Table of Contents

Реактивные потоки являются одними из самых мощных и влиятельных атмосферных явлений на Земле, формируя погодные условия, приводя климатические системы и влияя на все, от ежедневных температур до экстремальных погодных явлений. Эти быстротекущие узкие воздушные потоки, обнаруженные на верхних уровнях атмосферы, играют решающую роль в глобальной циркуляции воздуха и энергии. Понимание формирования и функции реактивных потоков имеет важное значение не только для метеорологов и климатологов, но и для педагогов, студентов, авиационных специалистов и всех, кто интересуется тем, как работают атмосферные системы нашей планеты.

В этом всеобъемлющем руководстве рассматриваются сложные механизмы формирования струйных потоков, их различные типы, их глубокое влияние на погоду и климат, а также новые исследования о том, как изменение климата влияет на эти критические атмосферные реки. От базовой физики, которая создает эти высотные ветры, до их роли в экстремальных погодных явлениях, мы рассмотрим каждый аспект этих захватывающих атмосферных особенностей.

Что такое реактивные потоки?

Реактивные потоки — это типы воздушных потоков, которые образуются высоко в атмосфере, создавая узкие полосы исключительно сильных ветров, которые окружают земной шар.Эти относительно узкие полосы сильного ветра обычно возникают на высоте около 30 000 футов (9 100 метров), хотя их точная высота варьируется в зависимости от типа струйного потока и географического положения.

Реактивные потоки имеют длину в тысячи километров и ширину в сотни километров, при этом скорость ветра в ядре часто превышает 100 узлов, а иногда и превышает 200 узлов.Для сравнения, реактивные потоки движутся в среднем со скоростью около 110 миль в час, но резкие перепады температур между теплыми и холодными воздушными массами могут заставить их достигать скорости 250 миль в час или быстрее.

В струйных потоках ветры дуют с запада на восток, но полоса часто сдвигается на север и юг, потому что струйные потоки следуют границам между горячим и холодным воздухом. Вместо того, чтобы быть простыми, прямоточными реками воздуха, струйные потоки извилисты по всей планете волнообразными узорами, создавая сложные погодные системы, которые мы испытываем на поверхности.

На Земле существуют четыре основных струйных потока: два полярных струйных потока и два субтропических струйных потока, которые образуются в атмосфере, где теплые воздушные массы встречаются с холодными воздушными массами.Эти струйные потоки существуют как в Северном, так и в Южном полушариях, создавая глобальную сеть высотных ветровых течений, которые глубоко влияют на погодные и климатические системы нашей планеты.

Физические механизмы формирования реактивного потока

Образование струйных потоков является результатом сложного взаимодействия нескольких фундаментальных атмосферных процессов.Понимание этих механизмов дает представление о том, почему существуют эти мощные ветровые течения и как они ведут себя.

Температурные градиенты: основной водитель

Солнце не нагревает всю Землю равномерно, поэтому области вблизи экватора горячие, а области вблизи полюсов холодные.Когда более теплые воздушные массы Земли встречаются с более холодными воздушными массами, более теплый воздух поднимается выше в атмосфере, в то время как более холодный воздух опускается вниз, чтобы заменить теплый воздух, создавая воздушный поток или ветер.

Реактивные потоки создаются там, где существуют значительные температурные различия между воздушными массами, например, между теплым тропическим воздухом и холодным полярным воздухом.Самый сильный температурный градиент происходит вдоль полярной лобной зоны, и это быстрое изменение температуры с расстоянием вызывает быстрое изменение давления из-за эффекта теплового ветра (вертикальный сдвиг в геотрофическом ветре, вызванный горизонтальным температурным градиентом), создавая сильный градиент давления по полярному фронту, который вызывает интенсивные скорости ветра.

Связь между температурными градиентами и силой струйного потока особенно очевидна в сезонных колебаниях. Температурный контраст между севером и югом вдоль полярного фронта более интенсивен зимой, чем летом, поэтому полярный струйный также сильнее зимой. Это объясняет, почему зимние погодные условия имеют тенденцию быть более динамичными и суровыми, чем летние модели в регионах средней широты.

Эффект Кориолиса и вращение Земли

Полярные и субтропические струйные потоки являются продуктом двух факторов: атмосферного нагревания солнечным излучением, которое производит крупномасштабные полярные, Феррел и Хэдли циркуляционные клетки, и действия силы Кориолиса, действующей на эти движущиеся массы, которая вызвана вращением планеты на ее оси.

Скорость вращения поверхности Земли, а значит и воздуха над ней, относительно её широты.Так как вся Земля совершает одно вращение за 24 часа, то места вдоль более длинных широт вращаются с большей скоростью, чем более короткие, поскольку они перемещаются на большее расстояние за то же время.Поэтому скорость вращения Земли самая быстрая в самой широкой точке, экваторе.

В результате воздух, удаляющийся от экватора, не движется непосредственно на север и юг, поскольку сохраняет этот вращательный импульс, заставляя его вращаться быстрее, чем поверхность ниже, когда он движется к полюсам.Такое отклонение движущихся воздушных масс создает характерный поток струйных потоков с запада на восток.

Эффект Кориолиса также отвечает за конкретные широты, где образуются струйные потоки. Поскольку Земля вращается с запада на восток, путь движущейся воздушной посылки изгибается вправо (эта сила Кориолиса также является причиной того, что ураганы и другие штормы вращаются против часовой стрелки в Северном полушарии). Около 30 ° к северу и югу от экватора сила Кориолиса достаточно сильна, чтобы согнуть воздушный поток, поэтому он на запад-восток, и воздух, движущийся на север в ячейке Хэдли, постепенно поворачивается к востоку, ускоряясь по мере движения.

Системы атмосферного давления

Системы высокого и низкого давления в атмосфере могут усиливать силу струйных потоков. Взаимодействие между градиентами давления и перепадами температур создает условия, необходимые для формирования и поддержания струйных потоков. Фактическое появление струйных потоков является результатом сложного взаимодействия между многими переменными, такими как расположение систем высокого и низкого давления, теплый и холодный воздух и сезонные изменения. Они извилисты по всему земному шару, погружение и повышение в высоте/широте, расщепление время от времени и образование вихрей и даже исчезновение вообще, чтобы вновь появиться где-то еще.

