On eddy heat fluxes and entropy production in the jet flow region and on the earth's surface in the climate model inm ras

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

This paper discusses some results of the study of eddy heat fluxes in the vicinity of a subtropical jet stream. Many large-scale dynamical phenomena in the Earth's atmosphere are associated with Rossby wave propagation and collapse processes. Here we focus on regions of counter-gradient eddy heat fluxes in the region of the subtropical jet stream in the Northern Hemisphere associated with Rossby wave overturning. In these regions, we observe meridional energy transfer on the northern flank of the jet stream in the equatorial direction from the ERA-5 reanalysis data and simulation data with the INM-CM4-8 climate model of the G.I. Marchuk Institute of Computational Mathematics of the Russian Academy of Sciences. The entropy production due to horizontal heat transfer becomes negative, since heat is transferred against the temperature gradient, but this is not a violation of the second law of thermodynamics, since the main part of entropy production occurs due to the processes of vertical heat transfer, such as convection, and other irreversible processes. Entropy production is sensitive to land cover, the entropy balance being most related to radiation at the surface. Quantifying the thermodynamic balance of entropy and entropy production is a useful metric for evaluating the interactions of the atmosphere-surface system. Some estimates of entropy production by the surface are presented in this paper. The traditional approach to studying the climate system focuses on the dynamic mechanisms and physical processes responsible for the conversion of energy from one form to another, but an approach based on analyzing the entropy balance of the climate system and especially entropy production is also important.

About the authors

V. N. Krupchatnikov

Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS; Obukhov Institute of Atmospheric Physics, RAS

Email: vkrupchatnikov@yandex.ru
Prospekt Akademika Lavrentyeva, 6, Novosibirsk, 630090 Russia; Pyzhevsky per., 3, bld. 1, Moscow, 119017 Russia

A. V. Gochakov

“Siberian Regional Research Hydrometeorological Institute”

Email: vkrupchatnikov@yandex.ru
Sovetskaya str., 30, Novosibirsk, 630099 Russia

O. Y. Antokhina

Zuev Institute of Atmospheric Optics SB RAS

Email: vkrupchatnikov@yandex.ru
Academician Zuev Square, 1, Tomsk, 634055 Russia

V. S. Gradov

Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS

Email: vkrupchatnikov@yandex.ru
Prospekt Akademika Lavrentyeva, 6, Novosibirsk, 630090 Russia

I. V. Borovko

Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS

Author for correspondence.
Email: vkrupchatnikov@yandex.ru
Prospekt Akademika Lavrentyeva, 6, Novosibirsk, 630090 Russia

