Атмосферная конвекция является результатом нестабильности парциального давления (слоя разности температур) в атмосфере. [ жаргон ] Различные скорости градиента в сухих и влажных воздушных массах приводят к нестабильности. [ жаргон ] Смешивание воздуха в течение дня увеличивает высоту планетарного пограничного слоя , [ жаргон ] что приводит к усилению ветров, образованию кучевых облаков и снижению точек росы на поверхности . Конвекция, включающая влажные воздушные массы, приводит к развитию гроз , которые часто являются причиной суровой погоды во всем мире. Особые угрозы от гроз включают град , нисходящие порывы и торнадо .
Существует несколько общих архетипов атмосферной нестабильности, которые используются для объяснения конвекции (или ее отсутствия); [ по мнению кого? ] необходимым, но недостаточным условием для конвекции является то, что вертикальный градиент температуры окружающей среды (скорость снижения температуры с высотой) круче, чем вертикальный градиент, испытываемый поднимающейся порцией воздуха. [ необходимо пояснение ] [ необходима цитата ]
Когда это условие выполняется, смещенные вверх воздушные пакеты могут стать плавучими и, таким образом, испытать дополнительную восходящую силу. Плавучая конвекция начинается на уровне свободной конвекции (LFC) , выше которого воздушный пакет может подняться через свободно-конвективный слой (FCL) с положительной плавучестью. Его плавучесть становится отрицательной на уровне равновесия (EL) , но вертикальный импульс пакета может перенести его на максимальный уровень пакета (MPL) , где отрицательная плавучесть замедляет пакет до остановки. Интегрирование силы плавучести по вертикальному смещению пакета дает конвективную доступную потенциальную энергию (CAPE) , джоули энергии, доступные на килограмм потенциально плавучего воздуха. CAPE является верхним пределом для идеального неразбавленного пакета, а квадратный корень из удвоенного CAPE иногда называют термодинамическим пределом скорости для восходящих потоков, основанным на простом уравнении кинетической энергии .
Однако такие концепции ускорения плавучести дают упрощенное представление о конвекции. Сопротивление является противоположной силой, противодействующей плавучести, [1] так что подъем пакета происходит под действием баланса сил, подобно конечной скорости падающего объекта. Плавучесть может быть уменьшена за счет увлечения , которое разбавляет пакет окружающим воздухом.
Атмосферная конвекция называется «глубокой», когда она простирается от поверхности до уровня выше 500 гПа, обычно останавливаясь на тропопаузе около 200 гПа . [ требуется ссылка ] Большая часть атмосферной глубокой конвекции происходит в тропиках как восходящая ветвь циркуляции Хэдли и представляет собой сильную локальную связь между поверхностью и верхней тропосферой, которая в значительной степени отсутствует в зимних средних широтах. Ее аналог в океане (глубокая конвекция вниз в водной толще) происходит только в нескольких местах. [2] [3]
Термический столб ( или термик) — это вертикальный участок восходящего воздуха на нижних высотах атмосферы Земли. Термики создаются неравномерным нагревом поверхности Земли от солнечного излучения. Солнце нагревает землю, которая, в свою очередь, нагревает воздух непосредственно над ней. Более теплый воздух расширяется, становясь менее плотным, чем окружающая воздушная масса, и создавая термический минимум . [4] [5] Масса более легкого воздуха поднимается, и по мере этого он охлаждается из-за своего расширения при более низких давлениях на большой высоте. Он прекращает подниматься, когда охлаждается до той же температуры, что и окружающий воздух. С термиком связан нисходящий поток, окружающий термический столб. Нисходящий внешний поток вызван вытеснением более холодного воздуха в верхней части термика. Другим погодным эффектом, вызванным конвекцией, является морской бриз . [6] [7]
Теплый воздух имеет меньшую плотность, чем холодный воздух, поэтому теплый воздух поднимается в более холодном воздухе, [8] [ нужен лучший источник ] подобно воздушным шарам с горячим воздухом . [ нужна цитата ] Облака образуются, когда относительно теплый воздух, несущий влагу, поднимается в более холодном воздухе. По мере того, как влажный воздух поднимается, он охлаждается, заставляя часть водяного пара в поднимающемся пакете воздуха конденсироваться . [9] Когда влага конденсируется, она высвобождает энергию, известную как скрытая теплота испарения, которая позволяет поднимающемуся пакету воздуха охлаждаться меньше, чем окружающий его воздух, [10] [ нужен лучший источник ] продолжая подъем облака. Если в атмосфере присутствует достаточная нестабильность , этот процесс будет продолжаться достаточно долго для образования кучево-дождевых облаков , которые поддерживают молнии и гром. Как правило, для образования гроз требуются три условия: влажность, нестабильная воздушная масса и подъемная сила (тепло).