В то время как системы давления влияют на поведение струйного потока, сами струйные потоки помогают создавать и управлять поверхностными метеорологическими системами, включая области высокого и низкого давления, которые приносят различные погодные условия в различные регионы.

Типы реактивных потоков и их характеристики

Не все струйные потоки созданы равными. Различные типы струйных потоков существуют на различных широтах и высотах, каждый с различными характеристиками и воздействиями на погодные условия.

Полярные реактивные потоки

Полярная струя расположена между линиями широты 50°—60° как в северном, так и в южном полушариях.Полярный струйный поток образуется вблизи интерфейса полярных и Феррельных циркуляционных ячеек, а полярные струйные потоки обычно расположены вблизи уровня давления 250 hPa, или 30 000 футов над уровнем моря.Полярные струи, на меньшей высоте и часто вторгаясь в средние широты, сильно влияют на погоду и авиацию.

Полярный струйный поток расположен вблизи полярного фронта примерно на 10 км вверх, около 50-60° широты.Эти струйные потоки особенно важны для прогнозирования погоды, поскольку они напрямую влияют на движение штормовых систем и температурные режимы в населенных районах средней широты.

Полярная струя чрезвычайно изменчива, извилистая на севере и юге, имеет широту около 5° и имеет широко меняющиеся скорости (25-100 мс-1), обусловленные различными горизонтальными температурными градиентами. Эта изменчивость делает полярный струйный поток одновременно увлекательным и сложным для метеорологов.

Положение и сила полярного струйного потока меняются с сезонами. Зимой передний край холодного полярного воздуха отодвигается дальше на юг в субтропические районы. Летом полярный фронт отступает в более высокие широты и ослабляется. К лету в Северном полушарии полярный струйный поток обычно находится вблизи американо-канадской границы, а по мере приближения осени и уменьшения высоты Солнца средняя широта струйного потока движется к экватору.

Субтропические реактивные потоки

Субтропическая струя расположена вокруг линии широты 30°.Субтропическая струя образуется вблизи границы клеток циркуляции Ферреля и Хэдли, а субтропические струйные потоки несколько выше полярных струй.

Субтропический струйный поток расположен около 30° широты примерно на 13 км выше тропического максимума и имеет тенденцию образовываться чуть выше нисходящей ветви ячейки Хэдли, на высоте около 12 км. Здесь существует граница между более теплым экваториальным воздухом и более холодным воздухом, который был циклически прокручен вверх и вокруг ячейки Ферреля с полярного фронта. Иногда это называют субтропическим фронтом, но он не простирается до поверхности. Температурный градиент сильнее всего в воздухе вблизи тропопаузы, что вызывает резкий градиент давления и сильные ветры в воздухе.

Фактически типичные скорости ветра в субтропической струе составляют порядка 40-80 мс-1 в зимнем полушарии и медленнее в летнем полушарии.В то время как обычно слабее, чем полярные струи, субтропические струи играют важную роль в транспортировке влаги и тепла из тропических регионов и могут значительно влиять на погодные условия, когда они взаимодействуют с полярными струями.

Субтропический реактивный самолет сильнее в западной части Тихого океана, в среднем, чем в любом другом месте в мире, со средней скоростью около Японии, превышающей 70 метров в секунду (около 157 миль в час) в течение метеорологической зимы. Это региональное изменение в субтропической реактивной силе имеет важные последствия для погодных условий в Азии и Тихом океане.

Взаимодействие и слияние реактивного потока

Полярная струя может иногда сливаться с субтропической струей, если она достаточно проносится на юг, а иногда распадается на два струйных потока.Средняя широта, полярный, полярный фронт или вихревая струя обычно сливаются с субтропической струей зимой над северной частью Тихого океана, особенно во время зим Эль-Ниньо.

Эти взаимодействия между различными струйными потоками создают сложные атмосферные структуры, которые могут привести к значительным погодным явлениям. Когда струйные потоки сливаются, они могут создавать особенно сильные ветровые течения, которые усиливают развитие шторма и влияют на погодные условия в обширных географических районах.

Волны Россби: Блуждающая природа реактивных потоков

Одной из важнейших особенностей струйных потоков является их склонность к меандрированию в крупномасштабных волновых моделях, известных как волны Россби. Понимание этих волн имеет решающее значение для понимания того, как струйные потоки влияют на погоду.

Что такое волны Россби?

Волны Россби в атмосфере Земли легко наблюдать как (обычно 4-6) крупномасштабные извилины струйного потока.Когда эти отклонения становятся очень выраженными, массы холодного или теплого воздуха отрываются и становятся низкопрочными циклонами и антициклонами соответственно, и отвечают за повседневные погодные условия в средних широтах.

Волны Россби — большие горизонтальные атмосферные волнения, связанные с струйным потоком полярного фронта, отделяющим холодный полярный воздух от теплого тропического воздуха.Эти волны названы по имени Карла-Густафа Арвида Россби, который первым их опознал и объяснил их движение.

Извилистые струйные потоки называются волнами Россби, которые являются природными явлениями в атмосфере и океанах из-за вращения Земли.В планетарных атмосферах они обусловлены изменением эффекта Кориолиса (когда температурный контраст низкий, скорость струйного потока низкая, а сила Кориолиса слабая, что приводит к извилистости) с широтой.

Формирование и характеристики волн Россби

Волны Россби образуются, когда полярный воздух движется к экватору, в то время как тропический воздух движется в направлении полюса.Из-за разницы температур между экватором и полюсами из-за различий в количестве получаемого солнечного излучения тепло имеет тенденцию течь от низких до высоких широт; это достигается, частично, этими воздушными движениями.

Каждая большая меандра, или волна, в пределах струйного потока известна как волна Россби (планетарная волна), которые вызваны изменениями эффекта Кориолиса с широтой.Эти волны играют фундаментальную роль в глобальном переносе тепла и импульса из тропиков к полюсам.

