Atms 8400 The General Circulation
advertisement
http://www.natice.noaa.gov/ims/ Atms 8400 Внутренняя энергия в приполярных областях в атмосфере и океанах в целом. (Зима) Вертикальный интеграл физического тепла (CpT). Где температура более высокая? В субтропических максимумах. Таким образом, в среднем для воздушных потоков в ячейке Хэдли, перенос в приэкваториальном районе достаточно слаб и перенос тепла является наибольшим в районе 10о с.ш. Перенос воздушных масс из северного полушария в южное полушарие (Северная полушарии Хэдли сильнее) Вихревые переносы (стационарные и переходные) являются крупнейшим около 50о с.ш. Но воздушные потоки в ячейках Феррелла также обеспечивают перенос достаточного количества тепла. Весной: не так много изменений, за исключением того, что ослабевает перенос через экватор. ATMS 8400 Летом: перенос тепла к полюсу в ячейках Хэдли, со слабым переносом воздушных масс из Южного полушария в Северное. Конечно перенос тепла в вихревых движениях ослабевает в данный период. Осенние процессы : похожи на весенний период. Годовой перенос физического тепла: (сильный вклад средних движений, особенно в период сезонного солнцестояния) ATMS 8400 Переходные и устойчивые вихри достигают максимального развития зимой в районе 50о с.ш. и ю.ш. (конечно, они меняются внутри сезона). Средние движения имеют вторичный максимум на широте 50о с.ш. Диаграмма ATMS 8400 В средних широтах максимум теплопередачи наблюдается на высоте 250 гПа (высота струйных течений) и на высоте 850 гПа. Где адвекция тепла максимальна ? ATMS 8400 Схема: изменение температуры и скорости ветра с высотой ATMS 8400 B высоте 850 гПа это происходит с помощью приземных систем высокого и низкого давления ( циклонов и антициклонов). Они переносят тепло к полюсу и холодный воздух к экватору. Таким образом они действуют, чтобы сократить средние температурные градиенты! ATMS 8400 Диаграмма ATMS 8400 На высоте 250 гПа этот переносят осуществляют волны "Россби-гравитация, или Россби Инерция" ATMS 8400 В средней тропосфере, в субтропиках и экваториальной области нагрев от адиабатического сжатия является доминирующим процессом (адиабатический нагрев - Sw) Существует небольшой перенос к экватору с максимумом на высоте 500 гПа (вследствие охлаждения на экваторе) В стратосфере: перенос физического тепла происходит в направлении зимнего полушария, так как радиационное охлаждение происходит в зимнем полушарии! Atms 8400 Энергия скрытой теплоты : В тропиках -> средние движения снова определяют перенос энергии. В средних широтах - переходные вихри определяют 2/3 переноса, а устойчивые вихри 1/3, вклад средних движений незначителен. Переносы: Напомним, испарение является функцией температуры: [q] ([T]) Перенос влажности и температуры регулируется средним движениям в тропиках на малых высотах. ATMS 8400 В общем: В ячейках Хэдли, в восходящих вертикальных движениях много тепловой энергии а также много скрытой энергии, вовлеченной в процесс и преобразованной в явного тепло конвекции внутритропической зоны конвергенции. Но также в восходящих движениях есть огромные количества потенциальной энергии, которое накапливается на определенной высоте над землей! ATMS 8400 В общем: Общий перенос усиливается в верхней части циркуляции при движении по направлению к полюсу, и максимальный перенос происходит в районе 38о с.ш. (30о ю.ш.). Перенос является наиболее сильным зимой! Перенос также сильнее над северным полушарием, так как наблюдается разница температуры суши и океана (особенно в зимний период). ATMS 8400 Океанический перенос Это процесс физического нагрева. Максимальные температуры, как правило, наблюдаются вблизи экватора, океанические вихри являются "антициклоническими", и переносят теплую воду к полюсу на западных окраинах океанических бассейнов. Они несут холодную воду к экватору на восточной окраине бассейнах. (Токи геострофически уравновешены, сильнее и уже на западной стороне вихря, и шире и размыты на восточной стороне) Atms 8400 В океанах: максимальная теплопередача происходит в районе 20 – 25о с.ш. и ю.ш. Вопрос для студентов: В каком полушарии происходит более сильный перенос океанических течений в целом? Где это важнее? Ответ: В южном полушарии, конечно, так как здесь больше океанов! ATMS 8400 Радиационный баланс (и перенос тепла) Поговорят об этом, что вся энергия происходит от поступающего излучения Солнца! Это прелюдия к энергетике! В данном широтном поясе, мы можем определить (баланс земля—атмосфера RNea)> 0 или <0, то есть избыток энергии или ее дефицит: ATMS 8400 Диаграмма Atms 8400 Это можно сделать одним из четырех способов: 1. Оценить внутреннюю энергию (CpT) атмосферы или океана 2. Испарение воды 3. Причина конвекция (скрытой теплоты и осадков) 4. Любые другие оставшиеся излишки тепла могут перемещаться горизонтально из столба воздуха или за счет океанических течений. ATMS 8400 Теперь мы можем записать следующее уравнение на основе вышеизложенного: RNea = (Sa + Sl + So) + (испарение - осадков) + градиенты (Fa + Fо) Atms 8400 Sa = сохранение энергии в атмосфере Sl = сохранение энергии суши (почва, литосфера) So = сохранение энергии океанов где Fa = [(vE)] = [v (CpT + gZ)] сухой статическая энергия: (обычно) И Fo = [h] vCp T ATMS 8400 Мы также знаем, что: В низких широтах: дивергенция водяного пара (субтропические максимумы) (E > P) В высоких широтах: cходимость водяного пара (P > E) Но наше уравнение говорит нам, что в долгосрочной перспективе, входящие и исходящие излучение должно быть сбалансировано. ATMS 8400 RNea = градиент [F] влажная статическая энергия (мне нравится) ATMS 8400 Баланс тепла превышен (0 – 38о с.