Μοντελοποίηση ψαλιδιών ισχυρού ανέμου στην ανώτερη ατμόσφαιρα

Από το άνετο αεράκι μέχρι τους ισχυρούς ανεμοστρόβιλους και τους τυφώνες, οι άνεμοι είναι η πιο άμεση εμπειρία μας με την ατμόσφαιρα. Οι άνεμοι δεν φυσούν μόνο κοντά στην επιφάνεια της Γης αλλά και ψηλότερα—όπως οι άνεμοι κεφαλής/ουράς που βλέπουμε να αναφέρονται κατά τη διάρκεια μιας διεθνούς πτήσης.

Στην πραγματικότητα, οι άνεμοι μπορεί να είναι πολύ ισχυρότεροι σε μεγαλύτερα υψόμετρα, για παράδειγμα, άνεμοι με ταχύτητα μεγαλύτερη από 400 km/h (250 mph) έχουν μετρηθεί στην χαμηλότερη θερμόσφαιρα (περίπου 100 km ή 60 μίλια υψόμετρο). Για να βάλουμε τα πράγματα στη θέση τους, η υψηλότερη ταχύτητα ανέμου του τυφώνα Irma, ένας μεγάλος τυφώνας κατηγορίας 5, ήταν 295 km/h (185 mph). Ο άνεμος μπορεί επίσης να είναι εξαιρετικά μεταβλητός, αλλάζει τόσο χωρικά όσο και χρονικά, και η διάτμηση του ανέμου είναι μια ποσότητα που μετρά τη χωρική αλλαγή. Η διάτμηση του ανέμου είναι σημαντική για τη σταθερότητα και τη μεταφορά ειδών της ατμόσφαιρας. Ο ποσοτικός προσδιορισμός των ανέμων και της ψαλίδας του ανέμου είναι απαραίτητος για τις μελέτες της ατμόσφαιρας.

Οι μετρήσεις ανέμου με χρήση πυραύλων, ραντάρ και lidar έχουν αποκαλύψει ότι η οριζόντια διάτμηση ανέμου στην κατακόρυφη διεύθυνση μπορεί επίσης να είναι εξαιρετικά μεγάλη στην ανώτερη ατμόσφαιρα, με μια εξέχουσα κορυφή που βρίσκεται μεταξύ 100-110 km υψόμετρο (και 90-100 km σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη). το θερινό ημισφαίριο), ακριβώς πάνω από την περιοχή της μεσόπαυσης. Οι τιμές κορυφής μπορεί να είναι τόσο μεγάλες όσο 100 m/s/km (ο άνεμος αλλάζει κατά 360 km/h εντός ενός χιλιομέτρου ή 360 mph εντός ενός μιλίου). Στο χαμηλότερο επίπεδο της ατμόσφαιρας, οι μετρήσεις ραδιοσόδων έχουν εντοπίσει μια κορυφή διάτμησης ανέμου ακριβώς πάνω από την τροπόπαυση σε ισημερινά και μεσαία γεωγραφικά πλάτη, με τιμές άνω των 40 m/s/km.

Ένα κοινό χαρακτηριστικό που μοιράζονται η μεσόπαυση και η τροπόπαυση είναι ότι και οι δύο περιοχές είναι στατικά σταθερές:η θερμοκρασία του αέρα είναι χαμηλή ενώ η αύξηση της θερμοκρασίας με το υψόμετρο είναι μεγάλη λόγω θέρμανσης από την ηλιακή ακραία απορρόφηση υπεριώδους ακτινοβολίας στη θερμόσφαιρα και από την απορρόφηση υπεριώδους από το όζον στο στρατόσφαιρα, αντίστοιχα. Η στατική σταθερότητα μετριέται με τη συχνότητα άνωσης. Η συχνότητα άνωσης ακριβώς πάνω από τη μεσόπαυση είναι η μεγαλύτερη σε ολόκληρη την ατμόσφαιρα της Γης και η συχνότητα άνωσης φθάνει επίσης μια μέγιστη τιμή αμέσως πάνω από την τροπόπαυση.