Волны Россби помогают передавать тепло из тропиков к полюсам и холодный воздух к тропикам в попытке вернуть атмосферу к равновесию. Они также помогают найти струйный поток и отметить путь поверхностных систем низкого давления. Эта функция теплотранспорта необходима для поддержания энергетического баланса Земли и предотвращения экстремальных температурных различий между экваториальными и полярными регионами.

Волны Россби и погодные условия

Существование этих волн объясняет клетки низкого давления (циклоны) и клетки высокого давления (антициклоны), которые важны для создания погоды средних и высших широт. Волнообразный рисунок струйных потоков создает чередующиеся области дивергенции и конвергенции в верхних слоях атмосферы, что, в свою очередь, влияет на развитие поверхностных погодных систем.

Реактивные потоки оказывают сильное влияние на местную погоду, поскольку циклоны средней широты (поверхностные минимумы и их фронты и плохая погода) создаются на восточной стороне струйных впадин (примерно на полпути между осью впадины и хребтом). Синоптики часто используют расположение струйных потоков и их впадин и хребтов для прогнозирования погоды.

Амплитуда и длина волн Россби определяют тяжесть и стойкость погодных условий. Больше волнистости в струйном потоке означает, что дождь и ветер остаются в регионе дольше, чем если струйный поток просто путешествовал на восток без объездов. Это может привести к длительным периодам экстремальной погоды, включая продолжительные волны тепла, засухи или наводнения.

Роль реактивных потоков в погодных системах

Реактивные потоки являются фундаментальными факторами погодных условий по всему миру, влияя на все, от ежедневных колебаний температуры до развития сильных штормов.

Буря развития и руководство

Струйный поток представляет собой полосу усиленных западных ветров в средней и верхней тропосфере, встречающуюся в обоих полушариях. Он управляет крупномасштабными погодными системами и ежедневно влияет на еженедельные погодные условия с его извилистыми извилистыми явлениями. Погода средней широты характеризуется внетропическими циклонами (ETCs), которые организованы в штормовые треки на климатологических временных масштабах. Еще одной заметной атмосферной особенностью в средних широтах является вихревый струйный поток, который действует как руководство для ETCs. Крайне важно изучать штормовой трек и струйный поток вместе, поскольку они тесно связаны.

Реактивные потоки могут усиливать развитие штормов, обеспечивая подъем и создавая нестабильность в атмосфере. Расхождение воздуха в верхних слоях атмосферы, особенно на восточной стороне струйных впадин, создает вакуумный эффект, который притягивает воздух вверх от поверхности. Это восходящее движение необходимо для развития и усиления шторма.

Быстро движущиеся воздушные потоки в струйном потоке могут транспортировать погодные системы по всей территории Соединенных Штатов, влияя на температуру и осадки. Однако, если метеорологическая система находится далеко от струйного потока, она может оставаться на одном месте, вызывая волны тепла или наводнения. Эта связь между положением струйного потока и движением метеорологической системы имеет решающее значение для понимания как типичных погодных условий, так и экстремальных явлений.

Распределение температуры и колебания

Реактивные потоки помогают транспортировать теплый и холодный воздух через различные регионы, что приводит к значительным изменениям температуры. Извилистая структура струйных потоков создает сложное распределение температуры по регионам средней широты. Когда струйный поток опускается на юг (образуя корыто), он может принести холодный полярный воздух далеко к югу от его типичного диапазона. И наоборот, когда он выпирает на север (образуя хребет), теплый тропический воздух может достигать необычно высоких широт.

Реактивные потоки могут перемещаться по-разному, создавая выпуклости ветров на север и юг. Бури имеют тенденцию следовать за краем струйного потока, где разница между прохладным и теплым воздухом создает турбулентные условия для штормов. Эта граница между воздушными массами там, где часто бывает самая драматичная погода.

Положение струйного потока относительно местоположения определяет, испытывает ли эта область теплее или прохладнее, чем средние температуры. Регионы на холодной стороне струйного потока обычно испытывают температуры ниже среднего, в то время как те, на теплой стороне, видят выше средних температур. Сдвиги в положении струйного потока, следовательно, могут вызвать быстрые и значительные изменения температуры.

Паттерны осадков и распределение

Реактивные потоки влияют на то, где и когда выпадают осадки, направляя влагозагруженный воздух и направляя штормовые системы. Взаимодействие между струйными потоками и поверхностными метеорологическими системами определяет характер осадков в больших географических районах. Районы, расположенные под струйным потоком, особенно на восточной стороне впадин, часто испытывают усиленные осадки из-за подъемного движения и конвергенции влаги.

Эль-Ниньо — это погодный паттерн, условия которого подталкивают струйный поток на юг, иногда до самого залива Америки. Во время условий Эль-Ниньо восточная часть Тихого океана вблизи экватора прогревается. Когда вода прогревается, воздух над ней также прогревается, создавая далеко идущие изменения погоды. Эти изменения в положении струйного потока во время событий Эль-Ниньо могут резко изменить характер осадков, принося увеличение количества осадков в некоторые регионы, вызывая засуху в других.

Взаимосвязь между струйными потоками и осадками сложна и варьируется в зависимости от сезона и региона. Понимание этой взаимосвязи имеет важное значение для сезонного прогнозирования и управления водными ресурсами, особенно в регионах, которые зависят от предсказуемых моделей осадков для сельского хозяйства и водоснабжения.

Реактивные потоки и климатические системы

Помимо ежедневного влияния на погоду, струйные потоки играют важную роль в формировании долгосрочных климатических моделей и региональных климатических условий во всем мире.

Определение климатических зон

Реактивные потоки помогают определять климатические зоны, влияя на температуру и характер осадков в течение длительных периодов. Среднее положение реактивных потоков определяет, какие регионы получают больше или меньше осадков и испытывают ли они преимущественно теплые или прохладные условия. Районы, которые часто лежат под струйным потоком, как правило, имеют более переменную погоду и более высокие осадки, в то время как регионы последовательно с одной стороны или с другой стороны струйного потока испытывают более стабильные климатические условия.

