Что такое струйное течение?

Струйное течение – относительно сильный узкий воздушный поток большой горизонтальной протяженности в верхней тропосфере и более высоких слоях атмосферы, концентрирующийся вдоль квазигоризонтальной оси и связанный с высотной фронтальной зоной (Воробьев, 1968).

Роль струйных течений в атмосфере Земли

Струйные течения имеют влияние на пространственное распределение малых газовых составляющих атмосферы, определяющих трансформацию солнечного и теплового электромагнитного излучения. Наиболее заметно их действие сказывается на атмосферном озоне. Они разделяют в атмосфере воздушные массы с различным содержанием озона – арктическую, умеренную, тропическую и затрудняют обмен между ними (Нерушев, 2014).

Наибольшее практическое значение струйные течения имеют для авиации. Так, скорость самолета, летящего попутно струйному течению, возрастает, что позволяет экономить топливо и наоборот. Также зоны высотных струйных течений за счёт больших градиентов скорости ветра сильно турбулизованы (турбулентность ясного неба). Попадая в эти зоны, воздушное судно испытывает опасную болтанку. Эти зоны нельзя обнаружить визуально в отличие от облаков, которые тоже могут привести к болтанке. Если уровень максимальной скорости ветра в струйном течении лежит ниже тропопаузы, то формируются два турбулентных слоя. Один располагается непосредственно под тропопаузой, а другой, более сильно выраженный, с большей повторяемостью интенсивной турбулентности – приблизительно на 1,5 км ниже уровня максимальной скорости ветра. При расположении оси струйного течения над тропопаузой может быть несколько слоев с интенсивной турбулентностью: два слоя – выше тропопаузы и один слой – под тропопаузой. Наибольшая повторяемость болтанки (до 50 %) приходится на холодную часть струйного течения в зоне между полярной тропопаузой и фронтом (Баранов, Солонин, 1981).

Струйные течения являются генераторами внутренних гравитационных волн. Внутренние гравитационные волны - это волны в атмосфере, существование которых возможно только при наличии силы земного притяжения. Основные источники волн сосредоточены в тропосфере (атмосферные вихри, облачно-конвективная деятельность, струйные течения, фронтогенез, движение атмосферных фронтов) и на поверхности Земли (орографические неоднородности поверхности, термические неоднородности между океанами и материками). Атмосферные возмущения, генерируемые этими источниками, могут распространяться на значительные высоты, достигая верхней атмосферы (мезосферы и нижней термосферы). В струйных течениях наблюдаются большие сдвиги скорости ветра по горизонтали и вертикали. Эта динамическая особенность способствует возникновению в областях сильных сдвигов скоростей ветра интенсивных волновых движений и турбулентности и оказывает значительное влияние на распространение волн (Нерушев, 2014).

Со струйными течениями тесно связаны тропические циклоны. Еще в 80-х годах XX века было установлено, что одним из необходимых условий формирования и развития тропического циклона является верхнетропосферное восточное струйное течение. В последние годы было выявлено, что струйные течения снабжают тропические циклоны водяным паром, только эти струйные течения, точнее просто струи (джеты), по своим размерам и максимальной скорости сильно уступают струйным течениям.

Струйные течения являются мощным сосредоточением кинетической энергии воздушной оболочки Земли. Плотность мощности струйного течения при скорости 50 м/с на высоте 9 км составляет 25 кВт/м3. Считая размеры вертикального сечения равными 100 км по горизонтали и 2 км по вертикали, то мощность струйного течения равна 5 ТВт. В данный момент ведутся исследования и разработки в области использования кинетической энергии струйных течений (Нерушев, 2014).

Существуют гипотезы о том, как аномальные погодные условия связаны со струйными течениями. Связывают это с необычным поведением СТ, а именно, с изгибами их траекторий, в результате чего происходит изменение траекторий движения воздушных масс, обуславливающих погоду на значительных по площади территориях. Выдвигается много гипотез объяснения такого поведения струйных течений, например, связывается с существенным уменьшением площади морского льда в Арктике; влиянием крупномасштабных атмосферных явлений – Эль-Ниньо и Североатлантического колебания; изменением поведения волн Россби (Нерушев и др., 2021).

Отдельного внимания заслуживает сокращение площади морского льда в Арктике. Это становится причиной того, что уменьшаются разности температуры в атмосфере между высокими и низкими широтами, что в свою очередь приводит к уменьшению скорости струйного течения. Из-за этого увеличивается амплитуда колебаний струйного течения и замедляется скорость распространения волн Россби на восток.