ш.) Северное полушарие : ~ 37 x 1019 cal / день x (4.19 J/cal) = ~ 15 x 1020 J/день Перенос: от северного к южному полушарию = 5 x 1018 cal/день x (4.19 J/cal) = ~ 2 x 1019 J/день Таким образом, только 1% - 2% энергии переносят от северного до южного полушария => 1 - 2 единицы (кал / день) или 4 - 8 единиц (J / день). Насколько мало Человечество? Энергия небольшого ядерного оружия: 6 x 1013 J Использование энергии в США в течение одного года 1.2 x 1020 J (весь мир – 4.8 x 1020 J Hurricane in Italy? SSTs were 21 – 22C Автострада (I – 90) – 19.11.14 Буффало Нью Йорк Небольшой инструмент большая работа! ATMS 8400 Сравним излишки энергии: St = Co + Sl + So (Накопление тепла атмосферой и сушей мало, поэтому St приблизительно равна So) Теплоемкость океанов очень велика (Co >>>> Ca или Cl) Так 30 - 35 единицы избыточного количества или почти 90% тепла хранится в океанах, особенно в летнее время. Зимой наблюдается обратный процесс потери тепла. Океаны в ответ на изменения в системах накопления тепла очень инертны, они имеют "длинную" память! Вот почему температура океана максимальна в середине сентября и наиболее холодная в середине марта. ATMS 8400 Поддержание температурного поля Используйте первый закон термодинамики, уравнение состояния и уравнение неразрывности ATMS 8400 Hапомним (первый закон термодинамики, нужно выразить в форме потока): cделайте для общей циркуляции , ATMS 8400 Теперь после некоторых преобразований у нас есть; где 1. меридиональный поток 2. вертикальный поток 3. поток статической устойчивости 4. диабатический нагрев ATMS 8400 давайте рассмотрим горизонтальный поток, как часть полного потока: а затем перепишем среднее движение в потоке как адвекцию: ATMS 8400 Вертикальный поток может быть обработан таким же образом: Тогда статическая устойчивость становится: ATMS 8400 Тогда в правой части, первый и четвёртый члены уравнения представляют собой “среднее движение статической устойчивости" неадиабатический нагрев: ATMS 8400 Конечный результат (а) (д) (б) (е) (в) (ж) (г) ATMS 8400 А. неадиабатический нагрев и процессы Радиационный баланс = солнечная радиация - излучение земли (1о С / день) Скрытая теплота (1о С / день) Физические нагрев планетарного пограничного слоя (2 – 4о C / день) Б. Адиабатический нагрев и охлаждение (Среднее движение) В. Средняя меридиональная адвекция Г. Дивергенция вихря по горизонтали Д. Дивергенция вихря по вертикали Е. устойчивость потока (вихрей) ATMS 8400 Статическая устойчивость (S): Разница между наблюдаемым градиентом температуры и адиабатическим градиентом. В масштабах общей циркуляции S никогда не будет меньше нуля (или только в очень редких случаях!), Таким образом, значение периода стабильности будет продиктовано вертикальными движениями. Адиабатический процесс: Для движения вниз (+w), нагрев. Для восходящего движения (-w), охлаждение. Это, прежде всего, среднее движение (Вы можете описать, где наблюдается нагрев или охлаждение на земном шаре?). ATMS 8400 Неадиабатический нагрев: Нет аналитического выражения для этого. Эти процессы порядка 1о С в день или больше. Опять же, это в первую очередь процессы среднего движения. ATMS 8400 Qrad (радиационный баланс, в том числе солнечной радиации и земной радиации). (1 ° C в день) Qлатент (в первую очередь ограничивается тех регионах, где формируются облака (на высотах 850 гПа - 400 гПа) (1 ° C в день) (Где этот процесс наиболее выражен на земном шаре?) Qфиз (нагрев пограничного слоя. Может быть на порядка 2 4 ° С в сутки. Знак определяется различием температур воздуха и подстилающей поверхности. ATMS 8400 Физические и скрытое тепло (например Нейман и Шапиро, 1993, MWR). где Ch и Cq коэффициенты обмена; Ch = 1.4 x 10-3, и Cq = 1.6 x 10-3 ATMS 8400 Средняя меридиональная адвекция: Важны ячейки Феррелл, где наблюдаются температурные градиенты. В тропиках, этот процесс не является важным, так как температурные градиенты малы, и процесс ограничивается пограничным слоем. Горизонтальный поток тепла: Перемещающиеся и стационарные вихри снова доминируют в средних широтах, как это там, где есть температурные градиенты. ATMS 8400 Вертикальные движения для переноса тепла не слишком важны. Перемещающиеся и стационарные вихри являются наиболее важными там, где (w) достигает максимального значения (средняя тропосфера). Расхождение вихревых потоков на порядок меньше, чем горизонтальная адвекция. ATMS 8400 Радиационный баланс А: Что нужно знать о распределении водяного пара, озона, диоксида углерода Б: что нужно знать об облачности: 1.