Все грозы , независимо от типа, проходят три стадии: стадию развития , стадию зрелости и стадию рассеивания . [11] [ нужен лучший источник ] Средняя гроза имеет диаметр 24 км (15 миль). В зависимости от условий, присутствующих в атмосфере, эти три стадии в среднем длятся 30 минут. [12]
Существует четыре основных типа гроз: одноячеечная, многоячеечная, линия шквала (также называемая многоячеечной линией) и суперячейка. Какой тип образуется, зависит от нестабильности и относительных ветровых условий в разных слоях атмосферы (« сдвиг ветра »). Одноячеечные грозы образуются в условиях низкого вертикального сдвига ветра и длятся всего 20–30 минут. Организованные грозы и грозовые кластеры/линии могут иметь более длительные жизненные циклы, поскольку они образуются в условиях значительного вертикального сдвига ветра, что способствует развитию более сильных восходящих потоков, а также различных форм суровой погоды. Суперячейка — самая сильная из гроз, чаще всего связанная с крупным градом, сильным ветром и образованием торнадо.
Выделение скрытого тепла при конденсации является определяющим фактором между значительной конвекцией и почти полным отсутствием конвекции. Тот факт, что воздух обычно прохладнее в зимние месяцы и, следовательно, не может удерживать столько водяного пара и связанного с ним скрытого тепла, является причиной того, что значительная конвекция (грозы) нечасты в более прохладных районах в этот период. Снежная гроза — это одна из ситуаций, когда механизмы воздействия обеспечивают поддержку очень крутых градиентов температуры окружающей среды, что, как упоминалось ранее, является архетипом благоприятной конвекции. Небольшое количество скрытого тепла, выделяемого при подъеме воздуха и конденсации влаги в снежной грозе, также служит для увеличения этого конвективного потенциала, хотя и минимально. Существует также три типа гроз: орографические, воздушные массы и фронтальные.
Несмотря на то, что в атмосфере может быть слой с положительными значениями CAPE, если посылка не достигнет или не начнет подниматься до этого уровня, самая значительная конвекция, которая происходит в FCL, не будет реализована. Это может произойти по многим причинам. В первую очередь, это результат шапки или конвективного торможения (CIN/CINH) . Процессы, которые могут разрушить это торможение, - это нагрев поверхности Земли и принуждение. Такие механизмы принуждения стимулируют восходящую вертикальную скорость, характеризующуюся скоростью, которая относительно низкая по сравнению с той, что можно обнаружить в восходящем потоке грозы. Из-за этого не фактический воздух, выталкиваемый в свой LFC, «прорывает» торможение, а скорее принуждение охлаждает торможение адиабатически. Это будет противодействовать или «разрушать» повышение температуры с высотой, которое присутствует во время инверсии шапки.
Механизмы принуждения, которые могут привести к разрушению торможения, — это те, которые создают своего рода эвакуацию массы в верхних частях атмосферы или избыток массы в нижних слоях атмосферы, что приведет к дивергенции на верхнем уровне или конвергенции на нижнем уровне соответственно. Часто последует вертикальное движение вверх. В частности, холодный фронт , морской/озерный бриз , граница оттока или принуждение через динамику вихреобразования ( дифференциальная положительная адвекция вихреобразования ) атмосферы, например, с ложбинами, как коротковолновыми , так и длинноволновыми . Динамика струйных струй через дисбаланс сил Кориолиса и градиента давления, вызывающая субгеострофические и супергеострофические потоки , также может создавать восходящие вертикальные скорости. Существует множество других атмосферных установок, в которых могут создаваться восходящие вертикальные скорости.
