Запруда холодным воздухом

Холодный воздух дамминг , или CAD , является метеорологическим явлением, которое включает в себя систему высокого давления ( антициклон ), ускоряющуюся к экватору к востоку от горного хребта, ориентированного с севера на юг, из-за образования барьерной струи за холодным фронтом , связанным с полярной частью разделенной ложбины верхнего уровня. Первоначально система высокого давления движется к полюсу горного хребта, ориентированного с севера на юг. Как только она выплескивается к полюсу и к востоку от хребта, поток вокруг высоких берегов устремляется к горам, образуя барьерную струю, которая направляет холодный воздух вниз по участку земли к востоку от гор. Чем выше горная цепь, тем глубже холодная воздушная масса застревает на ее востоке, и тем большее препятствие она представляет в структуре потока и тем более устойчивой она становится к вторжениям более мягкого воздуха.

По мере того, как экваториальная часть системы приближается к клину холодного воздуха, развивается устойчивая низкая облачность, такая как слоистые облака , и осадки, такие как морось , которые могут сохраняться в течение длительных периодов времени; до десяти дней. Сами осадки могут создавать или усиливать сигнатуру запруды, если полярный максимум относительно слаб. Если такие события ускоряются через горные перевалы, могут возникнуть опасно ускоренные ветры в горных щелях , такие как ветры Теуантепесер и Санта-Ана . Эти события обычно наблюдаются в северном полушарии по всей центральной и восточной части Северной Америки , к югу от Альп в Италии и около Тайваня и Кореи в Азии. События в южном полушарии были отмечены в Южной Америке к востоку от Анд.

Образование запруд холодного воздуха обычно происходит в средних широтах, поскольку этот регион лежит в пределах Западных ветров , области, где фронтальные вторжения являются обычным явлением. Когда арктическое колебание отрицательное и давление выше над полюсами, поток становится более меридиональным, дуя от направления полюса к экватору, что приносит холодный воздух в средние широты. ^[1] Образование запруд холодного воздуха наблюдается в южном полушарии к востоку от Анд, причем холодные вторжения наблюдаются вплоть до экватора до 10-й параллели к югу . ^[2] В северном полушарии обычные ситуации возникают вдоль восточной стороны хребтов в системе Скалистых гор над западными частями Великих равнин , а также различных других горных хребтов (таких как Каскадные горы ) вдоль западного побережья Соединенных Штатов. ^[3] Первоначальный вызван полярной частью разделенного желоба верхнего уровня, при этом образование запруды предшествует прибытию более экваториальной части. ^[4]

Некоторые из событий, связанных с образованием плотин холодного воздуха, которые происходят к востоку от Скалистых гор, продолжаются на юг к востоку от Восточной Сьерра-Мадре через прибрежную равнину Мексики через перешеек Теуантепек . Дальнейшее проникновение холодного воздуха происходит в пределах перешейка, что может привести к появлению штормовых и ураганных ветров, называемых Теуантепесер . Другие распространенные случаи образования плотин холодного воздуха происходят на прибрежной равнине восточно-центральной части Северной Америки, между Аппалачскими горами и Атлантическим океаном . ^[5] В Европе районы к югу от Альп могут быть подвержены образованию плотин холодного воздуха. ^[4] В Азии образование плотин холодного воздуха было зафиксировано вблизи Тайваня и Корейского полуострова . ^{[6] [7]}

Холодные потоки на восточных склонах Скалистых гор, в Исландии, Новой Зеландии ^[8] и Восточной Азии отличаются от холодного воздуха, задерживающего восточнее Аппалачей, из-за более широких горных хребтов , пологого рельефа и отсутствия восточного водоема с теплой водой. ^[9]

