Плотность холодного воздуха

Когда теплый воздух перед надвигающейся штормовой системой перекрывает холодный воздух, захваченный к востоку от горного хребта, облачность и осадки могут происходить в течение продолжительных периодов времени.

Запруд холодным воздухом , или CAD , - это метеорологическое явление, которое включает систему высокого давления ( антициклон ), ускоряющуюся к экватору к востоку от горного хребта, ориентированного с севера на юг, из-за образования барьерной струи за холодным фронтомсвязанный с направленной к полюсу частью разделенного желоба верхнего уровня. Первоначально система высокого давления перемещается к полюсу горного хребта с севера на юг. Как только он плещется по направлению к полюсу и к востоку от хребта, поток вокруг высоких берегов устремляется к горам, образуя барьерную струю, которая направляет охлаждающий воздух вниз по участку земли к востоку от гор. Чем выше горный хребет, тем глубже холодная воздушная масса оказывается к востоку от нее, и чем сильнее она препятствует течению, тем более устойчивой она становится к вторжению более мягкого воздуха.

По мере приближения к экваториальной части системы к клину холодного воздуха возникает стойкая низкая облачность, такая как пластовая , и осадки, такие как морось , которые могут сохраняться в течение длительных периодов времени; аж десять дней. Само по себе осаждение может создать или усилить подпорку, если направленный к полюсу максимум относительно слаб. Если такие явления ускоряются через горные перевалы, это может привести к опасно ускоренным ветрам в перерывах между горами , таким как ветры Теуантепечер и Санта-Ана.. Эти события обычно наблюдаются в северном полушарии в центральной и восточной частях 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.

Местоположение [ править ]

Этот метеорологический спутник TRMM показывает влияние ветра на Tehuantepecer 16 декабря 2000 года в 1315 UTC.

Запруды холодного воздуха обычно происходят в средних широтах, поскольку этот регион находится в пределах Западных ветров , где часто встречаются фронтальные вторжения. Когда арктические колебания отрицательны и давление над полюсами выше, поток становится более меридиональным, дует от направления полюса к экватору, что приносит холодный воздух в средние широты. ^[1] Запруды холодного воздуха наблюдаются в южном полушарии к востоку от Анд, при этом вторжения холодного воздуха наблюдаются до 10-й параллели к югу от экватора . ^[2] В северном полушарии, обычные ситуации происходят вдоль восточной стороны хребтов в системе Скалистых гор над западными частямиВеликие равнины , а также различные другие горные цепи (например, Каскады ) вдоль западного побережья Соединенных Штатов. ^[3] Первоначальное возникновение вызвано направленной к полюсу частью раздвоенного желоба верхнего уровня, при этом плотина предшествует прибытию более направленной к экватору части. ^[4]

Некоторые из явлений запруживания холодным воздухом, которые происходят к востоку от Скалистых гор, продолжаются на юг к востоку от Сьерра-Мадре-Ориентал через прибрежную равнину Мексики через перешеек Теуантепек . Дальнейшее проникновение холодного воздуха происходит в пределах перешейка, что может привести к ураганным ветрам и ураганам, называемым теуантепечером . Другие распространенные случаи засорения холодным воздухом имеют место на прибрежной равнине в восточно-центральной части Северной Америки, между Аппалачскими горами и Атлантическим океаном . ^[5] В Европе районы к югу от Альп могут быть подвержены запруживанию холодным воздухом. ^[4] В Азии засорение холодным воздухом было зарегистрировано недалеко от Тайваня.и Корейский полуостров . ^{[6] [7]}

Приливы холода на восточных склонах Скалистых гор, Исландии, Новой Зеландии ^[8] и восточной Азии отличаются от холодного воздуха, запружавшего к востоку от Аппалачей, из-за более широких горных хребтов , наклонной местности и отсутствия восточной части тела. теплая вода. ^[9]

Развитие [ править ]

