В метеорологии , подветренные волны являются атмосферные стационарные волны. Самая распространенная форма - это горные волны , которые представляют собой атмосферные внутренние гравитационные волны . Они были обнаружены в 1933 году над Крконоше двумя немецкими пилотами-планеристами , Хансом Дойчманном и Вольфом Хиртом . [1] [2] [3] Они являются периодическими изменениями атмосферного давления , температуры и ортометрической высоты в токе из воздуха , вызванный вертикальным смещением, например ,орографический подъемник, когда ветер дует над горой или горным хребтом . Они также могут быть вызваны поверхностями ветром , дующим над откосом или плато , [4] или даже верхними ветрами , отклоненных над тепловым восходящим потоком или облачной улицей .
Вертикальное движение вызывает периодические изменения скорости и направления воздуха в этом воздушном потоке. Они всегда встречаются группами на подветренной стороне местности, которая их вызывает. Иногда горные волны могут способствовать увеличению количества осадков с подветренной стороны от горных хребтов. [5] Обычно вокруг первого желоба образуется турбулентный вихрь , ось вращения которого параллельна горному хребту ; это называется ротором . Самые сильные подветренные волны образуются, когда градиент показывает стабильный слой над препятствием и нестабильный слой сверху и снизу. [4]
Основная теория
Волны Ли - это форма внутренних гравитационных волн, возникающих, когда устойчиво стратифицированный поток преодолевает препятствие. Это нарушение поднимает воздушные частицы выше их уровня нейтральной плавучести . Таким образом, силы, восстанавливающие плавучесть, возбуждают вертикальные колебания возмущенных частиц воздуха на частоте Бранта-Вяйсяла , которая для атмосферы составляет:
, где - вертикальный профиль потенциальной температуры .
Колебания отклонены от вертикальной оси под углом будет происходить при более низкой частоте из. Эти колебания воздушных частиц происходят согласованно, параллельно волновым фронтам (линиям постоянной фазы ). Эти волновые фронты представляют собой экстремумы в поле возмущенного давления (т. Е. Линии самого низкого и самого высокого давления), в то время как области между волновыми фронтами представляют собой экстремумы в поле возмущенной плавучести (т. Е. Области, наиболее быстро увеличивающие или теряющие плавучесть).
Энергия передается по волновым фронтам (параллельно колебаниям воздушной частицы), что является направлением групповой скорости волны . Напротив, фазовое распространение (или фазовая скорость ) волн направлено перпендикулярно передаче энергии (или групповой скорости ). [6] [7]
Облака
Как подветренные волны, так и ротор могут быть обозначены определенными волновыми облачными образованиями, если в атмосфере достаточно влаги и достаточно вертикального смещения для охлаждения воздуха до точки росы . Волны также могут образовываться в сухом воздухе без маркеров облачности. [4] Волновые облака не движутся по ветру, как обычно, а остаются фиксированными в своем положении относительно препятствия, которое их образует.
- Вокруг гребня волны, адиабатическое охлаждение расширения может образовывать облако в форме о наличии линзы ( линзообразной ). Несколько линзовидных облаков можно накладывать друг на друга, если наверху чередуются слои относительно сухого и влажного воздуха.
- Ротор может образовывать кучевые облака или кучевые трещины в своей восходящей части, также известной как «рулонное облако». Облако ротора выглядит как линия кучевых облаков. Он формируется с подветренной стороны параллельно линии гребня. Его основание находится на высоте горной вершины, хотя вершина может значительно выступать над вершиной и сливаться с линзовидными облаками наверху. Облака ротора имеют рваные подветренные края и опасно турбулентны. [4]
- Фена облако стенки может существовать на подветренной стороне гор, однако это не является надежным показателем наличия подветренных волн.
- Шляпка гриб или колпачок облако, похожее на линзообразное облако, может образовывать выше гору или кучевым облака , порождающее волну.
- Адиабатический компрессионный нагрев во впадине каждого волнового колебания также может испарять кучевые или слоистые облака в воздушной массе , создавая «волновое окно» или «промежуток Фёна».
