Геострофический ветер

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален.
Найти источники: «Геострофический ветер» - новости · газеты · книги · ученый · JSTOR ( август 2018 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Геострофический поток ( / ˌ dʒ я ə ы т т ɒ х ɪ к , ˌ dʒ я oʊ -, - с т р oʊ - / ^[1]^[2]^[3] ) являются теоретическими ветрами , который бы в результате точное равновесие между силой Кориолиса и градиента давления силы. Это состояние называется геострофическим равновесием или геострофическим балансом (также известным как геострофия ). Геострофическое ветер направлено параллельно к изобарам (линиям постоянного давления на заданную высоту). В природе такое равновесие редко соблюдается точно. Истинный ветер почти всегда отличается от геострофического ветра из-за других сил, таких как трение о землю. Таким образом, реальный ветер будет равен геострофическому ветру только в том случае, если не будет трения (например, над пограничным слоем атмосферы ) и изобары будут идеально прямыми. Несмотря на это, большая часть атмосферы за пределами тропиков большую часть времени близка к геострофическому потоку, и это ценное первое приближение. Геострофический поток в воздухе или воде - это инерционная волна нулевой частоты..

Происхождение [ править ]

Полезная эвристика состоит в том, чтобы представить, как воздух выходит из состояния покоя, испытывая силу, направленную из областей высокого давления в области низкого давления, называемую силой градиента давления . Однако, если бы воздух начал двигаться в ответ на эту силу, « сила» Кориолиса отклонила бы его вправо от движения в северном полушарии или влево в южном полушарии . По мере ускорения воздуха отклонение будет увеличиваться до тех пор, пока сила и направление силы Кориолиса не уравновесят силу градиента давления, состояние, называемое геострофическим балансом. В этот момент поток больше не движется от высокого давления к низкому, а вместо этого движется по изобарам.. Геострофический баланс помогает объяснить, почему в северном полушарии системы низкого давления (или циклоны ) вращаются против часовой стрелки, а системы (или антициклоны ) высокого давления вращаются по часовой стрелке, а в южном полушарии - наоборот.

Геострофические течения [ править ]

Течение океанской воды также в значительной степени геострофическое. Подобно тому, как несколько метеозондов, которые измеряют давление в зависимости от высоты в атмосфере, используются для картирования поля атмосферного давления и определения геострофического ветра, измерения плотности как функции глубины в океане используются для определения геострофических течений. Спутниковые высотомеры также используются для измерения аномалий высоты морской поверхности, что позволяет рассчитать геострофическое течение на поверхности.

Ограничения геострофического приближения [ править ]

Эффект трения между воздухом и землей нарушает геострофический баланс. Трение замедляет поток, уменьшая влияние силы Кориолиса. В результате сила градиента давления имеет больший эффект, и воздух по-прежнему движется от высокого давления к низкому, хотя и с большим отклонением. Это объясняет, почему ветры системы высокого давления исходят из центра системы, в то время как системы низкого давления имеют ветры, закрученные по спирали внутрь.

Геострофический ветер не учитывает фрикционные эффекты, которые обычно являются хорошим приближением для мгновенного потока синоптического масштаба в средних широтах и средней тропосфере . ^[4] Хотя агеострофические термины относительно малы, они важны для временной эволюции потока и, в частности, необходимы для роста и затухания штормов. Квазигеострофическая и полугеострофическая теории более широко используются для моделирования течений в атмосфере. Эти теории допускают расхождение и развитие погодных систем.

Формулировка [ править ]

Второй закон Ньютона можно записать следующим образом, если только градиент давления, сила тяжести и трение действуют на воздушную посылку, где жирные символы являются векторами:

{\frac {\mathrm {d} {\boldsymbol {U}}}{\mathrm {d} t}}=-2{\boldsymbol {\Omega }}\times {\boldsymbol {U}}-{\frac {1}{\rho }}\nabla P+\mathbf {g} +\mathbf {F} _{\mathrm {r} }

Здесь U - поле скорости воздуха, Ω - вектор угловой скорости планеты, ρ - плотность воздуха, P - давление воздуха, F _r - трение, g - вектор ускорения свободного падения иD/D tэто материал производной .

