Ανακάλυψη μιας νέας συνεκτικής ατμοσφαιρικής δομής που διαδίδεται προς την Ανατολή:Ισημερινό Μοδόν

Πρόσφατα σταθεροί, μακρόβιοι, αργά κινούμενοι προς τα ανατολικά συνεκτικοί δίδυμοι κυκλώνες, οι λεγόμενοι «ισημερινοί μοντόν», έχουν αναφερθεί από τους Rostami &Zeitlin [1] σε ένα υγρό-συναγωγικό περιστρεφόμενο μοντέλο ρηχών υδάτων [2, 3] . Αυτό το βελτιωμένο μοντέλο έχει ήδη εφαρμοστεί σε μια μελέτη της σταθερότητας των πίδακα και των δινών στη Γη και σε άλλους πλανήτες [4, 5]. Μερικά συστήματα πλανητικής κλίμακας που διαδίδονται προς τα ανατολικά είναι τα κύματα Kelvin και η ταλάντωση Madden-Julian (MJO) [6]. Το πρώτο διαδίδεται πολύ γρήγορα (περίπου 50 m/s), ενώ το δεύτερο έχει πολύ χαμηλή ταχύτητα φάσης (περίπου 5 m/s).

Αξίζει να αναφερθεί ότι ένα από τα αινίγματα της τροπικής ατμόσφαιρας είναι η δυναμική φύση του MJO, το οποίο είναι ένα περιοδικά αναδυόμενο, μεγάλης κλίμακας μοτίβο ενισχυμένης βαθιάς μεταφοράς που κινείται αργά προς τα ανατολικά από τον Ινδικό Ωκεανό πάνω από τη θαλάσσια ήπειρο και πεθαίνει στη θαλάσσια ήπειρο. Ειρηνικός. Το MJO ανακαλύφθηκε πριν από περίπου μισό αιώνα από τους Madden και Julian το 1972 [6], και πολλά είναι γνωστά για τη δομή και τις ιδιότητές του, ωστόσο η δυναμική του φύση δεν είναι σαφώς κατανοητή. Συγκεκριμένα, το ερώτημα γιατί τα γεγονότα του MJO κινούνται αργά προς τα ανατολικά παραμένει αναπάντητο. Τα κλιματικά μοντέλα έχουν δυσκολίες στην αναπαραγωγή του, π.χ. Οι Kim et al. (2011) [7]. Τα κύματα Kelvin, το μόνο είδος των ισημερινών κυμάτων που μπορούν να παράγουν σταθερές δομές μεγάλης κλίμακας που κινούνται προς τα ανατολικά, έχουν πολύ μεγαλύτερη ταχύτητα από το MJO. Υπάρχουν απλοποιημένα μοντέλα MJO, είτε οιονεί γραμμικά, π.χ. Majda and Stechman (2009) [8], ή ουσιαστικά μη γραμμικά, π.χ. Οι Haertel et al. (2013) [9], όλα βασίζονται ουσιαστικά στον δυναμικό ρόλο της υγρασίας.

Η ικανότητα μιας δέσμης προηγούμενων θεωρητικών μελετών που συνήθως παρουσιάζουν το MJO ως αλληλεπίδραση γραμμικού κύματος μεταξύ μεγάλης κλίμακας ατμοσφαιρικής ροής και υγρής μεταφοράς, είναι αμφίβολη για την εξήγηση τόσο της κλίμακας όσο και της αργής ταχύτητας φάσης προς τα ανατολικά του MJO. Έτσι, μια από τις προκλήσεις στην τροπική μετεωρολογία είναι μια εξήγηση της δυναμικής φύσης του MJO. Δεν υπάρχει συναίνεση για την εξήγηση της δυναμικής προέλευσης, σχηματισμού ή ανάπτυξης αυτού του φαινομένου. Είναι πολύ νωρίς να ισχυριστούμε ότι το παρουσιαζόμενο ισημερινό modon από τους Rostami και Zeitlin είναι σε θέση να εξηγήσει όλα τα δυναμικά χαρακτηριστικά του MJO. Ωστόσο, δείχνει τα πιο χοντροκομμένα χαρακτηριστικά του MJO. Η διάδοση προς τα ανατολικά κατά μήκος του ισημερινού, η αργή ταχύτητα φάσης, η υδροδυναμική συνεκτική δομή, η συγκλίνουσα ζώνη υγρής μεταφοράς και η ακριβής λύση είναι εγγυημένη από το Rostami και το Modon του Zeitlin.