Плавучесть является ключом к росту грозы и необходима для любой из серьезных угроз в грозе. Существуют и другие процессы, не обязательно термодинамические, которые могут увеличить силу восходящего потока. К ним относятся вращение восходящего потока , конвергенция на низком уровне и эвакуация массы из верхней части восходящего потока посредством сильных ветров на верхнем уровне и струйного течения .
Как и другие осадки в кучево-дождевых облаках, град начинается с капель воды. Когда капли поднимаются и температура опускается ниже нуля, они становятся переохлажденной водой и замерзают при контакте с ядрами конденсации . Поперечное сечение большой градины показывает луковичную структуру. Это означает, что градина состоит из толстых и полупрозрачных слоев, чередующихся со слоями, которые являются тонкими, белыми и непрозрачными. Прежняя теория предполагала, что градины подвергались многократным падениям и подъемам, попадая в зону влажности и снова замерзая по мере подъема. Считалось, что это движение вверх-вниз отвечает за последовательные слои градины. Новые исследования (основанные на теории и полевых исследованиях) показали, что это не обязательно верно.
Восходящий поток шторма , с направленным вверх ветром, скорость которого достигает 180 километров в час (110 миль в час), [14] сдувает формирующиеся градины вверх по облаку. По мере того, как градина поднимается, она попадает в области облака, где концентрация влажности и переохлажденных капель воды меняется. Скорость роста градины меняется в зависимости от изменения влажности и переохлажденных капель воды, с которыми она сталкивается. Скорость аккреции этих капель воды является еще одним фактором роста градины. Когда градина перемещается в область с высокой концентрацией капель воды, она захватывает последние и приобретает полупрозрачный слой. Если градина перемещается в область, где в основном доступен водяной пар, она приобретает слой непрозрачного белого льда. [15]
Кроме того, скорость градины зависит от ее положения в восходящем потоке облака и ее массы. Это определяет различную толщину слоев градины. Скорость аккреции переохлажденных капель воды на градину зависит от относительных скоростей между этими каплями воды и самой градиной. Это означает, что, как правило, более крупные градины будут образовываться на некотором расстоянии от более сильного восходящего потока, где они могут провести больше времени, растя [15] По мере роста градина выделяет скрытое тепло , которое удерживает ее внешнюю часть в жидкой фазе. Подвергаясь «влажному росту», внешний слой становится липким или более клейким, поэтому одна градина может расти, сталкиваясь с другими более мелкими градинами, образуя более крупное образование неправильной формы. [16]
Градины будут продолжать расти в грозе до тех пор, пока их масса не сможет больше поддерживаться восходящим потоком воздуха. Это может занять не менее 30 минут, исходя из силы восходящих потоков воздуха в грозе, вызывающей град, вершина которой обычно находится на высоте более 10 километров (6,2 мили). Затем они падают на землю, продолжая расти, основываясь на тех же процессах, пока не покинут облако. Позже они начнут таять, попадая в воздух с температурой выше точки замерзания [17]
Таким образом, уникальная траектория в грозе достаточна для объяснения слоистой структуры градины. Единственный случай, в котором мы можем обсуждать множественные траектории, — это многоклеточная гроза, где градина может быть выброшена из верхней части «материнской» ячейки и захвачена восходящим потоком более интенсивной «дочерней ячейки». Однако это исключительный случай. [15]
Нисходящий порыв создается столбом нисходящего воздуха, который после удара о землю распространяется во всех направлениях и способен создавать разрушительные прямолинейные ветры со скоростью более 240 километров в час (150 миль в час), часто вызывая повреждения, похожие на те, что вызываются торнадо , но отличающиеся от них . Это происходит потому, что физические свойства нисходящего порыва полностью отличаются от свойств торнадо. Ущерб от нисходящего порыва будет распространяться из центральной точки по мере того, как нисходящая колонна распространяется при ударе о поверхность, тогда как ущерб от торнадо имеет тенденцию к сходящимся повреждениям, соответствующим вращающимся ветрам. Чтобы различать повреждения от торнадо и повреждения от нисходящего порыва, термин « прямолинейные ветры» применяется к повреждениям от микропорывов.
