Horizontální konvekční role - Horizontal convective rolls - Wikipedia

„Cloud street“ přeadresuje tady. Knihu od Tima Wintona viz Cloudstreet. Televizní adaptace knihy viz Cloudstreet (minisérie).
Horizontální konvekční role vytvářející cloudové ulice (levá dolní část obrazu) nad Beringovo moře.
Jednoduché schéma výroby mraků ulic horizontálními konvekčními válci.
Řady mraků ulic se táhnou od severozápadu k jihovýchodu v tomto přirozeném barevném satelitním pohledu na Nová Anglie.

Horizontální konvekční role, také známý jako horizontální rolovací víry nebo oblačné ulice, jsou dlouhé role protiběžného vzduchu, které jsou orientovány přibližně rovnoběžně se zemí v planetární mezní vrstva. Ačkoli horizontální konvektivní role, známé také jako cloudové ulice, byly za posledních 30 let jasně vidět na satelitních fotografiích, jejich vývoj je špatně pochopen kvůli nedostatku pozorovacích údajů. Ze země se jeví jako řady kupovité nebo kupovité oblačnosti zarovnané rovnoběžně s nízkoúrovňovým větrem. Výzkum ukázal, že tyto víry jsou významné pro vertikální transport hybnosti, tepla, vlhkosti a látek znečišťujících ovzduší v mezní vrstvě.[1] Mrakové ulice jsou obvykle víceméně rovné; zřídka předpokládají cloudové ulice paisley vzory, když vítr pohánějící mraky narazí na překážku. Tyto cloudové formace jsou známé jako vířivé ulice von Kármán.

Vlastnosti

Horizontální válce jsou protiběžné vírové válce, které jsou téměř vyrovnány se středním větrem planetární mezní vrstvy (PBL). Mohou být způsobeny konvekcí za mírného větru[2] a / nebo nestability dynamického inflexního bodu ve středním profilu větru.[3] Raná teorie[3][4][5][6][7] na vlastnostech předpovídají, že víry mohou být vyrovnány až 30 ° doleva pro stabilně stratifikované prostředí, 18 ° doleva pro neutrální prostředí a téměř rovnoběžně se středním větrem pro nestabilně stratifikované (konvektivní) prostředí. Tato teorie byla podpořena pozorováním letadel z několika polních experimentů.[5][7][8]

Hloubkou víru je obvykle hloubka mezní vrstvy, která je obvykle řádově 1–2 km. Vírová dvojice má obvykle poměr stranové a vertikální dimenze kolem 3: 1.[6][7][9] Experimentální studie ukázaly, že bylo zjištěno, že poměr stran (poměr vlnové délky role k hloubce mezní vrstvy) se pohybuje mezi 2: 1 a 6: 1, avšak v některých situacích může být poměr stran až 10: 1 . Životnost konvektivní role může trvat hodiny až dny.[4][10][6][7]

Pokud je okolní vzduch téměř nasycený, může dojít ke kondenzaci v proudech vyvolaných rotací víru. Potopený pohyb vytvářený mezi střídajícími se páry válců odpařuje mraky. To v kombinaci s updrafts vytvoří řady mraků. Piloti kluzáků často používají stoupání proudu vytvářená oblačnými ulicemi, což jim umožňuje létat rovně na dlouhé vzdálenosti, odtud název „oblačné ulice“.

Vývoj a požadované podmínky prostředí

Přesný proces, který vede k vytvoření vodorovných válců, je komplikovaný. Základním napěťovým mechanismem v PBL je turbulentní tok hybnosti a tento termín musí být aproximován v dynamických pohybových rovnicách tekutiny, aby bylo možné modelovat tok a toky Ekmanovy vrstvy.[6][7][11][12][13][1]

Lineární aproximace, rovnice vířivé difuzivity s vířivým difuzním koeficientem K, umožnila Ekmanovi získat jednoduché logaritmické spirálové řešení. Avšak častá přítomnost horizontálních válcových vírů v PBL, které představují organizaci turbulence (koherentní struktury), naznačuje, že aproximace difuzivity není adekvátní. Ekmanovo řešení má vlastní inflexní profil větru, u kterého bylo zjištěno, že je nestabilní vůči dlouhým vlnám odpovídajícím měřítku organizovaných velkých vírů.[3] Nelineární teorie ukázala, že růst těchto konečných poruchových vln upravuje střední tok a eliminuje energii dynamické inflexní nestability tak, aby byla získána rovnováha. Upravený střední tok dobře odpovídá pozorování.[7][1] Toto řešení pro vrstvu obsahující vlnovou délku role PBL vyžaduje úpravu transportů toku, aby se přizpůsobilo modelování nežádoucího pohybu velkých vírů.[11][12][1]

Nejpříznivější podmínky pro vytváření válců nastávají, když je nejspodnější vrstva vzduchu nestabilní, ale je překryta inverzí - stabilní vrstvou vzduchu. Musí být mírný vítr. K tomu často dochází, když vrchní vzduch ustupuje, například za anticyklonálních podmínek, a často se také vyskytuje, když se přes noc vytvoří radiační mlha. Konverze nastává pod inverzí, přičemž vzduch stoupá v termice pod mraky a klesá ve vzduchu mezi ulicemi.