Форма, 2. вертикальный размер, 3. степень покрытия Небосвода, 4. Размер капель и распределение плотности 5. Состав (твердая и жидкая фаза). В: что нужно знать о температуре - это распределение. ATMS 8400 Озон: концентрация максимальна в стратосфере, измерения проводятся со спутников. Вторичный максимум около поверхности земли. Нагревает стратосферу (поглощает ультрафиолетовый свет), без него не было бы никакой стратосферы! Концентрация считается постоянной во временных и пространственных масштабах общей циркуляции Водяной пар: измеряют с использованием гигрометра, необходимо знать температуру и давление. Напомним, удельная влажность составляет около 10 г / кг у земной поверхности и 0,002 г / кг в тропопаузе. Водяной пар является самым важным парниковым газом в атмосфере (в 30 раз более эффективно задерживает тепло, чем CO2). Тем не менее имеет короткое время пребывания (8 - 10 дней), и его концентрация сильно варьирует во времени и пространстве. ATMS 8400 Диоксид углерода: это хорошо смешивающийся газ. Эффективен при улавливания длинноволнового излучения. Концентрация считается постоянной (390 частей на миллион) в масштабах общей циркуляции. Однако, он имеет длительное время пребывания в атмосфере (около 100 лет) и, таким образом, влияет на климат в этих временных масштабах. Облака: Разделяются на нижний, средней и высокой ярус. Для детальной климатологии см http://isccp.giss.nasa.gov Это домашняя страница Международного проекта Спутниковое Облако климатологии (МПКИОС), который является частью Всемирной программы исследований климата (ВПИК). Эти данные в настоящее время является стандартом для количества облаков в исследований общей циркуляции. Температура: измеряется с помощью зондирований (Радиозонд и спутники) ATMS 8400 QRAD -> (баланс излучения). Напомним, земля излучает в космос на верхних уровнях тропосферы и стратосферы. В верхней тропосфере длинноволновое излучение максимально в тропиках (водяной пар, принесенный конвекцией в ячейках Хэдли). Напомним также, что атмосфера нагревается не напрямую, то есть, нагревается подстилающая поверхность и тепло направляется вверх за счет конвекции! QLHR -> Как скрытая теплота параметризована в моделях? Принято эмпирическое выражение для Q / Ср! ATMS 8400 Qsens Граница слоя нагрева, предполагается, произойдет на уровне 1000 - 850 гПа. Максимально в тропиках целых 2o С / день круглогодично. С 60о с.ш. и 60о ю.ш. к полюсам , этот процесс возрастает (+) в среднем ежегодно. Параметризация используется для потока физического тепла и расчета дивергенции потока в пограничном слое. Применяется для уменьшения линейности в пограничном слое с максимумом у земной поверхности до сокращения до 0 в верхней части пограничного слоя (например, Лупо и др, 1992) ATMS 8400 Значения величин Тропический районы Qrad охлаждения (тропики) в атмосфере составляет порядка -2o C / день QLHR потепление +2o C / день Qsens потепление + 2o С / день приполярные районы Q rad: -1,0o C QLHR: 0,5o C день Qsens охлаждение -1,5o С / день ATMS 8400 Вопрос: В глобальном масштабе, какой процесс является более важным? Скрытый нагрев или физический нагрев? Ответ: 80% нагрева за счет скрытого нагрева, 20% изза физического нагрева, каждый уравновешивается радиационным охлаждением. ATMS 8400 Слой атмосферы: (глобально) От подстилающей поверхности до середины тропосферы: общее потепление В верхней тропосфере - нижней стратосфере: общее охлаждение Стратосфера (32 км или в озоновом слое) общее потепление. ATMS 8400 Процесс Стабильности: Поскольку S> 0, этот процесс определяется знаком вертикального движения. Этот процесс нагрева / охлаждения атмосферу порядка 0,5 – 1о С день и отражает вертикальные движения в ячейках Хэдли. Пример в восходящей ветви: неадиабатический нагрев за счет скрытого нагрева, длинноволновое охлаждение, и адиабатического охлаждения из-за этого процесс стабильности дополняет процесс баланса! В стратосфере: ячейки Хадли и Феррелл присутствуют в нижней стратосфере. Радиационное охлаждение в зимнем полушарии, НО восходящие движение в циркумполярном вихре действуют таким образом, что за счет адиабатического охлаждения происходит процесс остывания полярного вихря! (противоположный процесс летом!) ATMS 8400 Потоки тепла в перемещающихся и стационарных вихрях : Расхождение потока тепла зимой в средних широтах и тропиках , и сходимость теплового потока в полярных районах. Существует слабая сходимость вблизи экватора отзыва субтропическим регионов теплым! В тропической зоне конвергенции мы имеем 1) сходимость теплового потока, 2) адиабатическое охлаждение, 3) длинноволновое охлаждение, 4) скрытый нагрев. ATMS 8400 В средних широтах -> Конвергенция теплового потока и стабильность условий близки к нулю. Неадиабатический нагрев (+) в нижней тропосфере (ниже высоты 600 гПа) и (-) в верхних слоях тропосферы (выше высоты 600 гПа). Для того, чтобы получить баланс в средних широтах, мы должны иметь подъем теплого воздуха и опускание холодного воздуха. Таким образом, вертикальные потоки тепла вихревых движений играю важную роль в поддержании градиентов температуры в средних широтах. ATMS 8400 Диаграмма ATMS 8400 Наконец: важными процессами в поддержании распределения температуры в средних широтах являются: неадиабатический нагрев, адиабатический процесс, меридиональная адвекция температуры и сближение температуры в вихревых потоках. ATMS 8400 ЭНЕРГЕТИКА Эдвард Лоренц (1955) признан в качестве пионера в исследовании атмосферной энергетики и теории хаоса, поэтому мы отбрасываем этот путь в надежде понять лучше что-то другое. Атмосфера динамическая система, которая подчиняется известным законам движения. Атмосфера, как полагают, развивается из начального состояния и определяется известными правилами. Таким образом, будущие состояния предсказуемо (от 10 до 15 дней). Если бы это было случайным, законы движения не были бы известны , и только вероятность или статистические данные могли быть использованы для прогнозирования будущих состояний. ATMS 8400 В хаотических системах (Lorenz) последовательность без