Обычное развитие CAD - это когда холодная зона с высоким давлением расклинивается на востоке от горной цепи, ориентированной с севера на юг. По мере приближения системы с запада постоянная облачность с сопутствующими осадками формируется и сохраняется по всему региону в течение длительных периодов времени. Разница температур между более теплым побережьем и внутренними частями к востоку от местности может превышать 36 градусов по Фаренгейту (20 градусов по Цельсию), с дождем у побережья и замороженными осадками, такими как снег, мокрый снег и ледяной дождь, которые выпадают вглубь суши в холодное время года. год. В Северном полушарии две трети таких событий происходят в период с октября по апрель, а летним событиям предшествует прохождение черного холодного фронта . ^[10]В Южном полушарии они были зарегистрированы в период с июня по ноябрь. ^[2] События засорения холодным воздухом, которые происходят, когда исходная поверхностная система высокого давления относительно слаба, с центральным давлением ниже 1028,0 мбар (30,36 дюйма ртутного столба) или остается прогрессивной функцией (постоянное движение на восток), могут быть значительно усилены облачностью. и сами осадки. Облака и осадки увеличивают давление на уровне моря в этом районе на 1,5–2,0 мбар (0,04–0,06 дюйма рт. Ст.). ^[11] Когда высота поверхности перемещается в сторону от берега, сами осадки могут вызвать событие CAD. ^[12]

Обнаружение [ править ]

Алгоритм обнаружения [ править ]

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

Этот алгоритм используется для определения конкретного типа событий САПР на основе гребня давления на поверхности, связанного с ним холодного купола и агеострофического северо-восточного потока, который течет под значительным углом к ​​изобарической структуре. Эти значения рассчитываются с использованием почасовых данных приземных наблюдений за погодой . Лапласиан давления на уровне моря или потенциальной температуру в горно-нормальной перпендикулярно к горной цепи направлении обеспечивает количественную меру интенсивности хребта давления или связанный с холодным куполом. Алгоритм обнаружения основан на лапласианах (${\ Displaystyle \ набла ^ {2} х}$) оценены для трех нормальных горных линий, построенных на основе наблюдений с поверхности в районе, подверженном влиянию запруживания холодным воздухом, - зоне запруд. «X» обозначает давление на уровне моря или потенциальную температуру (θ), а нижние индексы 1–3 обозначают станции, идущие с запада на восток вдоль линии, а «d» обозначает расстояние между двумя станциями. Отрицательные значения лапласиана обычно связаны с максимумами давления на центральной станции, в то время как положительные значения лапласиана обычно соответствуют более низким температурам в центре разреза. ^[13]

Эффекты [ править ]

Когда происходит засорение холодным воздухом, это позволяет холодному воздуху подниматься к экватору в пораженной области. В спокойных, не штормовых ситуациях холодный воздух будет беспрепятственно продвигаться вперед до тех пор, пока зона с высоким давлением не перестанет оказывать какое-либо влияние из-за недостатка размера или выхода из зоны. Эффекты запруживания холодным воздухом становятся более заметными (а также более сложными), когда штормовая система взаимодействует с распространяющимся холодным воздухом.

Эффекты запруживания холодным воздухом к востоку от Каскадов в Вашингтоне усиливаются чашеобразной или бассейновой топографией Восточного Вашингтона . Холодный арктический воздух, текущий на юг из Британской Колумбии через долину реки Оканоган, заполняет бассейн, заблокированный с юга Голубыми горами . Запруд холодного воздуха заставляет холодный воздух накапливаться вдоль восточных склонов Каскада, особенно в нижние перевалы, такие как перевал Сноквалми и перевал Стивенса.. Более мягкий воздух под влиянием Тихого океана, движущийся на восток по Каскадам, часто поднимается вверх холодным воздухом в проходах, удерживаемым на месте холодным воздухом, запруживающимся к востоку от Каскадов. В результате на перевалах часто выпадает больше снега, чем на возвышенностях Каскадов, что позволяет кататься на лыжах на перевалах Сноквалми и Стивенс. ^[14]

Ситуация во время ветровых явлений Теуантепесерс и Санта-Ана более сложна, поскольку они возникают, когда воздух устремляется на юг из-за запруды холодного воздуха к востоку от Сьерра-Мадре-Ориенталь и Сьерра-Невада соответственно, ускоряется, когда он движется через промежутки в местности. Санта-Ана еще больше осложняется нисходящим уклоном или ветрами , высыхающими и нагреваются в подветренной части Сьерра-Невады и прибрежных хребтов, что приводит к опасной ситуации лесных пожаров .

