Die Näherung des schwachen Temperaturgradienten und ausgeglichene tropische Feuchtigkeitswellen*

Horizontale Temperaturgradienten sind in der tropischen Atmosphäre aufgrund der Kleinheit des Coriolis-Parameters nahe dem Äquator gering. Dies stellt eine starke Einschränkung sowohl für die großräumige Fluiddynamik als auch für diabatische Prozesse dar. Diese Arbeit ist ein Schritt hin zur Konstruktion einer ausgeglichenen dynamischen Theorie der tropischen Zirkulation, die auf dieser Einschränkung basiert und in der die diabatischen Prozesse explizit und interaktiv sind. Die Autoren leiten zunächst die grundlegende fluiddynamische Skalierung unter der Näherung des schwachen Temperaturgradienten (WTG) in einem flachen Wassersystem mit einer festen Masseneinheit ab, die eine extern auferlegte Erwärmung repräsentiert. Diese Ableitung folgt einer früheren ähnlichen von Held und Hoskins, erweitert jedoch die Analyse auf den nichtlinearen Fall (obwohl auf einer f-Ebene), untersucht das resultierende System detaillierter und präsentiert eine Lösung für eine achsensymmetrische „Top-Hut“-Zwangsführung. Das System ist wirklich ausgeglichen und hat keine Schwerewellen, unterscheidet sich jedoch von anderen Gleichgewichtsmodellen darin, dass die Erwärmung a priori in die Skalierung einbezogen ist. Die WTG-Skalierung wird dann auf ein lineares feuchtes Modell angewendet, in dem die konvektive Erwärmung von einer Feuchtigkeitsvariablen gesteuert wird, die durch den Fluss adviziert wird. Dieses feuchte Modell wird aus den Quasi-Gleichgewichts-Tropischen Zirkulationsmodellen (QTCM) von Neelin und Zeng abgeleitet, kann aber als etwas allgemeiner angesehen werden. Eine Reihe von zusätzlichen Näherungen wird vorgenommen, um ausgewogene dynamische Modi in Betracht zu ziehen, die anscheinend zuvor nicht untersucht wurden und deren Existenz auf die Wechselwirkungen der Feuchtigkeits- und Strömungsfelder zurückzuführen ist. Ein besonders interessanter Modus entsteht auf einer f-Ebene mit einem konstanten Hintergrund-Feuchtigkeitsgradienten. Im Grenzfall niedriger Frequenz und null meridionaler Wellenzahl hat dieser Modus eine mathematisch identische Dispersion zu der eines barotropen Rossby-Wells, obwohl die Phasengeschwindigkeit in Richtung Osten (für abnehmende Feuchtigkeit in Richtung Pole im Hintergrundzustand) zeigt und der Propagationsmechanismus ganz anders ist. Dieser Modus hat auch eine signifikante positive Wachstumsrate für niedrige Wellenzahlen. Die Hinzufügung des β-Effekts kompliziert die Dinge. Bei typischen Parametern ist die Richtung der Phasenpropagation unklar, wenn β einbezogen wird, und die Wachstumsrate wird reduziert, da die Effekte der Hintergrundgradienten von Feuchtigkeit und planetarischer Vortizität anscheinend weitgehend neutralisiert werden. Mögliche Relevanz für intraseasonale Variabilität und die Dynamik von ostauswärts gerichteten Wellen wird kurz diskutiert.