Table of Contents

Введение: Глобальные атмосферные магистрали

Реактивные потоки — это узкие, быстро движущиеся полосы ветра в верхней атмосфере, которые текут с запада на восток, извиваясь в волнообразных моделях, которые непосредственно управляют погодными системами по всей планете. Эти мощные течения находятся вблизи тропопаузы, границы между тропосферой и стратосферой и являются фундаментальными для глобальной циркуляции. Два основных струйных потока работают в каждом полушарии: полярный струйный и субтропический струйный. Более слабый тропический восточный струйный поток также существует в течение летнего сезона муссонов над Африкой и Азией. Понимание различных физических особенностей этих струйных потоков — их высота, скорость, механизмы генерации и сезонное поведение — имеет важное значение для прогнозирования погоды, авиационной маршрутизации и науки о климате.

Существование этих ветров верхнего уровня было впервые теоретически предположено в 1920-х годах, но их истинная сила и структура были полностью реализованы во время Второй мировой войны, когда пилоты бомбардировщиков столкнулись с неожиданно сильным встречным ветром.Полярный реактивный самолет, вызванный резким температурным столкновением между полярным и среднеширотным воздухом, является основным архитектором зимних штормов. Субтропический реактивный самолет, продукт большой опрокидывающей циркуляции тропиков, управляет погодой субтропиков и мощно взаимодействует с тропическими циклонами. Вместе эти реактивные потоки организуют погоду планеты и транспортируют тепло, импульс и влагу по всему миру.

Основная физика: принцип теплового ветра

Основополагающей концепцией для понимания поведения как полярных, так и субтропических струйных потоков является соотношение теплового ветра. Тепловой ветер — это не сам по себе настоящий ветер, а теоретическое представление вертикального сдвига ветра — изменения скорости ветра и направления с высотой — что является результатом горизонтальных температурных градиентов. По сути, сильная разница температур на данной широте создает сильное увеличение скорости ветра по мере того, как человек поднимается в верхнюю тропосферу.

В средних широтах полярный фронт представляет собой наиболее интенсивный горизонтальный температурный градиент на Земле, особенно зимой. Холодный плотный полярный воздух сидит рядом с более теплым, менее плотным воздухом средних широт. Этот резкий контраст плотности, поддерживаемый балансом геотрофических и гидростатических сил, порождает мощный западный максимум ветра в верхней тропосфере, достигающий пика в виде полярного струйного потока. Субтропическая струя, в то время как в основном результат сохранения углового момента в ячейке Хэдли, также поддерживается тепловым градиентом в верхней тропосфере между теплой тропической тропопаузой и более холодной экстратропической тропопаузой. Поэтому обе струи фундаментально связаны с неравномерным нагревом планеты.

Полярный реактивный поток: среднеширотный погодный двигатель

Формирование и полярный фронт

Полярный струйный поток рождается непосредственно из стойкого температурного контраста вдоль полярного фронта. Это полупостоянная граница, отделяющая холодные полярные воздушные массы от более теплых воздушных масс на юг. Разница плотности по этому фронту создает мощную горизонтальную силу градиента давления, которая усиливается с высотой. Эта сила ускоряет ветер в узкий, быстро движущийся коридор. Таким образом, полярная струя является прямым выражением бароклиничности — наличия сильных температурных градиентов — средних широт.

Физические характеристики: высота, скорость и волны

Полярная струя обычно находится на высотах от 30 000 до 40 000 футов (9-12 километров), что соответствует уровням давления от 300 до 200 миллибар (hPa). Скорости ветра в полярном реактивном ядре впечатляют, обычно превышающие 100 узлов (185 км / ч) и часто превышающие 200 узлов (370 км / ч) в пиковые зимние месяцы. Эти высокие скорости создают сильный вертикальный сдвиг ветра, основную причину турбулентности в воздухе (CAT), которая является значительной опасностью для авиации.

Определяющей особенностью полярной струи является её волнообразный характер. Эти крупномасштабные меандры известны как волны Россби или планетарные волны. Эти волны могут быть низкоамплитудными и зональными (текущими в основном с запада на восток), приводящими к прогрессивным погодным системам, или высокоамплитудными и меридиональными (текущими с севера на юг), приводящими к блокировке узоров. Когда струя резко смещается на север и юг, она может принести экстремальную жару или глубокий холод в регионы, далекие от их обычных климатических зон. Скорость и амплитуда этих волн относительно земли определяют, как быстро движутся и развиваются погодные системы.