Исследование характеристик струйных течений.

Диапазоны среднесуточного количества струйных течений определенных для Северного (СП) и Южного полушарий (ЮП) с 2017 по 2021 год.

library(readxl)
library(formattable)
df <- read_excel("number_ST2.xlsx")
formattable(df)
Год Полушарие январь февраль март апрель май июнь июль август сентябрь октябрь ноябрь декабрь
2017 СП 5-7 5-7 5-7 5-7 5-7 4-6 3-5 4-6 4-6 4-6 5-7 4-6
2017 ЮП 3-5 3-5 4-6 5-7 6-8 5-7 5-7 5-7 5-7 6-8 5-7 4-6
2018 СП 5-7 4-6 6-8 4-6 4-6 4-6 4-6 3-5 4-6 4-6 5-7 4-6
2018 ЮП 4-6 4-6 4-6 4-6 5-7 6-8 6-8 5-7 5-7 5-7 4-6 4-6
2019 СП 5-7 4-6 5-7 5-7 5-7 4-6 4-6 4-6 4-6 5-7 4-6 4-6
2019 ЮП 4-6 3-5 5-7 5-7 5-7 6-8 4-6 5-7 5-7 5-7 6-8 4-6
2020 СП 5-7 4-6 5-7 5-7 5-7 4-6 4-6 5-7 4-6 4-6 5-7 5-7
2020 ЮП 4-6 4-6 5-7 5-7 5-7 5-7 5-7 5-7 6-8 4-6 5-7 5-7
2021 СП 5-7 4-6 5-7 5-7 5-7 4-6 4-6 4-6 5-7 5-7 5-7 4-6
2021 ЮП 5-7 4-6 5-7 5-7 6-8 5-7 5-7 5-7 5-7 5-7 4-6 5-7

Cезонная конфигурация и распределение струйных течений определяется особенностями температурного поля, а именно уменьшением разности температуры между полюсами и экватором летом и увеличением этой разности зимой. Отличия между струйными течениями Северного и Южного полушарий можно объяснить неравномерным распределением суши и океана, а также разностью климатических условий, что влияет на свойства воздушных масс, на границах которых образуются струйные течения. Максимальный сдвиг центров струйных течений к полюсам наблюдается с середины лета и начала осени для каждого полушария. Стоит отметить, что для Южного полушария область центра струйных течений имеет выраженный сдвиг в сторону экватора, как во внутригодовом ходе, так и в межгодовом. Выявлено, что лучше всего струйные течения прослеживаются над океанами и восточными и юго-восточными побережьями материков, как и отмечалось в работе (Накоренко Н.Ф., Токарь Ф.Г., 1959).

Наибольшее количество струйных течений в Северном полушарии наблюдается осенью (преимущественно в ноябре) и весной – около (6-7 струйных течений), в Южном полушарии – в основном, в мае-июне и осенью (около 7-8 струйных течений). Наименьшее количество струйных течений наблюдается в обоих полушариях в летний период: в июле и августе в СП обнаруживается около 4-5 струйных течения и 3-5 струйных течения в ЮП с декабря по февраль (минимум количества СТ достигается в последний месяц сезона). Максимальные площади отмечаются для зимы и конца осени. Минимальные площади струйных течений характерны для летнего полушария, при этом СТ ЮП по своим размерам и интенсивности превосходят СТ СП. Скорости ветра на оси струйных течений для Северного полушария начинают доходить до своих максимальных значений (от 80 м/с и более) с середины октября и устанавливаются в декабре-январе, а минимальные значения характеризуют конец весны и лето (в среднем до 50 м/с). В Южном полушарии максимальные скорости ветра на оси струйного течения приходятся на июль-август (до 100 м/с), а минимальные на ноябрь-декабрь и апрель (в среднем от 50 до 60 м/с), при этом в ЮП в течение каждого месяца могут наблюдаться СТ со скоростями превышающими 70 м/с. Эффективное время жизни струйных течений в обоих полушариях имеет тот же принцип распределения, как и их площади: наибольшее время жизни свойственно для струйных течений, образующихся зимой, а наименьшее – для летних СТ. При этом более устойчивыми во времени являются СТ Северного полушария. Так время жизни струйного течения, образующегося над Японией и северо-западной частью Тихого океана, может достигать 7 дней.

