Фронтогенез

Фронтогенез — это метеорологический процесс сужения горизонтальных температурных градиентов для создания фронтов . В конечном итоге образуются два типа фронтов: холодные фронты и теплые фронты . Холодный фронт — это узкая линия, где температура быстро понижается. Теплый фронт — это узкая линия более высоких температур и, по сути, где выпадает большая часть осадков. Фронтогенез происходит в результате развития бароклинной волны. Согласно Хоскинсу и Бретертону (1972, стр. 11), существует восемь механизмов, которые влияют на температурные градиенты: горизонтальная деформация , горизонтальный сдвиг , вертикальная деформация, дифференциальное вертикальное движение, выделение скрытого тепла, поверхностное трение, турбулентность и перемешивание, а также излучение. Теория полугеострофического фронтогенеза фокусируется на роли горизонтальной деформации и сдвига.

Кинематика

Горизонтальная деформация в циклонах средних широт концентрирует температурные градиенты — холодный воздух с полюсов и теплый воздух с экватора.

Горизонтальный сдвиг оказывает два эффекта на воздушную порцию; он имеет тенденцию вращать порцию (представьте себе размещение колеса в точке пространства, и когда дует ветер, колесо вращается) и деформировать порцию посредством растяжения и сжатия. В конце концов, это также может сузить температурный градиент, но самое главное, это вращает концентрированный температурный градиент, например, от оси x к направлению y.

В циклоне средних широт эти две ключевые особенности играют существенную роль в фронтогенезе. В типичном циклоне средних широт есть

• На западной стороне северные ветры (С/В) или южные ветры (Ю/В) (связанные с холодным воздухом) и
• к востоку от циклона — южные ветры (С/В) или северные ветры (С/В) (связанные с теплым воздухом), что приводит к горизонтальной сдвиговой деформации.

В конечном итоге это приводит к концентрации циклонического сдвига вдоль линии максимального сдвига (что в данном случае является рождением холодного фронта).

На восточной стороне циклона наблюдается горизонтальная деформация, переходящая в конфлюэнцию (результат трансляции + деформации).

Горизонтальная деформация на низких уровнях является важным механизмом развития как холодных, так и теплых фронтов (Холтон, 2004).

Элементы фронтогенеза

Горизонтальный сдвиг и горизонтальная деформация приводят к концентрации полярно-экваториального градиента температуры в большом синоптическом масштабе (1000 км).

Квазигестрофические уравнения не применимы к динамике фронтогенеза, поскольку это погодное сообщество имеет меньший масштаб по сравнению с радиусом Россби ; поэтому используется полугеострофическая теория.

В общем случае число Россби — отношение силы инерции к силе Кориолиса.

используется для формулировки условия геострофического потока.

• Поперек фронта число Россби имеет порядок udu/dx/fv = (10 м/с)^2/(1000 км)/(1e-4 с-1)/(1 м/с) = 1; это показывает, что мы не можем игнорировать инерционный член (необходимо учитывать агеострофический ветер).
• Вдоль фронта число Россби имеет порядок udv/dx/fu = (10 м/с)/(1000 км)*(1e-4 с-1)*(10 м/с) = 0,01, что означает, что он находится в равновесии геострофического и термического ветра.

Наконец, если посмотреть на поперечное сечение (yz) конфлюэнтного потока с использованием векторов Q (Q указывает на движение вверх), то на теплой стороне (внизу схемы конфлюэнтности) наблюдается движение вверх, а на холодной стороне (вверху схемы конфлюэнтности) наблюдается движение вниз.

Поперечное сечение указывает на конвергенцию (стрелки направлены навстречу друг другу), связанную с ужесточением горизонтального градиента температуры.

Наоборот, наблюдается дивергенция (стрелки направлены в разные стороны), связанная с растяжением горизонтального градиента температуры. Поскольку сила агеострофического потока пропорциональна градиенту температуры, тенденции агеострофического сжатия быстро растут после первоначальной геострофической интенсификации.

Развитие фронтогенетического кровообращения

Во время фронтогенеза температурный градиент сужается, и в результате термический ветер становится несбалансированным. Чтобы поддерживать баланс, геострофический ветер наверху и внизу корректируется таким образом, что образуются области расхождения/схождения. Для непрерывности масс потребуется вертикальный перенос воздуха вдоль холодного фронта, где происходит расхождение (пониженное давление ). Хотя эта циркуляция описывается серией процессов, на самом деле они происходят одновременно, наблюдаемые вдоль фронта как термически прямая циркуляция. Существует несколько факторов, которые влияют на окончательную форму и наклон циркуляции вокруг фронта, в конечном итоге определяя тип и местоположение облаков и осадков. ^{[1] [2]}

