机械的循环
我们能在多大程度上解释观察到的大气环流的主要特点的基础上,流体动力学的一个简单的表示大气纬向梯度驱动太阳能迫使?这里的重点是“简单”。In reality, the Earth's surface is very inhomogeneous: there are large mountain ranges that disturb the flow and large contrasts (e.g., in temperature and in surface roughness) between oceans and continents. In the interests of simplicity, however, we shall neglect such variations in surface conditions. We also neglect seasonal and diurnal1 variations, and assume maximum solar input at the equator, even though the subsolar point (Fig. 5.3) migrates between the two tropics through the course of a year. Thus we shall consider the response of an atmosphere on a longitudinally uniform, rotating planet (that is otherwise like the Earth) to a latitudinal gradient of heating. We shall see that the gross features of the observed circulation can indeed be understood on this basis; later, in Section 8.5, the shortcomings introduced by this approach will be briefly discussed.
因此我们问一个轴对称迫使轴对称大气响应,与强大的太阳能加热比两极赤道。似乎合理的假设响应(即。同样,诱导循环)将轴对称。事实上,这种假设证明给我们的定性合理描述循环在热带地区,但它将成为明显的失败在温带大气,打破了对称的流动的不稳定。
8.2.1中。热带哈德利环流
如果地球不旋转,循环驱动杆-赤道的温度差异会简单,随着热空气上升在低纬度和冷空气下沉的高纬度地区,首先提出了哈德利和画在图5.19。但是,正如在无花果。5.20和5.21,这是不太会发生什么。我们的确看到一个经向环流在热带地区,但周围的下沉运动是位于亚热带地区纬度±30°。事实上,以下注意事项告诉我们,一个巨大的轴对称子午细胞扩展从赤道到北极快速旋转的星球上是不可能的,如地球。
考虑一个环的空气环绕地球如8.3图所示,躺在,流水的高层向极流的哈德利环流。因为这是通过假设轴对称流动,也因为在这个上层流动摩擦可以忽略不计,远高于近地表边界层,绝对的角动量将守恒的绕圈。单位质量是绝对角动量(记得我们讨论的角动量径向流入6.6.1实验部分)
= Qr2 +你的,第一项的贡献从行星旋转,第二从东方风u相对于地球,其中r是距离地球的旋转轴。由于r = p cos,
一个= Qa2cos2p + ua因为p。(8 - 1)
现在,假设你在赤道= 0(图5.20显示,这是一个合理的假设在赤道上对流层)。那么绝对的角
-
- 图8.3。示意图的环吹气西- >东在纬度速度u p。戒指被认为是流水的向极流哈德利环流保护角动量。
1事实上,当然,还有强大的瞬时纵向太阳能迫使这些地区之间的差异在当地中午和夜间。然而,除了在地表附近,热惰性大气的抑制这些波动和日夜温差也小。因此忽视昼夜变化是一个合理的近似。
赤道是A0 = Qa2势头。随着空气的环向极,它保留了这个值,所以当它到达纬度p,绝对的角动量
= Qa2 cos 2 p + ua因为p = A0 = Qa2。
因此环将获得一个向东速度
问(a2 - a2 cos2p) sin2p, u (p) = _______1 = Qa。(8 - 2)
注意,这是直接类似于情商。6-23径向流入的实验中,当我们意识到8 - 2 r = cos p。方程意味着不切实际的大型风远离赤道,在纬度(10°20°,30°),u (p) = (58130) m s - 1,当然风变得无限p ^ 90°。物理合理性的理由,很显然,这样一种轴对称循环不能扩展到极点的方式设想的哈德利(和画在图5.19);它必须终止之前到达北极的地方。循环扩展多远(根据理论)取决于许多factors.2
考虑上面的分支的循环,就像在图8.4中描述。赤道附近,f是小的科里奥利效应弱,角动量约束不是很严重和赤道大气充当如果地球旋转缓慢。然而,随着空气远离赤道,科氏参数变得越来越大,在北半球向右转风,导致西风组件流。在向极的程度哈得来环流圈那么,我们希望找到一个强劲向西流确实,我们(见图5.20)。这个亚热带喷射