В межгодовой изменчивости можно заметить незначительное ослабление зимних струйных течений и усиление летних. Также в ходе исследования были отмечены некоторые особенности распределения струйных течений в Северном и Южном полушариях: количество струйных течений (со скоростями на оси 60 м/с и более) и их площади в зимнее время больше в ЮП, чем в СП. В целом, можно сказать, что струйные течения ярче выражены в Южном полушарии. Струйные течения Северного полушария характеризуются максимальными значениями скоростей ветра и эффективного времени жизни. В Южном полушарии наблюдается максимальное количество СТ с повторяемостью скорости ветра на оси более 70 м/с.

Поле ветра (м/с) на уровне изобарической поверхности 300 гПа 6 мая и 31 декабря 2021 года (2.5°×2.5°).

Список литературы

  1. Алексеев В.В., Князьков А.С. Конвективный механизм возникновения струйного течения // Вестник Московского университета, сер. 3 Физика. Астрономия, т. 25 № 3 – 1984
  2. Баранов А.М., Солонин С.В. Авиационная метеорология // Ленинград, Гидрометеоиздат, 1981
  3. Борисенков Е.П. Вопросы энергетики атмосферных процессов // Ленинград, Гидрометеоиздат, 1960
  4. Браже Р.А. Восемь лекций по физике атмосферы и гидросферы // учебное пособие Ульяновского государственного технического университета, 2010
  5. Василевская Л.Н., Лисина И.А., Шлык Н.В. Климатология свободной атмосферы. Учебное электронное издание ДВФУ, школа естественных наук, 2020 (кафедра океанологии и гидрометеорологии)
  6. Воробьев В.И. Струйные течения в высоких и умеренных широтах // Ленинград, Гидрометеоиздат, 1960
  7. Воробьев В.И. Высотные фронтальные зоны Северного полушария // Ленинград, Гидрометеоиздат, 1968
  8. Григорьев В. Ю., Фролова Н. Л., Киреева М. Б., Степаненко В. М. Оценка точности данных реанализа ERA-5 // Труды IX Международной научно-практической конференции «Морские исследования и образование (MARESEDU-2020)» Том II (III)
  9. Гуди Р.М. (перевод с английского Шушурина С.Ф.) Физика стратосферы // Ленинград, Гидрометеоиздат, 1958
  10. Гущина Д.Ю. Синоптическая метеорология ч.2
  11. Дашко Н.А. Курс лекций по синоптической метеорологии (глава 14)// 2005
  12. Ивангородский Р.В., Нерушев А.Ф. Характеристики струйных течений верхней тропосферы по данным измерений европейских геостационарных метеорологических спутников // Статья в журнале «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». Т. 11. № 1. С. 45-53 – 2014
  13. Крупномасштабные моды атмосферной изменчивости // Северо - Евразийский Климатический Центр. – [Б.м.], 2014 – URL: http://seakc.meteoinfo.ru/training/volatility (дата обращения: 11.04.2024)
  14. Манжулей И.С., Куликова Л.А. Северо-Атлантическое колебание и долгосрочный прогноз осадков по Европейской территории России // Гидрометеорология и экология, 2016 выпуск № 43 с. 148- 153
  15. Накоренко Н.Ф., Токарь Ф.Г. Климат свободной атмосферы // Климат СССР вып.8 ГГО им. А.И. Воейкова, Ленинград, Гидрометеоиздат, 1959
  16. Нерушев А.Ф., Вишератин К.Н., Кулижникова Л.К., Ивангородский Р.В. О связи температурных аномалий с характеристиками высотных струйных течений // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2021. Т. 18. №1. с. 199–209
  17. Нерушев А.Ф. Струйные течения в атмосфере Земли // Статья в журнале «Земля и Вселенная», 2014 № 300 вып. 6 с. 16-34 Российская академия наук
  18. Нерушев А.Ф., Ивангородский Р.В. Характеристики высотных струйных течений Северного и Южного полушарий по данным спутниковых измерений // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. № 7. С. 299–307
  19. Нерушев А.Ф., Вишератин К.Н., Ивангородский Р.В. Динамика высотных струйных течений по данным спутниковых измерений и их связь с климатическими параметрами и крупномасштабными атмосферными явлениями // Исследования Земли из космоса, 2018, № 6, с. 24-38
  20. Нестеров Е. С. Североатлантическое колебание: атмосфера и океан. М.: Триада, лтд, 2013. 44
  21. Ракипова Л.Р., Ефимова Л.К. Динамика верхних слоев атмосферы // Ленинград, Гидрометеоиздат, 1975
  22. Хромов С.П. Основы синоптической метеорологии. — Л.: Гидрометеоиздат, 1948. — 696 с.