Массачусетский технологический институт, февраль 1967 г. 1 страница
Э. Н. ЛОРЕНЦ
ПРИРОДА И ТЕОРИЯ ОБЩЕЙ
ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ
РЕЗЮМЕ
«Я думаю, что никому из писавших на эту тему не удалось полностью объяснить причины, возникновения пассатов...»
Джордж Хэдли, 1735 г.
Эти слова, которыми открывается классический труд Хэдли, точно характеризуют состояние наших знаний в этой области и в настоящее время. Несмотря на многие замечательные исследования, выполненные после Хэдли, исчерпывающего объяснения общей циркуляции атмосферы до сих пор не найдено.
Физические законы, на основе которых может быть дано это объяснение, чрезвычайно сложны и до конца не выяснены. Поэтому во многих теоретических исследованиях до сих пор рассматривалась идеализированная атмосфера, т. е. атмосфера, однородная по своему составу, окружающая земной шар с гладкой однородной поверхностью и приводимая в движение источником тепла, не изменяющимся во времени и пространстве. Строгая трактовка подобной идеализированной атмосферы дает иногда качественно верную, но далеко неточную характеристику состояния реальной атмосферы.
Проблема объяснения процессов циркуляции даже идеализированной атмосферы осложняется наличием адвекции — переносом полей скорости и температуры самим полем скоростей. Поскольку это движение не упорядочено, различные участки адвективных полей перемещаются по-разному, и их общая картина искажается. Поэтому циркуляция принимает, гораздо более разнообразные формы, чем это было бы при отсутствии адвекции, и редко обнаруживает тенденцию к повторению.
|
|
С математической точки зрения процесс адвекции проявляется в нелинейности основных уравнений. Поскольку общее решение является непериодическим, его невозможно точно выразить при помощи ограниченного числа символов. Поэтому во многих теоретических исследованиях ставилась цель определить только главные особенности или статистические характеристики общего решения.
Замкнутые системы уравнений, где неизвестными величинами являются статистические характеристики, построить не удается ввиду нелинейности исходных уравнений. Вопрос о возможности построения замкнутой системы уравнений и упорядоченных неравенств изучен еще недостаточно.
Единственный возможный в настоящее время способ оценки статистических данных заключается в определении численными методами частных нестационарных решений и последующей оценке климатологических средних. Результаты часто оказываются реальными, но частные решения не всегда репрезентативны, и эта процедура не раскрывает сравнительной роли отдельных физических процессов.
|
|
При осреднении по долготе адвективные процессы представляются как перенос момента количества движения и энергии в меридиональном направлении. Этот перенос через средние широты в направлении к полюсу должен компенсировать энергию, получаемую атмосферой в низких широтах и отдаваемую ею в высоких широтах. Необходимое количество энергии может переноситься посредством меридиональной циркуляции, т. е. потоками, направленными к экватору на некоторых уровнях, сопровождающимися потоком в направлении к полюсу на других уровнях, а также налагающимися на эти потоки крупномасштабными турбулентными вихрями — циклонами и антициклонами, ложбинами и гребнями.
Прямая меридиональная ячейка с экваториальным потоком внизу и полярным наверху приводит к переносу углового момента количества движения и энергии к полюсу.
Хэдли объяснял природу пассатов и преобладающего западного переноса таким образом, что нагревание должно вызывать образование прямой меридиональной ячейки в каждом полушарии. Направленный к экватору поток в нижних слоях под влиянием отклоняющей силы вращения Земли становится пассатом. Обратный поток, движущийся к полюсу, отклоняется и в верхних слоях представляет собой западный перенос, а опускаясь к поверхности Земли, становится приземным западным ветром. В то время казалось, что теория Хэдли дает удовлетворительное объяснение этих процессов.
|
|
Исследования, проведенные в начале девятнадцатого столетия, показали, что приземные западные ветры направлены скорее к полюсу, чем к экватору. Джеймс Томсон и Уильям Феррел предложили схемы, согласно которым под крупными прямыми ячейками в средних и высоких широтах располагаются мелкие обратные ячейки циркуляции, вызываемые трением. Это объяснение также представлялось в свое время удовлетворительным.
