Opća cirkulacija atmosfere 1
10m winds (m/s) and sea level pressure (hpa) Data source: NCEP/NCAR reanalyses. December, January, February June, July, August 2
Polje tlaka i gibanje zraka Na nekim dijelovima Zemlje u pojedino se doba godine češće nalazi povišeni tlak, a na nekima su česte depresije tlaka U siječnju: prosječna raspodjela tlaka pokazuje da u ekvatorskom području Zemlju obavija pojas niskog tlaka, sjeverno i južno od njega su dva pojasa visokog tlaka (na južnoj je polutki na zemljopisnoj širini od oko 20 do 45 vrlo izrazit nad oceanima, a na sjevernoj je pojas širi, i to osobito nad kontinentima pri čemu zahvaća cijelu Aziju i Sjevernu Ameriku, Na većim zemljopisnim širinama, osobito nad oceanima, tlak je opet nizak. Oko polova leži polje malo povišenoga tlaka U srpnju: zatvoren pojas visokog tlaka u suptropskom području južne polutke vrlo izrazit, na sjevernoj polutki područje visokog tlaka se raspada i zadržava jedino iznad Atlantskog i Tihog oceana u širinama otprilike 15 do 45. Pojas niskog tlaka nad ekvatorom je oslabio, a iznad kontinenta sjeverne polutke, osobito iznad Prednje Azije se zadržava niski tlak. 3
Mlazna struja Usko kvazi-horizontalno područje izrazito velikih brzina, te izrazito velikih vertikalnih (5 do 10 m s -1 /1 km) i horizontalnih (5 m s -1 /100 km) gradijenata brzine. S desne strane mlazne struje mogu se formirati vrpčasti oblaci. Najčešći oblaci: Ci, Cc, Ac. https://en.wikipedia.org/wiki/jet_stream 4
Pozicije: Polarna mlazna struja nalazi se u blizini 250 hpa (7-12 km). Slabija suptropska mlazna struja smještena je između 10-16 km; obično oko 30. Polarna mlazna struja na nižim visinama vijuga te se često nalazi iznad umjerenih širina (ponekad oko 30, ali obično prema 60 ) te utječe na umjerene širine i avijaciju. mijenja svoju poziciju ovisno o zagrijavanju; kako se hemisfera zagrijava pomiče se prema sjeveru i spušta se prema jugu kada se hladi. mogući su diskontinuiteti. Staza mlaza obično ima vijugavi oblik, a sami meandri se šire prema istoku, pri nižim brzinama od stvarnog vjetra unutar toka. (a) Rossby-jevivalovi polarne mlazne struje sjeverne polutke. (b) Odvojena "kap" hladnog zraka. (c) Narančasta: toplije zračne mase; roza: mlazni mlaz. Svaki veliki meandar, ili val, unutar mlaza poznat je kao Rossbyjev val (planetarni val). Rossbyovi valovi su uzrokovani promjenama Coriolisovog učinka s geografskom širinom. Brzine vjetra su najveće kada su razlike u temperaturi (gradijent) između zračnih masa najveće, a često i veće od 92 km/h Polarni i suptropski mlazovi spajaju povremeno na nekim mjestima, dok su u drugim slučajevima dobro razdvojeni. Strujanje unutar polarne mlazne struje može dosezati do 160 km/h. (Veće brzine -crveno; manje brzine plavo) 5
