Ли-вейв

Стационарные колебания атмосферы

Ветер движется в сторону горы и производит первое колебание (A), за которым следует больше волн. Последующие волны будут иметь меньшую амплитуду из-за естественного затухания. Линзовидные облака, застрявшие на вершине потока (A) и (B), будут казаться неподвижными, несмотря на сильный ветер.

Линзовидные облака

В метеорологии подветренные волны — это атмосферные стационарные волны. Наиболее распространенной формой являются горные волны , которые являются атмосферными внутренними гравитационными волнами . Они были обнаружены в 1933 году двумя немецкими пилотами-планеристами , Гансом Дойчманном и Вольфом Хиртом , над Крконоше . ^{[1] [2] [3]} Это периодические изменения атмосферного давления , температуры и ортометрической высоты в потоке воздуха , вызванные вертикальным смещением, например, орографическим подъемом , когда ветер дует над горой или горным хребтом . Они также могут быть вызваны поверхностным ветром, дующим над уступом или плато , ^[4] или даже верхними ветрами, отклоненными над термическим восходящим потоком или облачной улицей .

Вертикальное движение вызывает периодические изменения скорости и направления воздуха в этом воздушном потоке. Они всегда происходят группами на подветренной стороне местности , которая их вызывает. Иногда горные волны могут способствовать увеличению количества осадков по ветру от горных хребтов. ^[5] Обычно турбулентный вихрь с осью вращения , параллельной горному хребту, образуется вокруг первой ложбины ; это называется ротором . Самые сильные подветренные волны образуются, когда градиент показывает стабильный слой над препятствием, с нестабильным слоем сверху и снизу. ^[4]

Сильные ветры (с порывами более 100 миль в час (160 км/ч)) могут создаваться в предгорьях крупных горных хребтов горными волнами. ^{[6] [7] [8] [9]} Эти сильные ветры могут способствовать неожиданному росту и распространению лесных пожаров (включая лесные пожары в Грейт-Смоки-Маунтинс в 2016 году , когда искры от лесного пожара в Смоки-Маунтинс были перенесены в районы Гатлинбурга и Пиджен-Фордж). ^[10]

Основная теория

Лабораторный эксперимент по динамике жидкости иллюстрирует поток, проходящий мимо препятствия в форме горы. Гребни волн вниз по течению расходятся вверх, а их групповая скорость направлена ​​примерно на 45° от горизонтали. Струя вниз по склону видна с подветренной стороны горы, в области более низкого давления, повышенной турбулентности и периодического вертикального смещения жидких парцелл. Вертикальные линии окраски указывают на то, что эффекты также ощущаются выше горы по течению, в области более высокого давления.

Ли-волны — это форма внутренних гравитационных волн , возникающих, когда устойчивый стратифицированный поток наталкивается на препятствие. Это возмущение поднимает воздушные частицы выше уровня их нейтральной плавучести . Таким образом, силы восстановления плавучести возбуждают вертикальные колебания возмущенных воздушных частиц на частоте Брента-Вяйсялы , которая для атмосферы равна:

${\displaystyle N={\sqrt {{g \over \theta _{0}}{d\theta _{0} \over dz}}}}$, где - вертикальный профиль потенциальной температуры . ${\displaystyle \theta _{0}(z)}$

Колебания, наклоненные от вертикальной оси под углом , будут происходить на более низкой частоте . Эти колебания воздушных частиц происходят согласованно, параллельно фронтам волн (линиям постоянной фазы ). Эти фронты волн представляют собой экстремумы в возмущенном поле давления (т. е. линии самого низкого и самого высокого давления), в то время как области между фронтами волн представляют собой экстремумы в возмущенном поле плавучести (т. е. области, наиболее быстро набирающие или теряющие плавучесть). ${\displaystyle \phi }$ ${\displaystyle N\cos {\phi }}$

Энергия передается вдоль фронтов волн (параллельно колебаниям воздушных частиц), что является направлением групповой скорости волны . Напротив, фазовое распространение (или фазовая скорость ) волн направлено перпендикулярно передаче энергии (или групповой скорости ). ^{[11] [12]}

Облака

Окно волн над долиной Bald Eagle в центральной Пенсильвании, вид с планера, смотрящего на север. Поток ветра направлен сверху слева направо вниз. Фронт Аллегейни находится под левым краем окна, восходящий воздух — у правого края, а расстояние между ними составляет 3–4 км.

