WikiDer > Экваториальная волна
Экваториальные волны океанические и атмосферные волны, захваченные вблизи экватор, что означает, что они быстро распадаются от экватора, но могут распространяться в продольный и вертикальные направления.[1] Захват волн - это результат вращения Земли и ее сферической формы, которые в совокупности приводят к величине Сила Кориолиса быстро увеличиваться от экватора. Экваториальные волны присутствуют как в тропической атмосфере, так и в океане и играют важную роль в эволюции многих климатических явлений, таких как Эль-Ниньо. Многие физические процессы могут вызывать экваториальные волны, включая, в случае атмосферы, диабетический тепловыделение, связанное с образованием облаков, а в случае океана - аномальные изменения силы или направления пассатов.[1]
Экваториальные волны можно разделить на серию подклассов в зависимости от их фундаментальной динамики (которая также влияет на их типичные периоды, скорости и направления распространения). Самые короткие периоды - это экваториальные гравитационные волны, а самые длинные - экваториальные. Россби волны. Помимо этих двух крайних подклассов, есть два специальных подкласса экваториальных волн, известных как смешанная гравитационная волна Россби (также известная как волна Янаи) и экваториальная волна. Волна Кельвина. Последние два имеют те характеристики, что у них может быть любой период, а также то, что они могут переносить энергию только в восточном (но не в западном) направлении.
В оставшейся части этой статьи обсуждается взаимосвязь между периодом этих волн и их длиной в диапазоне зональный (восток-запад) направление и их скорости для упрощенного океана.
Экваториальные гравитационные волны Россби и Россби
Россби-гравитационные волны, впервые обнаруженные в стратосфере М. Янаи,[2] всегда несите энергию на восток. Но, как ни странно, их «гребни» и «впадины» могут распространяться на запад, если их периоды достаточно продолжительны. Скорость распространения этих волн на восток может быть получена для невязкого медленно движущегося слоя жидкости постоянной глубины H.[3] Поскольку Параметр Кориолиса (ƒ = 2Ω sin (θ), где Ω - угловая скорость земли, 7.2921 10−5 рад / с, а θ - широта) исчезает на 0 градусах широты (экваторе), «экваториальная бета-самолетДолжно быть сделано приближение. Это приближение утверждает, что «f» приблизительно равно βy, где «y» - это расстояние от экватора, а «β» - изменение параметра Кориолиса с широтой, .[1] С учетом этого приближения определяющие уравнения становятся (без учета трения):
- уравнение неразрывности (учитывающее эффекты горизонтальной сходимости и расхождения и записанное с геопотенциальная высота):
- уравнение U-импульса (зональная составляющая ветра):
- уравнение V-импульса (меридиональная составляющая ветра):
- .[3]
Мы можем искать решения бегущей волны вида[4]
- .
Подставив эту экспоненциальную форму в три приведенных выше уравнения и исключив и оставляет нам уравнение на собственные значения
за Признавая это уравнением Шредингера для квантового гармонического осциллятора частоты , мы знаем, что должны иметь
решения стремятся к нулю вдали от экватора. Для каждого целого числа следовательно, это последнее уравнение дает соотношение дисперсии связывание волнового числа к угловой частоте .
В частном случае дисперсионное уравнение сводится к
но корень должны быть отброшены, потому что нам пришлось разделить на этот коэффициент, чтобы исключить , . Оставшаяся пара корней соответствует Янаи или смешанная гравитационная мода Россби, групповая скорость которой всегда направлена на восток [1] и интерполирует между двумя типами моды: более высокочастотные гравитационные волны Пуанкаре, групповая скорость которых может быть на востоке или западе, и низкочастотные экваториальные волны Россби, дисперсионное соотношение которых можно аппроксимировать как
.
Моды Янаи вместе с волнами Кельвина, описанными в следующем разделе, довольно особенные в том, что они топологически защищенный. Их существование гарантируется тем, что полоса мод Пуанкаре положительной частоты в f-плоскости образует нетривиальное расслоение над двумерной сферой . Эта связка характеризуется числом Черна. . Волны Россби , а моды Пуанкаре с отрицательной частотой имеют Через объемно-граничное соединение[5] это требует существования двух мод (Кельвина и Янаи), которые пересекают частотные промежутки между полосами Пуанкаре и Россби и локализуются вблизи экватора, где меняет знак.[6][7]
Экваториальные волны Кельвина
Обнаружил Лорд Кельвин, прибрежный Волны Кельвина попадают в ловушку вблизи берегов и распространяются вдоль берегов в Северном полушарии, так что побережье находится справа от берегового направления распространения (и слева в Южном полушарии). Экваториальные волны Кельвина ведут себя так, как если бы на экватор - так, чтобы экватор находился справа от направления распространения вдоль экватора в северном полушарии и слева от направления распространения в южном полушарии, и то, и другое соответствует распространению на восток вдоль экватора.[1] Основные уравнения для этих экваториальных волн аналогичны приведенным выше, за исключением того, что отсутствует меридиональная составляющая скорости. (то есть нет потока в направлении север-юг).
