Условная симметричная неустойчивость

Цикл метеорологического радара показывает интенсивные снежные полосы (более светлый цвет) из-за CSI перед теплым фронтом .

Условная симметричная неустойчивость , или CSI , представляет собой форму конвективной неустойчивости в жидкости, подверженной перепадам температур в системе отсчета с равномерным вращением , при этом она термически стабильна по вертикали и динамически по горизонтали (инерционная устойчивость). Неустойчивость в этом случае развивается только в наклонной плоскости по отношению к двум упомянутым осям и поэтому может привести к так называемой «косой конвекции», если воздушный пакет почти насыщен и перемещается в поперечном и вертикальном направлении в CSI. область. Эта концепция в основном используется в метеорологии для объяснения мезомасштабного образования интенсивных полос осадков в стабильной в остальном области, например, перед теплым фронтом . То же явление применимо и к океанографии.

Принцип

Гидростатическая устойчивость

Основная статья: Скорость падения

окружающей среды Температура (красный цвет) и точка росы (зеленый цвет) на диаграмме Skew-T log-P .

Частица воздуха на определенной высоте будет стабильной, если ее адиабатически измененная температура во время подъема равна температуре окружающей среды или ниже ее. Точно так же он стабилен, если его температура во время спуска равна или выше. В случае равенства температур частица останется на новой высоте, а в остальных случаях она вернется на исходный уровень4.

На диаграмме справа желтая линия представляет поднятую частицу, температура которой сначала остается ниже температуры окружающей среды (стабильный воздух), что не влечет за собой конвекции. Затем в анимации происходит нагревание поверхности и поднятая частица остается теплее окружающей среды (нестабильный воздух). Мерой гидростатической устойчивости является регистрация изменения по вертикали эквивалентной потенциальной температуры ( $\theta _{e}$):

• Если $\theta _{e}$ уменьшаться с высотой, приводит к нестабильной воздушной массе
• Если $\theta _{e}$ остается неизменным с высотой, что приводит к нейтральной воздушной массе
• Если $\theta _{e}$ увеличение с высотой приводит к стабильной воздушной массе.

Инерционная стабильность

Темные зоны — это области слабой инерционной устойчивости атмосферной циркуляции.

Точно так же боковое смещение частицы воздуха меняет ее абсолютную завихренность. $\eta$. Это определяется суммой планетарной завихренности, $f$, и $\zeta$, геострофическая (или относительная) завихренность участка:

$\eta =\left[{\frac {\partial v}{\partial x}}-{\frac {\partial u}{\partial y}}\right]+f=\zeta +f\qquad \qquad$

Где :

• $v$ и $u$ – меридиональная и зональная геострофические скорости соответственно.
• $x$ и $y$ соответствуют зональным и меридиональным координатам.
• $f$ — параметр Кориолиса , который описывает составляющую завихренности вокруг местной вертикали, возникающую в результате вращения системы отсчета.
• $\zeta$ – относительная завихренность вокруг местной вертикали. Его находят, взяв вертикальную составляющую ротора геострофической скорости.

$\eta$ может быть положительным, нулевым или отрицательным в зависимости от условий, в которых сделан ход. Поскольку абсолютный вихрь почти всегда положителен в синоптическом масштабе , можно считать, что атмосфера в целом устойчива к латеральному движению. Инерционная устойчивость низкая только тогда, когда $\eta$ близко к нулю. С $f$ всегда позитивен, $\eta \leq 0$ может выполняться только на антициклонической стороне сильного максимума струйного течения или в барометрическом гребне на высоте, где производные скорости в направлении смещения в уравнении дают существенное отрицательное значение.

Изменение углового момента указывает на стабильность:

• $\Delta M_{g}=0$частица остается в новом положении, поскольку ее импульс не изменился
• $\Delta M_{g}>0$, частица возвращается в исходное положение, поскольку ее импульс больше импульса окружающей среды
• $\Delta M_{g}<0$, частица продолжает свое перемещение, поскольку ее импульс меньше импульса окружающей среды.

Наклонное движение

Три движения, но только C конвективно неустойчиво.

Однако при определенных стабильных гидростатических и инерционных условиях наклонное смещение может быть нестабильным, когда частица меняет воздушную массу или режим ветра. На рисунке справа показана такая ситуация. Смещение частицы воздуха осуществляется относительно линий кинетического момента ( $\scriptstyle M_{g}$), которые возрастают слева направо, и эквивалентная потенциальная температура ( $\scriptstyle \theta _{e}$), которые увеличиваются с высотой.

Боковое движение А

Горизонтальные ускорения (слева или справа от поверхности) $\scriptstyle M_{g}$) обусловлены увеличением/снижением $\scriptstyle M_{g}$ среды, в которой движется частица. В этих случаях частица ускоряется или замедляется, чтобы приспособиться к новой среде. Частица А испытывает горизонтальное ускорение, которое придает ей положительную плавучесть при движении к более холодному воздуху и замедляется при движении в область меньшего размера. $\scriptstyle M_{g}$. Частица поднимается и в конечном итоге становится холоднее своего нового окружения. В этот момент он имеет отрицательную плавучесть и начинает опускаться. При этом $\scriptstyle M_{g}$ увеличивается и частица возвращается в исходное положение.