Сезонная миграция реактивных потоков является ключевым фактором в создании различных климатических зон.По мере того, как реактивные потоки смещаются в сторону полюса летом и экватора зимой, они приносят различные погодные режимы в различные регионы, способствуя сезонным климатическим моделям, которые характеризуют разные части мира.

Сезонные вариации и климатические модели

Положение и сила струйных потоков меняются с сезонами, влияя на сезонные изменения погоды. Реактивные потоки также «следуют за Солнцем» — по мере того, как высота Солнца увеличивается каждый день весной, средняя широта струйного потока сдвигается в сторону полюса. Эта сезонная миграция является фундаментальным фактором изменения погодных условий, которые мы испытываем в течение года.

Зимой полюса холоднее по отношению к экватору, что приводит к более быстрым ветрам струйного потока, чем летом. Пик ветров в реактивном ядре может достигать 100 м с-1, хотя средние скорости 3 месяца обычно составляют 40 м с-1. Это сезонное изменение силы струйного потока имеет важные последствия для интенсивности зимних штормов и тяжести вспышек холодного воздуха.

Телекоммуникации и глобальные климатические модели

Океаноатмосферная связь наиболее мощна в тропиках, где связь отвечает за хорошо известное «Эль-Ниньо-Южное колебание» в экваториальной части Тихого океана.Эль-Ниньо-Южное колебание, в свою очередь, дистанционно приводит к извилистому струйному потоку в средних широтах через формирование крупномасштабных атмосферных циркуляционных паттернов, т.е. паттернов телесвязи.

Внетропическая связь океан-атмосфера усиливает модели телесвязи и вызывает более извилистые западные струйные потоки, которые связаны с экстремальными погодными явлениями.Эти телесвязи позволяют климатическим изменениям в одной части мира влиять на погодные условия за тысячи миль, демонстрируя взаимосвязанную природу климатической системы Земли.

Понимание этих телесоединений имеет решающее значение для сезонного прогнозирования и прогнозирования климата. Путем мониторинга условий в ключевых регионах, таких как тропическая часть Тихого океана, метеорологи могут делать обоснованные прогнозы о вероятном поведении струйного потока и связанных с ним погодных условиях в отдаленных местах.

Мониторинг и прогнозирование реактивных потоков

Точный мониторинг реактивных потоков имеет важное значение для прогнозирования погоды, авиационной безопасности и климатических исследований.Современная технология предоставила метеорологам мощные инструменты для отслеживания и прогнозирования поведения реактивных потоков.

Погодные спутники и дистанционное зондирование

Спутники погоды предоставляют данные в реальном времени о положениях струйного потока и скорости из космоса. Эти спутники используют различные инструменты для измерения температуры атмосферы, влажности и ветра на разных высотах. Отслеживая движения облаков и температурные градиенты, спутники могут идентифицировать местоположения струйного потока и отслеживать их эволюцию с течением времени.

Спутниковые наблюдения особенно ценны, поскольку обеспечивают непрерывный глобальный охват атмосферы. Это позволяет метеорологам отслеживать реактивные потоки над океанами и отдаленными регионами, где наземные наблюдения редки или отсутствуют. Данные со спутников интегрированы в модели прогнозирования погоды для улучшения прогнозов поведения струйного потока и связанных с ним погодных условий.

Погодные шары и наблюдения в верхнем воздухе

Погодные баллоны собирают данные о температуре, влажности и характере ветра на различных высотах, предоставляя важную информацию об атмосферных условиях в верхней тропосфере, где обитают струйные потоки.Эти баллоны, также известные как радиозонды, запускаются два раза в день из сотен мест по всему миру, поднимаясь на высоты 30 километров и более.

По мере того, как воздушные шары поднимаются в атмосферу, они передают измерения обратно на наземные станции, создавая вертикальные профили атмосферных условий. Эти данные необходимы для определения точной высоты, силы и структуры струйных потоков. Информация от метеорологических шаров дополняет спутниковые наблюдения и обеспечивает наземную правду для проверки спутниковых измерений и компьютерных моделей.

Компьютерные модели и численное прогнозирование погоды

Передовые компьютерные модели моделируют атмосферные условия для прогнозирования поведения струйного потока. Эти численные модели прогнозирования погоды решают сложные математические уравнения, описывающие физику атмосферы, включающие данные со спутников, метеорологических воздушных шаров, поверхностные наблюдения и отчеты о самолетах. Модели могут прогнозировать положение струйного потока, силу и эволюцию за несколько дней до нескольких недель.

Современные модели прогнозирования становятся все более изощренными, с более высоким разрешением и лучшим представлением атмосферных процессов. Однако прогнозирование поведения струйного потока остается сложным из-за хаотической природы атмосферы и сложных взаимодействий между различными атмосферными явлениями. Ансамблевое прогнозирование, в котором выполняется несколько моделей моделирования с немного отличающимися начальными условиями, помогает количественно оценить неопределенность в прогнозах струйного потока.

Реактивные потоки и авиация

Реактивные потоки имеют глубокие последствия для авиации, влияя на время полета, расход топлива и комфорт пассажиров.

Планирование полетов и топливная эффективность

Расположение реактивного потока важно для авиации. На время полета самолета может сильно повлиять либо полет с потоком, либо против него. Часто авиакомпании работают над тем, чтобы лететь с реактивным потоком, чтобы получить значительную стоимость топлива и экономию времени.

Коммерческое использование реактивного потока началось 18 ноября 1952 года, когда Pan Am вылетел из Токио в Гонолулу на высоте 7600 м. Он сократил время в пути более чем на треть, с 18 до 11,5 часов. В Северной Америке время, необходимое для полета на восток через континент, может быть уменьшено примерно на 30 минут, если самолет может летать с реактивным потоком.

