Fizyka Pogody i Klimatu Wykład 6

(1)

Fizyka Pogody i Klimatu Wykład 6

Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki

Uniwersytet Warszawski

kmark@igf.fuw.edu.pl

(2)

2

Radiacyjne chłodzenie atmosfery ok. 100 W/m²

 1K/dobę

Kompensacja wychładzania radiacyjnego poprzez:

- konwekcję (strumień ciepła odczuwalnego oraz utajonego)

- wielkoskalowe osiadanie

(3)

Nierównomierny rozkład bilansu radiacyjnego na ziemi

3

Średnia roczna wartość energii promieniowania słonecznego

absorbowanego przez układ Ziemia- Atmosfera,

energia emitowane (promieniowanie długofalowe) oraz ich wartość netto (Hartmann 1994).

Średnia roczna wartość energii

transportowanej w kierunku północnym potrzebna do zrównoważenia bilansu radiacyjnego pomiędzy równikiem a biegunem. Linia ciągła oznacza bilans radiacyjny na szczycie atmosfery, linia przerywana w atmosferze zaś

kropkowana w oceanie (Zhang Rossow, 1997) .

(4)

4

(5)

Meridional temperature

January temperature contours at 120

^o

East

(6)

Upper tropospheric jet

January zonal wind contours at 120

^o

East

(7)

Zonal variation of jet

(8)

Zonal variation of jet

(9)

Zonal variation of jet

(10)

10

(11)

11

(12)

Globalna cyrkulacja atmosferyczna

12

(13)

Globalna cyrkulacja oceaniczna

13

(14)

Cyrkulacja termohalinowa

14

(15)

Cyrkulacja południkowa

15

(16)

Cyrkulacja strefowa w strefie równikowej Pacyfiku – cyrkulacja Walkera

16

(17)

17

(18)

18

(19)

MJO – Oscylacja Maddena-Juliana

19

(20)

Cyrkulacja Monsunowa

²⁰

(21)

21

(22)

22

(23)

Równania ruchu w atmosferze

Równania pędu na obracającej się Ziemi opis Eulera i Langrange’a:

Metoda Eulera na określeniu właściwości powietrza jako funkcji położenia w przestrzeni i czasu. Podstawową wielkością charakteryzującą ruch powietrza jest prędkość V , która zależy od położenia i czasu: Opis tą metodą można uznać za obraz przestrzennego rozkładu prędkości powietrza w każdej chwili podczas jego ruchu. Oczywiście jeśli skupimy uwagę na określonym elemencie objętości, to powietrze, które wypełnia ten element, będzie się nieustannie zmieniało.

Metoda Lagrange’a traktuje powietrze jako zbiór małych cząstek. Prędkość każdej cząstki jest funkcją czasu. Metoda ta opisuje historię ruchu każdej cząstki powietrza w atmosferze. Niestety nie da się nią w prosty sposób wyznaczyć przestrzennych gradientów prędkości, niezbędnych do określenia oddziaływań między cząstkami, natomiast stosunkowo łatwo jest śledzić ruch każdej cząstki.

23

(24)

Governing Equations

Mass continuity in Eulerian approach:

consider the ﬂow of mass in and out of a control volume

(25)

This [in brackets] equals ZERO, hence....

(26)

Navier-Stokes equation

This is an extremely good approximation for most liquids and gases.

The momentum equation becomes:

kinematic viscosity, ν=μ/ρ,

ν~(mean free path)*(mean molecular velocity)

(27)

27

V g

p Dt V

V

D 













^ ^ ^ ^



  2 1

Na obracającej się ziemi

przyspieszenie Coriolia

przyspieszenie związane z gradientem ciśnienia

pochodna substancjalna

z w w y

v v x

u u t

V Dt

V D



   







(28)

28

Analiza skali równań ruchu w atmosferze

U ~ 10m/s - skala prędkości horyzontalnej W ~ 1 cm/s - skala prędkości pionowej

L ~ 10

⁶

m - skala długości - 1000 km D ~ 10

⁴

m - skala głębokości - 10 km

dP/  ~ 10

³

m2s-2 - horyzontalna skala fluktuacji ciśnienia L U ~ 10

⁵

s - skala czasu

Przybliżenie geostroficzne

W przypadku składowej horyzontalnej ruchu

dominujące są 2 człony równania N-S: siła

Coriolisa i gradient ciśnienia

(29)

29

Wiatr geostroficzny

Równania progostyczne

(30)

Let's consider situation with negligible viscosity and important gravity.

Let's focus on a vertical component of the momentum equation (along gravity acceleration).

vertical velocity component gravity acceleration

in static situation (no motion) vertical pressure gradient is

balanced by gravity acceleration, this is condition for hydrostatic balance:

(31)

31

Rozwój ośrodków barycznych w średnich szerokościach

geograficznych

(32)

32

Adwekcja ciepła na zaburzeniu frontu polarnego

(33)