Η μεγαλύτερη στατική ευστάθεια καθιστά δυνατή την κατακόρυφη διάτμηση του οριζόντιου ανέμου να φτάσει σε μεγαλύτερες τιμές. Αυτό συμβαίνει επειδή ο ρυθμός κατακόρυφης διάτμησης δεν μπορεί να αυξηθεί σε αυθαίρετα μεγάλες τιμές σε μια σταθερά στρωματοποιημένη ροή. Όταν η διάτμηση γίνεται μεγάλη, εμφανίζεται αστάθεια (που ονομάζεται αστάθεια διάτμησης ή δυναμική αστάθεια) και μπορεί να οδηγήσει σε ανάμειξη στροβιλισμού, η οποία με τη σειρά της περιορίζει τον ρυθμό διάτμησης. Το κατώφλι για την αστάθεια διάτμησης έχει αποδειχθεί ότι είναι ανάλογο με τη στατική ευστάθεια. Επομένως, μια περιοχή της ατμόσφαιρας με ισχυρότερη στατική σταθερότητα, όπως η μεσόπαυση και η τροπόπαυση, μπορεί να διατηρήσει μεγαλύτερη διάτμηση ανέμου.

Μοντελοποίηση διάτμησης ανέμου Mesoscale

Ωστόσο, οι διαδικασίες που είναι υπεύθυνες για την οδήγηση των μεγάλων ψαλιδιών ανέμου δεν είναι καλά κατανοητές, ούτε τα προηγούμενα παγκόσμια μοντέλα θα μπορούσαν να αναπαράγουν τα παρατηρούμενα μεγάλα ψαλίδια ανέμου. Έχει υποτεθεί ότι η μεγάλη ψαλίδα ανέμου θα μπορούσε να προκληθεί από κύματα ατμοσφαιρικής βαρύτητας, τα οποία είναι κύματα που διεγείρονται από τα καιρικά συστήματα και την τοπογραφία και μπορούν να διαδοθούν στη μέση και ανώτερη ατμόσφαιρα. Τα κύματα βαρύτητας μπορούν να διαταράξουν τον άνεμο, τη θερμοκρασία και την πυκνότητα της ατμόσφαιρας και το μέγεθος της διαταραχής μπορεί να γίνει πολύ μεγάλο σε μεγαλύτερα υψόμετρα όταν ο αέρας γίνεται πολύ αραιός.

Προηγούμενες μελέτες που χρησιμοποιούν ένα εξιδανικευμένο μοντέλο δισδιάστατης μεσοκλίμακας με απλά και προδιαγεγραμμένα κύματα βαρύτητας έχουν δείξει ότι οι άνεμοι και οι ψαλίδες μπορούν πράγματι να φτάσουν μεγάλες τιμές στην περιοχή της μεσόπαυσης. Ωστόσο, δεδομένου ότι οι οριζόντιες κλίμακες κυμαίνονται από δεκάδες έως χιλιάδες χιλιόμετρα, τα κύματα βαρύτητας συνήθως δεν επιλύονται καλά ή δεν επιλύονται καθόλου στα περισσότερα παγκόσμια μοντέλα που εκτείνονται στην κατώτερη θερμόσφαιρα (συχνά αναφέρονται ως μοντέλα ολόκληρης της ατμόσφαιρας, τα οποία συχνά έχουν οριζόντια ανάλυση μεγαλύτερη από 100 km). Πιθανώς λόγω της κακής αναπαράστασης των κυμάτων βαρύτητας, τα προηγούμενα παγκόσμια μοντέλα δεν μπορούσαν να αναπαράγουν την παρατηρούμενη μεγάλη διάτμηση του ανέμου στην περιοχή της μεσόπαυσης.

