Условная симметричная неустойчивость

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

Условная симметричная нестабильность , или CSI , представляет собой форму конвективной неустойчивости в жидкости, подверженной разнице температур в системе отсчета равномерного вращения, в то время как она термически устойчива по вертикали и динамически по горизонтали (инерционная устойчивость). Нестабильность в этом случае развивается только в наклонной плоскости по отношению к двум упомянутым осям, и поэтому она может вызвать так называемую «наклонную конвекцию», если воздушный шарик почти насыщен и перемещается в поперечном и вертикальном направлениях в CSI. площадь. Эта концепция в основном используется в метеорологии для объяснения мезомасштабного образования полос интенсивных осадков в стабильной области, например перед теплым фронтом .^{[1] [2]} То же явление применимо и к океанографии.

Принцип [ править ]

Гидростатическая устойчивость [ править ]

Температура окружающей среды (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 всплытия будет равна температуре окружающей среды или ниже. Точно так же он стабилен, если его температура равна или выше во время спуска. В случае одинаковой температуры частица останется на новой высоте, а в остальных случаях вернется на исходный уровень4.

На диаграмме справа желтая линия представляет собой приподнятую частицу, температура которой сначала остается ниже температуры окружающей среды (стабильный воздух), что не вызывает конвекции. Затем в анимации происходит нагревание поверхности, и поднятая частица остается теплее окружающей среды (нестабильный воздух). Мерой гидростатической устойчивости является регистрация изменения эквивалентной потенциальной температуры по вертикали ( ): ^[3]${\ displaystyle \ theta _ {e}}$

• Если уменьшение с высотой приводит к нестабильной воздушной массе${\ displaystyle \ theta _ {e}}$
• Если остается то же самое с высотой, приводит к нейтральной воздушной массе.${\ displaystyle \ theta _ {e}}$
• Если увеличение с высотой приводит к стабильной воздушной массе.${\ displaystyle \ theta _ {e}}$

Инерционная устойчивость [ править ]

Темные зоны - это области слабой инерционной устойчивости атмосферной циркуляции.

Точно так же боковое смещение частицы воздуха изменяет ее абсолютную завихренность . Это определяется суммой планетарной завихренности, и , то геострофическая (или относительная) завихренность посылки: ^{[3] [4]}${\ displaystyle \ eta}$${\ displaystyle f}$${\ displaystyle \ zeta}$

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

Где :

• ${\ displaystyle v}$и - меридиональная и зональная геострофические скорости соответственно.${\ displaystyle u}$
• ${\ displaystyle x}$и соответствуют зональным и меридиональным координатам.${\ displaystyle y}$
• ${\ displaystyle f}$- параметр Кориолиса , который описывает компонент завихренности вокруг местной вертикали, возникающий в результате вращения системы отсчета.
• ${\ displaystyle \ zeta}$- относительная завихренность вокруг местной вертикали. Его находят путем взятия вертикальной составляющей завихрения геострофической скорости.

${\ displaystyle \ eta}$может быть положительным, нулевым или отрицательным в зависимости от условий, в которых выполняется перемещение. Поскольку абсолютный вихрь почти всегда положителен в синоптическом масштабе , можно считать, что атмосфера в целом устойчива для бокового движения. Инерционная устойчивость низкая только тогда, когда она близка к нулю. Поскольку всегда положительно, может выполняться только на антициклонической стороне сильного максимума струйного течения или в барометрическом гребне на высоте, где производные скоростей по направлению смещения в уравнении дают значительную отрицательную величину. ^[5]${\ displaystyle \ eta}$${\ displaystyle f}$${\ displaystyle \ eta \ leq 0}$

Изменение углового момента указывает на стабильность: ^{[3] [5] [6]}

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

Наклонное движение [ править ]

Однако при определенных устойчивых гидростатических и инерционных условиях наклонное смещение может быть нестабильным, когда частица изменяет воздушную массу или ветровой режим. На рисунке справа показана такая ситуация. Смещение воздушной частицы происходит относительно линий кинетического момента ( ), которые увеличиваются слева направо, и эквивалентной потенциальной температуры ( ), которая увеличивается с высотой.${\displaystyle \scriptstyle M_{g}}$${\displaystyle \scriptstyle \theta _{e}}$

Боковое движение A

Горизонтальные ускорения (влево или вправо от поверхности ) возникают из-за увеличения / уменьшения 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 перемещении в более холодный воздух и замедляется при перемещении в область меньшего размера . Частица поднимается и в конечном итоге становится холоднее, чем ее новая среда. В этот момент у нее отрицательная плавучесть и она начинает спускаться. При этом увеличивается, и частица возвращается в исходное положение. ^{[5] [6]}${\displaystyle \scriptstyle M_{g}}$${\displaystyle \scriptstyle M_{g}}$${\displaystyle \scriptstyle M_{g}}$${\displaystyle \scriptstyle M_{g}}$

