Горизонтальные конвективные валки

Простая схема создания облачных улиц с помощью горизонтальных конвективных валков.

Горизонтальные конвективные валки , также известные как горизонтальные вихри или облачные улицы , представляют собой длинные валки встречно вращающегося воздуха, которые ориентированы примерно параллельно земле в планетарном пограничном слое . Хотя горизонтальные конвективные валки, также известные как улицы облаков, отчетливо 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 малых высотах. Исследования показали, что эти вихри играют важную роль в вертикальном переносе импульса, тепла, влаги и загрязнителей воздуха внутри пограничного слоя. ^{[ 1 ]} Облачные улицы обычно более или менее прямые; редко облачные улицы принимают узор пейсли , когда ветер, гонящий облака, сталкивается с препятствием. Эти облачные образования известны как вихревые улицы фон Кармана .

Характеристики

Горизонтальные рулоны представляют собой вихревые рулоны, вращающиеся в противоположных направлениях, которые почти совпадают со средним ветром Планетарного пограничного слоя (PBL). Они могут быть вызваны конвекцией при умеренном ветре. ^{[ 2 ]} и/или динамическую нестабильность точки перегиба профиля среднего ветра. ^{[ 3 ]} Ранняя теория ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} Эти особенности предсказывают, что вихри могут быть ориентированы под углом до 30 ° влево для стабильно стратифицированных сред, до 18 ° влево для нейтральных сред и почти параллельно среднему ветру для нестабильно стратифицированных (конвективных) сред. Эта теория была подтверждена 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 (отношение длины волны вращения к глубине пограничного слоя) варьируется от 2:1 до 6:1, однако в некоторых ситуациях соотношение сторон может достигать 10:1. . Время жизни конвективного валика может длиться от часов до дней. ^{[ 4 ]}^{[ 10 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}

Если окружающий воздух близок к насыщению, конденсация может возникнуть в восходящих потоках, возникающих в результате вращения вихря. Опускающееся движение, производимое между чередующимися парами валков, приведет к испарению облаков. Это, в сочетании с восходящими потоками, создаст ряды облаков. Пилоты планеров часто используют восходящие потоки воздуха, создаваемые облачными улицами, что позволяет им летать прямо на большие расстояния, отсюда и название «облачные улицы».

Развитие и необходимые условия окружающей среды

Точный процесс, который приводит к образованию горизонтальных валков, сложен. Основным механизмом напряжения в PBL является турбулентный поток импульса, и этот термин необходимо аппроксимировать в уравнениях гидродинамики движения, чтобы смоделировать поток и потоки в слое 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 в ППС, которые представляют собой организацию турбулентности (когерентные структуры), указывает на то, что приближение диффузии не является адекватным. Решение Экмана имеет собственный профиль перегиба ветра, который оказался неустойчивым к длинным волнам, соответствующим масштабу организованных крупных вихрей. ^{[ 3 ]} Нелинейная теория показала, что рост этих конечных волн возмущений изменяет средний поток, устраняя динамическую энергию перегибной неустойчивости, так что достигается равновесие. Модифицированный средний поток хорошо соответствует наблюдениям. ^{[ 7 ]}^{[ 1 ]} Это решение для слоя, содержащего длину волны вращения в масштабе PBL, требует модификации переноса потока для моделирования адвективного движения больших вихрей. ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}^{[ 1 ]}

Наиболее благоприятные условия для образования валков возникают тогда, когда самый нижний слой воздуха неустойчив, но перекрыт инверсией — устойчивым слоем воздуха. Должен быть умеренный ветер. Это часто происходит, когда верхние слои атмосферы опускаются, например, в антициклонических условиях, а также часто наблюдается, когда за ночь образовался радиационный туман. Конвекция происходит ниже инверсии: воздух поднимается в термиках под облаками и опускается в воздух между улицами.

Турбулентная энергия, возникающая в результате динамической нестабильности, создается за счет энергии сдвига ветра. Более сильный ветер способствует развитию этого переката, в то время как конвективная энергия изменяет его. Конвекция при наличии низкой скорости приводит к образованию валков, поскольку подавляется рост неустойчивости сдвига. Конвекция в условиях очень слабого ветра обычно приводит к клеточной конвекции. ^{[ 7 ]}^{[ 1 ]}^{[ 8 ]}

Хотя это решение было проверено многочисленными наблюдениями, оно сложное, требует математики теории хаоса и не получило широкого распространения. ^{[ 3 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}^{[ 11 ]}^{[ 12 ]} Однако при включении в модели прогнозов NCEP с использованием спутниковых данных о приземном ветре прогнозы значительно улучшились. Нелинейное решение с явным описанием конечных возмущений когерентной структуры рулонов представляет собой значительный вклад в теорию хаоса для организации турбулентности.

