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!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!