Исследование энергетики тропической атмосферы

- 2 -
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ...................................................3
1. ЭНЕРГЕТИКА АТМОСФЕРЫ И ЦИРКУЛЯЦИЯ В ТРОПИКАХ............?
1.1. Основные виды энергии ............................. 7
1.2. Энергетический цикл Оорта .........................Щ
1.3. Циркуляция атмосферы в тропиках ...................\Ч-
1.3.1. Циркуляционные системы.........................../18
1.3.2. Перенос энергии в тропиках.......................20
1.3.3. Взаимодействие процессов различных масштабов. . . 29
2. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ В АТМОСФЕРЕ ТРОПИЧЕСКОЙ ЗОНЫ . . 33
2.1. Уравнения гидротермодинамики.......................33
2.2. Доступная потенциальная энергия ................... 40
2.3. Изменения доступной потенциальной энергии и кинетической энергии...............................50
2.4. Зональная доступная потенциальная энергия и зональная кинетическая энергия.....................56
2.5. Вихревая доступная потенциальная энергия и вихревая кинетическая энергия...............................66
3. ЭКСПЕРШЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИКИ ТРОПИЧЕСКОЙ АТМОСФЕРЫ................................................74
3.1. Расчет составляющих баланса энергии в тропиках. . . 74
3.1.1. Характеристика исходных данных...................74
3.1.2. Допущения, применимые для тропической атмосферы . 75
3.1.3. Алгоритм расчетов ................................................ 82
3.1.4. Распределение удельных количеств видов энергии
И скоростей ИХ изменения..........................25
3.2. Энергетический цикл тропической атмосферы.........43У
3.2.1. Энергетический цикл в среднем за год.............433
3.2.2. Энергетический цикл зимой и весной................/45
3.2.3. Энергетический цикл летом и осенью.............../47
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................449
ЛИТЕРАТУРА................................................./56
- 3 -
ВВЕДЕНИЕ
Тропическая атмосфера лежит между тропиками Рака и Козерога, то есть эта зона ограничивается широтами 30° северного и южного полушарий. Хотя изменения свойств атмосферы не носят строго широтного характера, на многолетних и даже на месячных картах /9, 32, 54, 73/ можно заметить, что оси субтропических поясов высокого давления и линии раздела между восточными и западными потоками в средней тропосфере лежат около 30° северного и южного полушарий.
Тропическая зона - одна из слабо изученных областей на земном шаре. Для исследования атмосферных процессов в тропиках крупномасштабные операции не планировались до середины 60-х годов. Одной из причин является то, что сеть станций в тропической зоне по разным причинам оказывается намного реже, чем в умеренных и в высоких широтах. Чем ближе к экватору, тем реже сеть станций. На огромных пространствах, занятых океанами, метеорологические и аэрологические станции вообще отсутствуют, если не считать станций на отдельных островах. Неравномерность расположения станций и недостаточное их количество создают огромные трудности для научных исследований процессов в тропиках.
В тропической зоне возникают разрушительные тропические циклоны и периодические катастрофические засухи. В 1969-1973 гг. засуха поразила районы Западной Африки и как следствие этого в этих странах погибло около 80/ поголовья скота /17/. Отсюда становится ясным, что нужно подробнее изучать процессы тропиче-
- 20 -
ко простирающиеся к тропическим широтам. Экваториальная ложбина на климатических картах является отражением соответствующих барических полей на ежедневных синоптических картах. В ней располагается внутритропическая зона конвергенции (зона сходимости пассатов) /50/. Внутритропическая зона конвергенции (ВЗК) - активные участки экваториальной ложбины.
Помимо циркуляционных систем, в тропической зоне наблюдаются и возмущения: вихри (циклоны и антициклоны), волнообразные возмущения (восточные волны, экваториальные волны, наведенные волны и тропические волны) и линейные системы (линии возмущения, проникновение холодных фронтов в тропиках и линии сдвига ветра) /73/.
1.3.2. Перенос энергии в тропиках
Ячейка Гадлея, представляющая собой упрощенную модель циркуляции в тропиках и дающая представления об общем характере основных воздушных переносов, имеет ряд недостатков:
- Модель не учитывает ни сезонные колебания, ни различия
в условиях циркуляции на разных долготах. Как показывают наблюдения, циркуляция, подобная ячейке Гадлея, в течение всего года существует только над Тихим и Атлантическим океанами. В других местах она сильно искажена. Лишь в марте-апреле и сентябре-октябре, то есть в периоды, близкие к равноденствию, циркуляция на всех долготах становится похожей на ячейку Гадлея.
- Модель предполагает единственный источник тепла вблизи экватора. В действительности, часто наблюдается целый ряд отдельных областей избыточного тепла над океанами и континентами.
- Модель игнорирует воздушные переносы в средней тропосфере .
- 21 -
- Модель не принимает во внимание обмен воздушными массами между полушариями.
В тропиках значительная часть тепла от подстилающей поверхности поступает в скрытой форме, то есть она может выделяться в результате конденсации водяного пара. В приэкваториальных широтах сумма тепла, получаемого атмосферой в результате конденсации водяного пара и переноса явного тепла от земной поверхности, существенно превышает радиационный баланс. Избыток реализованной энергии в тропиках переносится к полюсам главным образом средней циркуляцией. Однако далее к полюсам все возрастающее значение в этом процессе приобретают вихри, которые обуславливают основную часть переноса из тропиков во внетропи-ческие широты.
По исследованиям Ван де Богарда /107/, в низких широтах перенос скрытого тепла происходит преимущественно в направлении термического экватора и определяется средним течением пассатной ветви низких слоев в ячейке Гадлея , где плотность водяного пара наибольшая. Вихревой перенос направлен исключительно к полюсам. Другие ученые подтвердили его мнение (табл.1.1) /52/. На экваторе перенос близок к нулю, а на широте субтропических антициклонов достигает максимума. Проинтегрированный по вертикали перенос водяного пара в тропиках показывает, что поток, обусловленный вихрями (преимущественно с волновым числом 6), преобладает севернее 22° с.ш. Южная граница области дивергенции потока водяного пара (характеризующая избыток испарения над осадками) приближенно соответствует широте, определяющей среднюю дивергенцию массы нижних уровней от конвергенции или широте наиболее сильных пассатов. Меридиональные потоки водяного пара в северном полушарии, по данным Пейксото и Криси /98/, Старра и Пейк-