Современное программное обеспечение для планирования полетов включает прогнозы реактивного потока для оптимизации маршрутов полета. Пилоты и диспетчеры работают вместе, чтобы найти маршруты, которые максимизируют попутный ветер при полете на восток или минимизируют встречный ветер при полете на запад. Эта оптимизация может привести к значительной экономии топлива и сокращению времени полета, что выгодно как авиакомпаниям, так и пассажирам.

Турбулентность и безопасность пассажиров

В то время как реактивные потоки могут обеспечить полезные попутные ветры, они также могут создавать сложные условия полета. Сильный сдвиг ветра, связанный с реактивными потоками - быстрое изменение скорости и направления ветра на коротком расстоянии - может вызвать турбулентность в ясном воздухе, которая является турбулентностью, которая возникает в безоблачном небе и не может быть обнаружена визуально.

Турбулентность в чистом воздухе вблизи реактивных потоков является серьезной проблемой для безопасности полетов и комфорта пассажиров. Пилоты используют прогнозы погоды и отчеты в режиме реального времени от других самолетов, чтобы избежать районов сильной турбулентности, когда это возможно. Однако неожиданные встречи с турбулентностью остаются опасными, особенно поскольку изменение климата может влиять на поведение реактивных потоков и модели турбулентности.

Изменение климата и поведение реактивного потока

Поскольку климат Земли продолжает нагреваться из-за увеличения концентрации парниковых газов, ученые наблюдают и предсказывают значительные изменения в поведении струйного потока. Понимание этих изменений имеет решающее значение для прогнозирования будущих погодных условий и климатических воздействий.

Наблюдаемые изменения в позиции реактивного потока

Климатические модели предсказывают слабый сдвиг струй в сторону полюсов в ответ на продолжающееся изменение климата. Данные показывают, что общие сдвиги в сторону полюсов появляются, хотя значение этих тенденций часто низкое и варьируется между наборами данных, но сходство в разных сезонах и полушариях заметно.

В недавней статье Keel et al (2024) показано, что зимний реактивный поток в северной части Тихого океана сместился на север с начала эры спутников в 1979 году. Этот сдвиг на север, вероятно, способствовал тенденции к высыханию, которая сделала более вероятными лесные пожары в Лос-Анджелесе в январе 2025 года. Этот пример демонстрирует, как изменения реактивного потока могут оказывать прямое и серьезное воздействие на региональные погодные и климатические опасности.

По мере того, как земной шар продолжает нагреваться, он уже оказывает влияние на струйный поток и соответствующие погодные условия, согласно последнему климатическому докладу МГЭИК ООН, в котором говорится: «Вполне вероятно, что особенности циркуляции с 1970-х годов переместились в сторону полюса, включая расширение тропического пояса, сдвиг в сторону полюса ливневых путей и струйных потоков и сокращение северного полярного вихря.

Арктическое усиление и реактивная тяга

Одним из наиболее обсуждаемых аспектов воздействия изменения климата на струйные потоки является явление арктического усиления — наблюдение, что Арктика нагревается быстрее, чем остальная часть планеты. С арктическим потеплением в три раза быстрее, чем в среднем по остальному миру, разница температур между Севером и Югом уменьшается, а также уменьшается скорость западных ветров струйного потока. По мере замедления этих ветров его волны обычно увеличиваются и простираются дальше на Север и Юг. Большие волны струйного потока движутся на восток медленнее, влияя на погодные условия в Северной Америке до Центральной Европы и Азии.

Большие колебания струйного потока, как правило, очень стойкие и остаются в одном и том же месте в течение длительного времени. Поскольку каждая волна приносит теплый или холодный воздух в регион, это медленное движение может вызвать экстремальные погодные условия, такие как волны тепла, наводнения, холодные периоды, штормы и засухи - и мы видим, что эти волнистые модели происходят чаще.

Изучая данные о погоде с 1979 по 2022 год, исследователи обнаружили, что по мере того, как снежный покров на севере Канады снижался, струйный поток рос более плавным, позволяя теплому воздуху оседать над Гренландией, ускоряя таяние льда.Одним из последствий непропорционального потепления на высоких широтах, особенно в Арктике, которое произошло с изменением климата, может быть струйный поток и его западный поток замедляется, вызывая застрявшие погодные условия, которые вызывают более длительные штормы и более длительные тепловые волны.

Однако связь между усилением Арктики и поведением струйного потока остается активной областью исследований с некоторой неопределенностью. В то время как изменение климата, несомненно, усиливает экстремальную зимнюю погоду, недавние исследования показывают, что это, вероятно, не происходит, делая струйный поток более плавным. Исследования показывают, что струйный поток не делает ничего необычного, что вызвало бы недавнее увеличение интенсивных штормов. Изменение климата усиливает эти штормы через другой процесс.

Прогнозируемые изменения скорости реактивного потока

В то время как некоторые исследования были сосредоточены на положении струйного потока и волнистости, другие исследования изучали, как изменение климата повлияет на скорость струйного ветра. Исследования профессора Тиффани Шоу из Учичаго и ученого Национального центра атмосферных исследований Осаму Мияваки показывают, что по мере нагревания мира самые быстрые ветры струйного потока на верхнем уровне будут становиться быстрее и быстрее - примерно на 2% на каждый градус Цельсия, который нагревается в мире. Кроме того, самые быстрые ветры будут ускоряться в 2,5 раза быстрее, чем средний ветер.

Реактивные потоки образуются из-за контраста между холодным, плотным воздухом на полюсах и теплым, легким воздухом в тропиках в сочетании с вращением Земли.В новом исследовании используются климатические модели, чтобы показать, что изменение климата усиливает этот контраст плотности, поскольку уровень влаги для воздуха над тропиками будет увеличиваться больше, чем над полюсами.

Этот результат удивителен, поскольку ученые ранее считали, что по мере того, как Арктика нагревается быстрее средних широт, более слабый температурный градиент от экватора до полюса приведет к более медленному струйному потоку. Но новое исследование показывает, что градиент содержания водяного пара, который также влияет на плотность воздуха, будет иметь больший эффект, в результате чего в будущем будет более сильный струйный поток.

