Атмосферная циркуляция — это планетарный двигатель, который перераспределяет тепло и влагу, создавая климатические зоны и погодные условия, определяющие нашу окружающую среду. В рамках этой сложной системы струйный поток действует как основной механизм управления. Это узкий, высокоскоростной поток воздуха, протекающий в верхней тропосфере, влияющий на все, от трассы зимней бури до траектории летней тепловой волны. Физическая география объединяет термодинамику солнечного нагрева, жидкостную динамику вращающейся планеты и географическое распределение континентов и океанов. Эта статья обеспечивает всеобъемлющий взгляд на формирование, поведение и влияние струйного потока, подчеркивая его центральную роль в формировании погоды и климата по всему миру.

Что такое реактивный поток?

Струйный поток обычно определяется как лента сильных ветров, обычно превышающая 50 узлов (около 90 км/ч) и часто достигающая скоростей от 150 до 250 узлов (280 до 460 км/ч), расположенная вблизи тропопаузы — границы между тропосферой и стратосферой. Его ширина относительно узкая, обычно несколько сотен километров, в то время как его вертикальная глубина составляет несколько километров. Ядро струйного потока, где встречаются самые быстрые ветры, известно как струйная полоса.

Ключевой характеристикой струйного потока является его извилистый путь по всему земному шару. Эти извилистые волны планетарного масштаба известны как волны Россби. Эти волны распространяются на запад относительно среднего потока, но переносятся на восток самим струей. Амплитуда этих волн может сильно варьироваться. Когда волны малы, струйный поток течет по относительно прямому, зональному узору, приводя к более равномерной погоде и удерживая холодный воздух запертым в полюсах. Когда волны становятся большими, струйный поток принимает высоко меридиональный (северо-южный) путь, который поощряет обмен теплыми и холодными воздушными массами и может привести к блокированию паттернов. Понимание этой динамики волн имеет важное значение для прогнозирования погоды на среднем расстоянии. Обычно в каждом полушарии есть два основных струйных потока: полярный струйный и субтропический струйный.

Механизмы формирования

Фундаментальным драйвером струйного потока является соотношение теплового ветра. Проще говоря, ветер генерируется перепадами давления, а перепады давления генерируются перепадами температур. Чем больше температурный контраст на горизонтальном расстоянии, тем сильнее образующийся ветер. В атмосфере этот эффект усиливается с высотой.

Тепловые отношения ветра

Сильный температурный градиент между холодным полярным воздухом и более теплым воздухом средней широты создает силу градиента давления, которая увеличивается с высотой. Возле поверхности разница давления относительно невелика, но в верхней тропосфере эта разница становится огромной. Уравновешенный эффектом Кориолиса, этот тепловой ветер приводит к мощному, западному потоку полярного струйного потока. Математически тепловой ветер не является реальным ветром, а разница между геотрофическим ветром на двух разных уровнях давления, прямо пропорциональная горизонтальному температурному градиенту в слое между ними.

Роль эффекта Кориолиса

Без вращения Земли глобальная циркуляция состояла бы из одной простой конвективной ячейки в каждом полушарии. Эффект Кориолиса отклоняет движущийся воздух вправо в Северном полушарии и влево в Южном полушарии. Это отклонение препятствует прямому потоку воздуха от высокого давления к низкому, заставляя его течь параллельно изобарам (линиям постоянного давления) вместо этого. Этот геотрофический баланс позволяет струйному потоку течь как концентрированный ток, а не рассеиваться по всему земному шару. Субтропический струйный поток, который образуется на больших высотах, приводится в движение краем ячейки Хэдли, где тропический воздух, опускающийся в субтропиках, создает резкий температурный контраст с воздухом средней широты.

Типы реактивных потоков

Метеорологи классифицируют струйные потоки по их расположению, высоте и сезонным характеристикам.Каждый тип играет особую роль в глобальной циркуляции.

Полярный реактивный поток

Это самый энергичный и известный струйный поток. Он образуется вдоль полярного фронта, границы между холодным полярным воздухом и более теплым воздухом средней широты, обычно расположенным между 30° и 60° широты в обоих полушариях. Полярный струйный поток напрямую связан с поверхностной погодой, управляющей циклонами средней широты и порождающей сильные ветры. Он сильнее всего зимой, когда градиент температуры между полюсом и экватором самый крутой.