Το ερώτημα, ωστόσο, τίθεται, εάν υπάρχουν «ξηρές» δυναμικές δομές που κινούνται αργά προς τα ανατολικά κατά μήκος του ισημερινού, οι οποίες θα μπορούσαν να αποτελέσουν μια «ραχοκοκαλιά» για τα γεγονότα MJO. Το φάσμα των γραμμικών ισημερινών κυμάτων είναι καλά καθορισμένο, τέτοια αντικείμενα θα πρέπει να είναι απαραίτητα μη γραμμικά. Υπάρχουν δομές που κινούνται σταθερά προς τα ανατολικά σε ένα ρευστό στρώμα στο μεσαίο γεωγραφικό πλάτος f -επίπεδο, τα λεγόμενα modons, ακριβείς διπολικές λύσεις των οιονεί γεωστροφικών (QG) εξισώσεων που ανακαλύφθηκαν από τους Larichev και Reznik (1976) [10]. Αν και τα κλασικά modons βρέθηκαν αναλυτικά στην προσέγγιση QG, φάνηκε πρώτα με ανάλυση με τη βοήθεια υπολογιστή και στη συνέχεια με άμεσες αριθμητικές προσομοιώσεις ότι αντίστοιχες λύσεις υπάρχουν και στο μοντέλο μητρικού περιστρεφόμενου ρηχού νερού (RSW) στο f -αεροπλάνο.

Στην πρωτοποριακή τους εργασία, οι Yano και Tribbia [11] κατέληξαν σε μια ιδέα ότι το MJO θα μπορούσε να σχετίζεται με ένα τέτοιο modon στη σφαιρική γεωμετρία και έδειξαν ότι, όπως στο εφαπτομενικό επίπεδο, το ισοδύναμο βαροτροπικό modon παραμένει στο RSW στη σφαίρα. . Το αρχέτυπο μοντέλο για την κατανόηση της δυναμικής της τροπικής ατμόσφαιρας του RSW στο ισημερινό βήτα επίπεδο. Δεν υπάρχει συνεπής προσέγγιση QG στον ισημερινό, επομένως οι γνωστές λύσεις modon δεν μπορούν να δανειστούν.

Η διαισθητική προσέγγιση που εφαρμόζουν οι Rostami &Zeitlin στην πρόσφατη εργασία τους είναι ένα δυναμικό καθεστώς στο RSW, που ονομάζεται προσέγγιση μακρών κυμάτων στην ωκεανογραφία (Gill 1982) [12], το οποίο αντιστοιχεί σε μικρές διακυμάνσεις πίεσης και δίνει, στην πρώτη τάξη, εξισώσεις που επιτρέψτε λύσεις modon. Αυτό το σχεδόν βαροτροπικό καθεστώς είναι το ανάλογο RSW του Charney (1963) [13], ένα μοντέλο μη αποκλίνουσας ισορροπίας για την ισημερινή ατμόσφαιρα. Η συνάφεια αυτού του μοντέλου με τροπικές κινήσεις μεγάλης κλίμακας υποστηρίζεται από αναλύσεις κλίμακας και δεδομένων. Οι Rostami και Zeitlin κατασκεύασαν τις λύσεις modon σε αυτό το καθεστώς και χρησιμοποίησαν αυτές τις ασυμπτωτικές λύσεις για να αρχικοποιήσουν αριθμητικές προσομοιώσεις υψηλής ανάλυσης με το πλήρες μοντέλο RSW, δείχνοντας ότι οι συνεκτικές διπολικές σταθερά κινούμενες δομές προς τα ανατολικά προκύπτουν και επιμένουν. Στη συνέχεια έδειξαν ότι η συμπερίληψη υγρασίας, με συμπύκνωση και εξάτμιση, ενισχύει τα μοντόνια χωρίς να διαταράσσεται η μακροχρόνια συνοχή και παράγει ορισμένα συγκεκριμένα μοτίβα μεταφοράς.