Последствия для будущей погоды и климата

Изменения в поведении струйного потока имеют значительные последствия для будущих погодных условий и экстремальных явлений. Чем быстрее ветры струйного потока, тем более серьезные последствия они оказывают на турбулентность. Более быстрые ветры также могут привести к условиям, благоприятным для более сильных и продолжительных штормов.

В то время как последовательные поколения ансамблей климатических моделей последовательно проецируют среднее смещение полюсов зонально-среднего максимального ветра средней широты, остается значительное межмодельное распространение и большая неопределенность в сезонных и региональных реактивных реакциях. Особо следует отметить наше ограниченное понимание того, как эти струи реагируют на сложное взаимодействие нескольких одновременных драйверов, таких как сильное потепление в полярных и тропических регионах.

Неопределенность в прогнозах струйных потоков создает проблемы для регионального планирования адаптации к изменению климата. Изменения в струйном потоке, приводимом в действие вихрем, в качестве реакции на изменение климата могут сильно изменить гидроклимат многих экстратропических регионов. Однако, как подчеркивается, реакция струи на увеличение выбросов парниковых газов является неопределенной, что создает существенную проблему для обеспечения надежных региональных прогнозов изменения климата. Эта неопределенность распространяется на исследования воздействия изменения климата и может сделать их результаты ограниченными по полезности, если реакция атмосферной циркуляции неадекватно ограничена.

Реактивные потоки и экстремальные погодные явления

Связь между поведением струйного потока и экстремальными погодными явлениями становится все более очевидной в последние годы, и многочисленные исследования связывают необычные модели струйного потока с разрушительными погодными катаклизмами.

Тепловые волны и постоянное высокое давление

Ученые зафиксировали "экстремальные волны тепла" в Европе в 2003, 2010 и 2015 годах. Каждое из этих событий было связано с серией волн Россби, которые извивались через субтропический струйный поток Северного полушария. Скручивающиеся волны могут задерживать погодные системы высокого или низкого давления, ограничивая их движение на длительные периоды. При неправильных обстоятельствах, которые могут вызвать природные кризисы, такие как наводнения и засухи.

Сдвиг струи на север способствовал чрезвычайно жаркому и сухому европейскому лету 2022 года, в то время как ослабленный или смещенный струйный поток в северной части Тихого океана уменьшает количество осадков в Калифорнии, увеличивая риск лесных пожаров. Эти примеры демонстрируют, как положение струи и поведение могут создавать условия, способствующие экстремальной жаре и связанным с ней опасностям.

Наводнение и длительные осадки

Подобно тому, как застопорившиеся струйные потоки могут вызывать тепловые волны, они также могут приводить к длительным осадкам и сильным наводнениям. Когда струйный поток становится замкнутым в определенном образце, влагозагруженные штормовые системы могут неоднократно влиять на одни и те же регионы, что приводит к совокупным суммам осадков, которые намного превышают нормальные количества.

В то время как в некоторых частях Арктики, включая Шпицберген и Северную Норвегию, зафиксирован самый теплый месяц и большинство летних дней выше 20 градусов по Цельсию, в Центральной Европе в конце лета наблюдались разрушительные наводнения, поражающие 2 миллиона человек на континенте. Это иллюстрирует, как модели струйных потоков могут создавать контрастные экстремальные погодные условия в разных регионах одновременно.

Холодные вспышки и зимние штормы

Обычно полярный вихрь мало влияет на нашу погоду, но время от времени он растягивается в бобовую форму, или раскалывается на два-три кармана. Когда это происходит, эти небольшие бассейны холодного воздуха могут спуститься на юг и усилить погружение в струйный поток, что делает холодное заклинание намного хуже. Именно это произошло в Техасе в феврале 2021 года, когда в штате США была зафиксирована самая длинная полоса замерзания в своей истории.

Большие волны в реактивном потоке, наблюдаемые с 1990-х годов, в последние годы привели к аномально холодным температурам и разрушительным зимним штормам в таких регионах, как юг Соединенных Штатов. Эти события демонстрируют роль реактивного потока в доведении арктического воздуха до таких экстремальных холодов, часто с серьезными последствиями для инфраструктуры и общественной безопасности.

Региональные вариации в поведении реактивного потока

Реактивные потоки не ведут себя равномерно по всему земному шару.Региональные изменения географии, температуры океана и атмосферных условий создают различные характеристики струйного потока в разных частях мира.

Североатлантический реактивный поток

Реакция североатлантического струйного потока на более теплый климат показывает значительную межмодельную изменчивость над Европой. В будущих климатах струйный поток смещается на юг над Северной Атлантикой и простирается дальше над Европой. Повышение температуры поверхности моря приводит к этим изменениям. Регион высокой активности систем низкого давления прогнозируется для перемещения на восток в Европу. Будущее повышение температуры поверхности моря и потеря морского льда способствуют с аналогичной величиной сдвигу на восток.

Североатлантический реактивный поток особенно важен для европейской погоды и климата. Его положение и сила определяют, испытывает ли Европа мягкие, влажные зимы или холодные, сухие условия. Понимание того, как этот реактивный поток изменится в будущем, имеет решающее значение для планирования европейской адаптации к климату.

Северный тихоокеанский реактивный поток

Северный тихоокеанский реактивный поток демонстрирует уникальные характеристики, на которые влияют обширный Тихий океан и сложная топография Азии и Северной Америки.Недавняя статья Keel et al. (2024) показала, что зимний реактивный поток в Северной части Тихого океана сместился на север с начала эры спутников в 1979 году.

На этот струйный поток сильно влияют события Эль-Ниньо и Ла-Нинья в тропической части Тихого океана.В течение зим Эль-Ниньо субтропические и полярные струи часто сливаются над восточной частью Тихого океана, создавая сильный, расширенный струйный поток, который может принести повышенную штормовость в западные Соединенные Штаты.В течение Ла-Нинья струи, как правило, более разделены, что часто приводит к более сухим условиям на юго-западе Соединенных Штатов.