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Этлинг, Д.; Р. А. Браун (1993). «Вихри вращения в планетарном пограничном слое: обзор». Метеорология пограничного слоя . 65 (3): 215–248. Бибкод : 1993BoLMe..65..215E . дои : 10.1007/BF00705527 . S2CID 119535446 .
^ Куо, Х. (1963). «Возмущения плоского течения Куэтта в стратифицированной жидкости и происхождение облачных покровов». Физика жидкостей . 6 (2): 195–211. Бибкод : 1963PhFl....6..195K . дои : 10.1063/1.1706719 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Браун, Р.А. (1970). «Модель вторичного потока для планетарного пограничного слоя» . Журнал атмосферных наук . 27 (5): 742–757. Бибкод : 1970JAtS...27..742B . doi : 10.1175/1520-0469(1970)027<0742:ASFMFT>2.0.CO;2 . ISSN 1520-0469 .
^ Jump up to: ^а ^б Браун, Р.А. (1972). «О неустойчивости точки перегиба стратифицированного пограничного слоя Экмана» . Журнал атмосферных наук . 29 (5): 851–859. Бибкод : 1972JAtS...29..850B . doi : 10.1175/1520-0469(1972)029<0850:OTIPIO>2.0.CO;2 .
^ Jump up to: ^а ^б ЛеМоун, М. (1973). «Структура и динамика горизонтальных завихрений в планетарном пограничном слое» . Журнал атмосферных наук . 30 (6): 1077–1091. Бибкод : 1973JAtS...30.1077L . doi : 10.1175/1520-0469(1973)030<1077:TSADOH>2.0.CO;2 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Браун, Р.А. (1974). «Аналитические методы моделирования планетарного пограничного слоя», «Аналитические методы Адама в моделировании планетарного пограничного слоя», Adam Hilger LTD., Лондон, и Halstead Press, John Wiley and Sons, Нью-Йорк, ISBN 0470111607 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Браун, Р.А. (1980). «Продольные неустойчивости и вторичные потоки в планетарном пограничном слое: обзор». Обзоры по геофизике и космической физике . 18 (3): 683–697. Бибкод : 1980RvGSP..18..683B . дои : 10.1029/RG018i003p00683 .
^ Jump up to: ^а ^б Векверт, ТМ; Дж. В. Уилсон; Р. М. Вакимото; Н. А. Крук (1997). «Определение условий окружающей среды, поддерживающих их существование, и характеристик» . Ежемесячный обзор погоды . 125 (4): 505–526. Бибкод : 1997MWRv..125..505W . doi : 10.1175/1520-0493(1997)125<0505:HCRDTE>2.0.CO;2 . S2CID 124381300 .
^ Сталл, Роланд (1988). Введение в метеорологию пограничного слоя (2-е изд.). Академическое издательство Kluwer . ISBN 9027727694 .
^ Келли, Р. (1982). «Одиночное доплеровское радиолокационное исследование горизонтальной конвекции во время снежной бури с эффектом озера» . Журнал атмосферных наук . 39 (7): 1521–1531. Бибкод : 1982JAtS...39.1521K . doi : 10.1175/1520-0469(1982)039<1521:asdrso>2.0.co;2 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Браун, Р.А. (1981). «Об использовании коэффициентов обмена и организованных крупномасштабных вихрей при моделировании турбулентных потоков». Метеорология пограничного слоя . 20 (1): 111–116. Бибкод : 1981BoLMe..20..111B . дои : 10.1007/BF00119927 . S2CID 120165198 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Браун, Р.А. и Т. Лю (1982). «Действующая крупномасштабная модель морского планетарного пограничного слоя» . Журнал прикладной метеорологии . 21 (3): 261–269. Бибкод : 1982JApMe..21..261B . doi : 10.1175/1520-0450(1982)021<0261:AOLSMP>2.0.CO;2 . ISSN 1520-0450 .
^ Браун, РА (1991). «Механика жидкости в атмосфере», Международная серия по геофизике, 47, Academic Press, Сан-Диего, ISBN 0-12-137040-2

Дальнейшее чтение

Данлоп, Шторм (2002) Справочник по идентификации погоды Гилфорд, Коннектикут: The Lyons Press. ISBN 1-58574-857-9
бомбардир, Веркаик (1989) Spacious Skies Дэвид и Чарльз ISBN 0-7153-9139-9
«Облачные улицы вымощают Гудзонов залив» . Земная обсерватория НАСА . Архивировано из оригинала 1 октября 2006 г. Проверено г. 1 мая 2006
«Облачные улицы, сфотографированные над Мексиканским заливом: галерея изображений облачных улиц» . Метеорологические новости . Проверено 29 октября 2009 г.

