Волна Россби - Rossby wave

Россби волны, также известный как планетарные волны, являются разновидностью инерционная волна встречающиеся в природе во вращающихся жидкостях. ^[1] Впервые они были идентифицированы Карл-Густав Арвид Россби.Они наблюдаются в атмосферы и океаны планет из-за вращения планеты. Атмосферный Россби волны на Земле гигантские извилины в высокомвысота ветры которые имеют большое влияние на Погода. Эти волны связаны с системы давления и струйный поток.^[2] Океанический Россби волны двигаться по термоклин: граница между теплым верхним слоем и холодной более глубокой частью океана.

Типы волн Россби

Атмосферные волны

Меандры Северное полушарие с струйный поток проявление (а, б) и окончательное отрывание «капли» холодного воздуха (в). Оранжевый: более теплые массы воздуха; розовый: струйная струя; синий: более холодные массы воздуха.

Атмосферные волны Россби возникают в результате сохранения потенциальная завихренность и находятся под влиянием Сила Кориолиса и градиент давления. Вращение заставляет жидкости поворачиваться вправо при их движении в северном полушарии и влево в южном полушарии. Например, жидкость, которая движется от экватора к северному полюсу, будет отклоняться на восток; жидкость движется к экватор с севера отклонится к западу. Эти отклонения вызваны силой Кориолиса и сохранением потенциальной завихренности, что приводит к изменениям относительной завихренности. Это аналогично сохранению угловой момент в механике. В планетарный атмосферы, включая Землю, волны Россби связаны с изменением эффекта Кориолиса с широта. Карл-Густав Арвид Россби впервые идентифицировал такие волны в Атмосфера Земли в 1939 году и продолжил объяснять свое движение.

Можно идентифицировать земную волну Россби как ее фазовая скорость, отмеченная гребнем волны, всегда имеет западную составляющую.^{[нужна цитата ]} Однако может показаться, что собранный набор волн Россби движется в любом направлении с тем, что известно как его групповая скорость. Как правило, более короткие волны имеют групповую скорость, направленную на восток, а длинные волны - групповую скорость, направленную на запад.

Условия "баротропный " и "бароклиника "используются для различения вертикальной структуры волн Россби. Баротропные волны Россби не изменяются по вертикали и имеют самое быстрое распространение. скорости. С другой стороны, бароклинные волновые моды меняются по вертикали. Кроме того, они медленнее, со скоростью всего несколько сантиметров в секунду или меньше.^[3]

Большинство исследований волн Россби проводилось на тех, которые находятся в атмосфере Земли. Волны Россби в атмосфере Земли легко наблюдать как (обычно 4-6) крупномасштабные меандры струйный поток. Когда эти отклонения становятся очень выраженными, массы холодного или теплого воздуха отделяются и становятся малопрочными. циклоны и антициклоны соответственно, и несут ответственность за ежедневные погодные условия в средних широтах. Действие волн Россби частично объясняет, почему восточные окраины континентов в Северном полушарии, такие как Северо-восток США и Восточная Канада, холоднее, чем западная Европа в то же широты.^[4]

Атмосферные волны, распространяющиеся по направлению к полюсу

Глубокий конвекция (теплопередача ) к тропосфера усиливается над очень теплыми морскими поверхностями в тропиках, например, во время Эль-Ниньо События. Это тропическое воздействие генерирует атмосферные волны Россби, которые мигрируют к полюсу и на восток.

Распространяющиеся по направлению к полюсу волны Россби объясняют многие наблюдаемые статистические связи между климатами низких и высоких широт.^[5] Одним из таких явлений является внезапное стратосферное потепление. Распространяющиеся по направлению к полюсу волны Россби являются важной и однозначной частью изменчивости в Северном полушарии, как это выражено в модели Тихого океана в Северной Америке. Подобные механизмы применяются в Южном полушарии и частично объясняют сильную изменчивость Море Амундсена регион Антарктида.^[6] В 2011 г. Природа Геонауки учиться с использованием модели общей циркуляции связали волны Россби в Тихом океане, вызванные повышением температуры в центральной тропической части Тихого океана, с потеплением в районе моря Амундсена, что привело к зимнему и весеннему континентальному потеплению. Ellsworth Land и Мэри Берд Лэнд в Западная Антарктида за счет увеличения адвекция.^[7]