Вертикальное смещение B

Вертикальные движения в этом случае приводят к отрицательной плавучести, поскольку частица сталкивается с более теплым воздухом ( $\scriptstyle \theta _{e}$ увеличивается с высотой) и горизонтальное ускорение при движении к более крупным поверхностям $\scriptstyle M_{g}$. Когда частица опускается вниз, ее $\scriptstyle M_{g}$ уменьшается, чтобы соответствовать окружающей среде, и частица возвращается в точку B.

Наклонное смещение C

Только случай C неустойчив. Горизонтальное ускорение сочетается с вертикальным возмущением вверх и допускает наклонное смещение. Действительно, $\scriptstyle \theta _{e}$ частица больше, чем $\scriptstyle \theta _{e}$ окружающей среды. При этом импульс частицы меньше импульса окружающей среды. Таким образом, наклонное смещение создает положительную плавучесть и ускорение в направлении наклонного смещения, которое усиливает ее.

Таким образом, условием условной симметричной неустойчивости в стабильной в остальном ситуации является то, что:

• наклон $\scriptstyle \theta _{e}$ больше, чем у $\scriptstyle M_{g}$
• Бокально вытесненный воздух практически насыщен.

Потенциальные эффекты

Зоны CSI (сплошной синий) и полосатого снега (штрих-зеленый) вдоль теплого фронта, вблизи области низкого давления.

CSI обычно встроен в большие области вертикального движения вверх. Идеальная ситуация — геострофический поток с юга со скоростью ветра, увеличивающейся с высотой. Среда хорошо перемешана и близка к насыщению. Поскольку поток однонаправленный, то составляющую u ветра можно положить равной нулю, что устанавливает симметричный поток, перпендикулярный градиенту температуры в воздушной массе. Этот тип потока обычно встречается в бароклинной атмосфере с холодным воздухом на западе.

Изображение справа показывает такую ​​ситуацию зимой с CSI, связанным с отрицательной эквивалентной потенциальной завихренностью ( $\eta \leq 0$) вблизи теплого фронта. Полосатый снегформируется вдоль фронта, вблизи области низкого давления и ЦСИ.

Наклонная конвекция

Движение вверх в зоне CSI дает облака, движение вниз очищает небо.

Если частица поднимается в зоне CSI, она охлаждается, а водяной пар конденсируется при насыщении, образуя облака и осадки за счет наклонной конвекции. Например, перед теплым фронтом воздушная масса стабильна, поскольку мягкий воздух преодолевает холодную массу. Геострофическое равновесие возвращает любую частицу, движущуюся перпендикулярно к ней из центра депрессии. Однако наклонное смещение вверх из-за ускорения вверх в синоптическом масштабе в слое CSI приводит к появлению параллельных полос сильных дождей.

Условная симметричная неустойчивость влияет на слой, который может быть тонким или очень большим по вертикали, подобно гидростатической конвекции. Толщина слоя определяет усиление конвективных осадков в регионе, в противном случае слоистообразные облака. Поскольку движение происходит в области, близкой к насыщению, частица остается очень близкой к влажно-адиабатической скорости градиента , что дает ей ограниченную доступную конвективную потенциальную энергию (CAPE). Скорость подъема в зоне косой конвекции колеблется от нескольких десятков сантиметров в секунду до нескольких метров в секунду. Обычно это ниже предельной скорости набора высоты в кучево-дождевых облаках , т. е. 5 м/с, что создает молнию и ограничивает ее возникновение при CSI. Однако это возможно в:

• Область висячих осадков мезомасштабных конвективных систем .
• Зимняя конвекция, потому что более низкая и холодная тропопауза помогает ионизации движущихся вверх кристаллов льда.
• В стенке глаза во время фазы углубления зрелых ураганов, хотя и редко, поскольку это область симметрично нейтральная и обычно свободная от грозовой активности.

Полосы наклонной конвекции имеют несколько характеристик:

1. Они параллельны
2. Они параллельны тепловому ветру
3. Они движутся вместе с общим кровообращением.
4. Расстояние между полосами пропорционально толщине слоя CSI.

Проседание

И наоборот, если частица скользит вниз, она нагреется и станет относительно менее насыщенной, рассеивая облака. Снег, образующийся на большей высоте в результате наклонной конвекции, также будет сублимироваться в нисходящем потоке и ускоряться. Это может придать ему скорость снижения, достигающую 20 м/с. Этот эффект связан со спуском на землю реактивного самолета Стинга .

Внешние ссылки

• Дэвид М. Шульц; Филип Н. Шумахер (14 декабря 1998 г.). «Использование и неправильное использование условной симметричной нестабильности» . Национальная лаборатория сильных штормов . Проверено 23 августа 2019 г.
• «Наклонная конвекция» . Курсы КОМЕТ . УКАР . Проверено 23 августа 2019 г. Интерактивный курс, требующий входа в систему