References

  1. Крупчатников В.Н., Гочаков А.В., Антохина О.Ю. Исследование особенностей вихревых потоков импульса и тепла в области струйных течений // Сб. тр. СибНИГМИ, 2023. Вып. 108. С. 5–16. https://doi.org/10.55235/0320359X_2023_108_5
  2. Крупчатников В.Н., Курбаткин Г.П. Моделирование крупномасштабной динамики атмосферы. Численные методы. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1991. 169 с.
  3. Марчук Г.И., Дымников В.П., Курбаткин Г.П., Сарки- сян А.С. Программа “Разрезы” и мониторинг Мирового океана // Метеорология и гидрология. 1984. № 8. C. 9–17.
  4. Программа исследования атмосферы и океана в целях изучения короткопериодных изменений климата (программа «Разрезы»). / Под ред. Г.И. Марчука // Итоги науки и техники. Атмосфера, океан, космос — программа “Разрезы”. 1981. T. 1. 60 с.
  5. Barnes E.A., Hartmann D.L. Detection of Rossby wave breaking and its response to shifts of the midlatitude jet with climate change // J. Geophys. Res. Atm. 2012. V. 117. №. D9. https://doi.org/10.1029/2012JD017469
  6. Birner T., Thompson D.W., Shepherd T.G. Up-gradient eddy fluxes of potential vor-ticity near the subtropical jet // Geophys. Res. Let. 2013. V. 40. P. 5988–5993.
  7. Brunsell N.A., Schymanski S.J., Kleidon A. Quantifying the thermodynamic entropy budget of the land surface: is this useful? // Earth System Dynamics. 2011. V. 2(1) P. 87–103. https://doi.org/10.5194/esd-2-87-2011
  8. Gassmann A., Herzog H.-J. How is local material entropy production represented in a numerical model? // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 2015. V. 141. P. 854–869.
  9. Gassmann A. Entropy production due to subgrid-scale thermal fluxes with application to breaking gravity waves // Q.J.R. Meteorol. Soc. 2018. V. 144. P. 499–510. URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/qj.3221
  10. Gibbins G., Haigh, J.D. Entropy Production Rates of the Climate // J. Atmos. Sci. 2020. V. 77. P. 3551–3566.
  11. Gochakov A.V., Antokhina O.Yu., Krupchatnikov V.N., Martynova Yu.V. Long-term Variability of Rossby Wave Breaking in the Subtropical Jet Stream Area // Russian Meteorology and Hydrology. 2022. V. 47. № 2. P. 79–88.
  12. Golitsyn G.S., Mokhov I.I. Stability and external properties of climate models // Atmos. Oceanic Phys. 1978. V. 14. P. 271–277.
  13. Goody R. Sources and sinks of climate entropy // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 2000. V. 126. P. 1953–1970.
  14. Held I.M., Hou A.Y. Nonlinear axially symmetric circulations in a nearly inviscid atmosphere // J. Atmos. Sci. 1980. V. 37. P. 515–533. https://doi.org/10.1175/ 1520-0469 037<0515: NASCIA>2.0.CO2
  15. Holland W.R., Rhines, P.B. An example of eddy-induced ocean circulation // J. of Physical Oceanography. 1980. V. 10. P. 1010–1031.
  16. Illari L., Marshall J.C. On the interpretation of eddy fluxes during a blocking episode // J. Atmos. Sci. 1983. V. 40. P. 2232−2242.
  17. Kleidon A., Fraedrich K., Kirk E., Lunkeit F. Maximum entropy production and the strength of boundary layer exchange in an atmospheric general circulation model // Geophysical Research Letters. 2006. V. 33. https://doi.org/10.1029/2005GL025373
  18. Kleidon A., Lorenz R. Non-equilibrium thermodynamics and the production of entropy, Understanding Complex Systems, Springer, Berlin, 2005.
  19. Kleidon A. Optimized stomatal conductance of vegetated land surfaces and its effects on simulated productivity and climate // Geophys. Res. Lett. V. 31. P. 1–4. https://doi.org/10.1029/2004GL020769, 2004.
  20. Kleidon A., Schymanski S. Thermodynamics and optimality of the water budget on land: a review // Geophys. Res. Lett. V. 35. V. 1–6. https://doi.org/10.1029/2008GL035393, 2008.
  21. Krupchatnikov V.N., Borovko I.V. Rossby wave breaking and blocking events associated with some atmospheric circulation regimes in the Northern Hemi-sphere based on a climate system model (PlaSim-ICMMG-1.0) // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2020. V. 611. P. 012015. https://doi.org/10.1088/1755-1315/611/1/012015.
  22. Lau N.C., Wallace J.M. On the Distribution of Horizontal Transports by Transient Eddies in the Northern Hemisphere Wintertime Circulation // J. Atmos. Sci. 1979. V. 36. P. 1844–1861.
  23. Lucarini V., Pascale S. Entropy production and coarse graining of the climate fields in a general circulation model // Climate Dynamics. 2014. V. 43 (3-4). P. 981–1000.
  24. Lupo A., Jensen A., Mokhov I., Timazhev A., Eichler T., Efe B. Changes in Global Blocking Character in Recent Decades // Atmosphere. 2019. V. 10. № 2. P. 92. https://doi.org/10.3390/atmos10020092
  25. McIntyre M.E., Palmer T.N. Breaking planetary waves in the stratosphere // Nature. 1983. V. 305. P. 593–600.
  26. Murakami T. Stratospheric Wind Temperature and Isobaric Height Conditions During the IGY Period. Part I. Report № 5. Planetary Circulation Project, Dept. of Meteor., Mass. Inst. Tech. 1962. P. 1–213.
  27. Paltridge G.W. Global dynamics and climate-a system of minimum entropy exchange, Quarterly // J. of the Royal Meteorological Society 1975. V. 101. P. 475–484.
  28. Peixoto J. P., Oort A. H., Almeida M. De, Tomé A. Entropy budget of the atmosphere // J. Geophys. Res. Atmos. 1991. V. 96 (D6). 10 981— 10 988.
  29. Peng L. A simple numerical experiment concerning the general circulation in the lower stratosphere //Pure and Applied Geophysics V. 61. 1965. P. 191–218. https://doi.org/10.1007/BF00875777
  30. Salmon R., Held I.M., Fields J., Thiffeault J.L. The General circulation of the atmo¬sphere: 2000 program in Geophysical Fluid Dynamics. Woods Hole Oceanographic Institution. 2001. https://doi.org/ 10.1575/1912/15
  31. Thompson D.W.J., Birner T. On the linkages between the tropospheric isentropic slope and eddy fluxes of heat during northern hemisphere winter // J. Atmos. Sci. 2012. V. 69. P. 1811–1823.
  32. Thorncroft C.D., Hoskins B.J., McIntyre M.E. Two paradigms of baroclinic-wave life-cycle behavior // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 1993. V. 119 (509). P. 17–55. https://doi.org/10.1002/qj.49711950903
  33. Wallace J.M. Trajectory slopes, counter gradient heat fluxes and mixing by lower stratospheric waves // J. Atmos. Sci. 1978. V. 35 P. 554–558.
  34. White R.M. The Counter-Gradient Flux of Sensible Heat in the Lower Stratosphere // Tellus. 1954. V. 6. № 2. P. 177–179. https://doi.org/10.3402/tellusa.v6i2.8724

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».