Условная симметричная неустойчивость - Conditional symmetric instability

Метеорологический радар петля, показывающая интенсивные полосы снега (более светлый цвет) из-за CSI перед теплый фронт.

Условная симметричная неустойчивость, или же CSI, это форма конвективная неустойчивость в жидкости, подверженной перепадам температур при равномерном вращении точка зрения при этом он термически устойчив 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 направлении в CSI. площадь. Эта концепция в основном используется в метеорологии для объяснения мезомасштабного образования интенсивных полосы осадков в остальном стабильном регионе, например, перед теплый фронт.^[1][2] То же явление применимо и к океанографии.

Принцип

Гидростатическая стабильность

Относящийся к окружающей среде температура (красным) и точка росы (зеленым) на Диаграмма 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 вертикали эквивалентная потенциальная температура (${ displaystyle theta _ {e}}$):^[3]

• Если ${ displaystyle theta _ {e}}$ уменьшение с высотой приводит к нестабильной воздушной массе
• Если ${ displaystyle theta _ {e}}$ остается неизменным с высотой приводит к нейтральной воздушной массе
• Если ${ displaystyle theta _ {e}}$ увеличение с высотой приводит к стабильной воздушной массе.

Инерционная устойчивость

Темные зоны - это области слабой инерционной устойчивости атмосферной циркуляции.

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

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

Где :

• ${ displaystyle v}$ и ${ displaystyle u}$ - меридиональная и зональная геострофические скорости соответственно.
• ${ displaystyle x}$ и ${ displaystyle y}$ соответствуют зональным и меридиональным координатам.
• ${ displaystyle f}$ это 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 на синоптическая шкала, можно считать, что атмосфера в целом устойчива для бокового движения. Инерционная устойчивость низкая только при ${ displaystyle eta}$ близка к нулю. С ${ displaystyle f}$ всегда положительный, ${ displaystyle eta leq 0}$ может быть удовлетворена только на антициклонической стороне сильного максимума струйный поток или в барометрический гребень на высоте, где производные скоростей в направлении смещения в уравнении дают существенное отрицательное значение.^[5]

Вариация угловой момент указывают 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

Три движения, но только C конвективно неустойчиво.

Однако при определенных стабильных 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 осуществляется относительно линий кинетического момента (${ displaystyle scriptstyle M_ {g}}$), которые увеличиваются слева направо, и эквивалентная потенциальная температура (${ displaystyle scriptstyle theta _ {e}}$), которые увеличиваются с ростом.

Боковое движение A

Горизонтальные ускорения (слева или справа от поверхности) ${ displaystyle scriptstyle M_ {g}}$) обусловлены увеличением / уменьшением ${ displaystyle scriptstyle M_ {g}}$ среды, в которой движется частица. В этих случаях частица ускоряется или замедляется, чтобы приспособиться к новой среде. Частица А испытывает горизонтальное ускорение, которое дает ей положительный плавучесть по мере того, как он перемещается в более холодный воздух и замедляется, когда он перемещается в область меньшего ${ displaystyle scriptstyle M_ {g}}$. 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 ${ displaystyle scriptstyle M_ {g}}$ увеличивается, и частица возвращается в исходное положение.^[5][6]

Вертикальное смещение B

Вертикальные движения в этом случае приводят к отрицательной плавучести, поскольку частица сталкивается с более теплым воздухом (${ displaystyle scriptstyle theta _ {e}}$ увеличивается с высотой) и горизонтальное ускорение при перемещении к большим поверхностям ${ displaystyle scriptstyle M_ {g}}$. Когда частица опускается, ее ${ displaystyle scriptstyle M_ {g}}$ уменьшается, чтобы соответствовать окружающей среде, и частица возвращается в B.^[5][6]

Наклонное перемещение C

Только случай C нестабилен. Горизонтальное ускорение сочетается с вертикальным движением вверх и допускает наклонное смещение. Действительно, ${ displaystyle scriptstyle theta _ {e}}$ частицы больше, чем ${ displaystyle scriptstyle theta _ {e}}$ 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]

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

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

Возможные эффекты

Зоны CSI (сплошной синий) и полосатый снег (штрих-зеленый) вдоль теплого фронта, около области низкого давления.

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]

На изображении справа показана такая ситуация зимой с CSI, связанным с отрицательным эквивалентом. потенциальная завихренность (${ displaystyle eta leq 0}$) возле тёплого фронта. Полосатые снежные формы вдоль фронта, около зоны низкого давления и CSI.

Косая конвекция

Движение вверх в области CSI дает облака, движение вниз очищает небо.

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 на синоптическая шкала восходящее ускорение в слое CSI приводит к появлению параллельных полос 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 конвективной осадки в пределах региона иначе стратиформный облака.^[6] Поскольку движение происходит в области, близкой к насыщению, частица остается очень близкой к влажный адиабатический градиент что дает ему ограниченный Конвективная доступная потенциальная энергия (МЫС). Скорость подъема в зоне наклонной конвекции колеблется от нескольких десятков сантиметров в секунду до нескольких метров в секунду.^[6] Обычно это ниже предельной скорости набора высоты в кучево-дождевые облака, т.е. 5 м / с, что дает молния и ограничить его появление с помощью CSI.^[6] Однако это возможно в:^[6]

• Задняя область осадков мезомасштабные конвективные системы.
• Зимняя конвекция, потому что чем ниже и холоднее тропопауза помогает ионизации движущихся вверх кристаллов льда.
• в глаза во время фазы углубления зрелых ураганов, хотя и редко, поскольку это регион симметрично нейтральный и, как правило, не подвержен грозовой активности.

У косых конвекционных полос есть несколько характеристик:^[6]

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

Проседание

И наоборот, если частица скользит вниз, она нагревается и становится относительно менее насыщенной, рассеивая облака. Снег, образующийся на большой высоте из-за наклонной конвекции, также будет сублимировать в нисходящем потоке и ускоряться. Это может дать ему скорость спуска, достигающую 20 м / с.^[6] Этот эффект связан со спуском на землю Жало струи.^[8]

Рекомендации

внешняя ссылка

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