คลื่นและภาวะไม่เสถียรในชั้นบรรยากาศ

ชั้นบรรยากาศเป็นของไหลที่ไม่หยุดนิ่งซึ่งเต็มไปด้วยคลื่น ตั้งแต่การไหลวนของกระแสลมกรดในระดับดาวเคราะห์ไปจนถึงระลอกคลื่นที่เกิดจากภูเขา และก่อให้เกิดระบบสภาพอากาศเมื่อคลื่นเหล่านั้นดึงพลังงานที่สะสมไว้มาใช้

Definition

คลื่นบรรยากาศคือการสั่นสะเทือนที่แพร่กระจายของกระแสลมที่ถูกฟื้นฟูโดยแรงต่างๆ เช่น แรงโน้มถ่วง หรือการเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์โคริโอลิส (Coriolis parameter) ในขณะที่ภาวะไม่เสถียรคือสภาวะที่การรบกวนเล็กน้อยดึงพลังงานจากกระแสลมเฉลี่ยและขยายตัวขึ้น

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมคลื่นบรรยากาศประเภทหลักๆ ได้แก่ คลื่นรอสบี (Rossby waves), คลื่นความโน้มถ่วง (gravity waves) และคลื่นความโน้มถ่วงเฉื่อย (inertia-gravity waves) รวมถึงภาวะไม่เสถียรแบบบารอโทรปิก (barotropic) และบารอคลินิก (baroclinic) ที่ทำให้การรบกวนเล็กน้อยพัฒนาไปเป็นกระแสลมหมุนวนและพายุหมุนในแผนที่สภาพอากาศ

Core questions

• แรงฟื้นฟูใดที่ทำให้เกิดคลื่นบรรยากาศประเภทต่างๆ?
• เหตุใดคลื่นรอสบีระดับดาวเคราะห์จึงแพร่กระจายไปทางตะวันตกเมื่อเทียบกับกระแสลม?
• ภาวะไม่เสถียรแบบบารอคลินิกและบารอโทรปิกก่อให้เกิดระบบสภาพอากาศได้อย่างไร?
• คลื่นขนส่งพลังงานและโมเมนตัมผ่านชั้นบรรยากาศได้อย่างไร?

Key theories

พลวัตของคลื่นรอสบี

การเพิ่มขึ้นของพารามิเตอร์โคริโอลิสไปทางขั้วโลกทำหน้าที่เป็นกลไกฟื้นฟูสำหรับศักยภาพการหมุนวนที่อนุรักษ์ไว้ ก่อให้เกิดคลื่นรอสบีขนาดใหญ่ที่ทำให้กระแสลมกรดไหลวนและควบคุมระบบสภาพอากาศบนพื้นผิว

ภาวะไม่เสถียรแบบบารอคลินิก

ในการไหลที่มีการเฉือนในแนวดิ่งและเกรเดียนต์อุณหภูมิในแนวนอน ความยาวคลื่นบางชนิดจะเติบโตโดยการเปลี่ยนพลังงานศักย์ที่มีอยู่ให้เป็นพลังงานจลน์ ซึ่งชาร์นีย์แสดงให้เห็นว่าเป็นต้นกำเนิดทางพลวัตของพายุหมุนในละติจูดกลาง

Mechanisms

แรงโน้มถ่วงเป็นแรงฟื้นฟูสำหรับการแกว่งตัวของแรงลอยตัวและคลื่นความโน้มถ่วง ในขณะที่การเปลี่ยนแปลงละติจูดของพารามิเตอร์โคริโอลิสจะฟื้นฟูมวลอากาศที่เคลื่อนที่และสนับสนุนคลื่นรอสบีที่เคลื่อนที่ไปทางตะวันตกอย่างช้าๆ เมื่อกระแสลมพื้นหลังมีการเฉือนในแนวดิ่งและเกรเดียนต์อุณหภูมิที่รุนแรง หรือมีการเฉือนในแนวนอนที่ชัดเจน การรบกวนที่มีความยาวคลื่นที่เหมาะสมจะดึงพลังงานศักย์หรือพลังงานจลน์ที่มีอยู่จากสภาวะเฉลี่ยและพัฒนาไปเป็นกระแสลมหมุนวนและพายุหมุนที่กำลังก่อตัวของสภาพอากาศในละติจูดกลาง

Clinical relevance

ทฤษฎีคลื่นและภาวะไม่เสถียรอธิบายการกำเนิดและเส้นทางของพายุที่อยู่นอกเขตร้อน รูปแบบระดับดาวเคราะห์ที่ทำให้สภาพอากาศคงที่เป็นเวลานาน และคลื่นความโน้มถ่วงที่แตกตัวซึ่งขับเคลื่อนการหมุนเวียนของชั้นสตราโตสเฟียร์และความปั่นป่วนในการบิน ซึ่งทั้งหมดนี้มีความสำคัญโดยตรงต่อการพยากรณ์อากาศ

History

การระบุคลื่นดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ของรอสบีในปี 1939 และทฤษฎีภาวะไม่เสถียรแบบบารอคลินิกของชาร์นีย์ (Charney) และอีดี (Eady) ในช่วงปลายทศวรรษ 1940 ได้เปลี่ยนภาพเชิงคุณภาพของการพัฒนารูปแบบสภาพอากาศให้เป็นกรอบการทำงานทางคณิตศาสตร์ที่สามารถคาดการณ์ได้ ซึ่งเป็นรากฐานของอุตุนิยมวิทยาพลวัตสมัยใหม่และการพยากรณ์เชิงตัวเลข

Key figures

• Carl-Gustaf Rossby
• Jule Charney
• Eric Eady

Seminal works

• rossby1939
• charney1947

Frequently asked questions

คลื่นรอสบีคืออะไร?

คลื่นรอสบีคือการเคลื่อนที่แบบลูกคลื่นขนาดใหญ่ที่แพร่กระจายไปทางตะวันตกอย่างช้าๆ ของกระแสลม ซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจากผลกระทบของโคริโอลิสที่รุนแรงขึ้นเมื่อเข้าใกล้ขั้วโลก คลื่นเหล่านี้คือการไหลวนของกระแสลมกรดที่ควบคุมระบบความกดอากาศสูงและต่ำ

เหตุใดพายุในละติจูดกลางจึงก่อตัวขึ้นซ้ำๆ ในภูมิภาคเดียวกัน?

ภาวะไม่เสถียรแบบบารอคลินิกทำให้การรบกวนเติบโตขึ้นได้ทุกที่ที่มีความแตกต่างของอุณหภูมิที่รุนแรงและการเฉือนลมในแนวดิ่ง ซึ่งเป็นสภาวะที่พบตามเส้นทางพายุที่อยู่ปลายน้ำของทวีปและมหาสมุทรหลักๆ ดังนั้นพายุหมุนจึงพัฒนาขึ้นซ้ำๆ ในบริเวณเหล่านั้น