Daljinske veze (teleconnection pattern) Atmosferska cirkulacija pokazuje prirodnu varijabilnost na mnogim vremenskim skalama: - (1) Nekoliko dana: uobičajeni olujne formacije i prolasci fronta - (2) Nekoliko tjedana: zimska zatopljenja ili ljetni vlažni periodi (u jeku sezona) - (3) Nekoliko mjeseci: osobito hladne zime ili vruća ljeta - (4) Nekoliko godina: ekstremne zime u nizu od nekoliko uzastopnih godina - (5) Nekoliko stoljeća: dugoročne klimatske promjene Daljinske veze predstavljaju periodične stalne strukture u općoj cirkulaciji atmosfere koje obuhvaćaju istovremeno oceanske bazene, kontinente, polutku ili planet. Važan su dio višegodišnje (4) i među-dekadske (5) varijabilnosti Nastaju prvenstveno iz unutarnje atmosferske dinamike odražavajući aspekte kaotičnosti atmosferskog sustava (varijabilnost staza oluja u umjerenim širinama) Oni su ponekad pokretani promjenama donje granice, kao što je SST u tropima i tropskom konvekcijom povezane s dva poznata fenomena ENSOciklusom i Madden-Julian Oscilacijom (MJO). Atmosferska cirkulacija i uobičajena struktura tropske oborine su tijekom El Niña poremećeni. MJO je putujuća anomalija oborine u smjeru istoka unutar ekvatorijalnog pojasa na planetarnoj skali. više na http://www.cpc.ncep.noaa.gov/data/teledoc/teleintro.shtml 6
Polje tlaka i gibanje zraka daljinske veze Sredozemlje leži na južnom dijelu od staze putanja oluja umjerenih širina i kao rezultat unutrašnje varijabilnosti tih staza postoji utjecaj na njegovu klimu tijekom produljene zimske sezone kada je baroklinost intenzivnija i širi se prema Sredozemlju 7
Individualni klimatski indeksi: ENSO (El Nino-Southern Oscillation ) Sjeverno-atlantska oscilacija (NAO) Arktička oscilacija (AO) Antartička oscilacija (AAO) Istočno-atlanska oscilacija (East Atlantic; EA) Istočno-atlanska/ zapadno-ruska oscilacija (East Atlantic/Western Russia; EA/WR) Skandinavska oscilacija (SCAND) Polarna/Euroazijska oscilacija Zapadno-pacifička oscilacija (West Pacific ; WP) Istočni Pacifik-Zapadni Pacifik (EP-NP) Pacifička/Sjeverno-američka oscilacija (PNA) Tropska/Sjeverno-hemisferska oscilacija (Tropical/Northern Hemisphere ;TNH) Pacific Transition (PT) 8
Polje tlaka i gibanje zraka ENSO = El Niño-Southern Oscillation ENSO je prirodni fenomen koji se javlja zbog međudjelovanja atmosfere i oceana u tropskom Pacifiku (trajanje 12-18 mjeseci). El Niño- razdoblje izuzetno toplog tropskog Pacifika uz veliku količinu oborina (smanjivanje količine ribe-negativan utjecaj na gospodarstvo) Južna oscilacija je promjena prizemnog tlaka velikih razmjera na istočnoj i zapadnoj strani tropskog Pacifika (polje povišenog tlaka nad istočnim prati formiranje polja sniženog tlaka nad zapadnim Pacifikom)-Walkerova cirkulacija Promjena SST utječe na intenzitet Walkerove cirkulacije -> i na prizemni vjetar El Niñoslaba Walkerova cirkulacija-> slabi pasati-> slabija evaporacija (i miješanje površinske vode)u središnjem dijelu Pacifika-> SST raste-> mijenja se nagnutost površinskog dijela oceana->smanjuje se podizanje hladne vode u gornje slojeve->veći SST->više kovektivnih oblaka-> intenzivnije oborine -> pomicanje kišnog pojasa. 9
Polje tlaka i gibanje zraka - Jedinstvena definicija El Niño-a ne postoji - Prijedlog da je El Niño definiran kao pojava kad anomalija normalizirane SSTna barem 3 od 5 peruanskih obalnih postaja prelazi 1 standardnu devijaciju (El Niño 12) tijekom najmanje 4 uzastopna mjeseca - Izbjegavanje lokalnog karaktera El Niño pojave anomalija SST određeno (fi, lambda) granicama - Postoji i skala intenziteta od 1 do 4, pri čemu događaj klasificiraju kao jak, umjeren, slab ili vrlo slab. 10
