Геострофический и термический ветровой баланс

В масштабах, превышающих грозовой, атмосфера приходит в состояние квазиравновесия между силами, так что знание поля давления и того, как температура изменяется с высотой, позволяет синоптику реконструировать сам ветер.

Definition

Геострофический баланс — это приблизительное равенство горизонтальной силы барического градиента и силы Кориолиса; термический ветер — это результирующее изменение геострофического ветра с высотой, которое пропорционально горизонтальному градиенту температуры.

Scope

Эта тема охватывает геострофический баланс между силами барического градиента и Кориолиса, гидростатический баланс по вертикали, соотношение термического ветра, связывающее вертикальный сдвиг геострофического ветра с горизонтальными градиентами температуры, а также связанные с этим градиентный и циклострофический балансы для искривленного потока.

Core questions

• Как баланс сил барического градиента и Кориолиса определяет крупномасштабный ветер?
• Почему горизонтальный температурный контраст подразумевает вертикальный сдвиг ветра?
• Когда нарушается сбалансированный поток и что за этим следует?
• Как кривизна и центробежные эффекты изменяют геострофический баланс?

Key theories

Геострофическое приближение

Для движений, которые имеют большой масштаб и медленно изменяются, ускорение мало по сравнению с доминирующими силами, поэтому ветер хорошо аппроксимируется геострофическим значением, дующим параллельно изобарам.

Соотношение термического ветра

Сочетание геострофического и гидростатического баланса показывает, что вертикальный сдвиг геострофического ветра определяется горизонтальным градиентом температуры, объясняя, почему сильные струйные течения верхнего уровня располагаются над резкими температурными контрастами.

Mechanisms

Там, где воздух скапливается, образуя высокое давление, сила барического градиента толкает его в сторону более низкого давления, но вращение Земли отклоняет движущийся воздух до тех пор, пока сила Кориолиса не уравновесит это давление, и ветер не начнет течь вдоль изобар. Поскольку поверхности давления наклоняются круче там, где воздух внизу холодный и плотный, этот геострофический ветер должен изменяться с высотой пропорционально горизонтальному градиенту температуры, что и является термическим ветром, поэтому струйное течение располагается над самыми сильными температурными контрастами.

Clinical relevance

Геострофический и термический ветровой баланс позволяют синоптикам выводить ветры на высоте из анализов температуры и давления, определять местоположение струйных течений и диагностировать области, где атмосфера отклоняется от равновесия, то есть регионы, где концентрируются восходящие движения и развитие погодных явлений.

History

Эмпирический закон Бёйс-Балло XIX века о том, что ветер дует с низким давлением слева в Северном полушарии, предвосхитил геострофический баланс; формализация геострофических и термических ветровых соотношений в начале XX века и их центральная роль в масштабно-аналитической работе Чарни сделали их краеугольными камнями динамической метеорологии.

Key figures

• Christophe Buys Ballot
• Carl-Gustaf Rossby
• Jule Charney

Seminal works

• holton2013
• martin2006

Frequently asked questions

Если я знаю картину давления, могу ли я оценить ветер?

Да. В больших масштабах геострофическое соотношение дает скорость ветра по тому, насколько плотно расположены изобары, и его направление параллельно им, с низким давлением слева в Северном полушарии.

Почему струйное течение расположено именно там, где оно есть?

Соотношение термического ветра связывает увеличение ветра с высотой с горизонтальными температурными контрастами, поэтому самые быстрые ветры верхнего уровня, струйное течение, формируются над резкой границей между теплыми и холодными воздушными массами.