Волна Россби

Волны Россби , также известные как планетарные волны , представляют собой тип инерционной волны, естественным образом возникающей во вращающихся жидкостях. ^[1] Впервые их опознал Карл-Густав Арвид Россби . Они наблюдаются в атмосферах и океанах планет благодаря вращению планеты. Атмосферные волны Россби на Земле гигантские извивается в высокотемпературных высотных ветров , которые оказывают значительное влияние на погоду . Эти волны связаны с системами давления и струйным течением . ^[2] Океанические волны Россби движутся вдоль термоклина.: граница между теплым верхним слоем и холодной более глубокой частью океана.

Типы волн Россби [ править ]

Атмосферные волны [ править ]

Изгибы северного полушария «s реактивная струя развивается (а, б) и , наконец , отделяя„каплю“холодного воздух (с). Оранжевый: более теплые массы воздуха; розовый: струйная струя; синий: более холодные массы воздуха.

Атмосферные волны Россби являются результатом сохранения потенциальной завихренности и находятся под влиянием силы Кориолиса и градиента давления. Вращение заставляет жидкости поворачиваться вправо при движении в северном полушарии и влево в южном полушарии. Например, жидкость, которая движется от экватора к северному полюсу, будет отклоняться на восток; жидкость, движущаяся к экватору с севера, будет отклоняться к западу. Эти отклонения вызваны силой Кориолиса и сохранением потенциальной завихренности, что приводит к изменениям относительной завихренности. Это аналогично сохранению углового момента в механике. В планетарномВ атмосфере, включая Землю, волны Россби возникают из-за изменения эффекта Кориолиса с широтой . Карл-Густав Арвид Россби впервые идентифицировал такие волны в атмосфере Земли в 1939 году и продолжил объяснение их движения.

Можно идентифицировать земную волну Россби, поскольку ее фазовая скорость , отмеченная гребнем волны, всегда имеет западную составляющую. ^{[ необходима цитата ]} Однако может показаться, что собранный набор волн Россби движется в любом направлении с так называемой групповой скоростью . Как правило, более короткие волны имеют групповую скорость, направленную на восток, а длинные волны - групповую скорость, направленную на запад.

Термины « баротропный » и « бароклинный » используются для различения вертикальной структуры волн Россби. Баротропные волны Россби не меняются по вертикали и имеют самые быстрые скорости распространения . С другой стороны, бароклинные волновые моды меняются по вертикали. Они также медленнее, со скоростью всего несколько сантиметров в секунду или меньше. ^[3]

Большинство исследований волн Россби было проведено в атмосфере Земли. Волны Россби в атмосфере Земли легко наблюдать как (обычно 4–6) крупномасштабные меандры струйного течения . Когда эти отклонения становятся очень заметными, массы холодного или теплого воздуха отделяются и становятся соответственно циклонами и антициклонами низкой мощности , которые ответственны за повседневные погодные условия в средних широтах. Действие волн Россби частично объясняет, почему восточные окраины континентов в северном полушарии, такие как северо-восток США и восточная Канада , холоднее, чем Западная Европа на тех же широтах . ^[4]

Атмосферные волны, распространяющиеся по направлению к полюсу [ править ]

Глубокая конвекция ( передача тепла ) в тропосферу усиливается над очень теплыми морскими поверхностями в тропиках, например, во время явлений Эль-Ниньо . Это тропическое воздействие порождает атмосферные волны Россби, которые мигрируют к полюсу и на восток.

Распространяющиеся к полюсу волны Россби объясняют многие наблюдаемые статистические связи между климатами низких и высоких широт. ^[5] Одним из таких явлений является внезапное стратосферное потепление . Распространяющиеся по направлению к полюсу волны Россби являются важной и однозначной частью изменчивости в Северном полушарии, как это выражено в модели Тихого океана в Северной Америке. Подобные механизмы применяются в Южном полушарии и частично объясняют сильную изменчивость в районе моря Амундсена в Антарктиде . ^[6] В 2011 году было проведено исследование Nature Geoscience с использованием моделей общей циркуляции.связанные тихоокеанское волны Россби , генерируемые за счет увеличения центральных тропических температур Тихого океана на потепление в регионе моря Амундсена, что ведет к озимого и ярового континентального потепления Элсуэрта и Земли Мэри Бэрд в Западной Антарктиде по увеличению адвекции . ^[7]

Волны Россби на других планетах [ править ]

Атмосферные волны Россби, как и волны Кельвина , могут возникать на любой вращающейся планете с атмосферой. Y-образная облачность на Венере приписывается волнам Кельвина и Россби. ^[8]