периодичности. Нелинейные законы движения известны, но система непредсказуема (необходимо указать соответствующие начальные условия). Эти системы могут демонстрировать детерминированное поведение, но непредсказуемы. Они могут быть описаны только стохастически. Мы должны изучить цикл атмосферной энергетики в глобальном масштабе. Как это выполнить таким образом, что при условии преобразования внутренней энергии в кинетическую энергию , были компенсированы потери энергии из-за снижения трения. (Переход энергии в строну уменьшения) Предсказуемость против непредсказуемых систем Чувствительность к начальным условиям. ATMS 8400 Простейшая Энергетическая диаграмма: Формирование (неадиабатический процесс) | IE , PE | C(I,P – K) | KE | уменьшение трения E = CpT + gz + Lq + V2/2 ATMS 8400 Кинетическая энергия пренебрежимо мала по сравнению с другими формами энергии (таким образом, мы, как правило, игнорируем ее). Но в энергетике мы не можем игнорировать его !! Насколько значителен этот процесс? CpT (физические отопление) = CvT + Rd T Ср = 1004. 63 J K кг * 300 K = 3 х 105 J / кг KE = ½ m V2 = ½ (50 m/s)2 = 1.2 x 103 J / кг ATMS 8400 Внутренняя энергия - CvT Действие силы давления или воздействие градиент давления pa (= RT) Воздействие происходит только в направлении градиентов давления, правильно? ATMS 8400 Потенциальная энергия = gz ( Энергия по отношению к исходному уровню) При адиабатическом (сухой) и свободной атмосфере, суммарная энергия постоянна. Мы можем доказать это с помощью первого закона термодинамики, уравнения движения и уравнения неразрывности. ATMS 8400 Тогда в глобальном масштабе: Потери кинетической энергии за счет уменьшения трения происходит через внутреннюю энергию (через неадиабатические процессы !!) Только неадиабатические процессы определяют изменения во внутренней и потенциальной энергии! В глобальном масштабе: Total E = постоянна (опять же, это может быть достигнуто двумя способами, никаких источников или поглотителей, или S источников + стоков = 0.) ATMS 8400 Таким образом, на глобальном масштаб: только источники и стоки преобразуют кинетическую энергию в потенциальную или внутреннюю энергию. Таким образом, что приводит к изменениям кинетической, потенциальной или внутренней энергии? Что вызывает преобразование между каждой формой энергии? Какие атмосферные процессы это делают? ATMS 8400 Процессы с участием группы сил, влияющих на ускорение потока): гравитационная сила градиент силы давления сила трения сила Кориолиса В: определим эти силы из уравнения движения? Гравитационная сила действует в вертикальном направлении, главным образом проявляется и влияет на потенциальную энергию вертикальных движений ATMS 8400 Кинетическая Потенциальная энергия При движении вверх увеличивается потенциальная энергия (gz) Вниз уменьшается потенциальная энергия (gz) Сила градиента давления действует в горизонтальных воздушных потоках от высокого к низкому давлению. Воздух будет расширяться и охлаждаться при уменьшении давления таким образом, внутренние энергия уменьшается. Воздушный поток ускоряется к низкому давлению и кинетическая энергия возрастает (взаимодействие между внутренним кинетической энергией). ATMS 8400 Взаимодействие между внутренней и кинетической энергией: IE KE это является адиабатическим и обратимым процессом. (Нет усиления неадиабатической энергии или уменьшения) aw Сила трения Необратимый или адиабатический процесс, диссипативная сила! F X V (трение выступает против движения) Уменьшение кинетической энергии, но увеличение внутренней вследствие фрикционного нагрева ATMS 8400 внутренняя энергия кинетическая энергия Сила Кориолиса действует под прямым углом к силе, и поэтому, не делает никакой работы. кинетическая, потенциальная или внутренняя энергия не изменяются. ATMS 8400 Работа проводится только в направлении силы, так сила Кориолиса может ускорить движение воздух, но не делает никакой работы! 1) РE КE, снижение РE приводит к увеличению KE, 2) внутренняя энергия преобразуется в кинетическую за счет силы градиента давления, и 3) кинетическая энергия переходит во внутреннюю под влиянием трения ATMS 8400 Маргулес (1903) – исследовал кинетическую энергию циклонов (для открытых систем). Он также описал физически переходы между кинетической, потенциальной и внутренней энергии. ATMS 8400 Формирование (IE) | IE | преобразование внутренней энергии в кинетическую | KE | кинетическая энергия уменьшается за счет трение Формирование (PE) | PE | Маргулес определил понятие полной потенциальной энергии (TPE). Кинетическая энергия в циклонах зависит от полной потенциальной энергии , и так как TPE является источником KE, оба вида энергии должны быть сохранены (в мире). ATMS 8400 TPE = Внутренняя энергия + Потенциальная энергия Формирование (TPE) | TPE | C (TPE - K) | KE | уменьшается за счет трения Если мы наблюдаем увеличение IE или PE или оба (TPE), это означает, что избыток KE должен быть уничтожены силой трения! Тогда мы должны определить эти величины математически! ATMS 8400 Исследуем полную потенциальную энергию потенциальная энергия элемент массы в столбе воздуха определяется как (на единицу площади): rdz cилa градиента давления гравитационная сила ATMS 8400 PE = mgh, или в атмосфере: rgz dz, Если интегрировать по вертикали в столбе воздуха: мы можем использовать гидростатическое равновесие dp = - r g dz Таким образом, PE на единицу площади: Atms 8400 то мы можем