Sóng và Bất ổn trong Khí quyển

Khí quyển là một chất lỏng không ngừng chuyển động, rung động với các loại sóng, từ những dòng chảy uốn lượn quy mô hành tinh của dòng tia đến những gợn sóng phía sau một ngọn núi, và hình thành các hệ thống thời tiết bất cứ khi nào những sóng đó khai thác năng lượng dự trữ.

Definition

Sóng khí quyển là những dao động lan truyền của dòng chảy được phục hồi bởi các lực như trọng lực hoặc sự thay đổi của tham số Coriolis, trong khi bất ổn là những điều kiện mà dưới đó các nhiễu loạn nhỏ trích xuất năng lượng từ dòng chảy trung bình và khuếch đại.

Scope

Chủ đề này bao gồm các loại sóng khí quyển chính, bao gồm sóng Rossby, sóng trọng lực và sóng quán tính-trọng lực, cùng với các bất ổn barotropic và baroclinic cho phép các nhiễu loạn nhỏ phát triển thành các xoáy và xoáy thuận trên bản đồ thời tiết.

Core questions

• Những lực phục hồi nào tạo ra các loại sóng khí quyển khác nhau?
• Tại sao sóng Rossby hành tinh lại lan truyền về phía tây so với dòng chảy?
• Bất ổn baroclinic và barotropic tạo ra các hệ thống thời tiết như thế nào?
• Sóng vận chuyển năng lượng và động lượng qua khí quyển như thế nào?

Key theories

Động lực học sóng Rossby

Sự gia tăng tham số Coriolis về phía cực hoạt động như một cơ chế phục hồi cho độ xoáy tiềm năng được bảo toàn, tạo ra các sóng Rossby quy mô lớn làm uốn lượn dòng tia và điều khiển các hệ thống thời tiết bề mặt.

Bất ổn baroclinic

Trong một dòng chảy có độ cắt dọc với gradient nhiệt độ ngang, một số bước sóng nhất định phát triển bằng cách chuyển đổi năng lượng tiềm năng có sẵn thành động năng, điều mà Charney đã chỉ ra là nguồn gốc động lực học của các xoáy thuận vĩ độ trung bình.

Mechanisms

Trọng lực cung cấp lực phục hồi cho các dao động nổi và sóng trọng lực, trong khi sự thay đổi vĩ độ của tham số Coriolis phục hồi các cột khí bị dịch chuyển và hỗ trợ các sóng Rossby lan truyền chậm về phía tây. Khi dòng chảy nền có độ cắt dọc và gradient nhiệt độ mạnh, hoặc độ cắt ngang sắc nét, các nhiễu loạn có bước sóng ưu tiên sẽ lấy năng lượng tiềm năng hoặc động năng có sẵn của trạng thái trung bình và phát triển thành các xoáy và xoáy thuận đang hình thành của thời tiết vĩ độ trung bình.

Clinical relevance

Lý thuyết sóng và bất ổn giải thích sự hình thành và đường đi của các cơn bão ngoài nhiệt đới, các mô hình hành tinh khóa thời tiết vào những đợt kéo dài, và các sóng trọng lực mà sự vỡ của chúng thúc đẩy các lưu thông tầng bình lưu và nhiễu loạn hàng không, tất cả đều có ý nghĩa trực tiếp đối với dự báo.

History

Việc Rossby xác định sóng hành tinh quy mô lớn vào năm 1939 và các lý thuyết về bất ổn baroclinic của Charney và Eady vào cuối những năm 1940 đã biến bức tranh định tính về sự phát triển thời tiết thành một khuôn khổ toán học, có khả năng dự đoán, làm nền tảng cho khí tượng động lực học hiện đại và dự báo số.

Key figures

• Carl-Gustaf Rossby
• Jule Charney
• Eric Eady

Seminal works

• rossby1939
• charney1947

Frequently asked questions

Sóng Rossby là gì?

Sóng Rossby là một dao động quy mô lớn, lan truyền chậm về phía tây của dòng chảy, phát sinh do hiệu ứng Coriolis mạnh lên về phía cực; những sóng này là những dòng chảy uốn lượn của dòng tia điều khiển các hệ thống áp cao và áp thấp.

Tại sao các cơn bão vĩ độ trung bình liên tục hình thành ở cùng một khu vực?

Bất ổn baroclinic cho phép các nhiễu loạn phát triển ở bất cứ nơi nào có sự tương phản nhiệt độ mạnh và độ cắt gió dọc, những điều kiện được tìm thấy dọc theo các đường bão ở phía hạ lưu của các lục địa và đại dương lớn, do đó các xoáy thuận liên tục phát triển ở đó.