Нисходящие порывы представляют собой особенно сильные нисходящие потоки от гроз. Нисходящие порывы в воздухе, который свободен от осадков или содержит виргу , известны как сухие нисходящие порывы ; [18] те, которые сопровождаются осадками, известны как влажные нисходящие порывы . Большинство нисходящих порывов имеют протяженность менее 4 километров (2,5 мили): они называются микропорывами . [19] Нисходящие порывы протяженностью более 4 километров (2,5 мили) иногда называются макропорывами . [19] Нисходящие порывы могут происходить на больших территориях. В крайнем случае дерехо может охватывать огромную территорию шириной более 320 километров (200 миль) и длиной более 1600 километров (990 миль), продолжаясь до 12 часов и более, и связан с некоторыми из самых интенсивных прямолинейных ветров, [20] но процесс их возникновения несколько отличается от большинства нисходящих порывов. [ необходима цитата ]
Торнадо — это опасный вращающийся столб воздуха, контактирующий как с поверхностью земли, так и с основанием кучево-дождевого облака (грозового облака) или кучевого облака в редких случаях. Торнадо бывают разных размеров, но обычно образуют видимую конденсационную воронку , узкий конец которой достигает земли и окружен облаком мусора и пыли . [21] [ необходим непервичный источник ]
Скорость ветра торнадо обычно составляет от 64 километров в час (40 миль в час) до 180 километров в час (110 миль в час). Они имеют ширину около 75 метров (246 футов) и проходят несколько километров, прежде чем рассеяться. Некоторые достигают скорости ветра более 480 километров в час (300 миль в час), могут простираться более чем на 1,6 километра (0,99 мили) в поперечнике и сохранять контакт с землей более 100 километров (62 мили). [22] [23] [24]
Торнадо, несмотря на то, что являются одним из самых разрушительных погодных явлений, как правило, недолговечны. Долгоживущий торнадо обычно длится не более часа, но некоторые известны тем, что длятся 2 часа и дольше (например, торнадо в Трех штатах ). Из-за их относительно короткой продолжительности известно меньше информации о развитии и формировании торнадо. [25]
Обычно любой циклон в зависимости от его размера и интенсивности имеет различную динамику неустойчивости. Наиболее неустойчивое азимутальное волновое число выше для более крупных циклонов. [26] [ необходим непервичный источник ]
Потенциал конвекции в атмосфере часто измеряется профилем температуры/точки росы атмосферы с высотой. Это часто отображается на диаграмме Skew-T или другой подобной термодинамической диаграмме. Они могут быть построены с помощью анализа измеренного зондирования , который представляет собой отправку радиозонда , прикрепленного к воздушному шару, в атмосферу для проведения измерений с высотой. Модели прогнозирования также могут создавать эти диаграммы, но они менее точны из-за неопределенностей и смещений модели и имеют более низкое пространственное разрешение. Хотя временное разрешение зондирований модели прогнозирования больше, чем прямых измерений, где первые могут иметь графики для интервалов до каждых 3 часов, а последние имеют только 2 в день (хотя, когда ожидается конвективное событие, специальное зондирование может быть проведено вне обычного графика 00Z, а затем 12Z.). [27]
Атмосферная конвекция также может быть ответственной за ряд других погодных условий и иметь на них последствия. Вот несколько примеров в меньшем масштабе: конвекция, перемешивающая планетарный пограничный слой (PBL) и позволяющая более сухому воздуху подниматься к поверхности, тем самым снижая точки росы, создавая облака кучевого типа, которые могут ограничивать небольшое количество солнечного света, усиливая приземные ветры, делая границы оттока и другие более мелкие границы более размытыми, и распространение сухой линии в восточном направлении в течение дня. В большем масштабе подъем воздуха может привести к теплым низинам на поверхности ядра, часто встречающимся в пустынном юго-западе.