Проводившиеся в конце девятнадцатого столетия наблюдения за движением облаков организованные Международной метеорологической организацией, показали, что предполагаемых потоков в верхних слоях атмосферы в направлении полюсов не существует.
Схема, объясняющая перенос момента количества движения и энергии меридиональными ячейками в достаточно больших масштабах, проведенными наблюдениями не подтвердилась. В конечном счете, зонально-симметричные схемы циркуляции пришлось отбросить.
Современные наблюдения показывают, что в зонально-осредненной циркуляции доминирующую роль играют крупномасштабные турбулентные вихри, которые переносят в большинстве широтных поясов момент количества движения и энергию в полярном направлении. Перенос углового момента количества движения макротурбулентными вихрями сосредоточен у тропопаузы и достигает максимума в тридцатых широтах. Равновесие должно обеспечиваться наличием прямых меридиональных ячеек в низких широтах, более мощных, чем указывал Хэдли, и обратных ячеек в средних широтах. Эти ячейки, по-видимому, захватывают всю толщу тропосферы.
|
|
Поскольку меридиональные ячейки не обеспечивают переноса углового момента количества движения и энергии в достаточных размерах для достижения равновесия, схема зонально-осредненной циркуляции сама по себе не удовлетворяет требованиям динамических уравнений. Поэтому проблема нахождения соответствующих решений этих уравнений, гораздо сложнее, чем это представлялось тогда, когда считались удовлетворительными зонально-симметричные решения. Для того чтобы дать исчерпывающее объяснение зонально-осредненного движения, необходимо объяснить природу макротурбулентных вихрей.
Эти вихри получают энергию от зонально-осредненной циркуляции в форме потенциальной энергии, которая переносится к широтам с более низкими температурами. Они питают кинетической энергией зонально-осредненный поток, перенося угловой момент в широты, характеризующиеся более высокой угловой скоростью. Таким образом, если рассматривать крупномасштабные вихри как форму турбулентности, течение пришлось бы трактовать как обладающее отрицательным коэффициентом турбулентной вязкости.
Циркуляция, образующаяся при вращении сосудов с жидкостью в лаборатории, иногда порождает турбулентные токи, сходные по структуре с вихрями в атмосфере. Это наводит на мысль, что физические факторы, определяющие наличие и структуру этих вихрей, действуют одинаково в атмосфере и в лабораторной модели. Частные решения динамических уравнений, полученные численными методами, также позволяют выявить вихри аналогичной структуры. Таким образом, можно предполагать, что общепринятые уравнения отражают наиболее важные физические процессы.
Некоторые специфические черты циркуляции в идеализированной атмосфере могут быть легко объяснены. Во-первых, циркуляция должна иметь место, поскольку неподвижность атмосферы противоречила бы наличию порождаемого, хотя бы только процессами радиации, температурного градиента, направленного к полюсам. Во-вторых, поскольку кинетическая энергия циркуляции гасится силами трения, температурный градиент, направленный к полюсам, должен быть несколько меньше, чем при воздействии одной радиации. Направленный к полюсам барический градиент согласно гидростатическому уравнению в таком случае должен увеличиваться с высотой. Для уравновешивания барического градиента западная составляющая ветра должна увеличиваться с высотой примерно в соответствии с известной формулой термического ветра; в противном случае должен наблюдаться сильный нисходящий поток направленной к северу компоненты момента количества движения через средние широты. Каких-либо данных о наличии факторов, которые вызывали бы это, у нас нет. В нижних слоях в некоторых широтах должны наблюдаться восточные ветры, а в других широтах — западные, или же, вообще, возможно отсутствие систематических восточных и западных ветров; в противном случае возник бы момент сил трения, который постепенно изменял бы характер вращения Земли.