Волны Россби на других планетах

Атмосферные волны Россби, как Волны Кельвина, может произойти на любой вращающейся планете с атмосферой. Y-образное облако на Венере приписывается волнам Кельвина и Россби.^[8]

Океанские волны

Океанические волны Россби - это крупномасштабные волны в океаническом бассейне. Они имеют низкую амплитуду, порядка сантиметров (на поверхности) до метров (на термоклине), по сравнению с атмосферными волнами Россби, которые составляют порядка сотен километров. Им могут потребоваться месяцы, чтобы пересечь бассейн океана. Они получают импульс из напряжение ветра в поверхностном слое океана и, как считается, сообщают о климатических изменениях из-за изменчивости принуждение, благодаря как ветер и плавучесть. И баротропные, и бароклинные волны вызывают колебания высоты морской поверхности, хотя длина волн затрудняла их обнаружение до появления спутник альтиметрия. спутник наблюдения подтвердили существование океанических волн Россби.^[9]

Бароклинные волны также вызывают значительные смещения океанических термоклин, часто десятки метров. Спутниковые наблюдения выявили величественное распространение волн Россби по всей бассейны океана, особенно в низких и средних широтах. Этим волнам могут потребоваться месяцы или даже годы, чтобы пересечь бассейн, такой как Тихий океан.

Волны Россби были предложены в качестве важного механизма для объяснения нагрева океан на европе, луна Юпитер.^[10]

Волны в астрофизических дисках

Волновые неустойчивости Россби также считаются астрофизическими диски, например, вокруг вновь образующихся звезд.^[11][12]

Усиление волн Россби

Эта секция нуждается в расширении. Вы можете помочь добавляя к этому. (Январь 2015)

Было высказано предположение, что ряд региональных экстремальных погодных явлений в Северном полушарии, связанных с блокировкой атмосферной циркуляции, может быть вызван квазирезонансное усиление волн Россби. Примеры включают Европейские наводнения 2013 г., то 2012 наводнение в Китае, то Жара в России 2010 г., то 2010 наводнение в Пакистане и Европейская жара 2003 г.. Даже принимая глобальное потепление принимая во внимание, аномальная жара 2003 года была бы крайне маловероятной без такого механизма.

Обычно свободно путешествует синоптический масштабные волны Россби и квазистационарный волны Россби планетарного масштаба существуют в средние широты только со слабыми взаимодействиями. Гипотеза, предложенная Владимир Петухов, Стефан Рамсторф, Стефан Петри, и Ганс Иоахим Шелльнхубер, заключается в том, что при некоторых обстоятельствах эти волны взаимодействуют, создавая статический узор. Они предполагают, что для этого зональный (Восток-Запад) волновое число обоих типов волн должны быть в диапазоне 6–8, синоптические волны должны задерживаться в пределах тропосфера (чтобы энергия не уходила в стратосфера ) и средних широтах волноводы должен улавливать квазистационарные компоненты синоптических волн. В этом случае волны планетарного масштаба могут необычно сильно реагировать на орография а также тепловые источники и стоки из-за «квазирезонанса».^[13]

Исследование 2017 г. Манн, Рамсторф и др. связано явление антропогенного Арктическое усиление к резонансу планетарных волн и экстремальным погодным явлениям.^[14]

Математические определения

Свободные баротропные волны Россби при зональном течении с линеаризованным уравнением завихренности

Начнем с зонального среднего потока, U, можно считать возмущенным, где U постоянна во времени и пространстве. Позволять ${ displaystyle { vec {u}} = langle u, v rangle}$ - полное горизонтальное поле ветра, где ты и v компоненты ветра в Икс- и у- направления соответственно. Полное поле ветра можно записать как средний поток, Uс небольшим наложенным возмущением, u ′ и v ′.

${ Displaystyle и = U + и '(т, х, у) !}$

${ Displaystyle v = v '(т, х, у) !}$

Предполагается, что возмущение намного меньше среднего зонального потока.

${ displaystyle U gg u ', v' !}$

Относительная завихренность η, ты и v можно записать в терминах функция потока ${ displaystyle psi}$ (в предположении недивергентного потока, для которого функция тока полностью описывает поток):

${ displaystyle { begin {align} u '& = { frac { partial psi} { partial y}} [5pt] v' & = - { frac { partial psi} { partial x}} [5pt] eta & = nabla times (u ' mathbf { hat { boldsymbol { imath}}} + v' mathbf { hat { boldsymbol { jmath}}} ) = - nabla ^ {2} psi end {align}}}$

Рассматривая воздушную подушку, не имеющую относительной завихренности перед возмущением (однородная U не имеет завихренности), но с планетарной завихренностью ж в зависимости от широты возмущение приведет к небольшому изменению широты, поэтому возмущенная относительная завихренность должна измениться, чтобы сохранить потенциальная завихренность. Также указанное выше приближение U >> ты гарантирует, что поток возмущений не адвектирует относительную завихренность.