Обычное развитие CAD происходит, когда холодная область высокого давления вклинивается на востоке горной цепи, ориентированной с севера на юг. По мере приближения системы с запада формируется устойчивый облачный слой с соответствующими осадками , который задерживается по всему региону на длительные периоды времени. Разница температур между более теплым побережьем и внутренними участками к востоку от местности может превышать 36 градусов по Фаренгейту (20 градусов по Цельсию), при этом дожди вблизи побережья и замерзшие осадки, такие как снег, мокрый снег и замерзающий дождь, выпадают внутри страны в более холодное время года. В Северном полушарии две трети таких событий происходят в период с октября по апрель, а летним событиям предшествует прохождение холодного фронта . ^[10] В Южном полушарии они, как было задокументировано, происходят в период с июня по ноябрь. ^[2] События запруды холодного воздуха, которые происходят, когда исходная поверхностная система высокого давления относительно слаба, с центральным давлением ниже 1028,0 миллибар (30,36 дюймов рт. ст.), или остаются прогрессивной особенностью (последовательно перемещаются на восток), могут быть значительно усилены облачностью и осадками. Облака и осадки действуют, чтобы увеличить давление на уровне моря в этом районе на 1,5-2,0 мб (0,04-0,06 дюймов рт. ст.). ^[11] Когда поверхностный максимум перемещается в сторону от берега, сами осадки могут вызвать событие CAD. ^[12]

${\displaystyle \nabla ^{2}x={\frac {{\frac {x_{3}-x_{2}}{d_{2-3}}}-{\frac {x_{2}-x_{1}}{d_{1-2}}}}{{\frac {1}{2}}(d_{2-3}+d_{1-2})}}}$

Этот алгоритм используется для определения конкретного типа событий CAD на основе гребня давления на поверхности, связанного с ним холодного купола и агеострофического северо-восточного потока, который течет под значительным углом к ​​изобарической схеме. Эти значения рассчитываются с использованием почасовых данных наблюдений за погодой на поверхности . Лапласиан давления на уровне моря или потенциальной температуры в направлении нормали к горе — перпендикулярном горной цепи — обеспечивает количественную меру интенсивности гребня давления или связанного с ним холодного купола. Алгоритм обнаружения основан на лапласианах ( ), оцененных для трех линий нормали к горе, построенных на основе поверхностных наблюдений в области, затронутой запрудой холодного воздуха, и вокруг нее — области запруды. «x» обозначает либо давление на уровне моря, либо потенциальную температуру (θ), а нижние индексы 1–3 обозначают станции, идущие с запада на восток вдоль линии, в то время как «d» представляет расстояние между двумя станциями. Отрицательные значения Лапласа обычно связаны с максимальными значениями давления в центральной точке, тогда как положительные значения Лапласа обычно соответствуют более низким температурам в центре сечения. ^[13]${\displaystyle \набла ^{2}x}$

Когда происходит запруда холодного воздуха, он позволяет холодному воздуху устремляться к экватору в затронутой области. В спокойных, не штормовых ситуациях холодный воздух будет продвигаться беспрепятственно до тех пор, пока область высокого давления не сможет больше оказывать какое-либо влияние из-за отсутствия размера или выхода из области. Эффекты запруда холодного воздуха становятся более заметными (и также более сложными), когда штормовая система взаимодействует с распространяющимся холодным воздухом.

Эффекты запруды холодного воздуха к востоку от Каскадных гор в Вашингтоне усиливаются чашеобразной или бассейнообразной топографией Восточного Вашингтона . Холодный арктический воздух, текущий на юг из Британской Колумбии через долину реки Оканоган , заполняет бассейн, заблокированный на юге Голубыми горами . Запруды холодного воздуха заставляют холодный воздух скапливаться вдоль восточных склонов Каскадных гор, особенно в нижних перевалах, таких как перевал Сноквалми и перевал Стивенса . Более мягкий, тихоокеанский воздух, движущийся на восток над Каскадными горами, часто выталкивается вверх холодным воздухом в перевалах, удерживаемым на месте запрудой холодного воздуха к востоку от Каскадных гор. В результате на перевалах часто выпадает больше снега, чем на более высоких участках Каскадных гор, что способствует катанию на лыжах на перевалах Сноквалми и Стивенса. ^[14]

Ситуация во время ветровых явлений Теуантепесерс и Санта-Ана более сложная, так как они происходят, когда воздух, устремляющийся на юг из-за холодного воздуха, запруженного к востоку от Сьерра-Мадре-Ориентал и Сьерра-Невады соответственно, ускоряется, когда он проходит через разрывы в рельефе. Санта-Ана еще больше осложняется нисходящим воздухом, или ветрами фена , которые высыхают и нагреваются с подветренной стороны Сьерра-Невады и прибрежных хребтов, что приводит к опасной пожарной ситуации.