Единственный тип циркуляции, удовлетворяющий этим требованиям,— это циркуляция Хэдли (возможно, с некоторыми изменениями, предложенными Томсоном и Феррелом). Такой тип циркуляции предусматривает существование прямой меридиональной ячейки, переносящей достаточное количество энергии в направлении к полюсам. Эта ячейка переносит момент количества движения в полярном направлении; также в низких широтах у поверхности Земли должны быть восточные ветры, а в высоких широтах — западные.
Циркуляция Хэдли и какие-либо зонально-симметричные циркуляции не наблюдаются, поскольку они являются неустойчивыми в отношении крупномасштабных возмущений, имеющих характер волн с малой амплитудой. Для реально существующей циркуляции характерны макротурбулентные вихри. Перенос момента количества движения этими вихрями в значительной мере определяет распределение приземных восточных и западных ветров. Структура макротурбулентных вихрей является одной из важнейших проблем общей циркуляции, до сих пор не получившей теоретического объяснения.
Один из подходов к решению этой проблемы основывается на классической теории турбулентности. Предполагается, что турбулентные вихри не переносят углового момента количества движения и энергии в широты, характеризующиеся более низкими значениями угловой скорости и температуры. Однако физического обоснования применение этой теории к крупномасштабным вихрям не имеет, и во всяком случае она дает неверные результаты.
Другой подход основывается на теории бароклинной неустойчивости. При этом исходят из предположения, что вихри с большой амплитудой аналогичны по форме вихрям с малой амплитудой, которые развиваются, налагаясь на существующую зонально-осредненную циркуляцию. Получаемые результаты больше соответствуют реальной действительности, чем результаты, которые дает классическая теория турбулентности, но и они не согласуются с данными наблюдений, и физическая основа их не вполне ясна.
Турбулентные вихри носят более регулярный характер, чем можно было ожидать, исходя из теории турбулентности, и в то же время менее регулярный, чем это предусматривает теория бароклинной неустойчивости. Оба эти подхода основываются на том, что турбулентные вихри приобретают некую уравновешенную конфигурацию, обусловленную зонально-осредненной циркуляцией. Такое описание вихрей вряд ли правильно, так как, принимая уравновешенную конфигурацию, они вызовут новую зонально-осредненную циркуляцию, которая в свою очередь приведет к образованию новой уравновешенной конфигурации вихрей.
Вероятно, для идеализированной атмосферы можно построить некоторую замкнутую систему уравнений и упорядоченных неравенств, в которых неизвестными величинами будут статистические данные. При помощи этой системы, по-видимому, можно будет дать точные решения в отношении верхней и нижней границ переноса вихрями момента количества движения через средние широты. На основе такого решения, может быть, удастся дать исчерпывающее объяснение наблюдаемого распределения пассатов и причин переноса турбулентными вихрями момента количества движения в направлении к полюсам.
ВВЕДЕНИЕ
Атмосфера представляет собой среду, циркуляция которой имеет очень сложную структуру. Основные законы, которым она подчиняется, известны сейчас с высокой степенью точности. В принципе возможно на основании этих законов получить картину циркуляции. Тем не менее, при решении подобной задачи встречается множество трудностей, которые до сих пор не преодолены. Поэтому наши сведения об атмосфере в основном являются результатом наблюдений. Большая часть успехов, достигнутых в понимании происходящих в атмосфере процессов, является следствием усовершенствования методики наблюдений.
Атмосфера не признает государственных границ. Погода в одной стране неизбежно связана с погодой в других странах. Картина циркуляции, которую мы могли бы себе представить, если бы в достаточной мере понимали процессы, происходящие в атмосфере, носила бы глобальный характер. Еще в недавнем прошлом сколько-нибудь подробные наблюдения велись только в пределах отдельных государств. Таким образом, успехи, достигнутые в метеорологии, может быть, больше, чем в любой Другой науке, связаны с развитием международного сотрудничества.