использовать правило математического преобразования: d(zp) = р dz + z dp интегрирование по вертикали в столбе атмосферного воздуха : ATMS 8400 Затем с помощью уравнения состояния определим потенциальную энергию: Внутренняя энергия: ATMS 8400 Тогда мы видим, что потенциальная энергия пропорциональна внутренней энергии, и является частью внутренней энергии, или частью энергии физического тепла! ATMS 8400 Постоянная пропорциональности Rd / Cv, составляет 287,04 / 717,59 = 2/5 Таким образом, потенциальная энергия атмосферы PE = 2/5 внутренней энергии IE и, очевидно, PE + IE = физические энергия! RT + CvT = CpT Маргулес (1903): показывает TPE = IE + PE = явная тепловая энергия, которую мы можем вычислить! Мы можем измерить температуру. ATMS 8400 Важное понятие! ==> Полная потенциальная энергия определяет запасы атмосферный энергии. НЕ ВСЕ виды этой энергии доступны для преобразования потенциальной энергии! Существует некоторое количество энергии не доступной для преобразования. Это определяется как основное состояние атмосферы! Таким образом, существует определенное количество энергии, которая преобразуется в кинетическую энергию, то это называется доступной потенциальной энергии (APE). Лоренц (1955) ТЕЛЛУС, 7 Atms 8400 Понятие доступной потенциальной энергии (APE) 1) Мы заявляли, что есть необходимость преобразования IE и PE в кинетическую энергию KE, замещая потери из-за трения. 2) Мы показали, что изменения в IE и PE пропорциональны друг другу в сухом столбе воздуха в гидростатическом равновесии! 3) Кроме того, IE + PE = TPE (p) 4) Вертикальные движения вызывают изменения между РE и КE, горизонтальные движения вызывают изменения между IE и KE, как могут адиабатических и обратимые (ньютоновские) процессы! Напомним, что в хаотической системе, процесс необратим. ATMS 8400 Затем в сухом гидростатическом столбе воздуха, существует необходимость в преобразовании определенного количества ТPE KE. адиабатическим перераспределение массы, чтобы заменить потери изза рассеяния трения. Трение: G(TPE) | TPE | C | KE | D(K) Трение рассеивает KE Atms 8400 Таким образом, на данные вопросы ответы Лоренца были: Это все TPE преобразуется в KE или просто фракция?: O: Только часть Если не все, то какая часть?: O: APE Лоренц (1955) в журнале Tellus дал нам примеры, почему TPE не оптимальная мера энергии, доступная для преобразования в KE и предложил понимание APE, где: APE является источником или частью ТPE доступеной для превращения в КЕ: ATMS 8400 Новая схема G(APE) | APE | C(A-K) | KE | D (трения) Сейчас: APE = E Cp T Здесь ‘E’ “коэффициент полезного действия” ATMS 8400 E > 0 если p1 > p2 (справ), и E < 0 если p1 < p2(справ) APE наиболее эффективна (в идеальном случае) при нагревании теплого воздуха при более высоком давлении, и охлаждении холодного воздуха при более низком давлении. Увеличение бароклинности за счет увеличения градиентов температуры и нестабильности!. Давайте посмотрим замкнутую систему в покое! r = r(z) ATMS 8400 Линии постоянной плотности = изопикнических поверхностей Основной состояние (баротропная / равновесие) геопотенциальные поверхности, параллельные изопикнические поверхности, не соленоидов ATMS 8400 Баротропные Atms 8400 В этом случае: APE = 0, то все TPE (IE и PE) недоступны для перехода на КЕ и система находится в покое! TPE одно и то же в каждом столбце системы. Без искажений, так как нет движения, нет адиабатического перераспределения массы. ATMS 8400 Нагрев середины: ATMS 8400 Мы увеличиваем TPE при нагреве, теперь у нас есть соленоиды и преобразование IE KE и TPE KE. Увеличение бароклинности! ATMS 8400 Охлаждение в середине: ATMS 8400 Происходит уменьшение TPE при охлаждании, теперь у нас есть соленоиды и преобразование IE KE и TPE KE. Увеличение бароклинности. Тем не менее, мы все еще должны математически определить насколько TPE является APE. ATMS 8400 APE = TPE (существующее положение) - TPE (стандартное состояние) (схема 2 или 3 - схема 1) Cтандартное состояние определяет баротропную атмосферу. Напомним, что в динамике, в приближении Буссинеска потенциальная температура || плотности || давления на определенной поверхности. Cтандартное состояние также называется минимальным состоянием PE. Утверждают, что это состояние никогда не будет существовать в глобальном масштабе! Таким образом, всякий раз, когда вы нарушить стандартное состояние, вы создаете KE! ATMS 8400 Лоренц утверждает, что нагрев при трении приводит к росту существующей TPE и стандартного состояния, так что нагрев не источник APE, хотя KE IE. Лоренц утверждает, что все источники и стоки APE являются только неадиабатическими! Тогда APE преобразуется адиабатически в KE без сокращения или изменения стандартного состояния! ATMS 8400 Атмосферный Энергетический Цикл (резюме) Формирование АРЕ происходит в условиях неадиабатического и без трения нагрева или охлаждения Превращение АРЕ в КЕ является\ обратимым адиабатическим процессом. Рассеяние КЕ происходит за счет трения. ATMS 8400 Важные свойства APE: 1. Сумма APE и КE сохраняется d / dt (APE + KE) = 0 в адиабатических, то d(APE) / dt = - d (KE) / dt 2. APE полностью определяется распределением масс внутри замкнутой системы! TPE (фактическая) - TPE (справочн.) = APE 3. APE = 0, если TPE (фактическая) = TPE (справочн) 4. APE всегда будет> 0. APE примерно в десять раз больше глобальной KE на Земле, но APE, составляет менее 1% (1/1000) TPE в существующем