Эффект, известный как «клин», является наиболее широко известным примером запруды холодного воздуха. В этом сценарии более экваториальная штормовая система принесет с собой более теплый воздух над поверхностью (примерно на 1500 метров (4900 футов)). Этот более теплый воздух будет перемещаться по более холодному воздуху на поверхности, который удерживается на месте системой высокого давления, направленной к полюсу. Этот температурный профиль, известный как температурная инверсия , приведет к развитию мороси, дождя, ледяного дождя , мокрого снега или снега. Когда температура на поверхности выше нуля, может возникнуть морось или дождь. Мокрый снег или ледяная крупа образуются, когда слой выше нуля воздуха существует с воздухом ниже нуля как над ним, так и под ним. Это вызывает частичное или полное таяние любых снежинок, падающих через теплый слой. Когда они падают обратно в слой ниже нуля ближе к поверхности, они снова замерзают в ледяные крупы. Однако если слой ниже точки замерзания под теплым слоем слишком мал, осадки не успеют снова замерзнуть, и на поверхности возникнет ледяной дождь . ^[15] Более толстый или прочный холодный слой, где теплый слой наверху не нагревается значительно выше точки таяния, приведет к образованию снега.

Блокировка происходит, когда хорошо установившаяся система высокого давления, направленная к полюсу, находится вблизи или в пределах пути наступающей штормовой системы. Чем толще холодная воздушная масса, тем эффективнее она может блокировать вторгающуюся более мягкую воздушную массу. Глубина холодной воздушной массы обычно меньше, чем горный барьер, создавший CAD. Некоторые события в районе Межгорного Запада могут длиться десять дней. Загрязняющие вещества и дым могут оставаться взвешенными в стабильной воздушной массе плотины холодного воздуха. ^[16]

Часто бывает сложнее спрогнозировать эрозию события CAD, чем его развитие. Численные модели, как правило, недооценивают продолжительность события. Массовое число Ричардсона , Ri, вычисляет вертикальный сдвиг ветра , чтобы помочь спрогнозировать эрозию. Числитель соответствует силе инверсионного слоя, разделяющего холодный купол CAD и непосредственную атмосферу выше. Знаменатель выражает квадрат вертикального сдвига ветра через инверсионный слой. Малые значения числа Ричардсона приводят к турбулентному перемешиванию, которое может ослабить инверсионный слой и способствовать ухудшению холодного купола, что приводит к концу события CAD. ^[9]

${\displaystyle Ri={\frac {g\Delta \theta _{v}/\theta _{v}}{[(\Delta U)^{2}+(\Delta V)^{2}]/\ Дельта Z}}}$

Одним из наиболее эффективных механизмов эрозии является импорт более холодного воздуха — также известный как адвекция холодного воздуха — наверх. При максимальной адвекции холода над слоем инверсии охлаждение наверху может ослабнуть в слое инверсии, что позволяет смешивать и разрушать CAD. Число Ричардсона уменьшается из-за ослабления слоя инверсии. Адвекция холода способствует проседанию и высыханию, что поддерживает солнечный нагрев под инверсией. ^[9]

Солнечное отопление способно разрушать событие CAD, нагревая поверхность при отсутствии плотной облачности. Однако даже неглубокий слой стратуса в холодное время года может сделать солнечное отопление неэффективным. Во время перерывов в облачности в теплое время года поглощение солнечной радиации на поверхности нагревает холодный купол, снова снижая число Ричардсона и способствуя перемешиванию. ^[9]

В Соединенных Штатах, поскольку система высокого давления перемещается на восток к Атлантике, северные ветры уменьшаются вдоль юго-восточного побережья. Если северо-восточные ветры сохраняются в южной зоне плотины, подразумевается чистая дивергенция. Приповерхностная дивергенция уменьшает глубину холодного купола, а также способствует опусканию воздуха, что может уменьшить облачный покров. Уменьшение облачного покрова позволяет солнечному теплу эффективно нагревать холодный купол от поверхности вверх. ^[9]

Сильная статическая устойчивость инверсионного слоя CAD обычно подавляет турбулентное перемешивание, даже при наличии вертикального сдвига ветра. Однако, если сдвиг усиливается в дополнение к ослаблению инверсии, холодный купол становится уязвимым для перемешивания, вызванного сдвигом. В отличие от солнечного нагрева, эта эрозия CAD-события происходит сверху вниз. Перемешивание происходит, когда глубина северо-восточного потока становится все более мелкой, а сильный южный поток движется вниз, что приводит к высокому сдвигу. ^[9]

Эрозия холодного купола обычно сначала происходит вблизи краев, где слой относительно неглубокий. По мере того, как смешивание прогрессирует и холодный купол разрушается, граница холодного воздуха — часто обозначаемая как прибрежный или теплый фронт — будет перемещаться вглубь суши, уменьшая ширину холодного купола. ^[9]

Разработана объективная схема для классификации определенных типов событий CAD на юго-востоке США. Каждая схема основана на силе и местоположении родительской системы высокого давления.