${ displaystyle { frac {d ( eta + f)} {dt}} = 0 = { frac { partial eta} { partial t}} + U { frac { partial eta} { частичный x}} + beta v '}$

с ${ displaystyle beta = { frac { partial f} { partial y}}}$. Вставьте определение функции потока, чтобы получить:

${ displaystyle 0 = { frac { partial nabla ^ {2} psi} { partial t}} + U { frac { partial nabla ^ {2} psi} { partial x}} + beta { frac { partial psi} { partial x}}}$

С использованием метод неопределенных коэффициентов можно рассматривать решение бегущей волны с зональный и меридиональный волновые числа k и ℓсоответственно, а частота ${ displaystyle omega}$:

${ displaystyle psi = psi _ {0} e ^ {i (kx + ell y- omega t)} !}$

Это дает соотношение дисперсии:

${ displaystyle omega = Uk- beta { frac {k} {k ^ {2} + ell ^ {2}}}}$

Зональный (Икс-направление) фазовая скорость и групповая скорость волны Россби тогда даются

${ displaystyle { begin {align} c & Equiv { frac { omega} {k}} = U - { frac { beta} {k ^ {2} + ell ^ {2}}}, [5pt] c_ {g} & Equiv { frac { partial omega} { partial k}} = U - { frac { beta ( ell ^ {2} -k ^ {2}) } {(k ^ {2} + ell ^ {2}) ^ {2}}}, end {выравнивается}}}$

куда c фазовая скорость, c_грамм это групповая скорость, U средний западный поток, ${ displaystyle beta}$ это Параметр Россби, k это зональный волновое число и ℓ это меридиональный волновое число. Следует отметить, что зональная фазовая скорость волн Россби всегда направлена ​​на запад (с востока на запад) относительно среднего потока. U, но зональная групповая скорость волн Россби может быть восточной или западной в зависимости от волнового числа.

Значение бета

В Параметр Россби определено:

${ displaystyle beta = { frac { partial f} { partial y}} = { frac {1} {a}} { frac {d} {d varphi}} (2 omega sin varphi) = { frac {2 omega cos varphi} {a}}}$

${ displaystyle varphi}$ это широта, ω это угловая скорость из Вращение Земли, и а это среднее радиус Земли.

Если ${ displaystyle beta = 0}$, волн Россби не будет; Волны Россби обязаны своим происхождением градиенту тангенциальной скорости вращения планеты (планетарной завихренности). На планете-цилиндре нет волн Россби. Это также означает, что на экваторе любой вращающейся сферической планеты, включая Землю, все еще будут присутствовать волны Россби, несмотря на то, что ${ displaystyle f = 0}$, потому что ${ displaystyle beta> 0}$. (Экваториальная волна Россби ).

Смотрите также

• Атмосферная волна
• Экваториальная волна
• Экваториальная волна Россби - математическая обработка
• Гармонический
• Волна Кельвина
• Полярный вихрь
• Свисток Россби

Рекомендации

Библиография

• Россби, К.-Г. (1939). «Связь между вариациями интенсивности зональной циркуляции атмосферы и смещениями полупостоянных центров действия». Журнал морских исследований. 2: 38–55. Дои:10.1357/002224039806649023.
• Платцман, Г. В. (1968). «Волна Россби». Ежеквартальный журнал Королевского метеорологического общества. 94 (401): 225–248. Bibcode:1968QJRMS..94..225P. Дои:10.1002 / qj.49709440102.
• Дикинсон, Р. Э. (1978). «Волны Россби - долгопериодические колебания океанов и атмосферы». Ежегодный обзор гидромеханики. 10: 159–195. Bibcode:1978АнРФМ..10..159Д. Дои:10.1146 / annurev.fl.10.010178.001111.

внешняя ссылка

• Описание волн Россби от Американского метеорологического общества
• Введение в океанические волны Россби и их изучение с помощью спутниковых данных
• Волны Россби и экстремальная погода (Видео)