Горизонтальные конвективные валки
Длинные потоки воздуха, вращающиеся в противоположных направлениях
Горизонтальные конвективные валки
Горизонтальные конвективные потоки, образующие облачные улицы (нижняя левая часть изображения) над Беринговым морем .
Простая схема образования облачных улиц горизонтальными конвективными валами.
Линии облачных улиц тянутся с северо-запада на юго-восток на этом спутниковом снимке Новой Англии в естественных цветах .

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 .

Характеристики

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, образующиеся в облачных улицах, что позволяет им летать прямо на большие расстояния, отсюда и название «облачные улицы».

Развитие и требуемые условия окружающей среды

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.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcde Этлинг, Д.; РА Браун (1993). "Вихри вращения в пограничном слое планеты: обзор". Boundary-Layer Meteorology . 65 (3): 215– 248. Bibcode : 1993BoLMe..65..215E. doi : 10.1007/BF00705527. S2CID  119535446.
  2. ^ Куо, Х. (1963). «Возмущения плоского течения Куэтта в стратифицированной жидкости и происхождение облачных пелен». Физика жидкостей . 6 (2): 195–211 . Bibcode : 1963PhFl....6..195K. doi : 10.1063/1.1706719.
  3. ^ abcd Brown, RA (1970). "Модель вторичного потока для пограничного слоя планеты". Journal of the Atmospheric Sciences . 27 (5): 742– 757. Bibcode :1970JAtS...27..742B. doi : 10.1175/1520-0469(1970)027<0742:ASFMFT>2.0.CO;2 . ISSN  1520-0469.
  4. ^ ab Brown, RA (1972). «О неустойчивости точки перегиба стратифицированного пограничного слоя Экмана». Журнал атмосферных наук . 29 (5): 851– 859. Bibcode :1972JAtS...29..850B. doi : 10.1175/1520-0469(1972)029<0850:OTIPIO>2.0.CO;2 .
  5. ^ ab LeMone, M. (1973). «Структура и динамика горизонтальных завихренностей в планетарном пограничном слое». Журнал атмосферных наук . 30 (6): 1077– 1091. Bibcode :1973JAtS...30.1077L. doi : 10.1175/1520-0469(1973)030<1077:TSADOH>2.0.CO;2 .
  6. ^ abcde Браун, RA (1974). «Аналитические методы в моделировании планетарного пограничного слоя», Adam Analytic Methods in Planetary Boundary Layer Modeling, Adam Hilger LTD., Лондон, и Halstead Press, John Wiley and Sons, Нью-Йорк, ISBN 0470111607 . 
  7. ^ abcdefgh Браун, РА (1980). «Продольные неустойчивости и вторичные течения в планетарном пограничном слое: обзор». Обзоры геофизики и космической физики . 18 (3): 683– 697. Bibcode : 1980RvGSP..18..683B. doi : 10.1029/RG018i003p00683.
  8. ^ ab Weckwerth, TM; JW Wilson; RM Wakimoto; NA Crook (1997). «Определение условий окружающей среды, поддерживающих их существование, и характеристик». Monthly Weather Review . 125 (4): 505– 526. Bibcode : 1997MWRv..125..505W. doi : 10.1175/1520-0493(1997)125<0505:HCRDTE>2.0.CO;2 . S2CID  124381300.
  9. ^ Сталл, Роланд (1988). Введение в метеорологию пограничного слоя (2-е изд.). Академическое издательство Kluwer . ISBN 9027727694.
  10. ^ Келли, Р. (1982). «Исследование горизонтальной конвекции с помощью одного доплеровского радара в условиях снежной бури с эффектом озера». Журнал атмосферных наук . 39 (7): 1521– 1531. Bibcode : 1982JAtS...39.1521K. doi : 10.1175/1520-0469(1982)039<1521:asdrso>2.0.co;2 .
  11. ^ abc Brown, RA (1981). «Об использовании коэффициентов обмена и организованных крупномасштабных вихрей при моделировании турбулентных потоков». Boundary-Layer Meteorology . 20 (1): 111– 116. Bibcode : 1981BoLMe..20..111B. doi : 10.1007/BF00119927. S2CID  120165198.
  12. ^ abc Brown, RA и T. Liu (1982). «Оперативная крупномасштабная модель морского планетарного пограничного слоя». Журнал прикладной метеорологии . 21 (3): 261– 269. Bibcode : 1982JApMe..21..261B. doi : 10.1175/1520-0450(1982)021<0261:AOLSMP>2.0.CO;2 . ISSN  1520-0450.
  13. ^ Браун, РА (1991). «Механика жидкости в атмосфере», Международная геофизическая серия, 47, Academic Press, Сан-Диего, ISBN 0-12-137040-2 

Дальнейшее чтение

  • Данлоп, Шторм (2002) Справочник по определению погоды Гилфорд, Коннектикут: The Lyons Press. ISBN 1-58574-857-9 
  • бомбардир, Веркаик (1989) просторные небеса Дэвид и Чарльз ISBN 0-7153-9139-9 
  • "Cloud Streets Pave Hudson Bay". NASA Earth Observatory . Архивировано из оригинала 2006-10-01 . Получено 2006-05-01 .
  • "Улицы облаков, сфотографированные над Мексиканским заливом: Галерея изображений улиц облаков". Новости метеорологии . Получено 29.10.2009 .
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Горизонтальные_конвективные_роллы&oldid=1224278029"