Энергетический цикл Лоренца

Энергетический цикл Лоренца описывает генерацию, преобразование и рассеивание в энергии в общей циркуляции атмосферы . ^[1] Он назван в честь метеоролога Эдварда Н. Лоренца, который работал над его математической формулировкой в ​​1950-х годах. ^[2]

Схематическое изображение с примерами

Описание [ править ]

Введение [ править ]

Любая система атмосферной циркуляции, будь то мелкомасштабная погодная система или крупномасштабная зональная ветровая система , поддерживается за счет подачи кинетической энергии. Развитие такой системы требует либо преобразования некоторой другой формы энергии в кинетическую энергию, либо преобразования кинетической энергии другой системы в энергию развивающейся системы. ^[3] В глобальном масштабе атмосферная циркуляция должна переносить энергию в направлении полюса, потому что в тропиках есть чистый прирост энергии за счет приходящей солнечной радиации и чистая потеря энергии в высоких широтах из-за теплового излучения. В низких широтах, где ячейка Хэдлипринимает форму, перенос энергии к полюсу осуществляется средней меридиональной циркуляцией. Напротив, в средних широтах влияние продольно-асимметричных элементов, называемых вихрями, преобладает над средним потоком. Для более тщательного изучения полезно разделить все параметры (например, P) на их средние по зонам (обозначенные верхней чертой, например P ) и их отклонения от среднего значения по зонам из-за орографии , контрастов суши и моря , погодных систем и любых других факторов. другие вихревые элементы (обозначены штрихом, например, P ').

Резервуары энергии [ править ]

Доступная потенциальная энергия - это количество потенциальной энергии в атмосфере, которая может быть преобразована в кинетическую энергию . В статически стабильной атмосфере средняя зональная доступная потенциальная энергия P аппроксимируется следующим образом:

${\ displaystyle {\ overline {P}} = {\ frac {1} {2}} \ int _ {A} {\ frac {\ rho _ {0}} {N ^ {2}}} \ left ({ \ frac {\ partial {\ overline {\ Phi}}} {\ partial z ^ {*}}} \ right) ^ {2} \, \ mathrm {d} V}$

где - интеграл по всей атмосфере Земли, ρ ₀ - средняя плотность воздуха , N - частота плавучести , мера статической устойчивости, Φ - геопотенциал, а z * обозначает координату логарифмического давления .${\ displaystyle \ int _ {A} \ mathrm {d} V}$

Возможная потенциальная энергия вихря P 'приблизительно равна:

${\ displaystyle P '= {\ frac {1} {2}} \ int _ {A} {\ frac {\ rho _ {0}} {N ^ {2}}} {\ overline {\ left ({\ frac {\ partial \ Phi '} {\ partial z ^ {*}}} \ right) ^ {2}}} \, \ mathrm {d} V}$

Средняя зональная кинетическая энергия K аппроксимируется как:

${\ displaystyle {\ overline {K}} = \ int _ {A} \ rho _ {0} {\ frac {{\ overline {u}} ^ {2}} {2}} \, \ mathrm {d} V}$

где u и v - зональная и меридиональная составляющие скорости воздуха.

Кинетическая энергия вихря K 'приблизительно равна:

${\ displaystyle K '= \ int _ {A} \ rho _ {0} {\ frac {{\ overline {u' ^ {2}}} + {\ overline {v '^ {2}}}} {2 }} \, \ mathrm {d} V}$ ^[1]

Источники, поглотители и преобразование энергии [ править ]

Описание энергетического цикла Лоренца завершается математическим формализмом для генерации потенциальной энергии посредством диабатического нагрева, ее преобразования в кинетическую энергию посредством вертикального движения воздуха и рассеивания кинетической энергии посредством трения . Преобразование средней зональной энергии в энергию вихрей и наоборот возможно, если вихри взаимодействуют со средним потоком и вытесняют теплый / холодный воздух. ^[1]

Ссылки [ править ]