[Etl93-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Этлинг, Д.; Р. А. Браун (1993). «Вихри вращения в планетарном пограничном слое: обзор». Метеорология пограничного слоя . 65 (3): 215–248. Бибкод : 1993BoLMe..65..215E . дои : 10.1007/BF00705527 . S2CID 119535446 .

[Kuo63-2] Куо, Х. (1963). «Возмущения плоского течения Куэтта в стратифицированной жидкости и происхождение облачных покровов». Физика жидкостей . 6 (2): 195–211. Бибкод : 1963PhFl....6..195K . дои : 10.1063/1.1706719 .

[r2-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Браун, Р.А. (1970). «Модель вторичного потока для планетарного пограничного слоя» . Журнал атмосферных наук . 27 (5): 742–757. Бибкод : 1970JAtS...27..742B . doi : 10.1175/1520-0469(1970)027<0742:ASFMFT>2.0.CO;2 . ISSN 1520-0469 .

[Bro72-4] Jump up to: ^а ^б Браун, Р.А. (1972). «О неустойчивости точки перегиба стратифицированного пограничного слоя Экмана» . Журнал атмосферных наук . 29 (5): 851–859. Бибкод : 1972JAtS...29..850B . doi : 10.1175/1520-0469(1972)029<0850:OTIPIO>2.0.CO;2 .

[LeM73-5] Jump up to: ^а ^б ЛеМоун, М. (1973). «Структура и динамика горизонтальных завихрений в планетарном пограничном слое» . Журнал атмосферных наук . 30 (6): 1077–1091. Бибкод : 1973JAtS...30.1077L . doi : 10.1175/1520-0469(1973)030<1077:TSADOH>2.0.CO;2 .

[r5-6] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Браун, Р.А. (1974). «Аналитические методы моделирования планетарного пограничного слоя», «Аналитические методы Адама в моделировании планетарного пограничного слоя», Adam Hilger LTD., Лондон, и Halstead Press, John Wiley and Sons, Нью-Йорк, ISBN 0470111607 .

[r6-7] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Браун, Р.А. (1980). «Продольные неустойчивости и вторичные потоки в планетарном пограничном слое: обзор». Обзоры по геофизике и космической физике . 18 (3): 683–697. Бибкод : 1980RvGSP..18..683B . дои : 10.1029/RG018i003p00683 .

[Weck97-8] Jump up to: ^а ^б Векверт, ТМ; Дж. В. Уилсон; Р. М. Вакимото; Н. А. Крук (1997). «Определение условий окружающей среды, поддерживающих их существование, и характеристик» . Ежемесячный обзор погоды . 125 (4): 505–526. Бибкод : 1997MWRv..125..505W . doi : 10.1175/1520-0493(1997)125<0505:HCRDTE>2.0.CO;2 . S2CID 124381300 .

[Stu88-9] Сталл, Роланд (1988). Введение в метеорологию пограничного слоя (2-е изд.). Академическое издательство Kluwer . ISBN 9027727694 .

[Kel82-10] Келли, Р. (1982). «Одиночное доплеровское радиолокационное исследование горизонтальной конвекции во время снежной бури с эффектом озера» . Журнал атмосферных наук . 39 (7): 1521–1531. Бибкод : 1982JAtS...39.1521K . doi : 10.1175/1520-0469(1982)039<1521:asdrso>2.0.co;2 .

[r7-11] Jump up to: ^а ^б ^с Браун, Р.А. (1981). «Об использовании коэффициентов обмена и организованных крупномасштабных вихрей при моделировании турбулентных потоков». Метеорология пограничного слоя . 20 (1): 111–116. Бибкод : 1981BoLMe..20..111B . дои : 10.1007/BF00119927 . S2CID 120165198 .

[r8-12] Jump up to: ^а ^б ^с Браун, Р.А. и Т. Лю (1982). «Действующая крупномасштабная модель морского планетарного пограничного слоя» . Журнал прикладной метеорологии . 21 (3): 261–269. Бибкод : 1982JApMe..21..261B . doi : 10.1175/1520-0450(1982)021<0261:AOLSMP>2.0.CO;2 . ISSN 1520-0450 .

[r11-13] Браун, РА (1991). «Механика жидкости в атмосфере», Международная серия по геофизике, 47, Academic Press, Сан-Диего, ISBN 0-12-137040-2

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]