Необходимость сотрудничества привела к организации ряда международных метеорологических конференций в середине XIX века и в итоге — к созданию в 1873 г. Международной метеорологической организации. Вначале ММО занималась в основном такими насущными проблемами, как упорядоченный обмен метеорологической информацией, необходимой для построения адекватных ежедневных синоптических карт, и установление достаточно однородной методики наблюдений, необходимой для того, чтобы получаемая в различных странах метеорологическая информация была пригодна для всеобщего использования. Впоследствии ММО провела такие мероприятия, как международные наблюдения за облаками в 1896—1897 гг., которые сыграли свою роль в опровержении ранее принятых теорий общей циркуляции атмосферы и возникновения некоторых новых идей в метеорологии.
В 1951 г. Международная метеорологическая организация была заменена Всемирной метеорологической организацией (ВМО). На четвертом конгрессе ВМО в 1963 г. было решено организовать лекции, которые должны были читаться на каждой сессии Конгресса ВМО. Эти лекции известны как «лекции ММО», учрежденные в память о Мировой метеорологической организации. Учитывая усилия, направленные со стороны ВМО на развитие глобальной системы наблюдений, было решено, что первая лекция ММО должна быть посвящена проблеме общей циркуляции атмосферы. Настоящая монография была подготовлена в соответствии с этим решением. Лекция, прочитанная на пятом конгрессе ВМО в 1967 г., основана на содержащихся здесь материалах.
Термин «общая циркуляция атмосферы» многие понимают по-разному. Для одних — это некоторое осредненное по времени состояние атмосферы, где сохранены все географические особенности локального характера. Для других — это некоторое состояние атмосферы в данный момент (глобальное по протяженности), причем климатические колебания обусловливают изменения погоды. Иногда — это набор некоторых синоптических особенностей атмосферной циркуляции, проявляющихся постоянно или почти постоянно, включая внутритропическую зону конвергенции, струйные течения, большинство полустационарных циклонических и антициклонических центров, а также зимние и летние муссоны. Для некоторых это — количественные статистические характеристики циркуляции.
В монографии такого объема, как настоящая, можно было бы сжато и, вероятно, более поверхностно рассмотреть все аспекты циркуляции или же коснуться лишь нескольких аспектов, но более строго. Я выбрал последнее. Основное внимание уделено природе осредненных по долготе и времени полей скорости, температуры и влажности. Однако не следует считать, что именно данные поля и составляют «общую циркуляцию» в моем представлении, или, что они являются наиболее важными аспектами общей циркуляции. Возможно, в теоретическом отношении им уделено наибольшее внимание. В действительности этот выбранный нами основной предмет исследования не столь ограничен, как могло бы показаться. Зонально-осредненные климатические поля ветра, температуры и влажности ни в коей мере не образуют какой-то замкнутой системы свойства, которой можно истолковывать независимо от остальных особенностей атмосферной циркуляции. В самом деле, становится все более очевидным, что исчерпывающее объяснение этих свойств требует рассмотрения большинства, если не всех, основных особенностей циркуляции. В соответствии с этим в представленном подробном обсуждении некоторых осредненных по долготе климатологических полей я неизбежно касался многих остальных аспектов циркуляции.
Тем не менее, чтобы сохранить в разумных пределах объем монографии, я счел необходимым упомянуть лишь мимоходом некоторые проблемы циркуляции, которые, если быть последовательным, потребовали бы всестороннего исследования. Три из них заслуживают того, чтобы остановиться на них несколько подробнее.