Классические события CAD характеризуются сухим синоптическим воздействием, частичным диабатическим вкладом и сильным родительским антициклоном (системой высокого давления), расположенным к северу от области запруживания Аппалачей. Сильная система высокого давления обычно определяется как имеющая центральное давление более 1030,0 мб (30,42 дюйма рт. ст.). Северо-восток США является наиболее благоприятным местом для системы высокого давления в классических событиях CAD. ^[9]

Для диабатически усиленных классических событий, за 24 часа до начала CAD, заметная струя 250 мб простирается с юго-запада на северо-восток через восточную часть Северной Америки. Общая область прогиба присутствует на уровнях 500 и 250 мб к западу от струи. Родительская система высокого давления сосредоточена над верхним Средним Западом под областью входа струи 250 мб, создавая условия для CAD к востоку от Скалистых гор . ^[13]

Для классических событий с сухим началом струя в 250 мб слабее и центрируется дальше на восток относительно диабатически усиленных классических событий. Струя также не простирается так далеко на юго-запад по сравнению с диабатически усиленными классическими событиями CAD. Центр системы высокого давления находится дальше на восток, поэтому хребты простираются на юг в юго-центральную часть восточной части Соединенных Штатов. Хотя оба типа классических событий начинаются по-разному, их результаты очень похожи. ^[13]

Когда родительский антициклон слабее или не идеально расположен, диабатический процесс должен начать вносить свой вклад, чтобы развить CAD. В сценариях, где есть равный вклад от сухого синоптического воздействия и диабатических процессов, это считается гибридным событием запруживания. ^[9] Струя 250 мб слабее и немного южнее относительно классического композита за 24 часа до начала CAD. С поверхностным родительским антициклоном дальше на запад, он встраивается на восток в северную часть Великих равнин и западный регион Великих озер, расположенный под областью сливающегося потока от струи 250 мб. ^[13]

События in-situ являются самыми слабыми и часто самыми недолговечными из всех типов событий CAD. Эти события происходят при отсутствии идеальных синоптических условий, когда положение антициклона крайне неблагоприятно и расположено далеко от берега. ^[9] В некоторых случаях in-situ градиент давления барьера в значительной степени обусловлен циклоном на юго-западе, а не антициклоном на северо-востоке. ^[13] Диабатические процессы приводят к стабилизации воздушной массы, приближающейся к Аппалачам. Диабатические процессы необходимы для событий in-situ. Эти события часто приводят к слабым, узким плотинам. ^[9]

Прогнозы погоды во время событий CAD особенно подвержены неточностям. Тип осадков и дневные высокие температуры особенно трудно предсказать. Численные модели погоды, как правило, более точны в прогнозировании развития событий CAD и менее точны в прогнозировании их эрозии. Ручное прогнозирование может обеспечить более точные прогнозы. Опытный прогнозист-человек будет использовать численные модели в качестве руководства, но учитывать неточности и недостатки модели. ^[17]

Событие Аппалачи CAD в октябре 2002 года иллюстрирует некоторые недостатки краткосрочных погодных моделей для прогнозирования события CAD. Это событие характеризовалось стабильным насыщенным слоем холодного воздуха от поверхности до уровня давления 700 мб над штатами Вирджиния, Северная Каролина и Южная Каролина. Эта масса холодного воздуха была заблокирована Аппалачами и не рассеялась даже при усилении прибрежного циклона на востоке. Во время этого события краткосрочные погодные модели предсказывали очищение этой холодной массы, что привело к более благоприятным погодным условиям для региона, таким как более теплые условия и отсутствие слоя слоистых облаков. Однако модель работала плохо, поскольку она не учитывала чрезмерную передачу солнечной радиации через слои облаков и мелкое перемешивание, способствующее схеме конвективной параметризации модели. Хотя эти ошибки были исправлены в обновленных моделях, они привели к неточному прогнозу. ^[9]