Авиация
Ли волны обеспечивают возможность для планеров , чтобы получить высоту или летать на большие расстояния , когда растут . Мировые рекорды полета на волнах по скорости, расстоянию или высоте были достигнуты в подветренной части горных хребтов Сьерра-Невада , Альп , Патагонских Анд и Южных Альп . [8] Проект Perlan работает над тем, чтобы продемонстрировать жизнеспособность лазания выше тропопаузы на планере без двигателя с использованием подветренной волны, переходящей в стратосферные стоячие волны. Впервые они сделали это 30 августа 2006 года в Аргентине , поднявшись на высоту 15 460 метров (50 720 футов). [9] [10] Горная волна проекта в организации Научно-технический центр Vol à Voile сосредоточивается на анализе и классификации подветренных волн и связанных с ними роторов. [11] [12] [13]
Условия, благоприятствующие сильным подветренным волнам, подходящим для парения:
- Постепенное увеличение скорости ветра с высотой
- Направление ветра в пределах 30 ° перпендикуляра к хребту.
- Сильный маловысотный ветер в стабильной атмосфере.
- Ridgetop ветер не менее 20 узлов
Турбулентность ротора может быть вредной для других небольших летательных аппаратов, таких как воздушные шары , дельтапланы и парапланы . Это может быть опасно даже для большого самолета; считается, что это явление является причиной многих авиационных происшествий и инцидентов , в том числе поломки в полете самолета BOAC Flight 911 , Boeing 707 , недалеко от горы Фудзи , Япония, в 1966 году, а также разъединения в полете двигателя самолета Boeing Evergreen International Airlines. Грузовой самолет 747 недалеко от Анкориджа, Аляска, в 1993 году. [14]
Поднимающаяся волна, позволяющая планерам подниматься на большую высоту, также может привести к сбою на большой высоте у реактивного самолета, пытающегося поддерживать горизонтальный крейсерский полет на подветренной волнах. Поднимающийся, нисходящий или турбулентный воздух внутри или над подветренной волной может вызвать превышение скорости или срыв , что приведет к подъему машины и потере управления, особенно когда самолет эксплуатируется около « угла гроба ».
Другие разновидности атмосферных волн
Существует множество различных типов волн, которые образуются в различных атмосферных условиях.
- Сдвиг ветра также может создавать волны. Это происходит, когда атмосферная инверсия разделяет два слоя с заметной разницей в направлении ветра. Если ветер сталкивается с искажениями в инверсионном слое, вызванными восходящими потоками снизу, он создаст значительные поперечные волны с подветренной стороны от искажений, которые можно использовать для парения. [15]
- Волны, вызванные гидравлическим прыжком, представляют собой тип волны, которая образуется, когда существует нижний слой воздуха, который является плотным, но тонким по сравнению с размером горы. После обтекания горы во впадине потока образуется своего рода ударная волна, и образуется резкий вертикальный разрыв, называемый гидравлическим скачком, который может быть в несколько раз выше горы. Гидравлический скачок похож на ротор в том, что он очень турбулентный, но не так локализован в пространстве, как ротор. Гидравлический прыжок сам по себе действует как препятствие для движущегося над ним устойчивого слоя воздуха, вызывая волну. Гидравлические прыжки можно отличить по возвышающимся клубящимся облакам, и они наблюдались на хребте Сьерра-Невада [16], а также на горных хребтах в южной Калифорнии.
- Гидростатические волны - это волны , распространяющиеся по вертикали, которые образуются над пространственно большими препятствиями. В гидростатическом равновесии давление жидкости может зависеть только от высоты, а не от горизонтального смещения. Гидростатические волны получили свое название от того факта, что они приблизительно подчиняются законам гидростатики, то есть амплитуды давления изменяются в основном в вертикальном направлении, а не в горизонтальном. В то время как обычные негидростатические волны характеризуются горизонтальными волнами подъема и опускания, в значительной степени независимыми от высоты, гидростатические волны характеризуются волнообразными волнами подъема и опускания на разных высотах над одним и тем же положением земли.
- Неустойчивость Кельвина – Гельмгольца может возникать, когда в непрерывной жидкости присутствует сдвиг скорости или когда существует значительная разница скоростей на границе раздела двух жидкостей.
- Волны Россби (или планетарные волны) - это крупномасштабные движения в атмосфере, восстанавливающая сила которых представляет собой изменение эффекта Кориолиса с широтой.