Αναφορές:

1. Μ. Rostami και V. Zeitlin, «Μοντόνια ενισχυμένα με συναγωγή προς Ανατολάς σε ρηχά νερά στο εφαπτομενικό επίπεδο του Ισημερινού». J. Phys. των Υγρών. 31, 021701 (2019). https://aip.scitation.org/action/cookieAbsent
2. Μ. Rostami και V. Zeitlin, «Βελτιωμένο μοντέλο υγρού-συναγωγής περιστρεφόμενου ρηχού νερού και η εφαρμογή του σε αστάθειες στροβιλών που μοιάζουν με τυφώνα», Q. J. R. Meteorol. Soc. 144, 1450 (2018).
   https://onlinelibrary.wiley.com/action/cookieAbsent
3. Μ. Rostami και V. Zeitlin, "Επίδραση της συμπύκνωσης και της λανθάνουσας απελευθέρωσης θερμότητας επάνω στις βαροτροπικές και βαροκλινικές αστάθειες των στροβιλισμών σε μοντέλο f-plane περιστρεφόμενου ρηχού νερού." J. Geophysical &Astrophysical Fluid Dynamics, 111 (1), 1–31 (2016). https://www.tandfonline.com/action/cookieAbsent
4. Μ. Rostami, V. Zeitlin, A. Spiga, «On the dynamical nature of Saturn’s North Polar hexagon». J. Icarus, 297, 59-70 (2017). https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0019103516305978
5. Μ. Rostami, V. Zeitlin, L. Montabone, «Σχετικά με το ρόλο των χωρικά ανομοιογενών διαβατικών επιδράσεων στην εξέλιξη της δακτυλιοειδούς πολικής δίνης του Άρη». J. Icarus, 314, 376-388 (2018).
   https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0019103517306073
6. R. Madden, P. Julian, «Περιγραφή των κυττάρων κυκλοφορίας παγκόσμιας κλίμακας στους τροπικούς με περίοδο 40-50 ημερών». J. Atmos. Sci. 29, 1109–1123 (1972).
7. Δ. Kim, A. Sobel, E. Maloney, D. Frierson, I. Kang, «Μια συστηματική σχέση μεταξύ της ενδοεποχιακής μεταβλητότητας και της μεροληψίας μέσης κατάστασης στις προσομοιώσεις AGCM 266». J. Climate 24, 5506–5520 (2011).
8. Α. J. Majda, S.N. Stechman, «Ο σκελετός των τροπικών ενδοεποχιακών ταλαντώσεων». PNAS, 106, 8417–8422 (2009).
9. Σ. Haertel, K. Straub, A. Fedorov, «Lagrangian ανατροπή και η Madden – Julian Oscillation». Q. J. Roy. Συνάντησε. Soc. 140, 1344–1361 (2013).
10. V. D. Larichev και G. M. Reznik, «Two-dimensional soliary Rossby waves», Dokl. ΕΣΣΔ Ακαδ. Sci. 231, 1077 (1976).
11. J.-I. Yano και J. Tribbia, «Τροπική ατμοσφαιρική ταλάντωση Madden-Julian:Ένα έντονα μη γραμμικό ελεύθερο μοναχικό κύμα Rossby;», J. Atmos. Sci. 74, 3473 (2017).
12. Α. Gill, «Atmosphere-Ocean Dynamics». (Academic Press, 1982).
13. J. Charney, «A note on large-scale motions in the tropics», J. Atmos. Sci. 20, 607 (1963).