Реактивные полосы и циклогенез

В пределах полярной струи скорость ветра неоднородна. Существуют локализованные области максимальной скорости ветра, называемые струйными полосами. Входная и выходная области этих струйных полос являются областями интенсивной расхождения и конвергенции верхнего уровня. В частности, лево-фронтовые и правозадние квадранты струйной полосы (относительно направления потока) являются областями, где воздух ускоряется, создавая вакуумный эффект в воздухе.

Эта дивергенция в воздухе является основным триггером для циклогенеза — рождения и интенсификации поверхностных систем низкого давления. Она действует как насос, удаляя массу из столба воздуха над поверхностью, что снижает поверхностное давление и заставляет воздух сближаться и подниматься. Этот восходящий воздух охлаждает, конденсируется и образует облака и осадки. Вот почему подавляющее большинство значительных зимних штормов и внетропических циклонов образуются и следуют непосредственно по пути полярного струйного потока. Метеорологи внимательно следят за положением и интенсивностью струйных полос, чтобы предсказать путь и интенсивность этих штормов.

Сезонная миграция

Широта полярного струйного потока значительно меняется с сезонами. Летом, когда Арктика нагревается и градиент температуры по полярному фронту ослабевает, полярный струйный сдвиг полюса уменьшается, скорость ветра уменьшается, а его путь в целом более зональный. Зимой градиент температуры усиливается, струя усиливается, и она мигрирует в экватор, направляя холодные воздушные массы и мощные штормы непосредственно в средние широты. Эта драматическая сезонная миграция оказывает глубокое влияние на региональный климат, диктуя начало и конец вегетационного сезона и распространенность зимних штормов.

Школа JetStream от NOAA предоставляет подробный обзор полярного струйного потока и его роли в погоде.

Субтропический реактивный поток: продукт глобального обращения

Формирование: угловой импульс в клетке Хэдли

В отличие от полярной струи, которая приводится в движение градиентами температуры поверхности, субтропическая струя в основном является продуктом циркуляции клеток Хэдли и сохранения углового момента. Интенсивное солнечное нагревание на экваторе вызывает энергичный рост теплого, насыщенного влагой воздуха в зоне межтропической конвергенции (ITCZ). По мере того, как этот воздух поднимается, он выделяет огромное количество скрытого тепла, которое питает клетку и ведет воздух к полюсу в верхней тропосфере.

По мере того, как этот верхний уровень воздуха движется к полюсам, он перемещается в широты, где расстояние до оси вращения Земли меньше. Для сохранения своего углового момента воздух должен резко ускоряться в направлении запад-восток. Это ускорение создает концентрированную полосу очень сильных западных ветров на полюсном краю ячейки Хэдли, обычно около 30 градусов широты. Это субтропический струйный поток. Он отмечает отчетливую границу между тропической тропосферой и экстратропической тропосферой.

Физические характеристики: высота и устойчивое состояние

Субтропическая струя обычно находится на большей высоте, чем полярная струя, обычно между 40 000 и 50 000 футов (12-15 километров), что соответствует уровням давления от 200 до 100 миллибар. Хотя ее основные скорости ветра могут быть очень высокими, сопоставимыми с полярной струей, она обычно более стабильна и менее извилиста. Она не извивается с теми же волнами Россби большой амплитуды, которые характеризуют полярную струю.

Поскольку она привязана к крупномасштабной ячейке Хэдли, а не к движущейся поверхности фронта, её широтное положение меняется менее резко. Однако она сильно сезонная. Ячейка Хэдли наиболее интенсивна в зимнем полушарии, а субтропическая струя соответственно сильна и наиболее устойчива в зимние месяцы. Летом она ослабевает и сдвигается в сторону полюса, часто сливаясь с остатками полярной струи.

Роль в глобальной погоде и климате

Субтропический струй играет важнейшую роль в тропической и субтропической погоде. Он является основным механизмом управления тропическими циклонами. Сильный субтропический струйный двигатель может создавать мощный вертикальный сдвиг ветра, который может тормозить развитие тропического циклона или разрывать шторм на части. И наоборот, отток крупного урагана в сторону полюса может быть усилен взаимодействием с субтропическим струей, что позволяет шторму усиливаться дальше.

Струя также играет значительную роль в развитии атмосферных рек, узких ниточек интенсивного переноса влаги, которые могут вызвать экстремальные осадки и наводнения. Влажный транспорт перед субтропической струей является ключевым компонентом этих событий. Кроме того, сезонная миграция струи является критическим триггером для азиатского муссона. Когда субтропическая струя весной смещается к северу от Тибетского плато, она позволяет муссону утвердиться над Индией и Юго-Восточной Азией, принося жизненно важные осадки миллиардам людей.

SciJinks (NOAA/NASA) предлагает прямое объяснение различных струйных потоков и их формирования.