3-мерное уравнение

Трехмерная форма уравнения фронтогенеза имеет вид

${\displaystyle {\begin{alignedat}{3}F={\frac {1}{|\nabla \theta |}}\cdot {\frac {\partial \theta }{\partial x}}\left\{{\frac {1}{C_{p}}}\left({\frac {p_{\circ }}{p}}\right)^{\kappa }\left[{\frac {\partial }{\partial x}}\left({\frac {dQ}{dt}}\right)\right]-\left({\frac {\partial u}{\partial x}}{\frac {\partial \theta }{\partial x}}\right)-\left({\frac {\partial v}{\partial x}}{\frac {\partial \theta }{\partial y}}\right)-\left({\frac {\partial w}{\partial x}}{\frac {\partial \theta }{\partial z}}\right)\right\}\\+{\frac {\partial \theta }{\partial y}}\left\{{\frac {1}{C_{p}}}\left({\frac {p_{\circ }}{p}}\right)^{\kappa }\left[{\frac {\partial }{\partial y}}\left({\frac {dQ}{dt}}\right)\right]-\left({\frac {\partial u}{\partial y}}{\frac {\partial \theta }{\partial x}}\right)-\left({\frac {\partial v}{\partial y}}{\frac {\partial \theta }{\partial y}}\right)-\left({\frac {\partial w}{\partial y}}{\frac {\partial \theta }{\partial z}}\right)\right\}\\+{\frac {\partial \theta }{\partial z}}\left\{{\frac {p_{\circ }^{\kappa }}{C_{p}}}\left[{\frac {\partial }{\partial z}}\left(p^{-\kappa }{\frac {dQ}{dt}}\right)\right]-\left({\frac {\partial u}{\partial z}}{\frac {\partial \theta }{\partial x}}\right)-\left({\frac {\partial v}{\partial z}}{\frac {\partial \theta }{\partial y}}\right)-\left({\frac {\partial w}{\partial z}}{\frac {\partial \theta }{\partial z}}\right)\right\}\end{alignedat}}}$

где каждое измерение начинается с диабетического термина; в направлении ${\displaystyle x}$

${\displaystyle {\frac {1}{C_{p}}}\left({\frac {p_{\circ }}{p}}\right)^{\kappa }\left[{\frac {\partial }{\partial x}}\left({\frac {dQ}{dt}}\right)\right]}$

в направлении ${\displaystyle y}$

${\displaystyle {\frac {1}{C_{p}}}\left({\frac {p_{\circ }}{p}}\right)^{\kappa }\left[{\frac {\partial }{\partial y}}\left({\frac {dQ}{dt}}\right)\right]}$

и в направлении ${\displaystyle z}$

${\displaystyle {\frac {p_{\circ }^{\kappa }}{C_{p}}}\left[{\frac {\partial }{\partial z}}\left(p^{-\kappa }{\frac {dQ}{dt}}\right)\right]}$.

Уравнение также включает в себя горизонтальные и вертикальные деформационные члены; в направлении ${\displaystyle x}$

${\displaystyle -\left({\frac {\partial u}{\partial x}}{\frac {\partial \theta }{\partial x}}\right)-\left({\frac {\partial v}{\partial x}}{\frac {\partial \theta }{\partial y}}\right)}$

и в направлении ${\displaystyle y}$

${\displaystyle -\left({\frac {\partial u}{\partial y}}{\frac {\partial \theta }{\partial x}}\right)-\left({\frac {\partial v}{\partial y}}{\frac {\partial \theta }{\partial y}}\right)}$

и в вертикальном направлении ${\displaystyle z}$

${\displaystyle -\left({\frac {\partial u}{\partial z}}{\frac {\partial \theta }{\partial x}}\right)-\left({\frac {\partial v}{\partial z}}{\frac {\partial \theta }{\partial y}}\right)}$.

Конечными членами являются наклонный член и член вертикальной дивергенции ; наклонный член представлен в трехмерном уравнении фронтогенеза в направлениях и ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle y}$

${\displaystyle -\left({\frac {\partial w}{\partial x}}{\frac {\partial \theta }{\partial z}}\right)}$

${\displaystyle -\left({\frac {\partial w}{\partial y}}{\frac {\partial \theta }{\partial z}}\right)}$

и член вертикальной дивергенции присутствует как

${\displaystyle -\left({\frac {\partial w}{\partial z}}{\frac {\partial \theta }{\partial z}}\right)}$

Смотрите также

• Фронтолизис

Ссылки

1. Холтон, Дж. Р. (2004). Введение в динамическую метеорологию. (4-е изд., т. 88, стр. 269–276). Сан-Диего, Калифорния: Academic Press.

2. Хоскинс, Б. Дж. и Бретертон, Ф. П. (1972). Модели атмосферного фронтогенеза: математическая формулировка и решение. J. Atmos. Sci., 29, 11–13.

3. Мартин, Дж. Э. (2006). Динамика атмосферы в средних широтах. (1-е изд., стр. 189–194). Англия: Wiley.

1. Холтон, Джеймс Р. (2004). Введение в динамическую метеорологию. Academic Press. стр. 277. ISBN 978-0-12-354015-7.
2. Карлсон, Тоби Н. (1991). Погодные системы средних широт. HarperCollins Academic. стр. 435. ISBN 978-0-04-551115-0.