Южный реактивный поток полушария

Объединив методы расчета, исследователи обнаружили, что 50% наблюдаемого сдвига в струйном потоке Южного полушария напрямую связано с глобальным потеплением, а другая половина вызвана комбинацией других климатических изменений.

Данные измерений показали, что скорость ветра в вихревой струе Южного полушария увеличилась, в то время как пояс ветра постоянно двигался дальше к Южному полюсу.Южное полушарие струйного потока уникально, потому что оно вращается вокруг Антарктиды с меньшим количеством суши, чтобы нарушить его поток, создавая более зонально симметричный рисунок циркуляции, чем в Северном полушарии.

Продвинутые темы в Jet Stream Science

Помимо фундаментального понимания струйных потоков, для всестороннего знания этих атмосферных явлений важны несколько продвинутых тем.

Реактивные полосы и локализованная интенсификация

Струйный поток — полоса западной широты полушарий. Джет-стрик, представляющий собой области повышенной скорости ветра внутри струйного потока, характеризуют его локально. Эти струйные полосы — области, где скорость ветра значительно выше, чем у окружающего струйного потока, часто превышающего 200 миль в час.

Реактивные полосы важны для прогнозирования погоды, поскольку создают области расхождения и конвергенции, которые могут вызывать или усиливать поверхностные погодные системы.Входные и выходные области струйных полос связаны с конкретными закономерностями вертикального движения, которые влияют на образование облаков, осадки и развитие штормов.

Бароклиническая нестабильность и обслуживание реактивного потока

Бароклиническая нестабильность — фундаментальный процесс, помогающий поддерживать струйные потоки и генерировать среднеширотные погодные системы. Эта нестабильность возникает из-за горизонтального температурного градиента в атмосфере и вертикального сдвига ветра, связанного с струйными потоками. При благоприятных атмосферных условиях небольшие возмущения в потоке могут расти через бароклиническую нестабильность, перерастая в циклоны и антициклоны, характеризующие среднеширотную погоду.

Взаимодействие бароклинической нестабильности с струйными потоками создает петлю обратной связи: градиент температуры поддерживает струйный поток через отношение теплового ветра, в то время как струйный поток обеспечивает сдвиг ветра, необходимый для развития бароклинической нестабильности. Этот процесс необходим для понимания того, как струйные потоки сохраняются и как они взаимодействуют с развивающимися погодными системами.

Стратосферные влияния на реактивные потоки

В то время как струйные потоки являются в основном тропосферными явлениями, на них могут влиять условия в стратосфере выше. Стратосферный полярный вихрь, крупномасштабный рисунок циркуляции в зимней стратосфере, может влиять на тропосферный струйный поток ниже. Когда полярный вихрь силен и стабилен, тропосферный струйный поток имеет тенденцию быть более зональным (запад-восток). Когда полярный вихрь ослабевает или нарушается, тропосферный струйный поток часто становится более меридиональным (северо-юг), что приводит к более экстремальным погодным условиям.

Внезапные события потепления стратосферы, во время которых полярный вихрь быстро ослабевает или раскалывается, могут оказывать значительное влияние на погодные условия тропосферы в течение недель или месяцев после этого.Понимание этих взаимодействий стратосфера-тропосфера является активной областью исследований с важными последствиями для прогнозирования погоды на больших расстояниях.

Реактивные потоки на других планетах

Реактивные потоки не уникальны для Земли. Реактивные потоки обнаружены в атмосферах Венеры, Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Атмосферные волны Россби, как и волны Кельвина, могут возникать на любой вращающейся планете с атмосферой.

Изучение струйных потоков на других планетах дает ценную информацию о фундаментальной физике атмосферной циркуляции. Например, струйные потоки Юпитера гораздо более многочисленны и устойчивы, чем земные, с несколькими струями на различных широтах, которые оставались стабильными на протяжении веков. Гипостагональное образование облаков Сатурна на его северном полюсе, как предполагается, связано с волнами Россби и динамикой струйных потоков.

Эти планетарные сравнения помогают ученым понять, какие аспекты поведения струйного потока являются универсальными последствиями физики атмосферы и которые специфичны для конкретных условий Земли. Это знание улучшает наше понимание струйных потоков Земли и улучшает нашу способность предсказывать, как они могут измениться в будущем.

Будущее исследований Jet Stream

Поскольку изменение климата продолжает влиять на глобальные погодные условия, понимание струйных потоков становится все более важным. Несколько ключевых областей исследований расширяют наши знания об этих критических атмосферных особенностях.

Совершенствование климатических моделей

Трудность моделирования процессов, требующих высокого разрешения, таких как процессы, связанные с резкими градиентами температуры поверхности моря или диабатическими эффектами, связанными с тропической конвекцией и внетропическими циклонами, исторически препятствовала прогрессу. Для улучшения нашего понимания реакции струйного потока на изменение климата предлагается серия новых экспериментов, которые используют преимущества последних достижений в вычислительной мощности и возможностях моделирования для лучшего решения небольших процессов, таких как конвективные циркуляции, которые считаются необходимыми для хорошего представления динамики струи.

Климатические модели с более высоким разрешением, которые могут лучше представлять динамику струйного потока и их взаимодействие с другими атмосферными процессами, имеют важное значение для улучшения региональных климатических прогнозов.По мере того, как вычислительная мощность продолжает увеличиваться, эти более сложные модели будут обеспечивать лучшее руководство для стратегий адаптации к изменению климата и смягчения его последствий.

Усовершенствованные наблюдательные сети

Продолжение мониторинга и исследований имеет решающее значение для адаптации к изменениям в поведении струйного потока. Расширение наблюдательных сетей, включая дополнительные запуски метеорологических воздушных шаров, улучшенные спутниковые инструменты и измерения на основе самолетов, обеспечит лучшие данные для понимания изменчивости струйного потока и тенденций.

Новые технологии, такие, как беспилотные летательные аппараты, способные летать в верхней тропосфере, и передовые приборы дистанционного зондирования, могут обеспечить беспрецедентные наблюдения за структурой струйного потока и эволюцией. Эти наблюдения будут иметь важное значение для проверки и улучшения как прогноза погоды, так и климатических моделей.