- то уравнение неразрывности (с учетом эффектов горизонтальной конвергенции и расхождения):
- то ты-уравнение импульса (зональная составляющая ветра):
- то v-уравнение импульса (меридиональная составляющая ветра):
Решение этих уравнений дает следующее фазовая скорость: ; этот результат имеет ту же скорость, что и для гравитационных волн на мелководье, без эффекта вращения Земли.[1] Следовательно, эти волны недисперсионный (поскольку фазовая скорость не зависит от зонального волновое число). Кроме того, эти волны Кельвина распространяются только на восток (поскольку Φ приближается к нулю, у приближается к бесконечности).[3]
Как и другие волныэкваториальные волны Кельвина могут переносить энергию и импульс, но не частицы и свойства частиц, такие как температура, соленость или питательные вещества.
Связь с Южным колебанием Эль-Ниньо
Волны Кельвина были связаны с Эль-Ниньо (начиная с зимних месяцев в северном полушарии) в последние годы с точки зрения предшественников этого атмосферного и океанического явления. Многие ученые использовали связанные модели атмосферы и океана для моделирования Эль-Ниньо Южное колебание (ENSO) и заявили, что Осцилляция Мэддена – Джулиана (MJO) может вызывать океанические волны Кельвина в течение своего 30-60-дневного цикла, или может выделяться скрытая теплота конденсации (из-за интенсивной конвекции), что также приводит к возникновению волн Кельвина; затем этот процесс может сигнализировать о начале явления Эль-Ниньо.[8] Слабое низкое давление в Индийский океан (из-за MJO) обычно распространяется на восток в Северный Тихий океан и может вызывать восточные ветры.[8] Эти восточные ветры могут переносить Западная часть Тихого океана теплая вода на восток, тем самым возбуждая волну Кельвина, которую в этом смысле можно рассматривать как аномалию теплой воды, которая проходит под поверхностью океана на глубине около 150 метров.[8] Эту волну можно наблюдать на поверхности по небольшому увеличению высоты морской поверхности примерно на 8 см (связанное с понижением термоклина) и по SST увеличение, охватывающее сотни квадратных километров поверхности океана.[8]
Если волна Кельвина коснется побережья Южной Америки (в частности, Эквадор), его теплая вода поднимается вверх, образуя на поверхности большой теплый бассейн.[8] Эта теплая вода также начинает течь на юг вдоль побережья Перу и на север к Центральная Америка и Мексика, и может достигать частей Северного Калифорния; затем волну можно будет отслеживать в первую очередь с помощью группы из 70 буев, закрепленных на якоре по всей ширине экваториального Тихого океана, от Папуа - Новая Гвинея до побережья Эквадора.[8] Датчики температуры размещаются на разной глубине вдоль якорных канатов буев и могут регистрировать температуру воды под поверхностью.[8] Датчики отправляют свои данные в режиме реального времени через спутник на центральный обрабатывающий центр. Затем эти измерения температуры сравниваются и сопоставляются со средними значениями температуры воды, скорректированными с учетом исторических данных и сезонных факторов для каждого местоположения буя. Некоторые результаты указывают на отклонения от «нормальных» ожидаемых температур. Такие отклонения называются аномалиями и могут рассматриваться как более высокие, чем обычно (Эль-Ниньо), или более низкие, чем обычно (Ла-Нинья) условия.[8]
