Атмосферные волны и неустойчивости

Атмосфера — это беспокойная жидкость, в которой возникают волны, от планетарных изгибов струйного течения до ряби за горой, и формируются погодные системы везде, где эти волны используют запасенную энергию.

Definition

Атмосферные волны — это распространяющиеся колебания потока, восстанавливаемые такими силами, как гравитация или изменение параметра Кориолиса, в то время как неустойчивости — это условия, при которых малые возмущения извлекают энергию из среднего потока и усиливаются.

Scope

Эта тема охватывает основные классы атмосферных волн, включая волны Россби, гравитационные волны и инерционно-гравитационные волны, а также баротропные и бароклинные неустойчивости, которые позволяют малым возмущениям перерастать в вихри и циклоны на синоптической карте.

Core questions

• Какие восстанавливающие силы порождают различные виды атмосферных волн?
• Почему планетарные волны Россби распространяются на запад относительно потока?
• Как бароклинные и баротропные неустойчивости генерируют погодные системы?
• Как волны переносят энергию и импульс через атмосферу?

Key theories

Динамика волн Россби

Увеличение параметра Кориолиса к полюсам действует как восстанавливающий механизм для сохраняющейся потенциальной завихренности, порождая крупномасштабные волны Россби, которые изгибают струйное течение и управляют поверхностными погодными системами.

Бароклинная неустойчивость

В потоке с вертикальным сдвигом и горизонтальными градиентами температуры определенные длины волн растут, преобразуя доступную потенциальную энергию в кинетическую энергию, что, как показал Чарни, является динамическим источником циклонов средних широт.

Mechanisms

Гравитация обеспечивает восстанавливающую силу для колебаний плавучести и гравитационных волн, в то время как широтное изменение параметра Кориолиса восстанавливает смещенные столбы воздуха и поддерживает медленные, распространяющиеся на запад волны Россби. Когда фоновый поток имеет сильный вертикальный сдвиг и градиенты температуры, или резкий горизонтальный сдвиг, возмущения определенных длин волн используют доступную потенциальную или кинетическую энергию среднего состояния и перерастают в развивающиеся вихри и циклоны погоды средних широт.

Clinical relevance

Теория волн и неустойчивостей объясняет генезис и траектории внетропических штормов, планетарные закономерности, которые приводят к длительным периодам погоды, и гравитационные волны, разрушение которых вызывает стратосферные циркуляции и турбулентность в авиации, что все имеет прямое значение для прогнозирования.

History

Идентификация Россби крупномасштабных планетарных волн в 1939 году и теории бароклинной неустойчивости Чарни и Иди в конце 1940-х годов преобразовали качественную картину развития погоды в предсказательную математическую основу, которая лежит в основе современной динамической метеорологии и численного прогнозирования.

Key figures

• Carl-Gustaf Rossby
• Jule Charney
• Eric Eady

Seminal works

• rossby1939
• charney1947

Frequently asked questions

Что такое волна Россби?

Волна Россби — это крупномасштабное, медленно распространяющееся на запад волновое колебание потока, которое возникает из-за усиления эффекта Кориолиса к полюсам; эти волны представляют собой изгибы струйного течения, которые управляют системами высокого и низкого давления.

Почему штормы средних широт продолжают формироваться в одних и тех же регионах?

Бароклинная неустойчивость позволяет возмущениям расти везде, где существуют сильные температурные контрасты и вертикальный сдвиг ветра — условия, обнаруживаемые вдоль штормовых траекторий ниже по течению от основных континентов и океанов, поэтому циклоны многократно развиваются там.