Turbulentní energie odvozená z dynamických nestabilit se vyrábí z energie střihu větru. Vyšší vítr upřednostňuje tento vývoj válce, zatímco konvekční energie jej upravuje. Konvekce za přítomnosti nízké rychlosti vytváří válce, protože je potlačen růst nestability ve smyku. Konvekce v prostředí s velmi nízkým větrem obecně produkuje buněčnou konvekci.[7][1][8]

Ačkoli toto řešení bylo ověřeno četnými pozorováními, je složité, zahrnuje matematiku teorie chaosu a nebylo široce používáno.[3][6][7][11][12] Když však byla začleněna do předpovědních modelů NCEP pomocí dat o přízemním větru ze satelitu, významně zlepšila předpovědi. Nelineární řešení s explicitním popisem rolí koherentní struktury konečné perturbace představuje významný příspěvek k teorii chaosu pro organizaci turbulence.

Viz také

Reference

  1. ^ A b C d E Etling, D .; R.A. Brown (1993). „Roll Vortices in the Planetary Boundary Layer: A Review“. Mezní vrstva meteorologie. 65 (3): 215–248. Bibcode:1993BoLMe..65..215E. doi:10.1007 / BF00705527.
  2. ^ Kuo, H. (1963). "Perturbations of Plane Couette Flow in Stratified Fluid and Origin of Cloud Sheets". Fyzika tekutin. 6 (2): 195–211. Bibcode:1963PhFl .... 6..195K. doi:10.1063/1.1706719.
  3. ^ A b C d Brown, R.A. (1970). „Model sekundárního toku pro planetární mezní vrstvu“. 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. ^ A b Brown, R.A. (1972). „V nestabilitě inflexního bodu stratifikované hraniční vrstvy Ekman“. Journal of the Atmospheric Sciences. 29 (5): 851–859. Bibcode:1972JAtS ... 29..850B. doi:10.1175 / 1520-0469 (1972) 029 <0850: OTIPIO> 2.0.CO; 2.
  5. ^ A b LeMone, M. (1973). „Struktura a dynamika horizontálních vírů v planetární mezní vrstvě“. Journal of the Atmospheric Sciences. 30 (6): 1077–1091. Bibcode:1973JAtS ... 30.1077L. doi:10.1175 / 1520-0469 (1973) 030 <1077: TSADOH> 2,0.CO; 2.
  6. ^ A b C d E Brown, R.A. (1974). „Analytic Methods in Planetary Boundary Layer Modeling“, Adam Analytic Methods in Planetary Boundary Layer Modeling, Adam Hilger LTD., London, and Halstead Press, John Wiley and Sons, New York, ISBN  0470111607.
  7. ^ A b C d E F G h Brown, R.A. (1980). „Podélné nestability a sekundární toky v planetární mezní vrstvě: recenze“. Recenze geofyziky a fyziky vesmíru. 18 (3): 683–697. Bibcode:1980RvGSP..18..683B. doi:10.1029 / RG018i003p00683.
  8. ^ A b Weckworth, T. M.; J.W. Wilson; R.M. Wakimoto; N.A. Crook (1997). „Stanovení podmínek prostředí podporujících jejich existenci a vlastnosti“. Měsíční přehled počasí. 125 (4): 505–526. Bibcode:1997MWRv..125..505W. doi:10.1175 / 1520-0493 (1997) 125 <0505: HCRDTE> 2.0.CO; 2.
  9. ^ Stull, Roland (1988). Úvod do mezní vrstvy meteorologie (2. vyd.). Kluwer Academic Publishers. ISBN  9027727694.
  10. ^ Kelly, R. (1982). „Jediná Dopplerova radarová studie konvekce horizontálního pohybu ve sněhové bouři s efektem jezera“. Journal of the Atmospheric Sciences. 39 (7): 1521–1531. Bibcode:1982JAtS ... 39,1521K. doi:10.1175 / 1520-0469 (1982) 039 <1521: asdrso> 2.0.co; 2.
  11. ^ A b C Brown, R.A. (1981). "O využití směnných koeficientů a organizovaných velkých vírů v modelování turbulentních toků". Mezní vrstva meteorologie. 20 (1): 111–116. Bibcode:1981BoLMe..20..111B. doi:10.1007 / BF00119927.
  12. ^ A b C Brown, R.A. a T. Liu (1982). „Provozní rozsáhlý model mořské planetární mezní vrstvy“. Journal of Applied Meteorology. 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. ^ Brown, R.A. (1991). „Fluid Mechanics of the Atmosphere“, International Geophysics Series, 47, Academic Press, San Diego, ISBN  0-12-137040-2

Další čtení