-
- 图8.4。哈德莱环流的示意图(只显示北半球环流的一部分;有一个镜像赤道以南的循环)。高层向极流诱发西风带;低水平朝赤道方向流诱发东风。
在很大程度上由大值的平流从赤道绝对角动量的哈德利环流,情商是显而易见的。8 - 2和图8.4中所示。流减弱亚热带哈得来环流圈的边缘,陷入亚热带高点(图7.27中非常明显),然后返回赤道在低水平。在这些低水平,科里奥利加速度,再次朝赤道方向流向它的权利在北半球,生产信风,向东北在北半球(在南半球往东南)(见图7.28)。这些风不那么强大的对流层上层,因为它们是由摩擦作用于近表面流。事实上,正如上面所讨论的,必须有低级西风带某处。在平衡中,净摩擦阻力(严格来说,扭矩)整个气氛一定为零,或大气的总角动量不能稳定。(会有补偿固体地球的角动量的变化,和一天的长度将drift.3)
2为例,如果地球快速旋转少(或更多),哈德莱环流,在其他条件相同的情况下,将延长远向极(或更少)。
3事实上一天的长度也不同,有轻微的,因为底层表面与大气之间的角动量转移。例如,在季节性时间尺度的长度有变化的日子毫秒。一天变化一天比一天的长度约0.1女士!而且这些变化可以归因于交流地球和大气之间的角动量。
沙漠ie r-equ无调性区域带
沙漠ie r-equ无调性区域带
图8.5。哈德利环流的原理图及其相关的区域流动和表面循环。
所以图8.5所示的表面风在我们的轴对称模型将西风向极的边缘循环细胞东赤道附近。这类似于观察到的模式(见图7.28,中间面板),但不完全相同的。在现实中表面西风带最大化附近50°N, S,明显向极亚热带的飞机,一个点我们返回8.4.2节。
将描绘在图8.5中,沉降是亚热带地区的温暖绝热压缩的(因为)和干燥空气(因为在空中比表面空气干燥机);下沉的空气之间形成的边界和冷却器,近地表空气是温暖的“贸易反转”在第四章所提到的,在其中信风是所在地。高空、水平温度梯度在哈德利环流很弱(参见无花果。5.7和5.8),非常有效的结果经向热传输的循环。
哈德莱环流实验:GFD实验室八世再现
哈德利环流的许多方面在外贸八世透露,其实验装置已经被描述在图7.12中热的风方程。器只是一个圆筒形储罐包含白开水,中心是一个金属可以满冰块。随之产生的温度梯度(减少“两极”)驱动器运动在坦克,自然的取决于仪器的转速。当慢慢旋转,在这个实验中(Q < 1 rpm-yes,只有1的旋转表每分钟:非常缓慢!),我们看到发展的热风力强劲的形式(即“东方”。超速转速)的上部液流,可以揭示了纸点漂浮在水面,染料注入液体见图7.13。
当前方位在实验中观察到的,这是形成的方式类似于哈德莱环流亚热带喷射的讨论之前,由经向环流由角动量advec-tion画在图7.12(右)。水涨在外部区域,在上层内移动,保护角动量是,从而产生强大的“西风”流,和寒冷的内壁摩擦,变得寒冷和下行。高锰酸钾晶体,掉进液体(不太多!),解决在底部,给的指示在底部边界层流动。在图8.6中我们看到流底部径向向外移动
图8.6。哈德利政权研究GFD实验室八世,7.3.1部分。底流两向外透露的螺旋式上升的紫色条纹显示反气旋(顺时针)流画示意图在图7.12(右);染料标记的黑纸点和绿领上层流动和循环cyclonically(逆时针方向)。
向右偏转,创建东风流相反的旋转表;注意两个紫色飘带向外移动,顺时针(相反的旋转和上层流)。这个底流直接类似于低层大气的东风,阻碍信风画在图8.4和绘制从观察图7.28。
实验定量研究(例如,通过跟踪浮动纸点)表明,上层方位流确实保持角动量守恒,满意的Eq。6-23相当准确,就像在径向流入的实验。Q = 0.1 s - 1(对应于一个旋转的速度0.95转;见附录A.4.1表a . 1) Eq。6-23意味着高达10 cms-1如果角动量守恒的粒子从外半径,t \ = 10厘米,内半径10厘米。但是请注意,如果问高出10倍,10 rpm,那么角动量守恒意味着1 m s - 1的速度非常迅速。在下一节中我们将看到,这种快速电流没有观察到如果我们出现的转速表。相反,当前分解成方位旋转的动作,诱导方位压力梯度和打破角动量守恒。
8.2.2。温带循环和GFD实验室XI:斜压不稳定
虽然简单的哈得来环流圈模型描绘在图8.5中描述了热带地区很好,它预测,发生在中、高纬度地区。那里,科氏参数是更大的,强大的旋转约束主导和子午流是阻碍。然而,我们预计(无花果。5.8和7.20),有强烈的温度梯度中纬度地区,尤其是附近的亚热带的喷气机。所以,尽管没有经向环流,有带状流热与温度梯度风平衡。因为T减少向极,Eq。7-24意味着西风随高度增加。这种状态的纬向流没有经向运动是完全有效的平衡态。尽管水平温度梯度的存在意味着横向压力梯度(倾斜表面的压力),相关的力完全平衡的科里奥利力作用于风热,正如我们在第7章中讨论。
我们的演绎,平均经向环流是弱在热带地区定性符合观测(见图5.21),但让我们有两个问题:
1。向极热传输需要平衡的能量预算。在热带地区,推翻哈德利环流传输热量向极,但没有进一步比亚热带。如何热运输如果没有经向环流进一步向极?
