Циркуляция Уокера: теоретическая модель атмосферного потока.

Введение

Теоретическая модель воздушного потока в атмосфере

Циркуляция Уокера, также известная как ячейка Уокера, является концептуальной моделью воздушных потоков в тропиках в нижней атмосфере (тропосфере). Согласно этой модели, воздушные массы совершают замкнутую циркуляцию в зональном и вертикальном направлениях. Эта циркуляция, которая в целом согласуется с наблюдениями, обусловлена различиями в распределении тепла между океаном и сушей. Помимо движений в зональном и вертикальном направлениях, тропическая атмосфера также характеризуется значительными движениями в меридиональном направлении, являясь частью, например, циркуляции Хэдли. Циркуляция Уокера связана с градиентом давления, возникающим из-за области высокого давления над восточной частью Тихого океана и области низкого давления над Индонезией. Циркуляции Уокера в тропических бассейнах Индийского, Тихого и Атлантического океанов приводят к западным ветрам на поверхности в северном полушарии летом в первом бассейне и к восточным ветрам во втором и третьем бассейнах. В результате температурная структура этих трех океанов демонстрирует значительную асимметрию. В северном лете восточные части экваториальных Тихого и Атлантического океанов характеризуются пониженной температурой поверхности, в то время как более низкие температуры поверхности преобладают только в западной части Индийского океана. Эти изменения температуры поверхности отражают изменения глубины термоклина. Изменения циркуляции Уокера во времени происходят одновременно с изменениями температуры поверхности. Некоторые из этих изменений обусловлены внешними факторами, такими как сезонное смещение солнца в Северное полушарие летом. Другие изменения, по-видимому, являются результатом взаимосвязанной обратной связи между океаном и атмосферой, в которой, например, восточные ветры вызывают понижение температуры поверхности моря на востоке, усиливая зональный тепловой контраст и, следовательно, усиливая восточные ветры над бассейном. Эти аномальные восточные ветры усиливают экваториальный апвеллинг и поднимают термоклину на востоке, усиливая первоначальное охлаждение, вызванное южными ветрами. С океанографической точки зрения, экваториальный холодный язык обусловлен восточными ветрами. Если бы климат Земли был симметричен относительно экватора, то поперечные экваториальные ветры исчезли бы, а холодный язык был бы значительно слабее и имел бы совершенно иную зональную структуру, чем наблюдается сегодня. Циркуляция Уокера была открыта Гилбертом Уокером. Термин "циркуляция Уокера" был введен в 1969 году норвежско-американским метеорологом Якобом Бьеркнесом.

The Walker circulation, also known as the Walker cell, is a conceptual model of the air flow in the tropics in the lower atmosphere (troposphere). According to this model, parcels of air follow a closed circulation in the zonal and vertical directions. This circulation, which is roughly consistent with observations, is caused by differences in heat distribution between ocean and land. In addition to motions in the zonal and vertical direction the tropical atmosphere also has considerable motion in the meridional direction as part of, for example, the Hadley Circulation. The Walker circulation is associated with the pressure gradient force that results from a high pressure system over the eastern Pacific Ocean, and a low pressure system over Indonesia. The Walker circulations of the tropical Indian, Pacific, and Atlantic basins result in westerly surface winds in northern summer in the first basin and easterly winds in the second and third basins. As a result, the temperature structure of the three oceans display dramatic asymmetries. The equatorial Pacific and Atlantic both have cool surface temperatures in northern summer in the east, while cooler surface temperatures prevail only in the western Indian Ocean. These changes in surface temperature reflect changes in the depth of the thermocline. Changes in the Walker circulation with time occur in conjunction with changes in surface temperature. Some of these changes are forced externally, such as the seasonal shift of the sun into the Northern Hemisphere in summer. Other changes appear to be the result of coupled ocean atmosphere feedback in which, for example, easterly winds cause the sea surface temperature to fall in the east, enhancing the zonal heat contrast and hence intensifying easterly winds across the basin. These anomalous easterlies induce more equatorial upwelling and raise the thermocline in the east, amplifying the initial cooling by the southerlies. From an oceanographic point of view, the equatorial cold tongue is caused by easterly winds. Were the Earth climate symmetric about the equator, cross equatorial wind would vanish, and the cold tongue would be much weaker and have a very different zonal structure than is observed today. The Walker circulation was discovered by Gilbert Walker. The term "Walker circulation" was coined in 1969 by the Norwegian American meteorologist Jacob Bjerknes.