Прежде всего, это — циркуляция в верхней атмосфере. Атмосферная циркуляция глобальна по своей вертикальной и горизонтальной протяженности. Однако влияние, оказываемое циркуляцией в верхних слоях, на циркуляцию в нижних слоях, в лучшем случае трудно оценить. Совсем не ясно, что циркуляция в тропосфере сильно изменилась бы, если бы атмосферная циркуляция в слоях выше 25 км, содержащих около 3% всей массы атмосферы, каким-то образом была бы изменена. Соответственно я ограничил исследование, сконцентрировав внимание на циркуляции в тропосфере и нижней стратосфере.
Кроме того, я не рассматривал в деталях флуктуации общей циркуляции, диапазон продолжительности которых изменяется от периодов, характерных для известных циклов индекса до периодов оледенений. Представление о подобных изменениях необходимо для создания какой-либо рациональной системы прогнозов большой протяженности или долгосрочных прогнозов. Исследования циркуляции, характерной для отдельных фаз различных колебаний, могут частично заменить поддающиеся контролю эксперименты, проводить которые мы не имеем возможности. В результате этих исследований может быть получена значительная информация о механизме, посредством которого осуществляется циркуляция.
Наконец, я не пытался входить в детальное рассмотрение процессов, которые, в конечном счете, обусловливают наличие циркуляции, т. е. радиационных процессов. Мне представляется, что взаимодействие между полями скорости и радиации настолько сложно, что мы еще только начинаем понимать его истинное значение. Утверждение, которое часто можно слышать, а именно, что циркуляция осталась бы почти той же самой, если бы были сохранены только наиболее важные особенности поля радиации, получило некоторое подтверждение при проведении лабораторных экспериментов, где поле притока тепла являлось только самым грубым приближением к притоку тепла в атмосфере. Однако это утверждение пока еще является лишь гипотезой, для проверки которой необходимо провести более тщательные исследования.
В большей части этой книги, даже если приводятся количественные статистические характеристики, основное внимание уделено качественному изучению природы циркуляции и ее качественным теориям. Читатель, который захочет пропустить математические рассуждения, обнаружит, что в большинстве случаев, за исключением главы II, которая посвящена в основном самим уравнениям, он может все же следовать за текстом. Можно было бы придать изложению совершенно качественный характер и отбросить уравнения вообще. Однако мне не кажется, что при этом монография лучше бы служила поставленной цели.
Хотя данная работа адресована в основном метеорологам, я надеюсь, что она найдет отклик и у тех, кто работает в других областях науки. В соответствии с этим в книге пояснены такие основные метеорологические понятия, как, например, геострофический ветер, чего можно было не делать, если бы работа предназначалась только для специалистов метеорологов.
При подготовке монографии я получал различную помощь от столь многих лиц, что невозможно поблагодарить каждого из них. Мне особенно приятно, что я имел возможность почти ежедневно беседовать со своим коллегой проф. В. Старром, идеи которого, касающиеся общей циркуляции, всегда служили для меня источником вдохновения. Я глубоко благодарен также моему коллеге д-ру Роберту Диккинсону, наиболее критически отнесшемуся к рукописи и сделавшему множество предложений. Хочу также выразить свою признательность за помощь, оказанную в той или иной форме, проф. X. Пейксото из Университета в Лиссабоне, д-ру Р. Уайту, Дж. Уинстону и Дж. Вебберу из Управления вспомогательных служб ВМО, д-ру Р. Шапиро из Кембриджской исследовательской лаборатории ВВС, д-ру Вальтеру Роберту, д-ру Ч. Ньютону и Гарри ван-Лоону из Национального центра атмосферных исследований (США), д-ру Б. Зальцмену из Исследовательского центра путешествий, профессорам Д. Фальцу и Дж. Платцмену из Чикагского университета и проф. Р. Невиллу и мисс М. Нейман из Массачусетского технологического института. Искренне благодарю миссис М. Гэбл за выполнение трудной задачи по подготовке рукописи и мисс И. Коул за подготовку многочисленных карт и диаграмм. Наконец, я хочу поблагодарить Всемирную метеорологическую организацию за издание этой монографии.
Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 74; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!