ENSO ENSO utječe na prosječnu lokaciju mlazne struje i na cikličku promjenu u oborini i temperaturi duž Sjeverne Amerike te na razvoj tropskih ciklona na istočnom Pacifiku i Atlanskom bazenu. El Niño uzrokuje: južnije kretanje ciklona te južnije položenu polarnu mlaznu struju. suptropska mlazna struja je pojačana zbog povećane konvekcije u ekvatorijalnom Pacifiku. pomicanje južne suptropske mlazne struje prema Ekvatoru 11
Polje tlaka i gibanje zraka Srednji raspored atmosferskog tlaka na Jadranu posljedica je velikih baričkih sustava na Sjevernom Atlantiku i Sredozemnome moru (ovisi o akcionim centrima) Glavni centri koji zimidjeluju na vrijeme u srednjoj i južnoj Europi su Islandska depresija(područje niskog tlaka na sjeveru Sjevernog Atlantika sa središtem jugozapadno od Islanda) i područje visokog tlaka nad istočnom Europom koje pripada zimskoj kopnenoj anticikloni iznad Rusije i Sibira. Nad Sredozemljem postoji jedno manje izraženo područje niskog tlaka Glavni centri koji ljetidjeluju na vrijeme nad Jadranom su: suptropska anticiklona kojoj se tada središte nalazi u području Azoraili još sjevernije i prostrano područje niskog tlaka nad Malom Azijom, Arabijom i cijelim južnim dijelom azijskog kontinenta. 12
Polje tlaka i gibanje zraka Za Europu vrlo važni NAO i EA/WR NAO(North Atlantic Oscillation) indeks = Sjeverno-atlantska oscilacija NAO je oscilacija atmosferskog tlaka zraka između dva barička centra: centra niskog tlaka blizu Islanda i centra u suptropskom Atlantiku (u blizini Azorskog otočja). On omogućava praćenje varijabilnosti klime na velikoj skali i pokazuje promjene klime na području Sjevernog Atlantika i okružujućih kontinenata, posebice Europe. NAO je povezan i s jačinom i kretanjem olujnih sistema koji prelaze Atlantski ocean s istočne obale SAD-a prema Europi. Iako se javlja u svim sezonama, tijekom zime je posebno dominantan, od prosinca do ožujka. Ima svoju pozitivnu (koja znači jaku aktivnost baričkih centara) inegativnu(koja znači slabu aktivnost baričkih centara) fazu. Promjene u NAO fazi označavaju promjene u tlaku, oborini, temperaturi i vjetru na vrlo velikom području http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/climateindices/list/ 13
Polje tlaka i gibanje zraka Pozitivna faza NAO indeksa pokazuje jače izražene baričke cente od prosjeka: jače i učestalije oluje nad Atlantikom u smjeru sjeverne Europe. toplije i vlažnije zime u Europi i istočnom USA i hladne i suhe zime u sjevernoj Kanadi i Grenlandu. Nad Mediteranom, sjevernom Afrikom i Bliskim Istokom prevladava sjeverno strujanje i manjak oborina Sjeverna Europa i Skandinavija imaju nadprosječnu količinu oborina. 14
Polje tlaka i gibanje zraka Negativna faza NAO indeksa pokazuje smanjenu razliku između baričkih centara od prosjeka. smanjen i oslabljen broj zimskih oluja koje dolaze preko Atlantika više u smjeru zapad-istok vlažan zrak nad Sredozemljem i hladan zrak u sjevernoj Europi USA pod većim utjecajem prodora hladnog zraka (uz češći snijeg). Grenland ima blaže zimske temperature. 15