состоянии! Таким образом, 999 единиц СpТ недоступны для преобразования энергии! ATMS 8400 Вертикальные движения являются очень небольшими частями TPE, таким образом, атмосфера представляет собой не эффективный тепловой двигатель! Мы рассмотрели физически, теперь давайте займемся математикой и начнем с первого закона термодинамики: ATMS 8400 Тогда преобразуем в форме потока: ATMS 8400 Формирование, преобразование и горизонтальный поток Формирование: Используйте гидростатическое равновесие, чтобы преобразовать в координатах давление, хотя мы суммируем нагрев на единицу массы. (Преобразование ограничивает пределы интегрирования). ATMS 8400 И: (1) (2) (4) (3) ATMS 8400 Схема (половина?) ATMS 8400 1. Полная потенциальная энергия 2. Неадиабатический процесс нагрева (формирование) 3. Адиабатическое преобразование (переход TPE KE) Теплый воздух поднимается вверх, холодный опускается. "Перераспределение масс« 4. Горизонтальный поток (обращается в 0 в замкнутой системе) ATMS 8400 Теперь давайте интегрировать по всему земному шару: ATMS 8400 предыдущий слайд (полная потенциальная энергия и преобразования) напомним: ATMS 8400 кинетическая энергия Начать с (2-D) уравнения горизонтального движения: где f = gz и f = параметр Кориолиса 2Wsin (f) ATMS 8400 Введем призведение уравнения движения и V (1) (2) (3) (4) ATMS 8400 Схема (половина?) ATMS 8400 1) Полная KE 2) Горизонтальный поток КЕ 3) поток через изобары . (Преобразование IE, TPE KE) 4) Потери энергии за счет трения ATMS 8400 Теперь давайте интегрировать по всему земному шару: Поток через изобары (например, Orlanski и Шелдон, 1993, MWR): ATMS 8400 Предположим, замкнутую систему (потоки не горизонтальные) ATMS 8400 Наконец C(KE) D(KE) Докажите: Изменения в TPE и КЕ должны быть результатом неадиабатических изменений доступной потенциальной энергии и потерь за счет трения. ATMS 8400 TPE KE G(TPE) + C(TPE) C(KE) D(KE) ATMS 8400 Суммируем оба уравнения. У нас есть формирование TPE и потери КЕ. _________________________________________ ATMS 8400 Чтобы получить APE: потенциальные температуры и давление на изобарических поверхностях совпадают в адиабатической, баротропной системе. Поток Буссинеска. Мы должны использовать уравнение, которое имеет эти переменные, выраженные наряду с температурой! Мы пропустим математику здесь! (Это займет десять слайдов ...) ATMS 8400 В условиях адиабатического потока и отсутствия трения : Но, напомним, что не все ТPE доступны для преобразования в КЕ ATMS 8400 Затем измените в APE (где E = коэффициент полезного действия ATMS 8400 Схема потенциальной температуры в атмосфере ATMS 8400 Схема “коэффициента полезного действия ATMS 8400 Таким образом, единственное различие между ТРЕ и APE – это коэффициент полезного действия (E), который определяет, где на изэнтропической поверхности происходит нагрев (охлаждение), приводящие к образованию (разрушению) APE наиболее эффективно! Для того, чтобы иметь больше APE в атмосфере мы должны иметь увеличение к экватору наклонна изэнтропических поверхностей! ATMS 8400 уравнения ATMS 8400 Уравнения энергетика (Lorenz) в замкнутой системе! Они применимы для синоптического масштаба и планетарного масштаба (гидростатическое равновесие все еще должны иметь место). ATMS 8400 Существует взаимосвязь между коэффициентом полезного действия и диабатическими процессами (QNET). в низких широтах: Qnet > 0 E > 0 в высоких широтах Qnet < 0 Е < 0 В этих условиях формируется APE > 0. ATMS 8400 Зональные и вихревых формы энергетического баланса Сейчас: будет четыре способа сохранения энергии и четыре члена преобразования Мы будем рассматривать отдельно осредненные и вихревые движения в уравнениях энергетики. APE -> KE тем, что процессы? ATMS 8400 схема в виде квадрата: ZAPE температурные градиенты от экватора к полюсу EAPE воздушные массы ZKE крупномасшабный струйный поток / полярный фронт EKE местный ветер (максимумы в струйном потоке) ATMS 8400 1. СZ (средние движения) теплый воздух, поднимающийся над экватором и опускающийся над полюсами 2. CE (вихревые движения) Теплый воздух, поднимающийся перед циклоном и погружающийся за ним 3. CA тепло перемещается из теплых регионов в холодные 4. СK импульс передается от максимального ветра к ветровому минимуму ATMS 8400 Спектральная Энергетика: Все энергетические величины разлагаются в волновых числах математически Введенный Saltzmann (1957) J. Метеор, 14, P513 Университет Миссури был лидером в этой теме в 1970-х - (. Кунг, Танака, и др) 1990-х годов ATMS 8400 схема в виде квадрата: Цифры в схеме в виде квадрата (x 105 Дж/кг формирование APE и потери КЕ (Вт/м2). Piexoto and Oort, 1992) Количество Земля Северное полушарие Южное полушарие Gz 1.12 1,26 0.97 Ge 0.7 0.7 0.7 ZAPE 36.9 33.6 40.3 EAPE 11.5 14.1 8.9 CA 1.27 1.22 1.33 CE 2.0 2.0 2.0 CZ 0.15 0.16 0.14 ZKE 4.7 3.8 5.6 EKE 7.5 7.8 7.2 CK 0.33 0.29 0.36 Dz 0.18 0.13 0.22 De 1.7 1.6 1.7 Цифры в схеме в виде квадрата (x 105 Дж/кг формирование APE и потери КЕ (Вт/м2). Van Loon (1983) ATMS 8400 Тогда в атмосфере благоприятные пути (красный) для потоков энергии Цифры в схеме в виде квадрата (x 105 Дж/кг формирование APE и потери КЕ (Вт/м2). Robertson and Smith (1983) для циклонов умеренных широт Количество Зимой Летом 4.07 0.41 Ge 3.62 0.37 ZAPE 21.88 19.72 EAPE 12.96 5.43 CA 8.02 0.42 CE 10.8 3.07 CZ N/A N/A KZ 15.27 4.82 KE 18.38 5.29 CK 1.50 1.86 Dz 8.06 3.13 De N/A N/A реGz ATMS 8400 Цифры для блокирующих антициклонов средних широт похожи на цифры для циклонов средних широт. В исследованиях блокирования в основном используются волновое число энергетики. Одним из важнейших показателей между циклонами средних широт и блокированием является разница передачи энергии – более крупномасштабные процессы, чем мелкомасштабные. (Кунг 1986) Atms 8400 Ураган Хильда (1964) Anthes и Джонсон MWR (1968) Формирование 3,3 Вт / м2 для скрытого тепла - 77%, для длинноволнового излучения 17%, для солнечного излучения. 