Горизонтальные конвективные валики , также известные как горизонтальные вихри вала или облачные улицы , представляют собой длинные валики из вращающегося в противоположных направлениях воздуха, которые ориентированы приблизительно параллельно земле в планетарном пограничном слое . Хотя горизонтальные конвективные валики, также известные как облачные улицы, были четко видны на спутниковых фотографиях в течение последних 30 лет, их развитие плохо изучено из-за отсутствия данных наблюдений. С земли они выглядят как ряды кучевых или кучевых облаков, выровненных параллельно ветру на низком уровне. Исследования показали, что эти вихри играют важную роль в вертикальном переносе импульса, тепла, влаги и загрязняющих веществ в воздухе в пограничном слое. [1] Облачные улицы обычно более или менее прямые; редко облачные улицы принимают узоры пейсли , когда ветер, движущий облака, сталкивается с препятствием. Эти облачные образования известны как вихревые улицы фон Кармана .
Горизонтальные валики — это вращающиеся в противоположных направлениях вихревые валики, которые почти выровнены со средним ветром Планетарного пограничного слоя (PBL). Они могут быть вызваны конвекцией при наличии умеренного ветра [2] и/или нестабильностью динамической точки перегиба в среднем профиле ветра. [3] Ранняя теория [3] [4] [5] [6] [7] относительно особенностей предсказывает, что вихри могут быть выровнены до 30° влево для устойчиво стратифицированных сред, 18° влево для нейтральных сред и почти параллельно среднему ветру для нестабильно стратифицированных (конвективных) сред. Эта теория была поддержана наблюдениями с самолетов в ходе нескольких полевых экспериментов. [5] [7] [8]
Глубина вихря обычно равна глубине пограничного слоя, которая обычно составляет порядка 1–2 км. Пара вихрей обычно имеет соотношение поперечных и вертикальных размеров около 3:1. [6] [7] [9] Экспериментальные исследования показали, что соотношение сторон (соотношение длины волны ролика к глубине пограничного слоя) варьируется от 2:1 до 6:1, однако в некоторых ситуациях соотношение сторон может достигать 10:1. Время существования конвективного ролика может длиться от нескольких часов до нескольких дней. [4] [10] [6] [7]
Если окружающий воздух близок к насыщению, конденсация может происходить в восходящих потоках, образующихся в результате вращения вихря. Опускающееся движение, создаваемое чередующимися парами валков, испаряет облака. Это, в сочетании с восходящими потоками, образует ряды облаков. Пилоты планеров часто используют восходящие потоки, создаваемые улицами облаков, что позволяет им летать прямо на большие расстояния, отсюда и название «улицы облаков».
Точный процесс, который приводит к образованию горизонтальных валков, сложен. Основной механизм напряжения в PBL — турбулентный поток импульса, и этот член должен быть аппроксимирован в уравнениях динамики жидкости для моделирования потока и потоков слоя Экмана. [6] [7] [11] [12] [13] [1]
Линейное приближение, уравнение вихревой диффузии с коэффициентом вихревой диффузии K, позволило Экману получить простое логарифмическое спиральное решение. Однако частое присутствие горизонтальных вихрей качения в PBL, которые представляют собой организацию турбулентности (когерентные структуры), указывает на то, что приближение диффузии не является адекватным. Решение Экмана имеет внутренний профиль инфлективного ветра, который, как было обнаружено, нестабилен к длинным волнам, соответствующим масштабу организованных крупных вихрей. [3] Нелинейная теория показала, что рост этих конечных волн возмущения изменяет средний поток, устраняя динамическую энергию инфлективной неустойчивости, так что достигается равновесие. Измененный средний поток хорошо соответствует наблюдениям. [7] [1] Это решение для слоя, содержащего длину волны качения в масштабе PBL, требует модификации переносов потока для учета моделирования адвективного движения крупных вихрей. [11] [12] [1]
Наиболее благоприятные условия для образования валов возникают, когда самый нижний слой воздуха нестабилен, но увенчан инверсией — устойчивым слоем воздуха. Должен быть умеренный ветер. Это часто происходит, когда верхний воздух оседает, например, в антициклонических условиях, а также часто встречается, когда за ночь образовался радиационный туман. Конвекция происходит ниже инверсии, при этом воздух поднимается в термических потоках под облаками и опускается в воздухе между улицами.
Турбулентная энергия, полученная из динамических неустойчивостей, производится из энергии сдвига ветра. Более сильный ветер благоприятствует развитию этого вала, в то время как конвективная энергия изменяет его. Конвекция при низкой скорости создает валики, поскольку рост неустойчивости при сдвиге подавляется. Конвекция в условиях очень слабого ветра обычно создает ячеистую конвекцию. [7] [1] [8]
Хотя это решение было проверено многочисленными наблюдениями, оно сложное, включает математику теории хаоса и не получило широкого распространения. [3] [6] [7] [11] [12] Однако при включении в модели прогнозирования NCEP с использованием спутниковых данных о поверхностном ветре оно значительно улучшило прогнозы. Нелинейное решение с явным описанием конечного возмущения когерентной структуры валков представляет собой значительный вклад в теорию хаоса для организации турбулентности.