4.2.2: Атмосферна циркуляція та вітрові моделі

Last updated
Save as PDF

Page ID: 1662

Judith Bosboom & Marcel J.F. Stive
Delft University of Technology via TU Delft Open

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Біля екватора, де середня сонячна радіація найбільша, повітря прогрівається біля поверхні і піднімається вгору. Він досягає максимальної вертикальної висоти близько 14 кілометрів (вершина тропосфери ¹), а потім починає протікати горизонтально до Північного та Південного полюсів. Це створює смугу низького тиску повітря, відому як зона міжтропічної конвергенції (ITCZ). Оскільки повітря рухається від високого поверхневого тиску до низького поверхневого тиску, ITCZ втягує поверхневе повітря з вищих широт, що призводить до поверхневих вітрів до екватора.

2021-10-18 пнг — Малюнок 4.3: Циркуляція конвекційних клітин на необертається однорідній землі. Ліва та середня панелі показують схему циркуляції по одній клітині на півкулю, коли враховується лише сонячне випромінювання. На правій панелі показана аналогія з вогнем, що нагріває повітря і створює циркуляційну осередок в приміщенні.

Якщо земля не оберталася, і якщо її поверхня була б цілком однорідною по відношенню до прозорості сонячної радіації, теплоємності і теплопровідності, то можна було б очікувати існування простої циркуляції конвекційних клітин всередині тропосфери в кожній півкулі (рис.4.3). Кожна комірка мала б горизонтальний розмір порядку\(10^4\) км порівняно з вертикальним розміром лише близько 10 км.

Насправді, завдяки обертанню землі, клітини Північної і Південної півкуль розпадаються на три менші осередки кожна (рис.4.4).

Обертання землі призводить до так званого ефекту Коріоліса (див. Інтермеццо 3.1). Це змушує струми та атмосферні потоки відхилятися вправо (правий бік) на NH та ліворуч (лівий бік) на SH. Завдяки ефекту Коріоліса повітря у верхній атмосфері відхиляється при віддаленні від екватора.

Приблизно на 30° широти (північ і південь) повітря починає текти із заходу на схід (це субтропічний струменевий потік), викликаючи скупчення повітря у верхній атмосфері. Щоб компенсувати це накопичення, частина повітря у верхній атмосфері опускається назад на поверхню, створюючи субтропічну зону високого тиску.

З цієї зони поверхневе повітря рухається в двох напрямках:

2021-10-18 9.50.22 пензій — Малюнок 4.5: Схематичне зображення поясів тиску та переважаючих вітрових систем на земній поверхні. Земля оточена декількома широкими переважаючими вітровими поясами, які відокремлені більш вузькими областями або просідання (максимуми: полюси і близько 30° с.ш.) або підйомами (мінімуми: ITCZ і близько 60° N і S). Напрямок і розташування цих вітрових поясів визначаються сонячним випромінюванням і обертанням землі.

Повертаємося до екватора, створюючи пасати або тропічні паски (рис.4.5). Ці пасати відхиляються ефектом Коріоліса, що призводить до північно-східних торгів (NH, правий прогин) та південно-східних торгів (SH, лівий прогин);
До полюсів, що виробляють вестерлі, які також відхиляються Коріолісом.

Приблизно на 60° північної та південної широти субтропічні вестерлі стикаються з холодним повітрям, що рухається від полюсів (полярні пасхи). Це зіткнення призводить до підняття повітря і створення субполярних зон низького тиску (і пов'язаних з ними циклонів середньої широти).

Після досягнення вершини тропосфери частина цього піднятого повітря направляється до полярних максимумів і частина спрямована в бік нижчих широт.