Субтропический реактивный поток

Расположенный ближе к 30° широты и на несколько большей высоте, чем полярная струя, субтропическая струя связана с нисходящей ветвью ячейки Хэдли. Она слабее и устойчивее полярной струи. Она часто сливается с полярной струей в регионах, где температурный градиент усиливается, создавая исключительно сильный комбинированный реактивный поток. Эта слитая струя распространена над Тихим и Атлантическим океанами зимой.

Тропический пасхальный самолет

В отличие от западных полярных и субтропических струй, тропический пасхальный реактивный самолет (TEJ) течет с востока на запад. Он образуется в течение бореального лета (с июня по сентябрь) над Азией и Африкой. TEJ обусловлен сильным температурным контрастом между нагретым Тибетским плато и Индийским океаном на юге. Он играет важную роль в азиатском муссоне, помогая стимулировать циркуляцию, которая приносит сильные осадки в Южную Азию.

Полярный ночной джет

Этот струйный поток обитает в стратосфере, на высотах от 20 до 50 км, образуясь над полюсом в зимние месяцы. Его приводит в движение экстремальное охлаждение полярной области в течение долгой полярной ночи, что создает сильный температурный градиент между полюсом и средними широтами. Сила и стабильность полярного ночного джета напрямую связаны с полярным вихрем. Когда стратосферный струйный поток ослабевает, он может нарушить тропосферный струйный поток ниже, что приводит к вспышкам холодного воздуха.

Факторы, влияющие на реактивный поток

Струйный поток — динамическая особенность, положение и сила которой контролируются несколькими взаимодействующими факторами, которые действуют на суточных, сезонных и межгодовых временных масштабах.

Сезонные сдвиги

По мере того, как прямые солнечные лучи мигрируют между тропиком Рака и тропиком Козерога, вся глобальная циркуляция сдвигается. Летом в данном полушарии струйный поток обычно слабее и расположен к полюсу. Зимой он усиливается и сдвигается к экватору. Эта сезонная миграция отвечает за различные погодные условия разных сезонов.

Распределение и орография суши и океана

Континенты нагреваются и охлаждаются гораздо быстрее, чем океаны. Этот дифференциал создает продольные колебания температурного градиента, заставляя струйный поток усиливаться над восточными побережьями континентов зимой и ослабевать над океанами. Большие горные хребты, такие как Скалистые горы и Тибетское плато, действуют как физические барьеры, которые нарушают поток. Когда западный струйный поток сталкивается с этими горными хребтами, он вынужден расщепляться, создавая картину «расщепления потока». Это орографическое воздействие может генерировать циклогенез на подветренной стороне диапазона.

Колебания климата

Телесоединения, такие как Эль-Ниньо-Южное колебание (ENSO) и Арктическое колебание (AO), оказывают сильное влияние на реактивный поток. Во время Эль-Ниньо Тихоокеанский реактивный поток часто усиливается и расширяется дальше на восток, принося больше штормов на юг Соединенных Штатов. Во время Ла-Нинья реактивный поток более изменчив и имеет тенденцию приносить более холодную погоду на северный ярус США. Арктическое колебание (AO) непосредственно измеряет разницу давления между Арктикой и средними широтами. Положительная фаза АО соответствует сильному реактивному потоку, который блокирует холодный воздух в Арктике. Отрицательная фаза АО соответствует более слабому, более волнистому реактивному потоку, который позволяет полярному воздуху погружаться на юг.

Влияние на погоду и климат

Струйный поток является рулевым колесом для погодных систем в средних широтах. Его положение и сила определяют тип погоды, испытываемой в крупных регионах земного шара.

Штормовые следы и циклогенез

Внетропические циклоны образуются вдоль полярного фронта, подпитываемые сильным температурным градиентом, который также питает струйный поток. Струйный поток направляет эти штормы по их пути, известному как «штормовая дорожка». Штормовая дорожка обычно находится непосредственно под струйным потоком. Сдвиг в положении струйного потока приводит к соответствующему сдвигу в штормовой дорожке, в результате чего некоторые регионы испытывают более влажные или более сухие условия, чем обычно.