Клин [ править ]

Эффект, известный как «клин», является наиболее широко известным примером перекрытия холодным воздухом. В этом сценарии штормовая система, расположенная ближе к экватору, принесет более теплый воздух с собой над поверхностью (на высоте около 1500 метров (4900 футов)). Этот более теплый воздух будет перемещаться по более прохладному 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 снег. Когда температура на поверхности выше нуля, может возникнуть изморось или дождь. Мокрый снег или ледяные шарики образуются, когда существует слой воздуха выше точки замерзания, а воздух ниже точки замерзания находится как над ним, так и под ним. Это приводит к частичному или полному таянию любых снежинок, выпадающих из теплого слоя. Когда они снова падают в слой ниже замерзания, ближе к поверхности, они снова замерзают в ледяные шарики. Однако, если слой ниже замерзшего слоя под теплым слоем слишком мал, осадки не успеют снова замерзнуть, и на поверхности будет образовываться ледяной дождь . ^[15] Более толстый или более сильный холодный слой, где теплый слой наверху не сильно нагревается выше точки плавления, приведет к выпадению снега.

Блокировка [ править ]

Блокирование происходит, когда хорошо зарекомендовавшая себя система высокого давления, направленная к полюсу, находится рядом или в пределах пути надвигающейся штормовой системы. Чем толще холодная воздушная масса, тем эффективнее она может блокировать вторгающуюся более мягкую воздушную массу. Глубина массы холодного воздуха обычно меньше, чем горная преграда, создавшая CAD. Некоторые события на Межгорном Западе могут длиться до десяти дней. Загрязняющие вещества и дым могут оставаться взвешенными в стабильной воздушной массе плотины холодного воздуха. ^[16]

Эрозия [ править ]

Часто спрогнозировать эрозию CAD-события труднее, чем его развитие. Численные модели склонны недооценивать продолжительность события. Общее число Ричардсона , Ri, вычисляет вертикальный сдвиг ветра, чтобы помочь прогнозировать эрозию. Числитель соответствует силе инверсионного слоя, разделяющего холодный купол САПР и ближайшую атмосферу над ним. Знаменатель выражает квадрат вертикального сдвига ветра через инверсионный слой. Небольшие значения числа Ричардсона приводят к турбулентному перемешиванию, которое может ослабить инверсионный слой и способствовать разрушению холодного купола, что приведет к окончанию события CAD. ^[9]

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

Холодная адвекция наверху [ править ]

Одним из наиболее эффективных механизмов эрозии является импорт более холодного воздуха - также известный как адвекция холодного воздуха - вверх. При максимальной адвекции холода над инверсионным слоем охлаждение наверху может ослабевать в инверсионном слое, что позволяет смешивать и прекращать CAD. Число Ричардсона уменьшается за счет ослабления инверсионного слоя. Холодная адвекция способствует оседанию и высыханию, что способствует солнечному нагреву ниже инверсии. ^[9]

Солнечное отопление [ править ]

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

Приповерхностное расхождение [ править ]

В Соединенных Штатах, когда система высокого давления движется на восток к Атлантике, северные ветры вдоль юго-восточного побережья уменьшаются. Если северо-восточные ветры сохраняются в районе южной плотины, подразумевается чистая дивергенция. Приповерхностное расхождение уменьшает глубину холодного купола, а также способствует опусканию воздуха, что может уменьшить облачность. Уменьшение облачности позволяет солнечному нагреву эффективно нагревать холодный купол с поверхности. ^[9]

Перемешивание, вызванное сдвигом [ править ]