Океанские волны [ править ]

Океанические волны Россби - это крупномасштабные волны в океаническом бассейне. Они имеют низкую амплитуду, от сантиметров (на поверхности) до метров (на термоклине), по сравнению с атмосферными волнами Россби, которые составляют порядка сотен километров. Им могут потребоваться месяцы, чтобы пересечь бассейн океана. Они получают импульс от напряжения ветра в поверхностном слое океана и, как считается, сообщают о климатических изменениях из-за изменчивости воздействия , вызванного как ветром, так и плавучестью . И баротропные, и бароклинные волны вызывают колебания высоты морской поверхности, хотя длина волн затрудняла их обнаружение до появления спутниковой альтиметрии .Спутниковые наблюдения подтвердили существование океанических волн Россби. ^[9]

Бароклинные волны также вызывают значительные смещения океанического термоклина , часто на десятки метров. Спутниковые наблюдения показали, как волны Россби распространяются по всем океанским бассейнам , особенно в низких и средних широтах. Этим волнам могут потребоваться месяцы или даже годы, чтобы пересечь такой бассейн, как Тихий океан .

Волны Россби были предложены в качестве важного механизма для объяснения нагрева океана на Европе , спутнике Юпитера . ^[10]

Волны в астрофизических дисках [ править ]

Считается, что нестабильность волн Россби также обнаруживается в астрофизических дисках , например, вокруг вновь образующихся звезд. ^{[11] [12]}

Усиление волн Россби [ править ]

Было высказано предположение, что ряд региональных экстремальных погодных явлений в Северном полушарии, связанных с блокировкой атмосферной циркуляции, мог быть вызван квазирезонансным усилением волн Россби . Примеры включают в себя 2013 европейских наводнения , в 2012 году Китай наводнение , в русскую жару 2010 года Пакистан наводнение 2010 и европейскую жару 2003 . Даже с учетом глобального потепления , аномальная жара 2003 года была бы крайне маловероятной без такого механизма.

Обычно свободно распространяющиеся волны Россби синоптического масштаба и квазистационарные волны Россби планетарного масштаба существуют в средних широтах со слабым взаимодействием. Гипотеза, предложенная Владимиром Петуховым , Стефаном Рамсторфом , Стефаном Петри и Хансом Иоахимом Шелнхубером , заключается в том, что при некоторых обстоятельствах эти волны взаимодействуют, создавая статический узор. Они предполагают, что для этого зональное (восточно-западное) волновое число обоих типов волн должно быть в диапазоне 6–8, синоптические волны должны задерживаться в тропосфере (чтобы энергия не уходила встратосфера ) и среднеширотные волноводы должны улавливать квазистационарные компоненты синоптических волн. В этом случае волны планетарного масштаба могут необычно сильно реагировать на орографию и тепловые источники и опускания из-за «квазирезонанса». ^[13]

Исследование 2017 года, проведенное Mann , Rahmstorf, et al. связали явление антропогенного усиления Арктики с резонансом планетарных волн и экстремальными погодными явлениями. ^[14]

Математические определения [ править ]

Свободные баротропные волны Россби при зональном течении с линеаризованным уравнением завихренности [ править ]

Начнем с того, что средний зональный поток U можно считать возмущенным, если U постоянна во времени и пространстве. Позвольте быть полным горизонтальным полем ветра, где u и v - компоненты ветра в направлениях x и y соответственно. Полное поле ветра можно записать как средний поток U с небольшим наложенным возмущением u ' и v' .${\ displaystyle {\ vec {u}} = \ langle u, v \ rangle}$

${\ Displaystyle и = U + и '(т, х, у) \!}$

${\ Displaystyle v = v '(т, х, у) \!}$

Предполагается, что возмущение намного меньше среднего зонального потока.

${\ displaystyle U \ gg u ', v' \!}$

Относительная завихренность и возмущения и могут быть записаны в терминах функции тока (в предположении недивергентного потока, для которого функция тока полностью описывает поток):${\ displaystyle \ eta}$${\ displaystyle u '}$${\ displaystyle v '}$ ${\ displaystyle \ psi}$

${\ displaystyle {\ begin {align} u '& = {\ frac {\ partial \ psi} {\ partial y}} \\ [5pt] v' & = - {\ frac {\ partial \ psi} {\ partial x}} \\ [5pt] \ eta & = \ nabla \ times (u '\ mathbf {\ hat {\ boldsymbol {\ imath}}} + v' \ mathbf {\ hat {\ boldsymbol {\ jmath}}} ) = - \ nabla ^ {2} \ psi \ end {align}}}$

Рассматривая участок воздуха, который не имеет относительной завихренности перед возмущением (однородный U не имеет завихренности), но с планетарной завихренностью f как функцией широты, возмущение приведет к небольшому изменению широты, поэтому возмущенная относительная завихренность должна измениться по порядку для сохранения потенциальной завихренности . Кроме того, указанное выше приближение U >> u ' гарантирует, что поток возмущений не адвектирует относительную завихренность.