Методология Уокера

Гилберт Уокер был признанным специалистом в области прикладной математики в Кембриджском университете, когда в 1904 году стал генеральным директором индийских обсерваторий. Там он изучал характеристики индийского океанического муссона, неудача которого привела к жестокому голоду в стране в 1899 году. Анализируя огромные объемы метеорологических данных из Индии и других стран мира, в течение последующих пятнадцати лет он опубликовал первые описания великого маятникового колебания атмосферного давления между Индийским и Тихим океанами, а также его корреляцию с температурными и осадками режимами в большей части тропических регионов Земли, включая Индию. Он также сотрудничал с Индийским метеорологическим департаментом, особенно в части установления связи между муссонами и явлением южного колебания. В 1911 году он был удостоен звания Компаньона ордена Звезды Индии. Эти изменения температуры поверхности отражают изменения глубины термоклина. Изменения циркуляции Уокера во времени происходят одновременно с изменениями температуры поверхности. Некоторые из этих изменений обусловлены внешними факторами, такими как сезонный сдвиг Солнца в Северное полушарие летом. Другие изменения, по-видимому, являются результатом взаимосвязанной обратной связи океан-атмосфера, в которой, например, восточные ветры приводят к понижению температуры поверхности моря на востоке, усиливая зональный температурный градиент и, следовательно, усиливая восточные ветры над всем бассейном. Эти усиленные восточные ветры вызывают усиление экваториального апвеллинга и подъем термоклина на востоке, усиливая первоначальное охлаждение, вызванное южными ветрами. Эта взаимосвязанная обратная связь океан-атмосфера была впервые предложена Бьеркнесом. С океанографической точки зрения, экваториальный холодный язык обусловлен восточными ветрами. Если бы климат Земли был симметричен относительно экватора, то трансэкваториальные ветры исчезли бы, а холодный язык был бы значительно слабее и имел бы совершенно иную зональную структуру, чем наблюдается сегодня. Ячейка Уокера косвенно связана с апвеллингом у побережья Перу и Эквадора. Это поднимает на поверхность богатую питательными веществами холодную воду, увеличивая рыбные запасы.

Gilbert Walker was an established applied mathematician at the University of Cambridge when he became director general of observatories in India in 1904. While there, he studied the characteristics of the Indian Ocean monsoon, the failure of whose rains had brought severe famine to the country in 1899. Analyzing vast amounts of weather data from India and the rest of the world, over the next fifteen years he published the first descriptions of the great seesaw oscillation of atmospheric pressure between the Indian and Pacific Ocean, and its correlation to temperature and rainfall patterns across much of the Earth's tropical regions, including India. He also worked with the Indian Meteorological Department especially in linking the monsoon with Southern Oscillation phenomenon. He was made a Companion of the Order of the Star of India in 1911. These changes in surface temperature reflect changes in the depth of the thermocline. Changes in the Walker Circulation with time occur in conjunction with changes in surface temperature. Some of these changes are forced externally, such as the seasonal shift of the Sun into the Northern Hemisphere in summer. Other changes appear to be the result of coupled ocean atmosphere feedback in which, for example, easterly winds cause the sea surface temperature to fall in the east, enhancing the zonal heat contrast and hence intensifying easterly winds across the basin. These enhanced easterlies induce more equatorial upwelling and raise the thermocline in the east, amplifying the initial cooling by the southerlies. This coupled ocean atmosphere feedback was originally proposed by Bjerknes. From an oceanographic point of view, the equatorial cold tongue is caused by easterly winds. Were the earth climate symmetric about the equator, cross equatorial wind would vanish, and the cold tongue would be much weaker and have a very different zonal structure than is observed today. The Walker cell is indirectly related to upwelling off the coasts of Peru and Ecuador. This brings nutrient rich cold water to the surface, increasing fishing stocks.

Эль-НиньоЮжная осцилляция

Циркуляция Уолкера вызвана силой градиента давления, возникающей из-за области высокого давления над восточной частью Тихого океана и области низкого давления над Индонезией. Циркуляция Уолкера вызывает апвеллинг холодных глубоководных вод, тем самым охлаждая поверхность океана. Эль-Ниньо возникает, когда эта циркуляция ослабевает или прекращается, поскольку нарушенная или подавленная циркуляция приводит к потеплению поверхности океана до температур выше средней. Значительно усиленная циркуляция Уолкера вызывает Ла-Нинью, усиливая апвеллинг холодных глубоководных вод, что охлаждает поверхность океана до температур ниже средней. В условиях, не связанных с Эль-Ниньо, циркуляция Уолкера проявляется на поверхности в виде восточных пассатов, перемещающих нагретую солнцем воду и воздух к западу. Это также вызывает апвеллинг у побережья Перу и Эквадора, поднимая на поверхность богатую питательными веществами холодную воду и увеличивая рыбные запасы. Западная часть экваториальной части Тихого океана характеризуется теплой, влажной погодой с низким давлением, поскольку накопленная влага выпадает в виде тайфунов и гроз. В результате этого движения уровень океана в западной части Тихого океана несколько выше. Научное исследование, опубликованное в мае 2006 года в журнале Nature, показывает, что циркуляция Уолкера замедляется с середины XIX века. Авторы утверждают, что глобальное потепление, вероятно, является причиной ослабления этой ветровой системы. Однако исследование 2011 года, проведенное в рамках проекта «Переанализ двадцатого века», показывает, что, помимо циклов Эль-Ниньо – Южного колебания, общая скорость и направление циркуляции Уолкера оставались стабильными в период с 1871 по 2008 год.