Общий цикл ЭНСО можно объяснить следующим образом (с точки зрения распространения волн через Тихий океан): ЭНСО начинается с теплого бассейна, перемещающегося из западной части Тихого океана в восточную часть Тихого океана в форме волн Кельвина (волны несут теплые ТПО ), возникшего в результате MJO.[9] После примерно 3-4 месяцев распространения через Тихий океан (вдоль экваториальной области) волны Кельвина достигают западного побережья Южной Америки и взаимодействуют (сливаются / смешиваются) с более холодной системой течений Перу.[9] Это вызывает повышение уровня моря и температуры на уровне моря в целом регионе. Достигнув побережья, вода поворачивает на север и юг, что приводит к условиям Эль-Ниньо на юге.[9] Из-за изменений уровня моря и температуры моря из-за волн Кельвина генерируется бесконечное количество волн Россби, которые возвращаются в Тихий океан.[9] Затем волны Россби входят в уравнение и, как указывалось ранее, движутся с более низкими скоростями, чем волны Кельвина, и могут потребоваться от девяти месяцев до четырех лет, чтобы полностью пересечь бассейн Тихого океана (от границы до границы).[9] И поскольку эти волны имеют экваториальную природу, они быстро затухают по мере удаления от экватора; таким образом, по мере удаления от экватора их скорость также уменьшается, что приводит к задержке волны.[9] Когда волны Россби достигают западной части Тихого океана, они рикошетят от побережья и становятся волнами Кельвина, а затем распространяются обратно через Тихий океан в направлении побережья Южной Америки.[9] Однако по возвращении волны понижают уровень моря (уменьшая понижение термоклина) и температуру поверхности моря, тем самым возвращая район к нормальным условиям, а иногда и к условиям Ла-Нинья.[9]
С точки зрения моделирования климата и объединения атмосферы и океана модель ENSO обычно содержит следующие динамические уравнения:
- 3 примитивных уравнения для атмосферы (как упоминалось выше) с учетом трения параметризации: 1) ты-уравнение импульса, 2) v-уравнение импульса; 3) уравнение неразрывности
- 4 примитивных уравнения для океана (как указано ниже) с учетом параметризации трения:
- ты-импульс,
- v-импульс,
- преемственность,
- термодинамическая энергия,
- .[10]
Обратите внимание, что час - глубина жидкости (аналогична эквивалентной глубине и аналогична ЧАС в примитивных уравнениях, перечисленных выше для гравитационных волн Россби и волн Кельвина), KТ - температурная диффузия, KE - коэффициент диффузии вихрей, и τ напряжение ветра в любом Икс или же у направления.
Смотрите также
Рекомендации
- ^ а б c d е ж грамм Холтон, Джеймс Р., 2004: Введение в динамическую метеорологию. Elsevier Academic Press, Берлингтон, Массачусетс, стр. 394–400.
- ^ Янаи, М. и Т. Маруяма, 1966: возмущения стратосферных волн, распространяющиеся по экваториальному Тихому океану. J. Met. Soc. Япония, 44, 291–294. https://www.jstage.jst.go.jp/article/jmsj1965/44/5/44_5_291/_article
- ^ а б c Чжан, Далин, 2008: Личное общение, «Волны во вращающихся однородных жидкостях», Университет Мэриленда, Колледж-Парк (не WP: RS)[ненадежный источник?]
- ^ Т. Мацуно, Квазигеострофические движения в экваториальной области, Журнал Метеорологического общества Японии. Сер. II, т. 44, нет. 1. С. 25–43, 1966.
- ^ Ю. Хацугай, Число Черна и краевые состояния в целочисленном квантовом эффекте Холла, Physical Review Letters, т. 71, нет. 22, стр. 3697, 1993.
- ^ Пьер Дельплас, Ж. Б. Марстон, Антуан Венаилль, Топологическое происхождение экваториальных волн », arXiv: 1702.07583.
- ^ Делплас, Пьер; Marston, J. B .; Venaille, Антуан (2017). «Топологическое происхождение экваториальных волн». Наука. 358 (6366): 1075–1077. arXiv:1702.07583. Дои:10.1126 / science.aan8819. PMID 28982798.
- ^ а б c d е ж грамм час «Эль-Ниньо и Ла-Нина», 2008 г .: Stormsurf, http://www.stormsurf.com/page2/tutorials/enso.shtml.
- ^ а б c d е ж грамм час Виртуальный класс Эль-Ниньо / наук о Земле, 2008: «Введение в Эль-Ниньо», http://library.thinkquest.org/3356/main/course/moreintro.html В архиве 2009-08-27 на Wayback Machine.
- ^ Баттисти, Дэвид С., 2000: «Разработка теории для ЭНСО», Программа углубленного изучения NCAR, «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2010-06-10. Получено 2010-08-21.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)