Основные физические различия: сравнительный анализ

Широта и высота

Наиболее фундаментальное различие между двумя струями — их широта. Полярная струя обычно находится между 40 и 70 широтами, близко следующая за краем холодной полярной воздушной массы. Субтропическая струя находится между 20 и 30° широты. По высоте полярная струя ниже, обычно центрирована вокруг уровня давления 300 мб, в то время как субтропическая струя выше, центрирована вокруг уровня 200 мб или выше.

Сила и изменчивость

Полярная струя значительно более изменчива как по силе, так и по положению. Скорость её ветра в среднем выше, и её путь может резко смещаться в течение суток, создавая глубокие впадины и сильные хребты. Эта изменчивость является прямым результатом постоянно эволюционирующих бароклинических волн в средних широтах. Субтропическая струя более последовательна как по скорости, так и по положению. Пока её скорость может меняться, она не проявляет одинаковых диких качелей в широте или одинаковой степени усиления волны.

Генерирующие механизмы

  • Полярный реактивный двигатель: Движимый сильными горизонтальными температурными градиентами (бароклиничностью) вдоль полярного фронта. Источником энергии является потенциальная энергия температурного контраста между полюсом и экватором.
  • Субтропический реактивный двигатель: Движимый сохранением углового момента в верхней ветви клетки Хэдли. Источником энергии является выделение скрытого тепла в глубоких тропиках.

Взаимодействие и угольное

Несмотря на их различное происхождение и физические характеристики, эти два струи часто взаимодействуют. В зимние месяцы над Восточной Азией и западной частью Тихого океана полярные и субтропические струи могут сливаться или сливаться в единый, исключительно мощный струйный поток. Это слияние создает чрезвычайно интенсивный штормовой путь и отвечает за некоторые из самых мощных зимних штормов на планете. Когда струи отделены и текут параллельно друг другу, возникает режим «расщепления потока». Эта конфигурация часто приводит к блокировке атмосферы, где погодные условия останавливаются, приводя к длительным периодам тепла, холода или дождя.

Реактивные потоки в теплом мире

Текущие исследования климата сосредоточены на том, как реактивные потоки реагируют на глобальное потепление. Изменения имеют глубокие последствия для будущих экстремальных погодных условий и региональных климатических сдвигов.

Арктическое усиление и полярный реактивный

Арктика нагревается в два-три раза быстрее, чем в среднем по миру, явление, известное как арктическое усиление. Это быстрое потепление снижает температурный градиент между полюсами и средними широтами. Согласно принципу теплового ветра, пониженный меридиональный температурный градиент должен привести к более слабому зональному (запад-восток) потоку в полярной струе. Некоторые ведущие исследования показывают, что более слабая струя становится «плохой» и более склонной к блокированию высоких амплитуд, что может привести к постоянным погодным явлениям, таким как длительные тепловые волны, засухи или холодные периоды. Хотя это сложная и обсуждаемая тема, потенциальная связь между арктическим потеплением и более извилистой полярной струей является основным направлением науки о климате.

Расширение клетки Хэдли и субтропического реактивного двигателя

Данные наблюдений и климатические модели последовательно показывают, что ячейка Хэдли расширяется в направлении полюсов в обоих полушариях. Это расширение заставляет субтропическую струю и связанные с ней субтропические сухие зоны смещаться в сторону полюсов. Смещение в сторону полюсов субтропической струи имеет значительные последствия для водных ресурсов. Это может подтолкнуть регионы средней широты, которые в настоящее время получают умеренные осадки, к более засушливым режимам, эффективно расширяя субтропические пустыни мира. Это также изменяет путь штормовых систем средней широты, потенциально лишая некоторые регионы осадков, увеличивая его в других.

Королевское метеорологическое общество представляет обзор того, как струйные потоки реагируют на изменение климата.

Вывод: Понимание скоростей атмосферы

Полярные и субтропические струйные потоки — это гораздо больше, чем просто быстрые ветры в небе. Они являются физическим проявлением фундаментальной атмосферной динамики — элегантной реакции планеты на неравный солнечный нагрев и его вращение. Полярная струя, продукт жесткого температурного контраста в средних широтах, является основным инженером нашей повседневной погоды, приводя в движение циклоны и антициклоны, которые определяют наши сезоны. Субтропическая струя, рожденная из большой опрокидывающей циркуляции тропиков, соединяет экватор с полюсами и формирует климат обширных регионов. Понимание их различных физических особенностей, от их высоты и скорости до их генерирующих механизмов и потенциальных реакций на изменяющийся климат, остается центральным в науке метеорологии и нашей способности предвидеть будущее погодных систем планеты.