Eastern Russia/western Atlantic pozitivna faza ER/WA uzrokuje dugotrajne suše u Hrvatskoj NAO indeks ovisi o merdionalnoj oscilaciji tlaka na razini mora ER/WA indeks ovisi o zonalnim promjenama prizemnog tlaka U zimi, postoje 2 centra anomalija tlaka: tlak iznad Kaspijskog jezera i tlaka iznad Zapadne Europe. Negativna ER/WA faza : Vrijeme je vlažnije i toplije iznad prosjeka nad većim dijelom Sredozemlja pozitivne anomalije tlaka iznad Kaspijskog jezera i zapadne Rusije i negativne anomalije tlaka na sjeverozapadu Europe i obale Atlantika Pozitivna ER/WA faza : Suše i hladnije vrijeme iznad većeg dijela Sredozemlja negativne anomalije tlaka u zapadnoj i Jugozapadnoj Rusiji i pozitivna anomalija tlaka na sjeverozapadu Europe i Atlantika Iznad istočnog Sredozemlja -> intenzivniji sjeverni vjetar 16
Arktička oscilacija (Arctic, AO)-Opisuje fluktuacije tlaka zraka između pozitivne i negativne faze u polarnim i umjerenim širinama. NAO dio AO jer AO uključuje atmosfersku cirkulaciju na čitavoj hemisferi i nižoj stratosferi 17
Polje tlaka i gibanje zraka Antarktička oscilacija (Antarctic Oscillation, AAO) ukazuje na razlike u tlakovima iznad polarnim područjima južne hemisfere (Antarktike) i tlaka na 45 S. 18
Vjetar Za atmosferska gibanja obično upotrebljavamo nazive: zračna struja, vjetar, cirkulacija ili opća cirkulacija atmosfere. (c) z (m) 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0 2 4 6 8 10 V (m s -1 ) brzina skalarnog srednjaka brzina vektorskog srednjaka Najopćenitiji je zračna struja (podrazumijeva se svako gibanje zračnih čestica bez obzira na smjer, duljinu puta i volumen zraka u pokretu) Vjetar je gibanje zraka uglavnom paralelno s površinom i u uskoj je vezi s mnogim atmosferskim procesima (promjenom tlaka odnosno temperature, agregatnog stanja vode i sl.). Nastaje uslijed horizontalnih razlika u tlaku odnosno u gustoći te posljedično u temperaturi zraka, te ima tendenciju poništiti te razlike. Vjetar je važan element klime Horizontalne brzine vjetra u pravilu su mnogo veće od vertikalnih brzina (Vh~10 m/s; w~1 cm/s) 19
Dimenzije procesa u meteorologiji Planetarna cirkulacija obuhvaća strujanje na planetarnoj ili makroskali, a zbog φ razlika u radijaciji, Zemljinoj rotaciji i položajem kontinenata. U cirkulaciji na sinoptičkoj skali spada strujanje u sustavu veličina ciklona i anticiklona Postoje još manje lokalne cirkulacije: npr. termičke cirkulacije: smorac/kopnenjak, vjetar obronka, dolinski/planinski vjetar, vjetar urbanog toplinskog otoka, ili npr. cirkulacije u grmljavinskom oblaku. 20
21 Jednadžba gibanja ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) k j i k j i k k j i k j i k j a g v Ω v tr Ω Ω = Ω Ω = = Ω = = z tr y tr x tr z tr y tr x tr a g z p u a y p u a x p v w a a a g z p y p x p w v u p Dt D ρ ϕ ρ ϕ ρ ϕ ϕ ρ ϕ ϕ ρ 1 cos 2 1 sin 2 1 sin 2 cos 2 1 sin cos 2 1 2 Coriolis grad. tlaka teža trenje gdje je vbrzina u relativnom sustavu (brzina koju vidi opažač sa Zemlje), Ω je kutna brzina rotacije Zemlje, g je akceleracija sile teže, a tr je akceleracija sile trenja, ρje gustoća, a p je tlak.