Χάρη στην αυξανόμενη υπολογιστική ισχύ και τους βελτιωμένους αριθμητικούς αλγόριθμους, τώρα αναπτύσσονται μοντέλα ολόκληρης της ατμόσφαιρας με υψηλή χωρική ανάλυση. Μια τέτοια εξέλιξη είναι το Μοντέλο Κλιματικής Κοινότητας Ολόκληρης Ατμόσφαιρας (WACCM) που αναπτύχθηκε στο Εθνικό Κέντρο Ατμοσφαιρικής Έρευνας (NCAR). Το WACCM εκτείνεται από την επιφάνεια της Γης σε ~145 km υψόμετρο και η έκδοση υψηλής ανάλυσης έχει σχεδόν ομοιόμορφη οριζόντια ανάλυση ~25 km και κάθετη ανάλυση ύψους 0,1 κλίμακας (500-700 m). Οι προσομοιώσεις που χρησιμοποιούν WACCM μπορούν να παράγουν μάλλον ρεαλιστικά κύματα βαρύτητας. Μια πρόσφατη μελέτη εξέτασε τα ψαλίδια ανέμου στις προσομοιώσεις και διαπίστωσε ότι η κατακόρυφη διάτμηση του οριζόντιου ανέμου φθάνει τις μέγιστες τιμές γύρω από τη μεσόπαυση και την τροπόπαυση του τροπικού και του μέσου γεωγραφικού πλάτους, σύμφωνα με τη χωρική δομή της στατικής σταθερότητας.

Αυτή η προσομοίωση παρακάτω είναι από το ίδιο μοντέλο (WACCM με υψηλή ανάλυση). Το πρώτο μισό του βίντεο δείχνει τον άνεμο κοντά στην επιφάνεια της Γης, όπου τα κύματα βαρύτητας είναι γενικά ασθενή και δεν είναι εμφανή. Το δεύτερο μισό δείχνει τον άνεμο στην κατώτερη θερμόσφαιρα, όπου τα κύματα βαρύτητας είναι πολύ ενεργά και είναι στην πραγματικότητα το κυρίαρχο χαρακτηριστικό.

Η μελέτη ανέλυσε το μέγεθος, την γεωγραφική εξάρτηση και τα στατιστικά στοιχεία των μεγάλων ψαλιδιών ανέμου και στις δύο περιοχές και διαπίστωσε ότι συγκρίνονται καλά με τις διαθέσιμες παρατηρήσεις. Αυτή η μελέτη διαπίστωσε επίσης ότι οι διαδικασίες μικρότερης κλίμακας, οι οποίες είναι πιθανά κύματα βαρύτητας, συμβάλλουν σημαντικά στη μεγάλη διάτμηση και μπορεί να διαδραματίσουν κυρίαρχο ρόλο στην παραγωγή των μεγαλύτερων ψαλιδιών. Η μεσόπαυση είναι γνωστό ότι είναι σημαντική για τον έλεγχο των ανταλλαγών βασικών ειδών (π.χ. ατομικό οξυγόνο και νιτρικά οξείδια) μεταξύ της θερμόσφαιρας και της μεσόσφαιρας που καθορίζει τη σύνθεση και τις θερμικές δομές του διαστημικού περιβάλλοντος, ενώ η τροπόπαυση είναι γνωστό ότι παίζει βασικό ρόλο στην η μεταφορά υδρατμών και όζοντος μεταξύ της στρατόσφαιρας και της τροπόσφαιρας. Οι επιπτώσεις των κυμάτων βαρύτητας και των μεγάλων ανέμων για τη μεταφορά και την ανάμειξη διερευνώνται και διαπιστώθηκε ότι είναι δυνητικά σημαντικές.

Αυτή η μελέτη, Large Wind Shears and their Implications for Diffusion in Regions With Enhanced Static Stability:The Mesopause and the Tropopause δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο Journal of Geophysical Research:Atmospheres .