Термический ветер

Физическая сущность термического ветра

Термический ветер — это не самостоятельное физическое явление, а разность геострофических ветров между двумя уровнями атмосферы, обусловленная горизонтальными градиентами температуры. Он возникает как следствие нарушения баротропии, то есть в условиях, когда плотность воздуха зависит не только от давления, но и от температуры. В отличие от баротропной атмосферы, где изобарические и изотермические поверхности параллельны, в бароклинной атмосфере они наклонены относительно друг друга. Этот наклон порождает вертикальный сдвиг геострофического ветра.

Математически термический ветер определяется как:

V⃗_T = V⃗_g(p₁) − V⃗_g(p₂)

где V⃗_T — вектор термического ветра, V⃗_g(p₁), V⃗_g(p₂) — геострофические ветры на уровнях давления p₁ и p₂, причём p₁ > p₂, т.е. нижний и верхний уровни соответственно.

Таким образом, термический ветер — это характеристика вертикального градиента геострофического ветра, тесно связанная с горизонтальным распределением температуры.

Вывод уравнений термического ветра

Основное уравнение, описывающее термический ветер, получается на основе геострофического приближения и уравнения гидростатического равновесия. Напомним, что геострофический ветер выражается как:

$$ \vec{V}_g = \frac{1}{f} \hat{k} \times \nabla_p \Phi $$

где V⃗_g — геострофический ветер, f — параметр Кориолиса, k̂ — единичный вектор по вертикали, ∇_pΦ — горизонтальный градиент геопотенциала на данной изобарической поверхности.

Из гидростатического уравнения:

$$ \frac{\partial \Phi}{\partial p} = -\frac{RT}{p} $$

Подставляя это выражение в геострофическое уравнение и производя дифференцирование по давлению, получаем:

$$ \frac{\partial \vec{V}_g}{\partial \ln p} = \frac{R}{f} \hat{k} \times \nabla_p T $$

Это и есть уравнение термического ветра, показывающее, что вертикальный градиент геострофического ветра (а следовательно, и сам термический ветер) пропорционален горизонтальному градиенту температуры.

Физическая интерпретация уравнения термического ветра

Уравнение ясно указывает, что:

Если температура увеличивается в каком-либо горизонтальном направлении, то геострофический ветер усиливается с высотой в направлении, перпендикулярном градиенту температуры.
В северном полушарии тёплая область остаётся по правую руку от направления термического ветра, если смотреть вдоль его вектора.
Таким образом, термический ветер “обтекает” область повышенной температуры, и именно поэтому струйные течения возникают вдоль фронтальных зон, где температурный градиент особенно велик.

Это ключевое свойство используется при диагностике атмосферных фронтов и анализе струйных течений в верхней тропосфере.

Зависимость от широты и высоты

Термический ветер зависит от параметра Кориолиса f = 2Ωsin φ, который сам зависит от широты. В низких широтах, где f мало, при прочих равных условия термический ветер оказывается сильнее, чем в высоких широтах. Однако в действительности градиенты температуры в низких широтах слабее, поэтому сильные термические ветры чаще наблюдаются в умеренных и полярных широтах.

С увеличением высоты термический ветер нарастает в зонах выраженного горизонтального температурного контраста. Именно это приводит к формированию струйных течений (jet streams) на границах тропосферы, особенно вблизи полярных и субтропических фронтов.

Роль термического ветра в циркуляции атмосферы

Термический ветер играет ключевую роль в формировании крупномасштабной циркуляции атмосферы. Он отражает отклонение реального (фактического) ветра от баротропной структуры. В атмосфере Земли преобладает бароклинная структура, особенно в средних широтах, что обусловливает:

наличие фронтальных зон;
существование циклонов и антициклонов с ярко выраженной вертикальной структурой;
формирование струйных течений вблизи тропопаузы.

Термический ветер также объясняет вертикальную структуру геострофического ветра. Например, в циклонах геострофический ветер усиливается с высотой, и направление его меняется, описывая вертикальный изгиб изобар. Этот эффект называется бароклинным наклоном ветра, и он непосредственно связан с термическим ветром.

Диагностическая значимость термического ветра

Термический ветер позволяет:

по горизонтальному градиенту температуры судить о характере вертикального профиля ветра;
прогнозировать появление и эволюцию струйных течений;
диагностировать положение атмосферных фронтов и интенсивность бароклинности.

В численных моделях атмосферы и в анализе радиозондовых данных термический ветер используется для оценки вертикального сдвига ветра и его связи с температурным полем.

Примеры из наблюдений и модельных данных

На практике термический ветер хорошо проявляется:

в зоне полярного фронта, где с увеличением высоты формируется сильное западное струйное течение;
в субтропиках, где температурный контраст между тропиками и умеренными широтами обусловливает мощное западное течение на высотах 10–12 км;
в мезомасштабных процессах, таких как фронтогенез, где термический ветер указывает на локальное усиление вертикального сдвига ветра и возможность конвективных процессов.

Бароклинный и баротропный атмосферные структуры

Если геострофический ветер не изменяется с высотой, термический ветер равен нулю — такая атмосфера называется баротропной. Однако в реальной атмосфере почти всегда присутствует изменение температуры по горизонтали, особенно в умеренных и высоких широтах, что делает атмосферу бароклинной. В такой структуре:

изобары и изотермы пересекаются;
геострофический ветер изменяется с высотой;
возможна передача энергии между потенциальной и кинетической формами.

Таким образом, термический ветер служит индикатором бароклинности и связан с процессами переноса тепла, энергии и углового момента в атмосфере.

Закономерности и практическое применение

Важнейшая эмпирическая закономерность:

чем сильнее горизонтальный градиент температуры, тем больше модуль термического ветра;
направление термического ветра всегда ортогонально температурному градиенту, с ориентацией, определяемой полушарием (правило правой руки в северном полушарии).

Это правило позволяет метеорологам и климатологам:

реконструировать поле ветра на разных высотах при наличии температурных данных;
анализировать бароклинные нестабильности;
определять зоны потенциальной генерации циклонической активности.

Графическая интерпретация и анализ

В синоптической практике часто используют карты термического ветра, на которых стрелки отображают направление и величину вертикального изменения геострофического ветра между двумя уровнями (например, 850 гПа и 500 гПа). Эти карты особенно информативны:

при анализе развития среднеширотных циклонов;
при прогнозировании возникновения струйных течений;
для оценки вертикального сдвига ветра, важного для авиационной метеорологии и конвективной нестабильности.

Таким образом, термический ветер — это мощный инструмент диагностики динамики атмосферы, позволяющий связать температурное поле с ветровым режимом на разных уровнях и объяснить природу многих метеорологических явлений.