${\ displaystyle {\ frac {d (\ eta + f)} {dt}} = 0 = {\ frac {\ partial \ eta} {\ partial t}} + U {\ frac {\ partial \ eta} {\ частичный x}} + \ beta v '}$

с . Вставьте определение функции потока, чтобы получить:${\displaystyle \beta ={\frac {\partial f}{\partial y}}}$

${\displaystyle 0={\frac {\partial \nabla ^{2}\psi }{\partial t}}+U{\frac {\partial \nabla ^{2}\psi }{\partial x}}+\beta {\frac {\partial \psi }{\partial x}}}$

Используя метод неопределенных коэффициентов, можно рассмотреть решение бегущей волны с зональными и меридиональными волновыми числами k и ℓ соответственно и частотой :${\displaystyle \omega }$

${\displaystyle \psi =\psi _{0}e^{i(kx+\ell y-\omega t)}\!}$

Это дает дисперсионное соотношение :

${\displaystyle \omega =Uk-\beta {\frac {k}{k^{2}+\ell ^{2}}}}$

Зональная (в направлении оси x ) фазовая скорость и групповая скорость волны Россби тогда определяются выражением

${\displaystyle {\begin{aligned}c&\equiv {\frac {\omega }{k}}=U-{\frac {\beta }{k^{2}+\ell ^{2}}},\\[5pt]c_{g}&\equiv {\frac {\partial \omega }{\partial k}}\ =U-{\frac {\beta (\ell ^{2}-k^{2})}{(k^{2}+\ell ^{2})^{2}}},\end{aligned}}}$

где c - фазовая скорость, c _g - групповая скорость, U - средний западный поток, - параметр Россби , k - зональное волновое число, а ℓ - меридиональное волновое число. Следует отметить, что зональная фазовая скорость волн Россби всегда направлена ​​на запад (с востока на запад) относительно среднего потока U , но зональная групповая скорость волн Россби может быть направлена ​​на восток или запад в зависимости от волнового числа.${\displaystyle \beta }$

Параметр Россби [ править ]

Параметр Россби определяется как скорость изменения частоты Кориолиса в меридиональном направлении:

${\displaystyle \beta ={\frac {\partial f}{\partial y}}={\frac {1}{a}}{\frac {d}{d\varphi }}(2\omega \sin \varphi )={\frac {2\omega \cos \varphi }{a}},}$

где широта, ω является угловой скоростью из вращения Земли , и является средним радиусом Земли .${\displaystyle \varphi }$

Если не будет волн Россби; Волны Россби обязаны своим происхождением градиенту тангенциальной скорости вращения планеты (планетарной завихренности). На планете-цилиндре нет волн Россби. Это также означает, что на экваторе любой вращающейся сферической планеты, включая Землю, все еще будут волны Россби, несмотря на то, что , потому что . Они известны как экваториальные волны Россби .${\displaystyle \beta =0}$${\displaystyle f=0}$${\displaystyle \beta >0}$

См. Также [ править ]

• Атмосферная волна
• Экваториальная волна
• Экваториальная волна Россби - математическая обработка
• Гармонический
• Волна Кельвина
• Полярный вихрь
• Свисток Россби

Ссылки [ править ]

Библиография [ править ]

• Россби, К.-Г. (1939). «Связь между вариациями интенсивности зональной циркуляции атмосферы и смещениями полупостоянных центров действия» (PDF) . Журнал морских исследований . 2 : 38–55.
• Платцман, GW (1968). «Волна Россби». Ежеквартальный журнал Королевского метеорологического общества . 94 (401): 225–248. Bibcode : 1968QJRMS..94..225P . DOI : 10.1002 / qj.49709440102 .
• Дикинсон, RE (1978). «Волны Россби - долгопериодические колебания океанов и атмосферы». Ежегодный обзор гидромеханики . 10 : 159–195. Bibcode : 1978AnRFM..10..159D . DOI : 10.1146 / annurev.fl.10.010178.001111 .

Внешние ссылки [ править ]

• Описание волн Россби от Американского метеорологического общества
• Введение в океанические волны Россби и их изучение с помощью спутниковых данных
• Волны Россби и экстремальная погода (Видео)