Таким чином, на рис. 4.5 ми можемо чітко розрізнити регіони з переважно західними вітрами на широтах від 30° до 60°, які ми дуже добре знаємо в Нідерландах. Це сильні і змінні вітри. Також очевидні регіони з переважно пасатами на північному та південному сході між екватором та 30°. Пасати помірні, але стійкі протягом усього року. В основному вони трапляються над океанами, оскільки поблизу материків вони, як правило, відхилені тропічними та субтропічними сезонними вітрами, званими мусонами (див. Нижче). Полярні пасхи також помірні і дме над сушею (Антарктида) або льодом (Арктика) протягом більшої частини року. Район біля ITCZ, де вітровий клімат переважно спокійний, називається депресивним. Однак тропіки можуть відчувати тропічні шторми, які розвиваються над морськими та океанськими районами з високими температурами поверхні. Залежно від місця розташування ці тропічні шторми називаються ураганами (поблизу Америки), циклонами (поблизу Індії та Африки) або тайфунами (поблизу SE-Азії та Австралії). Шторми йдуть шляхом, який лише частково передбачуваний, і припиняються лише після перетину на континент. Іншим циклонічним джерелом є циклони східного узбережжя, які утворюються біля східних берегів (США, Австралії, Бразилії, Африки) між 25° та 35° н.ш.

При внесенні нерівномірності земної поверхні ситуація значно ускладнюється. Через наявність сухопутних мас великомасштабні напірні пояси розбиваються на декількох ділянках низького і високого тиску (див. Рис. Як рельєф певної місцевості (гори впливають на розподіл тиску), так і диференціальне потепління океанів і суші відіграють певну роль. Отримані типові вітрові крячки для січня-липня також показані на рис.4.6. Ми можемо розпізнати західні та пасати, а також сезонно зворотні вітри, які називаються мусонами.

Вестерлі є найсильнішими вітрами, особливо близько 50° до 60° с.ш. Їх сезонність найбільша в Північній півкулі, де диференціальне потепління океанів і материків сильно впливає на розташування максимумів і мінімумів (через більшу присутність сухопутної маси в NH). Особливо азіатська маса суші викликає значні відхилення від великомасштабних напірних і вітрових поясів (порівняйте рис. 4.5 і на рис. 4.6).

Далі можна чітко спостерігати, що в деяких тропічних районах переважають пасати (дмуть в одному напрямку протягом року), тоді як в інших районах тропіків і субтропіків переважають сезонно зворотні мусони. Ці мусони є результатом більшої амплітуди сезонного циклу температури суші порівняно з амплітудою сусідніх океанів. Це очевидно, наприклад, в Південно-Східній Азії, де азіатський континент прогрівається в липні, створюючи тим самим Низький над Китаєм, викликаючи південно-західний вітер, що дме з моря на сушу. У січні, коли вода Індійського океану підтримує більш високу температуру, ніж континент, ситуація зворотна, викликаючи північно-східний вітер. Літній мусон SW (дме з моря на сушу) теплий і вологий, а зимовий мусон NE (дме з суші до моря) відносно холодний і сухий ². Вищезазначене стосується великих континентальних сухопутних мас (як Азія), але також Північна і Південна Америка та Африка мають мусон. Для незначних сухопутних мас взимку можуть спостерігатися берегові вітри. Мусони - помірні, але стійкі вітри.

Підсумовуючи, зональні вітрові системи визначаються великомасштабними поясами тиску в результаті широтозалежного нагрівання землі. Ми можемо розрізнити:

Полярні східні райони на високих широтах (>70°);
Сильні вестерлії в середніх широтах (30°—70°);
Широкі, але помірні пасати в субтропіках (10°—30°);
Тихіша депресія навколо екватора (10°N—10° S).

Ці вітри дмуть в одному напрямку протягом року, але змінюються просторово і тимчасово відповідно до сезонів. Пасати і, зокрема, західні, є найважливішими в постачанні енергії в прибережну систему. Хоча пасати не такі сильні, як західні, вони дмуть над великими територіями протягом року.

Регіональними і місцевими ефектами є:

сезонно змінюються мусони через зміни нагрівання материків і океанів;
циклони (циклони тропічного і східного узбережжя);
Сухопутні та морські бризи, що виникають внаслідок перепадів температур суші та моря

1. Тропосфера - це верхня частина атмосфери, де температура знижується зі збільшенням висоти.

2. Аналогічно, відмінності між денною та нічною температурою суші та моря можуть локально генерувати береговий вітер вдень (морський вітер) та морський вітер (сухопутний вітер) вночі.