2。日常观察告诉我们的图片中间纬度气氛作为一个纯粹的纬向风是非常错误的。如果它是真的,天气会非常可预测的(而且很枯燥)。
我们的轴对称模型,因此,只有部分是正确的。纯粹的纬向流的预测在热带地区是相当错误的。正如我们所见,中间纬度的气氛充满了漩涡,这表现为旅游天气系统。4他们是从哪里来的?事实上,现在我们将讨论并通过实验室实验演示,温带大气水动力不稳定,自发地分解成漩涡流动通过一种机制被称为斜压不稳定。5这些涡流容易产生子午运动,正如我们将看到的,影响子午传输的热量。
斜压不稳定
GFD实验室XI:斜压不稳定在一个洗碟盆引入我们的讨论热击穿的风通过斜压不稳定,我们描述一个实验室的实验现象。装置,画在图7.12中,相同的实验室八世用于研究热风和哈德莱环流。在前的实验桌上旋转非常缓慢,Q < 1转/分的速度。然而这次,桌上旋转更迅速,在问~ 10 rpm,代表更大的Cori-olis参数在中纬度地区找到。在这个高转速不寻常的事情发生了。而不是一个稳定的轴对称流,在图8.6所示的哈德利政权,强旋转流设置。热的风依然存在,但分解通过不稳定,见图8.7。我们看到了发展的涡流扫描(相对)温暖的液体从外围到冷可以在一个部门的坦克(例如,图8.7),同时把冷流体从外围的可以在另一个(例如,B在图8.7)。这样一个radially-inward热传输是实现,抵消冷却中心由冰川融化引起的。
我们观察的实验显示三个完整的波长坦克在图8.7。通过重复实验,但不同的Q值,我们观察到涡流的规模减少,和流动变得越来越不规则Q是增加。这些漩涡是由相同的机制建立大气天气系统显示在图7.20和稍后讨论。
之前我们应该强调,图8.7中的流不保持角动量守恒。事实上,如果那样,估计年底8.2.1部分,我们会观察到很强的横向电流附近的冰桶,订单1 m s - 1 s - 1而不是几厘米,见实验。当然,这正是情商。8 - 2是大气中说:如果环的空气角动量守恒的朝着axisym-metric运动从赤道到北极,然后我们获得不切实际地大的风。角动量守恒的不是因为存在的区域(或者,在我们的水箱实验中,方位)压力梯度与涡流运动相关(见问题6第六章)。
艾伯特Defant(1884 - 1974),德国气象学和海洋学教授理论作出了重要贡献的大气环流。他是第一个把子午能量转移亚热带和钢管的湍流交换之间的大规模的漩涡。
5在“斜压流体,p = p (p T),所以可以有梯度密度温度(因此)表面的压力。这应该对比“正压流体(p = p (p))不存在这样的渐变。
图8.7。:斜压涡流的“艾迪”政权从侧面观察。底部:视图从上面。漩涡把液体从外围向中心点在b点。反之亦然的漩涡是由不稳定的径向温度梯度引起的热风由于冰桶的存在的中心。冰桶的直径是15厘米。
图8.7。:斜压涡流的“艾迪”政权从侧面观察。底部:视图从上面。漩涡把液体从外围向中心点在b点。反之亦然的漩涡是由不稳定的径向温度梯度引起的热风由于冰桶的存在的中心。冰桶的直径是15厘米。
中间纬度的天气系统斜压不稳定的过程,研究了在实验室实验刚刚描述负责中间纬度的无处不在的波状流在大气中。作为观察可以看到显示在无花果。5.22,7.4,和7.20,这些电波通常形成封闭的漩涡,特别是在地表附近,在那里他们熟悉的高,低压系统与日常的天气有关。在这个过程中,他们也影响向极热传输需要平衡全球能源预算(见图8.1)。的方式达到全球规模地画在图8.8。漩涡“搅拌”氛围,冷空气equator-ward和热空气向极,从而减少equator-to-pole温度对比。西部的低(左)在图8.8中,冷空气进行到热带地区。在东部,热空气进行钢管,但由于向极流动空气提升(记住0的大型边坡表面图5.8所示)倾向于离开水面。因此我们得到集中附近的温度梯度点1,在冷空气”推到“温暖的空气,,少一秒,标志着温暖的空气浓度,屁股到寒冷的2点。我们可以确定寒冷和温暖的方面,分别标记为中心面板的图8.8。注意,一个三角形是用来表示“大幅”冷锋和一个半圆代表暖锋“温和的”。 In the bottom panel we present sections through cold fronts and warm fronts respectively.