Как подветренные волны, так и ротор могут быть обозначены определенными волновыми образованиями облаков , если в атмосфере достаточно влаги и достаточно вертикального смещения для охлаждения воздуха до точки росы . Волны могут также образовываться в сухом воздухе без облачных маркеров. ^[4] Волновые облака не движутся по ветру, как это обычно делают облака, а остаются фиксированными в положении относительно препятствия, которое их образует.

• Вокруг гребня волны адиабатическое расширение и охлаждение могут образовывать облако в форме линзы ( лентикулярное ). Несколько лентикулярных облаков могут накладываться друг на друга, если наверху чередуются слои относительно сухого и влажного воздуха.
• Ротор может генерировать кучевые или кучевые разломы в своей восходящей части, также известной как «рулонное облако». Роторное облако выглядит как линия кучевых облаков. Оно формируется на подветренной стороне и параллельно линии хребта. Его основание находится около высоты горной вершины, хотя вершина может простираться значительно выше вершины и может сливаться с линзовидными облаками выше. Роторные облака имеют неровные подветренные края и являются опасно турбулентными. ^[4]
• На подветренной стороне гор может существовать облачная стена в виде фёна , однако это не является надёжным признаком наличия подветренных волн.
• Над горой или кучевым облаком, генерирующим волну, может образоваться шляпочное или куполообразное облако, похожее на линзовидное облако.
• Адиабатический компрессионный нагрев в ложбине каждого волнового колебания может также испарять кучевые или слоистые облака в воздушной массе , создавая «волновое окно» или «щель Фена».

Авиация

Подветренные волны предоставляют планерам возможность набирать высоту или пролетать большие расстояния при парении . Мировые рекорды волновых характеристик полета по скорости, расстоянию или высоте были достигнуты в подветренных районах Сьерра-Невады , Альп , Патагонских Анд и Южных Альп . ^[13] Проект Perlan работает над демонстрацией жизнеспособности подъема выше тропопаузы на безмоторном планере с использованием подветренных волн, совершая переход в стратосферные стоячие волны. Они сделали это впервые 30 августа 2006 года в Аргентине , поднявшись на высоту 15 460 метров (50 720 футов). ^{[14] [15]} Проект Mountain Wave Организации Scientifique et Technique du Vol à Voile фокусируется на анализе и классификации подветренных волн и связанных с ними роторов. ^{[16] [17] [18]}

Условия, благоприятствующие сильным подветренным волнам, подходящим для парения, следующие:

• Постепенное увеличение скорости ветра с высотой
• Направление ветра в пределах 30° от перпендикуляра к линии горного хребта
• Сильные ветры на малых высотах в стабильной атмосфере
• Скорость ветра на вершине хребта не менее 20 узлов

Турбулентность ротора может быть вредной для других небольших самолетов, таких как воздушные шары , дельтапланы и парапланы . Она может быть даже опасной для больших самолетов; явление считается ответственным за множество авиационных происшествий и инцидентов , включая разрушение в полете самолета Boeing 707 рейса 911 авиакомпании BOAC около горы Фудзи в Японии в 1966 году и отделение в полете двигателя на грузовом самолете Boeing 747 компании Evergreen International Airlines около Анкориджа, Аляска в 1993 году. ^[19]

Поднимающийся воздух волны, который позволяет планерам подниматься на большую высоту, может также привести к срыву на большой высоте реактивного самолета, пытающегося поддерживать горизонтальный крейсерский полет в подветренных волнах . Поднимающийся, нисходящий или турбулентный воздух в подветренных волнах или над ними может вызвать превышение скорости , сваливание или потерю управления.