Локально это может быть расширено в декартовых координатах , где положительное u представляет направление на восток, а положительное v - направление на север. Пренебрегая трением и вертикальным движением, как это оправдано теоремой Тейлора – Праудмена , мы имеем:

{\begin{aligned}{\frac {\mathrm {d} u}{\mathrm {d} t}}&=-{\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial P}{\partial x}}+f\cdot v\\[5px]{\frac {\mathrm {d} v}{\mathrm {d} t}}&=-{\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial P}{\partial y}}-f\cdot u\\[5px]0&=-g-{\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial P}{\partial z}}\end{aligned}}

С е = 2 Ом греху ф с параметром Кориолиса (приблизительно10 ⁻⁴ с ⁻¹ , в зависимости от широты).

Предполагая геострофический баланс, система является стационарной, и первые два уравнения принимают следующий вид:

{\begin{aligned}f\cdot v&=\;\;\,{\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial P}{\partial x}}\\[5px]f\cdot u&=-{\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial P}{\partial y}}\end{aligned}}

Подставляя с помощью третьего уравнения выше, мы имеем:

{\begin{aligned}f\cdot v&=-g{\frac {\;{\frac {\partial P}{\partial x}}\;}{\;{\frac {\partial P}{\partial z}}\;}}=g{\frac {\partial Z}{\partial x}}\\[5px]f\cdot u&=g{\frac {\;{\frac {\partial P}{\partial y}}\;}{\;{\frac {\partial P}{\partial z}}\;}}=-g{\frac {\partial Z}{\partial y}}\end{aligned}}

где Z - высота поверхности постоянного давления ( геопотенциальная высота ), удовлетворяющая

{\frac {\partial P}{\partial x}}\mathrm {d} x+{\frac {\partial P}{\partial y}}\mathrm {d} y+{\frac {\partial P}{\partial z}}\mathrm {d} Z=0

Это приводит нас к следующему результату для компонентов геострофического ветра ( u _g , v _g ):

{\begin{aligned}u_{\mathrm {g} }&=-{\frac {g}{f}}{\frac {\partial Z}{\partial y}}\\[5px]v_{\mathrm {g} }&=\;\;\,{\frac {g}{f}}{\frac {\partial Z}{\partial x}}\end{aligned}}

Справедливость этого приближения зависит от местного числа Россби . Это недопустимо на экваторе, потому что f там равно нулю и поэтому обычно не используется в тропиках .

Возможны другие варианты уравнения; например, вектор геострофического ветра может быть выражен через градиент геопотенциала Φ на поверхности постоянного давления:

\mathbf {V} _{\mathrm {g} }={\frac {\hat {\mathbf {k} }}{f}}\times \nabla _{p}\Phi

См. Также [ править ]

Уравновешенный ветер
Геострофическое течение
Термальный ветер
Градиентный ветер
Преобладающие ветры

Ссылки [ править ]

^ "геострофический" . Dictionary.com Полный . Случайный дом . Проверено 22 января 2016 .
^ "геострофический" . Оксфордские словари UK Dictionary . Издательство Оксфордского университета . Проверено 22 января 2016 .
^ "геострофический" . Словарь Мерриама-Вебстера . Проверено 22 января 2016 .
^ Холтон, Джеймс Р .; Хаким, Грегори Дж. (2012). «2.4.1 Геострофическая аппроксимация и геострофический ветер». Введение в динамическую метеорологию . Международная геофизика. 88 (5-е изд.). Академическая пресса. С. 42–43. ISBN 978-0-12-384867-3.

Внешние ссылки [ править ]

Геострофическое приближение
Определение геострофического ветра
Описание геострофического ветра

[1] "геострофический" . Dictionary.com Полный . Случайный дом . Проверено 22 января 2016 .

[2] "геострофический" . Оксфордские словари UK Dictionary . Издательство Оксфордского университета . Проверено 22 января 2016 .

[3] "геострофический" . Словарь Мерриама-Вебстера . Проверено 22 января 2016 .

[4] Холтон, Джеймс Р .; Хаким, Грегори Дж. (2012). «2.4.1 Геострофическая аппроксимация и геострофический ветер». Введение в динамическую метеорологию . Международная геофизика. 88 (5-е изд.). Академическая пресса. С. 42–43. ISBN 978-0-12-384867-3.

[1]