Makarieva A.M., Gorshkov V.G., Nefiodov A.V., Sheil D., Nobre A.D., Shearman P., Li B.-L. (2017) Kinetic energy generation in heat engines and heat pumps: the relationship between surface pressure, temperature and circulation cell size. Tellus A, 69, 1272752. doi:10.1080/16000870.2016.1272752, URL: http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/16000870.2016.1272752
Abstract
The pattern and size of the Earth's atmospheric circulation cells determine regional climates and challenge theorists. Here the authors present a theoretical framework that relates the size of meridional cells to the kinetic energy generation within them. Circulation cells are considered as heat engines (or heat pumps) driven by surface gradients of pressure and temperature. This approach allows an analytical assessment of kinetic energy generation in the meridional cells from the known values of surface pressure and temperature differences across the cell, Δps and ΔTs. Two major patterns emerge. First, the authors find that kinetic energy generation in the upper and lower atmosphere respond in contrasting ways to surface temperature: with growing ΔTs, kinetic energy generation increases in the upper atmosphere but declines in the lower. A requirement that kinetic energy generation must be positive in the lower atmosphere can limit the poleward cell extension of the Hadley cells via a relationship between Δps and ΔTs. The limited extent of the Hadley cells necessitates the appearance of heat pumps (Ferrel cells) – circulation cells with negative work output. These cells consume the positive work output of the Hadley cells (heat engines) and can in theory drive the global efficiency of an axisymmetric atmospheric circulation down to zero. Second, the authors show that, within a cell, kinetic energy generation is largely determined by ΔTs in the upper atmosphere, and by Δps in the lower. By absolute magnitude, the temperature contribution is about 10 times larger. However, since the heat pumps act as sinks of kinetic energy in the upper atmosphere, the net kinetic energy generation in the upper atmosphere, as well as the net impact of surface temperature, is reduced. The authors use NCAR/NCEP and MERRA data to verify the obtained theoretical relationships. These observations confirm considerable cancellation between the temperature-related sources and sinks of kinetic energy in the upper atmosphere. Both the theoretical approach and observations highlight a major contribution from surface pressure gradients, rather than temperature, in the kinetic energy budget of meridional circulation. The findings urge increased attention to surface pressure gradients as determinants of the meridional circulation patterns.

Макарьева А.М., Горшков В.Г., Нефёдов А.В., Шейл Д., Нобре А.Д., Шерман П., Ли Б.-Л. (2017) Генерация кинетической энергии в тепловых машинах и холодильниках: связь давления и температуры у поверхности Земли с размером циркуляционных ячеек. Tellus A, 69, 1272752. [на англ. яз.] doi:10.1080/16000870.2016.1272752, URL: http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/16000870.2016.1272752
Аннотация
Размер и положение циркуляционных ячеек в атмосфере Земли определяют региональный климат и бросают вызов теоретикам. В этой работе авторы представляют теоретический подход, который связывает размер меридиональных циркуляционных ячеек с генерацией кинетической энергии внутри этих ячеек. Циркуляционные ячейки рассматриваются как тепловые машины (или холодильники), которые приводятся в действие градиентами давления и температуры на поверхности Земли. Этот подход позволяет аналитически выразить величину генерации кинетической энергии в меридиональных ячейках из известных величин разницы давления и температуры воздуха на поверхности Земли, Δps и ΔTs, между границами ячейки. Обнаружены две основные закономерности. Во-первых, авторы показывают, что генерация кинетической энергии в верхней и нижней атмосфере противоположным образом меняются с увеличением разницы температуры на поверхности: в верхней атмосфере генерация кинетической энергии увеличивается, а в нижней – уменьшается. Условие положительной генерации кинетической энергии в нижней атмосфере может ограничивать протяжённость ячеек Хэдли от экватора к полюсу через соотношение между Δps и ΔTs. Ограниченность ячеек Хэдли обуславливает появление “холодильников” (ячеек Феррела) – меридиональных ячеек, в которых работа и генерация кинетической энергии отрицательны. Эти ячейки поглощают положительную работу ячеек Хэдли и, в теории, могут свести к.п.д. глобальной атмосферной циркуляции к нулю. Во-вторых, авторы показывают, что внутри ячейки генерация кинетической энергии в верхней части атмосферы определяется, в основном, перепадом температуры ΔTs, а в нижней – перепадом давления Δps. По абсолютной величине вклад температуры примерно в десять раз больше. Однако, поскольку ячейки-“холодильники” являются стоками (а не источниками) кинетической энергии в верхней атмосфере, суммарная генерация кинетической энергии в верхней атмосфере, как и суммарный вклад температуры, оказывается относительно малым. Авторы используют данные NCAR/NCEP и MERRA для проверки полученных теоретических соотношений. Наблюдения подтверждают, что обусловленные перепадом температур источники и стоки кинетической энергии в верхней атмосфере в значительной степени компенсируют друг друга. И теория, и наблюдения указывают на основной вклад поверхностных градиентов давления, а не температуры, в бюджет кинетической энергии меридиональной циркуляции. Эти результаты призывают обратить особое внимание на поверхностный градиент давления как на фактор, определяющий размер и положение ячеек меридиональной циркуляции.