Смотрите также
- Гравитационная волна
- Северо-западная арка
Рекомендации
- ↑ 10 марта 1933 года немецкий пилот-планер Ганс Дойчманн (1911–1942) пролетал над горами Ризен в Силезии, когда восходящий поток поднял его самолет на километр. Это событие было замечено и правильно истолковано немецким инженером и пилотом планера Вольфом Хиртом (1900–1959), который написал об этом в: Wolf Hirth, Die hohe Schule des Segelfluges [Продвинутая школа полетов на планере] (Берлин, Германия: Klasing & Co., 1933). Впоследствии это явление было изучено немецким пилотом-планеристом и физиком атмосферы Иоахимом П. Кюттнером (1909-2011) в: Küttner, J. (1938) «Moazagotl und Föhnwelle» (линзовидные облака и фёновские волны), Beiträge zur Physik der Atmosphäre , 25 , 79–114, и Кюттнер Дж. (1959) «Роторный поток в подветренной части гор». GRD [Управление геофизических исследований] Примечания к исследованиям № 6, AFCRC [Кембриджский исследовательский центр ВВС] -TN-58-626, ASTIA [Агентство технической информации вооруженных сил] Документ № AD-208862.
- ^ Токгозлу, А; Расулов, М .; Аслан, З. (январь 2005 г.). «Моделирование и классификация горных волн». Технический взлет . Vol. 29 нет. 1. п. 22. ISSN 0744-8996 .
- ^ «Статья о волновом лифте» . Проверено 28 сентября 2006 .
- ^ а б в г Паген, Деннис (1992). Понимание неба . Город: Изд-во "Спортивная авиация". С. 169–175. ISBN 978-0-936310-10-7.
Это идеальный случай, поскольку нестабильный слой ниже и выше стабильного слоя создает то, что можно описать как трамплин, по которому устойчивый слой подпрыгивает, когда гора начинает колебаться.
- ^ Дэвид М. Гаффин, Стивен С. Паркер и Пол Д. Кирквуд (2003). «Неожиданно сильный и сложный снегопад в Южном Аппалачском регионе» . Погода и прогнозирование . 18 (2): 224–235. Bibcode : 2003WtFor..18..224G . DOI : 10,1175 / 1520-0434 (2003) 018 <0224: AUHACS> 2.0.CO; 2 .CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
- ^ Гилл, Адриан Э. (1982). Динамика атмосферы и океана (1-е изд.). Сан-Диего, Калифорния: Academic Press. ISBN 9780122835223.
- ^ Дурран, Дейл Р. (01.01.1990). «Горные волны и нисходящие ветры». В Блюмен, Уильям (ред.). Атмосферные процессы на сложной местности . Метеорологические монографии. Американское метеорологическое общество. С. 59–81. DOI : 10.1007 / 978-1-935704-25-6_4 . ISBN 9781935704256.
- ^ ФАИ скользя записи Архивировано 2006-12-05 в Wayback Machine
- ^ «Архивная копия» . Архивировано из оригинала на 2015-04-13 . Проверено 27 января 2015 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
- ^ Проект Perlan
- ^ OSTIV-Mountain Wave Project
- ^ [1] Архивировано 3 марта 2016 г. на Wayback Machine -дата обращения 3 ноября 2009 г.
- ^ Lindemann, C; Heise, R .; Герольд, WD. (Июль 2008 г.). «Листья в регионе Анд, проект Mountain Wave (MWP) OSTIV». Технический взлет . Vol. 32 нет. 3. п. 93. ISSN 0744-8996 .
- ^ Отчет об аварии NTSB AAR-93-06
- ^ Экей, Бернард (2007). Продвинутое парение стало проще . Eqip Verbung & Verlag GmbH. ISBN 978-3-9808838-2-5.
- ^ Наблюдения за роторами, вызванными горами, и связанные с ними гипотезы: обзор Иоахима Кюттнера и Рольфа Ф. Гертенштейна
дальнейшее чтение
- Гримшоу, Р. (2002). Стратифицированные потоки окружающей среды . Бостон: Kluwer Academic Publishers.
- Якобсон, М., (1999). Основы атмосферного моделирования . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета.
- Наппо, К. (2002). Введение в атмосферные гравитационные волны . Бостон: Academic Press.
- Пилке, Р. (2002). Мезомасштабное метеорологическое моделирование . Бостон: Academic Press.
- Тернер, Б. (1979). Эффекты плавучести в жидкостях . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета.
- Уайтмен, К. (2000). Горная метеорология . Оксфорд, Великобритания: Издательство Оксфордского университета.
Внешние ссылки
- Официальный сайт Mountain Wave Project
- Хронологический сборник метеорологических данных, спутниковых снимков и изображений облаков горных волн в Барилоче, Аргентина (на испанском языке)
- О сильных ветрах и фенском потеплении, связанном с явлениями горных волн в западных предгорьях Южных Аппалачей
- Исследование распространения сильных ветров, вызываемых горными волнами, вдоль западных предгорий Южных Аппалачей.