Другие разновидности атмосферных волн

Гидростатическая волна (схематическое изображение)

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 слое инверсии, вызванными термическими потоками , поднимающимися снизу, он создаст значительные сдвиговые волны с подветренной стороны искажений, которые можно использовать для парения. ^[20]

• Волны, вызванные гидравлическим скачком, представляют собой тип волны, которая образуется, когда существует нижний слой воздуха, который является плотным, но тонким относительно размера горы. После прохождения через гору в ложбине потока образуется тип ударной волны, и образуется резкий вертикальный разрыв, называемый гидравлическим скачком , который может быть в несколько раз выше горы. Гидравлический скачок похож на ротор тем, что он очень турбулентный, но при этом не так пространственно локализован, как ротор. Сам гидравлический скачок действует как препятствие для устойчивого слоя воздуха, движущегося над ним, тем самым вызывая волну. Гидравлические скачки можно отличить по их возвышающимся облакам-валикам, и они наблюдались на хребте Сьерра-Невада ^[21], а также на горных хребтах в южной Калифорнии.
• Гидростатические волны — это вертикально распространяющиеся волны, которые формируются над пространственно большими препятствиями. В гидростатическом равновесии давление жидкости может зависеть только от высоты, а не от горизонтального смещения. Гидростатические волны получили свое название из-за того, 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 волнообразными колебаниями подъема и опускания, в значительной степени независимыми от высоты, гидростатические волны характеризуются волнообразными колебаниями подъема и опускания на разных высотах над одним и тем же положением на земле.
• Неустойчивость Кельвина-Гельмгольца может возникнуть, когда в непрерывной жидкости присутствует сдвиг скорости или когда существует значительная разница скоростей на границе раздела двух жидкостей.
• Волны Россби (или планетарные волны) представляют собой крупномасштабные движения в атмосфере, восстанавливающая сила которых обусловлена ​​изменением эффекта Кориолиса в зависимости от широты.