Вертикальное смещение B

Вертикальные движения в этом случае приводят к отрицательной плавучести, поскольку частица встречает более теплый воздух ( увеличивается с высотой), и к горизонтальному ускорению, когда она движется к более крупным поверхностям . По мере того, как частица опускается, она уменьшается, чтобы соответствовать окружающей среде, и частица возвращается в B. ^{[5] [6]}${\displaystyle \scriptstyle \theta _{e}}$${\displaystyle \scriptstyle M_{g}}$${\displaystyle \scriptstyle M_{g}}$

Наклонное перемещение C

Только случай C нестабилен. Горизонтальное ускорение сочетается с вертикальным движением вверх и допускает наклонное смещение. Действительно, частицы больше, чем окружающей среды. При этом импульс частицы меньше, чем у окружающей среды. Таким образом, наклонное смещение создает положительную плавучесть и ускорение в направлении наклонного смещения, которое его усиливает. ^[5]${\displaystyle \scriptstyle \theta _{e}}$${\displaystyle \scriptstyle \theta _{e}}$

Таким образом, условием условной симметричной неустойчивости в другой стабильной ситуации является следующее: ^{[3] [5] [6]}

• наклон больше, чем у${\displaystyle \scriptstyle \theta _{e}}$${\displaystyle \scriptstyle M_{g}}$
• Смещенный вбок воздух почти насыщен.

Возможные эффекты [ править ]

CSI обычно внедряется в большие области вертикального восходящего движения. Идеальная ситуация - геострофический поток с юга, скорость ветра увеличивается с высотой. Среда хорошо перемешана и близка к насыщению. Поскольку поток является однонаправленным, u-составляющая ветра может быть установлена ​​равной нулю, что устанавливает симметричный поток, перпендикулярный градиенту температуры в воздушной массе. Этот тип течения обычно встречается в бароклинной атмосфере с холодным воздухом на западе. ^[6]

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

Косая конвекция [ править ]

Если частица поднимается в зоне CSI, она остывает, и водяной пар конденсируется при насыщении, образуя облака и осадки за счет наклонной конвекции. Например, перед теплым фронтом воздушная масса устойчива, потому что мягкий воздух преодолевает холодную массу. Геострофическое равновесие возвращает любую частицу, движущуюся перпендикулярно от центра впадины к ней. Однако наклонное смещение вверх по синоптическому масштабу восходящее ускорение в слое CSI создает параллельные полосы сильных дождей. ^{[6] [7]}

Условная симметричная нестабильность влияет на слой, который может быть тонким или очень большим по вертикали, подобно гидростатической конвекции. Толщина слоя определяет усиление конвективных осадков в пределах области, иначе стратифицированной облаками. ^[6] Поскольку движение происходит в области, близкой к насыщению, частица остается очень близкой к влажной адиабатической скорости градиента, что дает ей ограниченную доступную потенциальную энергию конвективной энергии (CAPE). Скорость подъема в зоне наклонной конвекции колеблется от нескольких десятков сантиметров в секунду до нескольких метров в секунду. ^[6] Обычно она ниже предельной скорости набора высоты в кучево-дождевых облаках , т.е. 5 м / с, что даетмолнии и ограничить ее возникновение с помощью CSI. ^[6] Однако это возможно в: ^[6]

• Задняя область осадков мезомасштабных конвективных систем .
• Зимняя конвекция, потому что более низкая и более холодная тропопауза способствует ионизации движущихся вверх кристаллов льда.
• В зоне зрения во время фазы углубления зрелых ураганов, хотя и редко, поскольку это регион симметрично нейтральный и, как правило, не подвержен воздействию молний.

У полос наклонной конвекции есть несколько характеристик: ^[6]

1. Они параллельны
2. Они параллельны тепловому ветру
3. Они движутся с общей циркуляцией
4. Пространство между полосами пропорционально толщине слоя CSI.

Проседание [ править ]

И наоборот, если частица скользит вниз, она нагревается и становится относительно менее насыщенной, рассеивая облака. Снег, образующийся на большей высоте в результате наклонной конвекции, также сублимируется в нисходящем потоке и ускоряется. Это может дать ему скорость спуска, достигающую 20 м / с. ^[6] Этот эффект связан со спуском на землю реактивного самолета Sting . ^[8]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Дэвид М. Шульц; Филип Н. Шумахер (14 декабря 1998 г.). «Использование и неправильное использование условной симметричной неустойчивости» . Национальная лаборатория сильных штормов . Проверено 23 августа 2019 года .
• «Косая конвекция» . КОМЕТА Курсы . UCAR . Проверено 23 августа 2019 года . Интерактивный курс, требующий авторизации