6% Хокинс и Робинсон (1968) 5.0 Вт / м2 Формирование скрытой нагрева, длинноволнового излучения, физического нагрева, солнечной излучения ATMS 8400 Edmon and Vincent (1979) Ураган Кармэн - 1974 ATMS 8400 Статистика из Оорта и Piexoto выросли к настоящему времени до исследований. отношений основных потоков энергии атмосферных процессов.гр Энергетика -> Самые сильные градиенты в северном полушарии зимой. Это обусловлено усилением различий между экватором и полюсом - временных градиентов (больше масса суши. ) Ежегодно два полушария очень похожи по силе циркуляции. В масщтабах земного шара градиенты более сильные в Северном полушарии зимой, чем летом. В целом, сезонность больше проявляется в северном полушарии Эти результаты показывают, что имеет место , по крайней мере в четыре раза больше APE, чем KE. ATMS 8400 Лоренц показал, что APE была в 5 - 10 раз больше, чем КЕ, но эти результаты были завышены, потому что он рассматривал данные некоторых холодных североамериканских зим . на схеме есть оценки формирование и потери энергии, обратите внимание, что они примерно равны !!! это исследование является прогрессом по сравнению с более ранними оценками, которые не рассматривали оценки формирование или потери энергии. Цифры диаграмм Кунга и Бейкера больше, так как они рассматривали энергетику в конкретной ситуации - явление блокирования. Значение величин может быть больше по разным причинам (в том числе их результаты не учитывают временную шкалу общей циркуляции) ATMS 8400 Что не показано на схемах: Зимой и летом, термически прямые градиенты доминируют над косвенными (ячейки Ферреля против ячеек Хэдли ). Это можно увидеть, если бы мы исследовали преобразование зональную APE в зональную KE. В переходные сезоны - наоборот. Это связывает несколько концепций: вспомним потоки переносов от экватора к полюсу (относится к потокам KE ) .Максимальное около 30o с.ш. Интуиция подсказывает нам, что это имеет отношение и представляет собой потерю КЕ., или процесс диссипации энергии. Таким образом, КE должна получить от обеих видов : зональной APE или циркуляционной EAPE. Больше энергии возникает в процессе средних движений, однако, это происходит не в непрерывном режиме (работает по сезонам, зимой и летом, меньше в течение переходных сезонов). ATMS 8400 Большая часть энергии рассеивается в вихрях, чем в средних движениях. Потери: 40% процессов планетарного пограничного слоя (1000 - 850 гПа) 40% в слое 850 - 300 гПа и 20% в верхних слоях тропосферы. 20% потерь энергии в верхних слоях тропосферы (300 - 100 гПа) является результатом сильного вертикального сдвига. Таким образом, две области потери энергии : 1) планетарного пограничного слоя и 2) в струйном потоке. ATMS 8400 Коэффициент полезного действия: Тропическая тропосфера E> 0 (формирование APE) В средних широтах и полярные районы E <0 (разрушение APE) Эта картина меняет в нижней стратосфере ATMS 8400 Модели общей циркуляции Есть некоторые, которым уделяют наибольшее внимание. Общие модели циркуляции создаются в волновом пространстве. Координаты, как правило, (l,f,s,t (или гибрид s - р), Т) (например, Gates et al. , 1999, BAMS, 80, 29 -. 56. и IPCC 2013) Разрешение: по вертикали: от 25 до более чем 60 слоев от земной поверхности до 10 гПа. По горизонтали: 2 широта долгота или меньше. шаг по времени (5,10 и 30 мин), как правило, и данные обновляются с 6-часовыми интервалами. ATMS 8400 В США: Модели общей циркуляции Национального центра атмосферных исследований (СКM) сообщества климатической модели (часть системы CCSM V5) Лаборатория Геофизики и Гидрогазодинамики Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) Система наблюдений за поверхностью Земли им. Годдарда (GEOS GCM ) ATMS 8400 В Европе есть несколько исследовательских центров: Европейский центр по прогнозированию средней заблаговременности (модели прогнозов погоды) Центр Хедли в Восточной Англии (Великобритания) Россия: Российская академии наук (ИФА) Франция: Институт Пьера Симона Лапласа Германия: Центр Макса Планка ATMS 8400 Почти каждый крупный американский университет или научноисследовательский центр имеет свою собственную модель общей циркуляции атмосферы GCM или чужую GCM, используемую собственными специалистами. Существует EPIC (система точных планетарных изентропических координат) для атмосферных моделей. Эта система может моделировать атмосферу любой планеты в Солнечной системе, какую вы ни выбрали, в том числе Земли. Эта модель была построена специально для исследования планет - газовых гигантов. Doowling et al., 1998 Icarus, 132, 221 - 238. ATMS 8400 Модели общей циркуляции атмосферы уже используются, чтобы связать существующие океанические модели и мезомасштабные модели атмосферы В центре нашей модели общей циркуляции атмосферы 7 стандартных уравнений с участием 7 переменных. Это образует замкнутую систему уравнений, которые представляют концепции