Смотрите также

• Гравитационная волна
• Нор'вест арка

Ссылки

1. 10 марта 1933 года немецкий планерист Ганс Дойчман (1911–1942) летел над Крконоше в Силезии, когда восходящий поток воздуха поднял его самолет на километр. Это событие наблюдал и правильно интерпретировал немецкий инженер и планерист Вольф Хирт (1900–1959), который написал об этом в: Wolf Hirth, Die hohe Schule des Segelfluges [Продвинутая школа планерного полета] (Берлин, Германия: Klasing & Co., 1933). Это явление впоследствии изучал немецкий планерист и физик атмосферы Иоахим П. Кюттнер (1909-2011) в: Кюттнер, Й. (1938) "Moazagotl und Föhnwelle" (Лентикулярные облака и фёновые волны), Beiträge zur Physik der Atmosphäre , 25 , 79–114, и Кюттнер, Й. (1959) "Роторный поток в подветренной части гор". GRD [Управление геофизических исследований] Научные заметки № 6, AFCRC [Исследовательский центр ВВС Кембриджа]-TN-58-626, ASTIA [Агентство технической информации вооруженных сил] Документ № AD-208862.
2. Токгозлу, А.; Расулов, М.; Аслан, З. (январь 2005 г.). «Моделирование и классификация горных волн». Technical Soaring . Т. 29, № 1. С. 22. ISSN  0744-8996.
3. "Статья о волновом подъеме" . Получено 28.09.2006 .
4. Pagen, Dennis (1992). Understanding the Sky . Город: Sport Aviation Pubns. С. 169–175. ISBN 978-0-936310-10-7. Это идеальный случай, когда нестабильный слой, расположенный ниже и выше устойчивого слоя, создает то, что можно назвать трамплином, на котором устойчивый слой может подпрыгнуть, как только гора начнет колебаться.
5. Дэвид М. Гаффин; Стивен С. Паркер; Пол Д. Кирквуд (2003). «Неожиданно сильный и сложный снегопад в регионе Южных Аппалачей». Погода и прогнозирование . 18 (2): 224–235. Bibcode :2003WtFor..18..224G. doi : 10.1175/1520-0434(2003)018<0224:AUHACS>2.0.CO;2 .
6. Дэвид М. Гаффин (2009). «О сильных ветрах и потеплении фёна, связанных с горно-волновыми событиями в западных предгорьях Южных Аппалачей». Погода и прогнозирование . 24 (1): 53–75. Bibcode : 2009WtFor..24...53G. doi : 10.1175/2008WAF2007096.1 .
7. MN Raphael (2003). "Ветры Санта-Аны в Калифорнии". Earth Interactions . 7 (8): 1. Bibcode :2003EaInt...7h...1R. doi : 10.1175/1087-3562(2003)007<0001:TSAWOC>2.0.CO;2 .
8. Уоррен Блиер (1998). «Ветер заката Санта-Барбары, Калифорния». Погода и прогнозирование . 13 (3): 702–716. Bibcode : 1978JAtS...35...59L. doi : 10.1175/1520-0434(1998)013<0702:TSWOSB>2.0.CO;2 .
9. DK Lilly (1978). «Сильная нисходящая буря и турбулентность самолета, вызванная горной волной». Журнал атмосферных наук . 35 (1): 59–77. Bibcode : 1978JAtS...35...59L. doi : 10.1175/1520-0469(1978)035<0059:ASDWAA>2.0.CO;2 .
10. Райан Шадболт; Джозеф Чарни; Ханна Фромм (2019). «Мезомасштабное моделирование горной волны, связанной с пожаром Chimney Tops 2 (2016)» (Специальный симпозиум по мезомасштабным метеорологическим экстремальным явлениям: понимание, прогнозирование и проекция). Американское метеорологическое общество: 5 стр. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
11. Гилл, Адриан Э. (1982). Динамика атмосферы и океана (1-е изд.). Сан-Диего, Калифорния: Academic Press. ISBN 9780122835223.
12. Дюрран, Дейл Р. (1990-01-01). «Горные волны и ветры на склонах». В Блюмен, Уильям (ред.). Атмосферные процессы на сложном рельефе . Метеорологические монографии. Американское метеорологическое общество. стр. 59–81. doi :10.1007/978-1-935704-25-6_4. ISBN 9781935704256.
13. Рекорды планеризма FAI Архивировано 05.12.2006 в Wayback Machine
14. "Fai Record File". Архивировано из оригинала 2015-04-13 . Получено 2015-01-27 .
15. Проект Перлан
16. Проект OSTIV-Mountain Wave
17. [1] Архивировано 03.03.2016 на Wayback Machine – просмотрено 03.11.2009
18. Линдеманн, К.; Хайзе, Р.; Герольд, В. Д. (Июль 2008 г.). «Подветренные волны в регионе Анд, проект горных волн (MWP) OSTIV». Technical Soaring . Т. 32, № 3. стр. 93. ISSN  0744-8996.
19. Отчет об аварии NTSB AAR-93-06
20. Экки, Бернард (2007). Продвинутое парение стало проще . Экип Вербунг и Верлаг ГмбХ. ISBN 978-3-9808838-2-5.
21. Наблюдения за роторами, вызванными горами, и связанные с ними гипотезы: обзор Иоахима Кюттнера и Рольфа Ф. Хертенштейна

• Alexander, P.; Luna, D.; Llamedo, P.; de la Torre, A. (2010-02-19). «Исследование гравитационных волн вблизи Анд в Патагонии и Антарктиде с помощью радиозатменных наблюдений GPS». Annales Geophysicae . 28 (2): 587–595. Bibcode : 2010AnGeo..28..587A. doi : 10.5194/angeo-28-587-2010 . hdl : 11336/61424 . ISSN  0992-7689.

Дальнейшее чтение

• Гримшоу, Р. (2002). Экологические стратифицированные потоки . Бостон: Kluwer Academic Publishers.
• Якобсон, М., (1999). Основы атмосферного моделирования . Кембридж, Великобритания: Cambridge University Press.
• 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: Cambridge University Press.
• Уайтмен, К., (2000). Горная метеорология . Оксфорд, Великобритания: Oxford University Press.

Внешние ссылки

• Официальный сайт проекта Mountain Wave
• Хронологическая подборка метеорологических данных, спутниковых снимков и изображений облаков горных волн в Барилоче, Аргентина (на испанском языке)
• О сильных ветрах и феновом потеплении, связанных с горно-волновыми явлениями в западных предгорьях Южных Аппалачей
• Исследование площади распространения сильных ветров, вызванных горными волнами, вдоль западных предгорий Южных Аппалачей
• Кампания SOUTHTRAC (перенос и состав верхней тропосферы и нижней стратосферы южного полушария) на юге Аргентины