时间尺度和长度尺度我们演示了通过实验室实验电流热风平衡,而且几乎总是如此,成为hydrodynam-ically不稳定,产卵蜿蜒和涡流。更详细的理论analysis6显示的横向规模形成的涡流,Leddy(例如,以
6空间尺度的详细分析和自发出现的不稳定性的增长率的最初带状喷气热风平衡与经向温度梯度显示:
1。伊迪法官明确指出增长率的干扰是由吃= 0.31 U / Lp = 0.31 f——使用Eq。(7日)和U =陶宏根
(看到吉尔,1982)。插入典型数字对流层,N = 10 - 2 s - 1, x = 2三s - 1, 4 f =打败s - 1,我们发现一个~纯s - 1, e-folding 1天的时间尺度。
2。增长最快的波长扰动是4 Lp Lp的Eq。7日。这产生了一个波长的如果Lp = 700公里2800公里。地球的周长在45°N是21000公里,所以7天气波可以在任何一次环绕地球的健康。这是大致符合观测;例如,图5.22。
图8.8。最高:在中纬度地区涡流运输暖空气向极向上和冷空气equator-ward向下。因此,横向漩涡倾向于“搅拌”氛围,减少equator-to-pole温度对比。中间:西方“L”的冷空气进行热带地区。在东部,热空气进行钢管。由此产生的冷空气(由三角形标记)和温暖的方面(以半圆形)表示。底部:部分通过冷锋,!- > a,温暖的面前,b - > b分别”。
图8.8。最高:在中纬度地区涡流运输暖空气向极向上和冷空气equator-ward向下。因此,横向漩涡倾向于“搅拌”氛围,减少equator-to-pole温度对比。中间:西方“L”的冷空气进行热带地区。在东部,热空气进行钢管。由此产生的冷空气(由三角形标记)和温暖的方面(以半圆形)表示。底部:部分通过冷锋,!- > a,温暖的面前,b - > b分别”。
典型的低压系统的横向规模在图7.25所示的表面分析,或染料的漩涡出现在我们的水箱实验,图8.7)成正比罗斯比半径变形7.3.4章节中讨论:
艾迪
Lp的Eq。7日。
时间尺度的扰动是由:
U = du / dz H是上层流动的力量,du / dz 7 - 17的热风Eq。, H是垂直流动的规模。Eq。8 - 4可以看作是容易的时间流移动速度U旅行距离和成正比(逆)伊迪法官明确指出增长率,Eric Eady7后,斜压不稳定理论的先驱。
在斜压不稳定性实验中,我们估计变形半径约10厘米,大致符合图8.7中的观察漩涡的规模(确定规模,注意,冰的直径可以在图15厘米)。典型的流动速度的跟踪观察纸点漂浮在液体的表面大约1 cms-1。因此Eq。8 - 4表明泰迪~ 7.0秒的时间,约一个旋转周期。符合情商。比如,艾迪规模随转速增加。
应用上述公式的对流层中部4 f ~打败s - 1, N ~ 10-2s-1(见4.4节),H ~ 7公里(见3.3节),和U ~ 10 ms-1,我们发现Lp = NH / f ~ 700公里和泰迪~ 700公里/ 10 m s - 1 ~ 1 d。这些估计大致符合观测天气系统的规模和增长率。
我们还没有讨论过底层斜压不稳定机制及其能量源。这样做我们现在考虑和释放的能量从一个流体势能。
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