сохранения массы, импульса, энергии и водяного пара! ATMS 8400 В средних широтах погода – отклик дальних корреляционных связей. Метеорологам в течение определенного времени было известно , что в планетарном масштабе общей циркуляции существуют "соединения" между погодой в одной части земного шара с тем, что наблюдается в других частях земного шара. Примеры: Североатлантическое колебание Тихоокеанский Североамериканский отголосок ATMS 8400 Применение дальних корреляционных связей и индексов откликов (предиктантов) Wallace and Gutzler (1981) MWR 784 - 812 Они доказывают, используя статистику, что существуют эти дальние связи и разработали индексы для каждой из них ATMS 8400 Показано существование следующих связей: Принимая значение высоты геопотенциальной поверхности в течение какого-то времени в одной базовой точки (например, PNA 45o с.ш. 165 o з.д.), можно соотнести с теми же значениями в любой другой точке земного шара в течение того же времени. Это дает нам корреляционные карты, где корреляция значима. Так мы определяем «отклики» или взаимосвязи. Lupo и Bosart (1999) использовали метод Wallace and Gutzler, чтобы определить роль «откликов» для редких в Северной Америке случаев блокирующих антициклонов. Пять моделей циркуляции северного полушария содержат «отклики» или взаимосвязи , известные в течение длительного времени, но количественно их определили У Wallace and Gutzler ATMS 4800 Схема – Тихоокеанский Североамериканский отголосок ATMS 8400 Схема – Тихоокеанского Североамериканского (PNA) индекса ATMS 8400 1) PNA - с.ш. - характеризуется четырьмя центрами действия над Тихим океаном и Северной Америкой, с центром в середине тропической части Тихого океана, в центральной части Тихого океана, западной части Северной Америки и Восточной Северной Америке. Механизм распространения волна Россби!). Lupo и Bosart, 1999 показали взаимодействие пяти центров действия. положительный и отрицательный PNA PNA = 1/4 (Z* (20o с.ш. 160o з.д.) - Z* (45o с.ш. 165o з.д.) + Z*(55o с.ш. 115o з.д.) - z* (30o с.ш. 85o з.д.)) Z* - стандартизированная высота 500 гПа ATMS 8400 2) В Западной Атлантике (WA) существуют колебания, два центра действия в Северо-Западной Атлантике и Юго-Западной Атлантике WA = 1/2(Z* 55o с.ш. 55o з.д.- Z* (30o с.ш. 55o з.д.)) Положительное значение – блокирующий антициклон Oтрицательное - зональный поток ATMS 8400 3) В Восточной части Атлантического океана отмечены колебания (EA) - два центра на северо-востоке Aтлантики и в юго-восточной части Атлантического океана и один в Европе и Западной Азии. EA = 1/2 Z* 55o с.ш. 20o з.д. - 1/4 Z* (25o с.ш. 25o з.д.) - 1/4 Z* 50o с.ш. 40o в.д. 4) В Западной части Тихого океана модель циркуляции характеризуется наличием центров в Северо-Западном Тихоокеанском регионе и юго-западной части Тихого океана WP = 1/2 (Z* (60o с.ш. 155o в.д.) - z* (30o с.ш. 155o в.д.)) ATMS 8400 Схема - Севена Атлантическое колебание ATMS 8400 Евразийские центры действия - определяются некоторые совпадения; есть три центра действия во всей Европе и Азии. EN = -1/4 Z* (55o с.ш. 20o в.д.) + 1/2 z (55o с.ш. 75o в.д.) - 1/4 (40o с.ш. 145o в.д.) Некоторые из этих явлений объединяются в индекс «Арктическое колебание», определяющее североатлантическое колебание и Тихоокеанское мультидекадное колебание. ATMS 8400 Признаки всех этих показателей могут быть связаны с различными межгодовыми изменениями, такими как Эль-Ниньо или такие явления, как блокирующие антициклоны. Дальние корреляционные связи в южном полушарии Опять роль поверхностных тепловых потоков в формировании стационарных волн. E.g. Tilly et. al (2008) ATMS 8400 Дальние корреляционные связи в Южном полушарии существенно отличаются от северного полушария, поскольку там мало, если вообще есть суша в средних широтах. Есть две (эквивалент баротропные) закономерности изменчивости, 1) из фазовых соотношений между высокими и низкими широтами 2) средние широты находятся в противофазе с высокими и низкими широтами. Зимой: три активных центра над океанами, с отрицательными корреляционными связями в высоких и низких широтах ATMS 8400 Летом: в верхней тропосфере изобарические высоты находятся вне связи с поверхностью суши и океанов. В летний сезон доминирует Южное колебание (Тихий океан – о. Таити и о.Дарвин) ATMS 8400 Схема циркуляции Южного полушария ATMS 8400 Схема - Антарктическое колебание ATMS 8400 ATMS 8400 Концепция дальних корреляционных связей не является новой (например, Walker и Bliss, 1932) - несколько "колебаний" были описаны. Это все примеры «стационарных вихрей" в нашем уравнений импульса, энергии и влаги. Эти вихри, как правило, эквивалентно баротропный (Хоскинс и Симмонс, 1983; Nakamura и др., 1997; Lupo и Bosart, 1999). Причины дальних корреляционных связей атмосферы проявления вариаций SST(температуры поверхности океана), и результат распространения волн Россби (Хорошая статья по этому, Aмбрицци и Хоскинс, 1997 QJRMS стр 919 - 929; Ренвика и Ревелла, 1999; Maркуса и Рао, 2000). Распространение волн Россби с крупномасштабной конвекцией в Тихом океане хорошо представлена для северной Америки в простой модели. ATMS 8400 Температура поверхности океана влияет на атмосферу в больших временных и пространственных масштабах, так как атмосфера – это система быстрого реагирования. Тем не менее, атмосфера может повлиять на океаны. физический тепловой поток: rCpCs|V10|(Ts T10) ATMS 8400 Done!!!! Конец!!!!
