Современные представления о строении и динамике атмосферы, страница 4

Волновые процессы в атмосфере

Известно, что сила тяжести может выступать в роли возвращающей силы, действующей в вертикальном направлении, и порождать внутренние гравитационные волны в атмосфере. Вращение Земли также создает возвращающую силу, но теперь уже в меридиональном направлении, и эта сила порождает волны Россби. Последние играют определяющую роль в формировании крупномасштабных атмосферных движений (отличных от зональных течений). Существование волн Россби обусловлено сохранением в движущихся воздушных частицах скалярной величины – потенциального вихря. Согласно теории (разд. 19), поле скоростей жидкости в условиях адиабатического движения и отсутствия трения однозначно определяется распределением потенциального вихря.

Простейшим примером является волновое двухмерное движение несжимаемой жидкости на сферической поверхности («баротропная модель»), которое можно рассматривать как грубую модель проинтегрированного по вертикали движения атмосферы. В этом случае потенциальный вихрь является просто суммой вихря относительного движения (относительный вихрь) и «планетарного вихря», равного удвоенной угловой скорости вращения Земли, умноженной на синус широты (параметр Кориолиса). В такой модели сохранение потенциального вихря означает, что при увеличении широты относительный вихрь должен убывать, и наоборот. При этом вектор скорости движения полностью определяется распределением потенциального вихря подобно тому, как вектор электрического поля определяется распределением потенциала. При отсутствии относительного движения относительный вихрь обращается в нуль, и изолинии потенциального вихря совпадают с кругами широты, а градиент потенциального вихря всюду направлен к полюсам за исключением самих полюсов.

Рассмотрим теперь достаточно слабое движение, нарушающее чисто зональное течение. При этом линии постоянных значений потенциального вихря смещаются, но по-прежнему в основном сохраняют свой зональный характер (вдоль кругов широты). Смещение к северу изолинии потенциального вихря означает увеличение планетарного вихря. Следовательно, относительный вихрь должен претерпеть отрицательное изменение для сохранения суммы. Это соответствует возникновению вращения по часовой стрелке. Аналогично, смещение к югу приводит к появлению вращения против часовой стрелки. В результате возникает синусоидальное волнообразное движение в западном направлении. Это -  волны Россби, которые всегда распространяются в западном направлении по отношению к основному зональному течению. Зональная фазовая скорость с любой из этих волн удовлетворяет соотношению , где u – скорость зонального ветра, а - внутренняя зональная фазовая скорость, то есть, зональная фазовая скорость в системе координат, движущейся со скоростью среднего зонального ветра. Таким образом, фазовая скорость волны c в системе координат, связанной с Землей, получается за счет допплеровского сдвига, обусловленного зональным ветром.

В тропосфере волны Россби подвержены влиянию топографии земной поверхности, а также термическому влиянию контрастов температур  океана и суши. Оба типа возмущений имеют планетарный масштаб, а поскольку они фиксированы в пространстве (стационарны), то стремятся усиливать только стационарные волны с фазовой скоростью, равной нулю, и разрушать нестационарные. Так как волны Россби распространяются на запад по отношению к зональному потоку (<0), то для получения стационарных волн (выполнения условия ) необходимо, чтобы зональный ветер имел  направление на восток (u>0). Но это как раз и характерно для тропосферы. Более того, существующие скорости зональных ветров и характерные масштабы возмущений способствуют генерации стационарных волн Россби. Стационарные волны воздействуют на  климат вдоль кругов широты посредством создания асимметрии по долготе в атмосферных условиях. В частности, следствием наличия стационарных волн являются алеутский и исландский зимние циклоны и субтропические антициклоны. Создавая асимметрию, волны могут приводить к образованию замкнутых циркуляционных ячеек, которые захватывают воздух и заставляют его циркулировать в одном и том же регионе.