Блокировка моделей и экстремальная погода

Когда струйный поток сильно усиливается волнами Россби большой амплитуды, система высокого давления может отрезаться от основного потока. Это создает «блокировочный паттерн», который остается почти неподвижным в течение нескольких дней или недель. Блоки заставляют погодные системы останавливаться, что приводит к длительным условиям. Европейская тепловая волна 2003 года и российская тепловая волна 2010 года были связаны с постоянными блокирующими паттернами в струйном потоке. Аналогично, «блокированный» струйный поток может направлять серию штормов в тот же регион, производя катастрофическое наводнение.

Полярные нарушения вихрей

Полярный вихрь — это большая область низкого давления и холодного воздуха, циркулирующая в стратосфере над Арктикой. Струйный поток — это, по сути, нижний край этого вихря. Когда полярный вихрь силен, струйный поток обычно силен и зональный. Когда полярный вихрь нарушается или ослабляется событием «внезапного стратосферного потепления», струйный поток часто пристегнувается и становится очень волнистым. Это позволяет холодному арктическому воздуху разливаться в средние широты, что приводит к таким событиям, как «Зверь с Востока» в Европе и заморозке Техаса в 2021 году.

Jet Stream и авиация

Струйный поток оказывает прямое и экономически значимое влияние на авиацию. Авиакомпании Коммерсии тщательно планируют свои маршруты, чтобы воспользоваться реактивным потоком. Полет из Нью-Йорка в Лондон, летящий на восток с реактивным потоком, может быть на час короче, чем обратный рейс из Лондона в Нью-Йорк, который должен бороться с встречным ветром. Это известно как преимущество «запад на восток». Реактивные потоки также создают турбулентность в воздухе (CAT). КАТ часто генерируется в регионах сильного вертикального сдвига ветра вблизи ядра реактивного потока. Эта турбулентность невидима и трудно прогнозируема, что создает значительную проблему безопасности полетов.

Изменение климата и реактивный поток

Климатологи активно изучают, как глобальное потепление изменяет поведение струйного потока. Эти потенциальные изменения имеют серьезные последствия для будущих погодных условий и экстремальных явлений.

Арктическое усиление

Арктика нагревается более чем в два раза быстрее, чем в среднем по миру, явление, известное как арктическое усиление. Это уменьшает общий температурный градиент между полюсом и экватором. Поскольку тепловой ветер связывает силу струйного потока непосредственно с этим температурным градиентом, ожидается, что потепление Арктики ослабит западный поток полярного струйного потока. Как отмечает Короткий пояснитель углерода отмечает , этот основной термодинамический принцип предполагает более медленный, более извилистый струйный поток.

Более мощный реактивный поток

Некоторые ученые предполагают, что более слабый струйный поток имеет тенденцию иметь более крупные амплитуды волн Россби. Эти волны могут застрять на месте, что приведет к более частым и постоянным блокирующим моделям. Это увеличит продолжительность погодных явлений, сделает волны тепла более интенсивными, наводнения более серьезными и засухи более продолжительными. Хотя это активная область исследований, потенциальная связь между потерей арктического морского льда и волнистым струйным потоком является основным направлением современной науки о климате.

Миграция Полузащиты

Климатические модели последовательно прогнозируют, что струйные потоки в обоих полушариях будут смещаться в сторону полюса по мере нагревания планеты. Эта миграция в сторону полюса связана с расширением ячейки Хэдли. Смещение в сторону полюса струйного потока также сместит траектории штормов средней широты. Это может привести к высыханию в регионах, которые в настоящее время полагаются на зимние осадки, таких как Средиземное море, Калифорния и южная Австралия.

Заключение

Струйный поток является центральным компонентом системы атмосферной циркуляции Земли. Его динамика, управляемая соотношением теплового ветра и эффектом Кориолиса, связывает энергетические дисбалансы планеты с погодой, которую мы испытываем на поверхности. От направления развития циклонов до управления глобальным транспортом воздушных масс, реактивный поток является мощной силой в физической географии. Понимание его текущего поведения и того, как он может реагировать на изменение климата, имеет важное значение для подготовки к будущему глобальных погодных условий. По мере продолжения исследований реактивный поток остается ключевым направлением для метеорологов и климатологов. Для получения дополнительной фундаментальной информации weather.gov предоставляет отличный ресурс на основы струйного потока .