Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Струйные потоки (показаны розовым цветом) - хорошо известные примеры термического ветра. Они возникают из-за горизонтальных температурных градиентов между теплыми тропиками и более холодными полярными регионами .

Термический ветер является разностью векторов между геострофическим ветром на верхних высоты минуса , что при более низких высотах в атмосфере. Это гипотетический вертикальный сдвиг ветра , который существовал бы, если бы ветры подчинялись геострофическому балансу по горизонтали, а давление подчинялось гидростатическому балансу по вертикали. Комбинация этих двух силовых балансов называется тепловым балансом ветра , этот термин можно обобщить также на более сложные балансировки горизонтального потока, такие как баланс градиентного ветра .

Поскольку геострофический ветер на заданном уровне давления течет по контурам геопотенциальной высоты на карте, а геопотенциальная толщина слоя давления пропорциональна виртуальной температуре , из этого следует, что тепловой ветер течет по контурам толщины или температуры. Например, тепловой ветер, связанный с градиентами температуры от полюса к экватору, является основным физическим объяснением струйного течения в верхней половине тропосферы , которая представляет собой атмосферный слой, простирающийся от поверхности планеты до высот примерно 12 -15 км.

Математически отношение термического ветра определяет вертикальный сдвиг ветра - изменение скорости или направления ветра с высотой. Сдвиг ветра в этом случае является функцией горизонтального градиента температуры, который представляет собой изменение температуры на некотором горизонтальном расстоянии. Термический ветер, также называемый бароклинным потоком , изменяется с высотой пропорционально горизонтальному градиенту температуры. Связь термического ветра является результатом гидростатического баланса и геострофического баланса при наличии градиента температуры вдоль поверхностей постоянного давления или изобар .

Термин термический ветер часто считается неправильным, поскольку он описывает изменение ветра с высотой, а не сам ветер. Однако можно рассматривать термический ветер как геострофический ветер, который меняется с высотой, так что термин ветер кажется подходящим. В первые годы развития метеорологии, когда данных было мало, поле ветра можно было оценить, используя соотношение термического ветра и информацию о скорости и направлении приземного ветра, а также термодинамические зондирования на высоте. [1] Таким образом, отношение термического ветра определяет сам ветер, а не только его сдвиг. Многие авторы сохраняют термический ветер прозвище, хотя и описывает градиент ветра, иногда дает пояснения по этому поводу.

Описание [ править ]

Физическое объяснение [ править ]

Термический ветер - это изменение амплитуды или знака геострофического ветра из-за горизонтального градиента температуры. Геострофическое ветер идеализированный ветер, результаты от баланса сил вдоль горизонтальной плоскости. Когда вращение Земли играет доминирующую роль в гидродинамике, как, например, в средних широтах, баланс между силой Кориолиса и силой градиента давленияразвивается. Интуитивно понятно, что горизонтальная разница в давлении толкает воздух через эту разницу точно так же, как горизонтальная разница в высоте холма заставляет предметы скатываться вниз. Однако сила Кориолиса вмешивается и подталкивает воздух вправо (в северном полушарии). Это показано на панели (а) рисунка ниже. Баланс, который возникает между этими двумя силами, приводит к потоку, который параллелен горизонтальному перепаду давления или градиенту давления. [1] Кроме того, когда силы , действующие в вертикальном измерении преобладает вертикальным градиент давления силы и сила тяжести , гидростатическое равновесие происходит.

Геострофический ветер на разных изобарных уровнях в баротропной атмосфере (а) и в бароклинной атмосфере (б). Синяя часть поверхности обозначает холодную область, а оранжевая часть обозначает теплую область. Эта температурная структура ограничена поверхностью на (а), но распространяется на всю глубину жидкости на (b). Пунктирными линиями показаны изобарические поверхности, которые остаются с постоянным наклоном с увеличением высоты на (а) и увеличиваются с увеличением высоты на (b). Розовые стрелки показывают направление и амплитуду горизонтального ветра. Только в бароклинной атмосфере (б) они меняются с высотой. Такое изменение иллюстрирует тепловой ветер.