Geostrofičkivjetar Jednadžba horizontalnog gibanja na makroskali 1 Akceleracija nastaje zbog razlike sile gradijenta tlaka i Coriolisove sile Pokazalo se da su u sredini troposfere gibanja bez akceleracije; tada su te dvije sile u ravnoteži i akceleracija = 0 Uvjet za postojanje takve struje je geostrofička ravnoteža, Teorijsko horizontalno strujanje koje je rezultat geostrofičke ravnoteže je strujanje bez akceleracije i naziva se geostrofički vjetar 22
Geostrofičkivjetar Geostrofički vjetar je neakceleriran i nedivergentan 0 Usmjeren je paralelno s izobarama odnosno s izolinijama geopotencijala (tlaka) tako da mu je na sjevernoj hemisferi niži tlak, odnosno manji geopotencijal s lijeve strane. Izraz za geostrofičkivjetar dobivamo polazeći od jednadžbe horizontalnog gibanja na makroskali 0 1 1 f = 2Ω sinφ Coriolisov parametar 23
Geostrofički vjetar Geostrofički vjetar definiran je u svakoj točki osim u točkama duž ekvatora (gdje jef= 0). Pravocrtno atmosfersko strujanje sinoptičkih razmjera dobro se može aproksimirati geostrofičkim strujanjem. Tu aproksimaciju nazivamo geostrofička aproksimacija. Geostrofička aproksimacija ne vrijedi za niske zemljopisne širine niti za atmosferska strujanja sa zakrivljenim strujnicama poput strujanja u cikloni ili anticikloni. 24
Gradijentskivjetar U C i AC moramo uvažiti još jednu silu: centrifugalnu silu, a vjetar koji bolje opisuje stvarno strujanje je gradijentski vjetar (koji predstavlja ravnotežu triju sila: Coriolisove sile, centrifugalne sile i sile gradijenta tlaka) V = fr 2 ± fr 2 2 R p ρ n Gdje je R radijus ciklone ili anticiklone, f je Coriolisov p parametar, ρ je gustoća, je gradijent tlaka n Za zadani horizontalni gradijent tlaka stvarni vjetar bit će jači oko grebena nego u području doline vala (i u odnosu na geostrofički vjetar). 25
Ciklostrofički vjetar Postoje strujanja gdje je strujanje brzo, a zakrivljenost velika (možemo zanemariti Coriolisovu silu) tada vjetar opisujemo kao ciklostrofički vjetar V = fr 2 ± fr 2 2 R p ρ n V = ± R p ρ n Približno se obodna brzina u tornadima (većim formacijama koje su uglavnom ciklonalnog smjera) i pijavicama (koje mogu biti i u ciklonalnom i u anticiklonalnom smjeru) mogu aproksimirati ciklostrofičkim vjetrom. 26
Morske pijavice blizu otoka Brača, 2006. godine Morske pijavice blizu otoka Brača, 2006. godine U Poljskoj 2012. 27
Termički vjetar Polje relativne topografije (RT1000/500) u vezi s: s poljem temperature horizontalnim gradijentimatemperature s poljemstrujanja. Ako se temperaura zraka duž horizontalne ravnine mijenja, to znači da se u promatranompodručju i geostrofičkivjetar mijenjas visinom. horizontalni gradijenti T horizontalnigradijenti razlike geopotencijala Ф smicanje Vg vjetra visinom ln s postoji termičkivjetar = geostrofičkivjetar na izobarnog plohi p 2 = geostrofičkivjetar na izobarnog plohi p 1 s = horizontalni gradijent srednje temperature (T S ) u sloju između p 2 i p 1 = Coriolisovparametar, = 287 J/kgK Postojanje jakog termičkog vjetra ukazuje na izrazitu mlaznu struju. 28
Mjerenje vjetra po visini 1 m/s=3.6 km/h=2 čvora Radiosondaža Anticiklonalno(satno) zakretanje vjetra visinom -> geostrofička advekcija TOPLIJEG zraka? Ciklonalno ili anticiklonalno zakretanje? Vrijedi također: ciklonalno (protusatno) zakretanje vjetra visinom -> geostrofička advekcija HLADNIJEG zraka 29