åÖïÄçàáåõÇéáçàäçéÇÖçàü ëàçéèíàóÖëäàï ÇàïêÖâИстория развития представлений о механизмахвозникновения синоптических вихрей достаточноподробно описана в литературе (см., например, [1,4]). В настоящее время общепризнано, что основным механизмом зарождения синоптических вихрей в атмосфере является гидродинамическая неустойчивость близкого к зональному атмосферногопотока. Заметим, что неустойчивость в геофизической гидродинамике обычно понимается в смыслеЛяпунова, который исследовал устойчивость решений систем дифференциальных уравнений относительно возмущений начальных данных.
Из различных видов гидродинамической неустойчивостинаибольшую роль в процессах крупномасштабноговихреобразования играет бароклинная неустойчивость, то есть неустойчивость атмосферного потокас широтным градиентом температуры (и, следовательно, с вертикальным градиентом скорости ветра) в поле силы Кориолиса. Источником энергиирастущих возмущений в таком потоке служит доступная потенциальная энергия.Другим видом неустойчивости, который можетвносить значительный вклад в зарождение и развитие синоптических вихрей, является баротропнаянеустойчивость (неустойчивость атмосферного потока с поперечным сдвигом скорости ветра в полесилы Кориолиса). Источником энергии неустойчивых возмущений в этом случае является кинетическая энергия основного потока.Определить условия, при которых в зональномпотоке малые возмущения могут вырастать до размеров синоптических вихрей, а также найти спектрнеустойчивых возмущений и скорости их роста наначальной стадии оказывается возможным в рамкахлинейного приближения.
В этом случае каждый изметеорологических параметров представляется ввиде суммы ϕ = ϕ + ϕ', где ϕ характеризует основное состояние атмосферы (зональный поток), а ϕ' –возмущения. Далее уравнения, описывающие динамику атмосферных процессов, линеаризуютсяотносительно состояния, описывающего основнойпоток (то есть относительно ϕ ), и решение ищется ввиде простых гармонических волн (нормальных мод)ϕ' ( x, z, t ) = ϕ 0' ( z )eik ( x – ct ).Здесь ϕ 0' ( z ) – функция, описывающая распределение амплитуд волновых возмущений по вертикали;k – волновое число по оси х; с = cr + ici – комплексная фазовая скорость волны (cr – физическая фазо-вая скорость, ci – мнимая часть комплексной фазовой скорости).Неустойчивость решения возникает тогда, когдафазовая скорость с имеет отрицательную мнимуючасть, при этом величина kci является показателемроста волны. Вообще говоря, для полного исследования устойчивости линеаризованной системы уравнений следовало бы решать задачу Коши (задачу сначальными условиями) и следить за эволюциейначальных возмущений с течением времени.
Однако опыт показывает, что оба метода дают вполнесравнимые результаты при исследовании начальной стадии развития неустойчивых возмущений.Изучение различных атмосферных потоков позволило получить необходимые условия развитиябароклинной неустойчивости. В частности, одно изтаких условий, полученное в рамках двухслойноймодели атмосферы, имеет следующий вид:cos ϕU 1 – U 3 > σ ------------,sin ϕгде U1 и U3 – скорости зонального потока на уровнях, где атмосферное давление равно 250 и 750 гПасоответственно; ϕ – географическая широта; σ –параметр статической устойчивости атмосферы.При выполнении этого неравенства неустойчивость рассматриваемого атмосферного потока возможна. На рис.
3 показана кривая, отделяющая область устойчивости от области неустойчивости,построенная для двухслойной модели атмосферы.Низшая точка кривой соответствует наиболее неустойчивым волнам и наиболее слабым сдвигам ветра, при которых проявляется неустойчивость. Анализируя рис. 3 можно заметить, что, во-первых,волны с большими и малыми волновыми числами(короткие и длинные волны) устойчивы и, во-вторых, неустойчивость возможна только начиная снекоторого конечного сдвига скорости ветра. Еслирассчитать длину волны неустойчивого возмущения, соответствующую минимальному значению∆U = U1 − U3 , при котором происходит развитие бароклинной неустойчивости (∆Umin ≈ 3 м/с), то дляреальных физических условиях в атмосфере получим значение порядка 4000 км, что близко к реальнонаблюдаемым в атмосфере бароклинным волнам,из которых развиваются синоптические вихри.Однако выполнение необходимых условий неустойчивости не означает, что неустойчивость обязательно будет наблюдаться.
Для того чтобы решитьвопрос, является ли данный поток неустойчивым,проводится специальный анализ. Оставаясь в рамкахлинейного приближения, этот анализ выполняетсяпутем решения соответствующей задачи на собственные значения, что позволяет определить спектрнеустойчивых волн и скорости их роста. Для практических оценок можно использовать следующееëéãÑÄíÖçäé ë.Ä.
ëàçéèíàóÖëäàÖ Çàïêà Ç ÄíåéëîÖêÖ à éäÖÄçÖ81∆U м/сУстойчивостьНеустойчивость3Устойчивость0369kРис. 3. Нейтральная кривая, разделяющая области устойчивости и неустойчивости атмосферногозонального потока (получена на основе двухслойной модели атмосферы Н. Филлипсом)соотношение, позволяющее находить максимальный показатель роста бароклинных неустойчивыхволн:f dUkc i = 0 ,3125 ---- ------- .N dzДля типичных атмосферных условий показательроста неустойчивых возмущений имеет порядок10− 6 с−1.Практика показывает, что синоптические вихривозникают как низкие барические образования, охватывающие на начальных стадиях своего развитиянижний слой тропосферы толщиной 2–3 км.
Этоозначает, что в реальных условиях наиболее частопотеря устойчивости происходит в нижних слоях атмосферы. Результаты математического моделирования показывают, что в этом случае максимум скорости нарастания амплитуд и энергии неустойчивыхвозмущений сдвигается в сторону высоких волновых чисел с k = 14, 15. Однако в нижней тропосферевесьма значительны диссипация энергии и турбулентное (хаотическое) перемешивание воздуха. Всеэто приводит к тому, что максимум результирующейскорости нарастания неустойчивых возмущений перемещается в спектральную область с волновымичислами k = 6…8, что соответствует в средних широтах волнам, имеющим длину 3000–4000 км.Линейное приближение позволяет проследитьзарождение синоптических вихрей и их развитиелишь на начальной стадии, поскольку в этом случаене учитываются взаимодействия возмущений между собой и их влияние на основной поток. На болеепоздних стадиях, когда все большее значение приобретают нелинейные эффекты, изучение эволю-82ции синоптических вихрей выполняется с помощьюнелинейных математических моделей, реализациякоторых выполняется на вычислительной технике.Нелинейные математические модели дают возможность исследовать вклад различных физическихфакторов в формирование вихревой активности атмосферы.Реальные атмосферные потоки, на фоне которыхразвиваются синоптические вихри, сравнительноредко можно считать зональными и прямолинейными.
Обычно синоптические вихри возникают на фоне волн планетарного масштаба (волновые числаk = 1, 2). Присутствие планетарных волн расширяетвозможности возникновения синоптических вихрей в атмосфере и формирует районы, наиболееблагоприятные для зарождения циклонических синоптических вихрей, так называемые бароклинноактивные районы.Возможности баротропной неустойчивости впроцессах возникновения крупномасштабных вихрей значительно меньше по сравнению с бароклинной неустойчивостью. Обычно атмосферный потокбаротропно устойчив.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