В баротропной атмосфере, где плотность является функцией только давления, горизонтальный градиент давления будет вызывать геострофический ветер, постоянный с высотой. Однако, если вдоль изобар существует горизонтальный градиент температуры, изобары также будут изменяться в зависимости от температуры. В средних широтах часто существует положительная связь между давлением и температурой. Такое соединение вызывает увеличение наклона изобар с высотой, как показано на панели (b) рисунка слева. Поскольку изобары более крутые на больших высотах, связанная с ними сила градиента давления там сильнее. Однако сила Кориолиса такая же, поэтому результирующий геострофический ветер на больших высотах должен быть сильнее в направлении силы давления. [2]

В бароклинной атмосфере, где плотность является функцией как давления, так и температуры, могут существовать такие горизонтальные градиенты температуры. Разница в скорости горизонтального ветра с высотой, в результате чего возникает вертикальный сдвиг ветра, традиционно называемый термическим ветром. [2]

Математический формализм [ править ]

Геопотенциальная толщина атмосферного слоя, определяемая двумя разными давлениями, описывается гипсометрическим уравнением :

,

где удельная газовая постоянная для воздуха, является геопотенциал на уровне давления , и является вертикально-усредненная температура слоя. Эта формула показывает, что толщина слоя пропорциональна температуре. При горизонтальном градиенте температуры толщина слоя будет наибольшей там, где температура наибольшая.

Дифференцируя геострофический ветер (где - параметр Кориолиса , - вертикальный единичный вектор, а индекс «p» в операторе градиента обозначает градиент на поверхности с постоянным давлением) по давлению и проинтегрируя от уровня давления до , мы получаем уравнение теплового ветра:

.

Подставляя гипсометрическое уравнение, получаем форму, основанную на температуре,

.

Обратите внимание, что тепловой ветер находится под прямым углом к ​​горизонтальному градиенту температуры, против часовой стрелки в северном полушарии. В южном полушарии изменение знака меняет направление.

Примеры [ править ]

Адвекционный поворот [ править ]

На (а) происходит адвекция холода, поэтому термический ветер заставляет геострофический ветер вращаться против часовой стрелки (для северного полушария) с высотой. На (b) происходит теплая адвекция, поэтому геострофический ветер вращается с высотой по часовой стрелке.

Если составляющая геострофического ветра параллельна градиенту температуры, термический ветер заставит геострофический ветер вращаться с высотой. Если геострофический ветер дует с холодного воздуха на теплый ( адвекция холода ), геострофический ветер повернется против часовой стрелки с высотой (для северного полушария), явление, известное как обратный ветер. В противном случае, если геострофический ветер дует с теплого воздуха на холодный (теплая адвекция), ветер повернется по часовой стрелке с высотой, также известной как изменение направления ветра.

Обратный ветер и изменение направления позволяют оценить горизонтальный градиент температуры по данным атмосферного зондирования .

Фронтогенез [ править ]

Как и в случае адвективного поворота, при наличии кросс- изотермической составляющей геострофического ветра происходит обострение градиента температуры. Тепловой ветер вызывает деформационное поле и может возникнуть фронтогенез .

Реактивный поток [ править ]

Горизонтальный градиент температуры существует во время движения на север - юг вдоль меридиана , потому что кривизна Земли позволяет более солнечный нагрев на экваторе , чем на полюсах. Это создает западный геострофический ветер, формирующийся в средних широтах. Поскольку термический ветер вызывает увеличение скорости ветра с высотой, западный рисунок усиливается вплоть до тропопаузы , создавая сильное ветровое течение, известное как реактивное течение . В северных и южных полушариях демонстрируют аналогичные модели струйного потока в средних широтах.

Самая сильная часть струйных течений должна находиться в непосредственной близости, где градиенты температуры самые большие. Из-за суши в северном полушарии наибольшие температурные контрасты наблюдаются на восточном побережье Северной Америки (граница между канадской холодной воздушной массой и Гольфстримом / более теплой Атлантикой) и Евразии (граница между северным зимним муссоном / сибирской холодной воздушной массой. и теплый Тихий океан). Поэтому самые сильные бореальные струйные течения зимой наблюдаются над восточным побережьем Северной Америки и Евразии. Поскольку более сильный вертикальный сдвиг способствует бароклинной нестабильности , наиболее быстрое развитие внетропических циклонов (так называемых бомб ) также наблюдается вдоль восточного побережья Северной Америки и Евразии.

Отсутствие суши в Южном полушарии приводит к более постоянной струе с долготой (т.е. более зонально симметричной струе).

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Кушман-Ройзен, Бенуа (1994). Введение в геофизическую гидродинамику . ISBN компании Prentice-Hall, Inc. 0-13-353301-8.
  2. ^ a b Холтон, Джеймс (2004). Введение в динамическую метеорологию . Эльзевир.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Холтон, Джеймс Р. (2004). Введение в динамическую метеорологию . Нью-Йорк: Academic Press. ISBN 0-12-354015-1.
  • Васкес, Тим (2002). Справочник по прогнозированию погоды . ISBN 0-9706840-2-9.
  • Валлис, Джеффри К. (2006). Атмосферная и океаническая гидродинамика . ISBN 0-521-84969-1.
  • Уоллес, Джон М .; Хоббс, Питер В. (2006). Наука об атмосфере . ISBN 0-12-732951-X.