Atmosphärische Wellen und Instabilitäten

Die Atmosphäre ist eine unruhige Flüssigkeit, die von Wellen durchzogen ist, von den planetaren Mäandern des Jetstreams bis zu den Wellen hinter einem Berg, und die Wettersysteme entstehen lässt, wo immer diese Wellen auf gespeicherte Energie zugreifen.

Definition

Atmosphärische Wellen sind sich ausbreitende Schwingungen der Strömung, die durch Kräfte wie die Schwerkraft oder die Variation des Coriolis-Parameters wiederhergestellt werden, während Instabilitäten Bedingungen sind, unter denen kleine Störungen Energie aus der mittleren Strömung entnehmen und sich verstärken.

Scope

Dieses Thema behandelt die Hauptklassen atmosphärischer Wellen, einschließlich Rossby-Wellen, Schwerewellen und Trägheitsschwerewellen, zusammen mit den barotropen und baroklinen Instabilitäten, die es kleinen Störungen ermöglichen, zu den Wirbeln und Zyklonen der Wetterkarte heranzuwachsen.

Core questions

• Welche rückstellenden Kräfte führen zu den verschiedenen Arten atmosphärischer Wellen?
• Warum breiten sich planetare Rossby-Wellen relativ zur Strömung westwärts aus?
• Wie erzeugen barokline und barotrope Instabilitäten Wettersysteme?
• Wie transportieren Wellen Energie und Impuls durch die Atmosphäre?

Key theories

Rossby-Wellen-Dynamik

Die polwärtige Zunahme des Coriolis-Parameters wirkt als rückstellender Mechanismus für die konservierte potenzielle Vorticity und erzeugt großskalige Rossby-Wellen, die den Jetstream mäandrieren lassen und Oberflächenwettersysteme steuern.

Barokline Instabilität

In einer vertikal gescherten Strömung mit horizontalen Temperaturgradienten wachsen bestimmte Wellenlängen, indem sie verfügbare potenzielle Energie in kinetische Energie umwandeln, was Charney als den dynamischen Ursprung von Zyklonen in mittleren Breiten zeigte.

Mechanisms

Die Schwerkraft liefert die rückstellende Kraft für Auftriebsschwingungen und Schwerewellen, während die Breitenänderung des Coriolis-Parameters verlagerte Luftsäulen wiederherstellt und langsame, sich westwärts ausbreitende Rossby-Wellen unterstützt. Wenn die Hintergrundströmung starke vertikale Scherung und Temperaturgradienten oder scharfe horizontale Scherung aufweist, ziehen Störungen bevorzugter Wellenlängen die verfügbare potenzielle oder kinetische Energie des mittleren Zustands ab und wachsen zu den sich entwickelnden Wirbeln und Zyklonen des Wetters in mittleren Breiten heran.

Clinical relevance

Die Wellen- und Instabilitätstheorie erklärt die Entstehung und Zugbahnen außertropischer Stürme, die planetaren Muster, die das Wetter in längere Perioden einschließen, und die Schwerewellen, deren Brechen stratosphärische Zirkulationen und Luftfahrt-Turbulenzen antreibt, all dies ist direkt relevant für die Vorhersage.

History

Rossbys Identifizierung großskaliger planetarer Wellen im Jahr 1939 und Charneys und Eadys Theorien der baroklinen Instabilität Ende der 1940er Jahre wandelten das qualitative Bild der Wetterentwicklung in ein prädiktives, mathematisches Rahmenwerk um, das die moderne dynamische Meteorologie und numerische Vorhersage untermauert.

Key figures

• Carl-Gustaf Rossby
• Jule Charney
• Eric Eady

Seminal works

• rossby1939
• charney1947

Frequently asked questions

Was ist eine Rossby-Welle?

Eine Rossby-Welle ist eine großskalige, sich langsam westwärts ausbreitende Undulation der Strömung, die entsteht, weil der Corioliseffekt zu den Polen hin stärker wird; diese Wellen sind die Mäander des Jetstreams, die Hoch- und Tiefdrucksysteme steuern.

Warum bilden sich in denselben Regionen immer wieder Stürme in mittleren Breiten?

Barokline Instabilität lässt Störungen überall dort wachsen, wo starke Temperaturkontraste und vertikale Windscherung herrschen, Bedingungen, die entlang der Sturmzugbahnen stromabwärts der großen Kontinente und Ozeane zu finden sind, sodass sich dort wiederholt Zyklonen entwickeln.