Сильная статическая стабильность инверсионного слоя CAD обычно препятствует турбулентному перемешиванию 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 отопления, эта эрозия САПР 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]

Фронтальное продвижение [ править ]

Эрозия холодного купола обычно сначала происходит около краев, где слой относительно неглубокий. По мере перемешивания и размывания холодного купола граница холодного воздуха - часто обозначаемая как прибрежный или теплый фронт - будет перемещаться вглубь суши, уменьшая ширину холодного купола. ^[9]

Классификация событий на юго-востоке США [ править ]

Была разработана объективная схема для классификации определенных типов событий САПР на юго-востоке США. Каждая схема основана на прочности и расположении исходной системы высокого давления.

Классический [ править ]

Классические явления CAD характеризуются сухим синоптическим воздействием, частичным диабатическим вкладом и сильным родительским антициклоном (системой высокого давления), расположенным к северу от области подпружиненных Аппалачей. Сильная система высокого давления обычно определяется как имеющая центральное давление более 1030,0 мбар (30,42 дюйма рт. Ст.). Северо-восток США - наиболее благоприятное место для системы высокого давления в классических событиях САПР.^[9]

Для диабетически усиленных классических событий, за 24 часа до начала ИБС, заметная струя в 250 мб простирается с юго-запада на северо-восток через восточную часть Северной Америки. Общая зона прогиба присутствует на уровнях 500 и 250 мб к западу от струи. Исходная система высокого давления сосредоточена в верхней части Среднего Запада ниже области входа струи 250 мб, создавая условия для CAD к востоку от Скалистых гор . ^[13]

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

Гибрид [ править ]

Когда родительский антициклон слабее или не идеально расположен, диабатический процесс должен начать вносить свой вклад в развитие CAD. В сценариях, где существует равный вклад сухого синоптического воздействия и диабатических процессов, это считается гибридным событием завала. ^[9] Джет 250 мб слабее и немного южнее по сравнению с классическим композитом за 24 часа до начала САПР. Поскольку материнская поверхность находится дальше на западе, она выстраивается на восток в северные районы Великих равнин и западных Великих озер, расположенные ниже области сливающихся потоков от струи 250 мб. ^[13]

На месте [ править ]

События на месте - самые слабые и часто самые недолговечные из всех типов событий САПР. Эти события происходят в отсутствие идеальных синоптических условий, когда положение антициклона крайне неблагоприятно, так как он находится далеко от берега. ^[9] В некоторых случаях на месте градиент барьерного давления 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 на месте. Эти события часто приводят к слабым узким плотинам. ^[9]

Прогноз [ править ]

Обзор [ править ]

Прогнозы погоды во время событий САПР особенно подвержены неточностям. Особенно сложно предсказать тип осадков и суточные высокие температуры. Численные модели погоды, как правило, более точны при прогнозировании развития событий САПР и менее точны при прогнозировании их эрозии. Ручное прогнозирование может дать более точные прогнозы. Опытный прогнозист будет использовать числовые модели в качестве руководства, но при этом учитывает неточности и недостатки модели.^[17]

Пример случая [ править ]

Событие CAD в Аппалачах в октябре 2002 года иллюстрирует некоторые недостатки краткосрочных погодных моделей для прогнозирования события CAD. Это событие характеризовалось стабильным насыщенным слоем холодного воздуха с поверхности до уровня давления 700 мбар над штатами Вирджиния, Северная Каролина и Южная Каролина. Эта масса холодного воздуха была заблокирована Аппалачами и не рассеялась, даже когда прибрежный циклон на востоке усилился. Во время этого события краткосрочные погодные модели предсказали эту холодную массовую очистку, что приведет к более справедливым погодным условиям для региона, таким как более теплые условия и отсутствие слоя слоистых облаков. Однако модель работала плохо, поскольку не учитывала чрезмерное прохождение солнечного излучения через облачные слои и неглубокое перемешивание, которому способствовала схема конвективной параметризации модели.^[9]

Ссылки [ править ]