Междисциплинарные исследовательские подходы

Понимание струйных потоков требует интеграции знаний из нескольких дисциплин, включая физику атмосферы, океанографию, климатологию и науку о данных. Чтобы понять, что было движущей силой изменений в струйном потоке, исследователи использовали статистическую структуру, называемую причинным выводом. Этот метод помогает распутать различное влияние, которое оказывают отдельные климатические драйверы, даже если они тесно связаны. Используя этот подход, исследователи смогли разделить различные эффекты и количественно оценить конкретную роль каждого фактора.

Междисциплинарные подходы, которые сочетают традиционный метеорологический анализ с передовыми статистическими методами, машинным обучением и другими инновационными методами, открывают новые идеи о поведении струйного потока и его связи с другими компонентами климатической системы.

Практическое применение и социальная значимость

Понимание струйных потоков имеет множество практических применений, которые влияют на общество, от прогнозирования погоды до сельского хозяйства, управления водными ресурсами и готовности к стихийным бедствиям.

Сезонное прогнозирование и климатические услуги

Поведение реактивного потока является ключевым фактором в сезонном прогнозировании погоды. Струи могут меняться от одной недели или месяца к следующему, и региональные модели тепла и холода, влажного и сухого будут смещаться вместе с ними. Для большей части средних широт местный реактивный поток, как правило, является единственным наиболее важным фактором региональных изменений погоды на этих временных масштабах, так что если бы у вас была только одна информация об атмосфере, вы хотели бы знать о струе.

Климатические услуги, которые предоставляют сезонные прогнозы, помогают различным секторам планировать вероятные погодные условия за несколько месяцев до этого. Сельское хозяйство, производство энергии, управление водными ресурсами и многие другие отрасли полагаются на эти прогнозы для принятия обоснованных решений. Улучшение нашего понимания поведения струйных потоков повышает точность и надежность этих критических прогнозов.

Экстремальная готовность к погоде

По мере того, как струйные потоки становятся потенциально более неустойчивыми из-за изменения климата, понимание их поведения становится решающим для готовности к экстремальным погодным условиям. Сообщества могут лучше подготовиться к тепловым волнам, похолоданиям, наводнениям и засухам, когда они понимают струйные потоки, которые создают эти условия.

Агентства по управлению чрезвычайными ситуациями, чиновники здравоохранения и специалисты по планированию инфраструктуры получают выгоду от лучшего понимания того, как реактивные потоки влияют на экстремальные погодные условия. Эти знания позволяют улучшить системы раннего предупреждения, более эффективное распределение ресурсов и более устойчивое проектирование инфраструктуры.

Образовательная значимость

Преподаватели и студенты могут извлечь выгоду из изучения сложности струйных потоков и их роли в нашей среде. Понимание струйных потоков обеспечивает отличную основу для изучения физики атмосферы, науки о климате и взаимосвязанной природы систем Земли. Визуальная природа струйных потоков, легко наблюдаемая на спутниковых снимках и картах погоды, делает их привлекательной темой для научного образования на всех уровнях.

Teaching about jet streams also provides opportunities to discuss climate change, extreme weather, and the scientific process. Students can learn how scientists use observations, theory, and computer models to understand complex natural phenomena and make predictions about future conditions.

Заключение

Реактивные потоки являются фундаментальными компонентами атмосферной циркуляции Земли, играя решающую роль в погодных условиях, климатических системах и глобальном переносе энергии и импульса.Эти быстротекущие реки воздуха, образованные градиентами температуры, вращением Земли и системами атмосферного давления, влияют на все, от ежедневной погоды до долгосрочных климатических моделей и экстремальных явлений.

Два основных типа струйных потоков — полярные и субтропические — каждый из них имеет различные характеристики и воздействия, но оба они необходимы для понимания погоды и климата в средних широтах. Извилистая природа струйных потоков, проявляющаяся в волнах Россби, создает сложные погодные условия, которые мы испытываем, и позволяет перенос тепла на полюс, необходимый для энергетического баланса Земли.

Поскольку изменение климата продолжает изменять глобальные температурные модели, струйные потоки реагируют сложными способами. В то время как некоторые аспекты этих изменений становятся более ясными, такие как общее смещение струйных потоков в сторону полюсов и прогнозируемое увеличение максимальной скорости ветра, другие аспекты остаются неопределенными, включая региональные реакции и взаимосвязь между усилением Арктики и волнистостью струйного потока. Эта неопределенность подчеркивает необходимость продолжения исследований, улучшенных наблюдений и лучших климатических моделей.

Практическая важность понимания реактивных потоков не может быть переоценена. От безопасности и эффективности авиации до сезонного прогнозирования погоды, готовности к экстремальным погодным условиям и планирования адаптации к изменению климата, знания о реактивных потоках имеют широкие применения, которые влияют на общество. Поскольку мы сталкиваемся с изменением климата, это понимание становится еще более важным для прогнозирования и подготовки к будущим погодным и климатическим условиям.

Для педагогов, студентов, метеорологов, климатологов и всех, кто интересуется тем, как работает атмосфера нашей планеты, струйные потоки предлагают захватывающее окно в сложную динамику климатической системы Земли.Продолжая изучать эти мощные атмосферные течения, мы повышаем нашу способность предсказывать погоду, понимать климат и готовиться к вызовам меняющегося мира.

Для получения дополнительной информации об атмосферной науке и погодных условиях посетите Национальное управление океанических и атмосферных исследований или изучите образовательные ресурсы на NOAA SciJinks . Чтобы узнать больше о влиянии изменения климата на атмосферную циркуляцию, Межправительственная группа экспертов по изменению климата Межправительственная группа экспертов по изменению климата предоставляет всеобъемлющие отчеты об оценке. Для наблюдений и прогнозов струйного потока в реальном времени ознакомьтесь с верхними воздушными картами Центра прогнозирования штормов . Те, кто заинтересован в последних исследованиях, могут изучить исследования, опубликованные в журналах через Изменение климата в природе .