Войти
Атмосферная конвекция является результатом нестабильности окружающей среды на участке или слой перепада температур в атмосфере. Различная величина градиента в сухих и влажных воздушных массах ведет к нестабильности. Перемешивание воздуха в течение дня, которое увеличивает высоту пограничного слоя планеты, приводит к усилению ветров, развитию кучевых облаков и снижению точки росы на поверхности. Влажная конвекция приводит к развитию грозы, которая часто является причиной суровой погоды во всем мире. Особые угрозы от гроз включают град, нисходящие потоки и торнадо.
Возвышающееся вертикальное облако над пустыней Мохаве, Калифорния, является передним краем надвигающегося шторма, возникающего из-за горного хребта Сан-Габриэль 
Условия, благоприятные для типов и комплексов гроз Существует несколько общих архетипов атмосферной нестабильности, которые используются для объяснения конвекции (или ее отсутствия). Необходимым (но не достаточным) условием для конвекции является то, что окружающая среда градиент (скорость снижения температуры с высотой) круче, чем градиент, испытываемый поднимающимся воздушным потоком. Когда это условие выполняется, смещенные вверх воздушные частицы могут стать плавучими и, таким образом, испытывать дополнительную восходящую силу. Плавучая конвекция начинается на уровне свободной конвекции (LFC), выше которого частицы воздуха могут подниматься через свободно-конвективный слой (FCL) с положительной плавучестью. Его плавучесть становится отрицательной на уровне равновесия (EL), но вертикальный импульс посылки может довести его до максимального уровня посылки (MPL), где отрицательная плавучесть замедляет посылку до остановки.. Интегрирование силы плавучести по вертикальному смещению участка дает доступную конвективную потенциальную энергию (CAPE), джоули энергии, доступной на килограмм потенциально плавучего воздуха. CAPE - это верхний предел для идеальной неразбавленной посылки, и квадратный корень из удвоенного CAPE иногда называют термодинамическим пределом скорости для восходящих потоков на основе простого уравнения кинетической энергии.
Однако такое плавучее ускорение концепции дают упрощенное представление о конвекции. Перетаскивание - это сила, противоположная противодействию плавучести [1], так что подъем участка происходит при балансе сил, как конечная скорость падающего объекта. Плавучесть можно уменьшить за счет уноса, который разбавляет посылку окружающим воздухом. См. Ссылки CAPE, buoyancy и parcel для более подробного математического объяснения этих процессов.
Атмосферная конвекция называется глубокой, когда она распространяется от поверхности до уровня выше 500 гПа, обычно останавливаясь на тропопаузе на уровне около 200 гПа. Наибольшая атмосферная глубокая конвекция происходит в тропиках как восходящая ветвь циркуляции Хэдли ; и представляет собой сильную локальную связь между поверхностью и верхней тропосферой, которая практически отсутствует в зимних средних широтах. Его аналог в океане (глубокая конвекция вниз в толще воды) встречается только в нескольких местах. Хотя такая океаническая конвекция менее важна с точки зрения динамики, чем в атмосфере, она ответственна за существование во всем мире холодной воды в самых нижних слоях океана.
A тепловой столб (или термический) - это вертикальный участок восходящего воздуха на более низких высотах атмосферы Земли. Тепловые эффекты создаются неравномерным нагревом поверхности Земли от солнечного излучения. Солнце нагревает землю, которая, в свою очередь, нагревает воздух прямо над ней. Более теплый воздух расширяется, становясь менее плотным, чем окружающая воздушная масса, и создает термический минимум. Масса более легкого воздуха увеличивается, и при этом он охлаждается за счет расширения при более низких высотных давлениях. Он перестает подниматься, когда остынет до той же температуры, что и окружающий воздух. С термиком связан нисходящий поток, окружающий термическую колонну. Нисходящий внешний вид вызван вытеснением более холодного воздуха в верхней части теплового потока. Другой погодный эффект, обусловленный конвекцией, - это морской бриз.
Этапы существования грозы. Теплый воздух имеет меньшую плотность, чем холодный, поэтому теплый воздух поднимается в более прохладном воздухе, как воздушные шары. Облака формируются, когда относительно более теплый воздух, несущий влагу, поднимается в более прохладном воздухе. По мере того, как влажный воздух поднимается, он охлаждается, в результате чего часть водяного пара в поднимающемся пакете воздуха конденсируется. Когда влага конденсируется, она выделяет энергию, известную как скрытая теплота испарения, которая позволяет поднимающемуся пакету воздуха охлаждаться меньше, чем окружающий его воздух, продолжая восходящее движение облака. Если в атмосфере присутствует достаточная нестабильность, этот процесс будет продолжаться достаточно долго для формирования кучево-дождевых облаков, поддерживающих молнии и гром. Как правило, для образования грозы требуется три условия: влажность, нестабильная воздушная масса и подъемная сила (тепло).
Все грозы, независимо от типа, проходят три стадии: стадия развития, стадия зрелости и рассеяние этап . Средняя гроза имеет диаметр 24 км (15 миль). В зависимости от условий в атмосфере, эти три стадии проходят в среднем за 30 минут.
Есть четыре основных типа гроз: одноклеточные, многоклеточные, шквальные (также называемые многоклеточными линиями) и суперячейка. Какой тип формируется, зависит от нестабильности и относительных ветровых условий в разных слоях атмосферы («сдвиг ветра »). Однокамерные грозы образуются в условиях небольшого вертикального сдвига ветра и длятся всего 20–30 минут. Организованные грозы и грозовые скопления / линии могут иметь более длительный жизненный цикл, 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, которая чаще всего связана с сильным градом, сильным ветром и образованием торнадо.
Скрытое тепловыделение от конденсации является определяющим между значительной конвекцией и почти полным отсутствием конвекции. Тот факт, что в зимние месяцы воздух, как правило, прохладнее 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. Thundersnow - это одна из ситуаций, в которой механизмы принуждения обеспечивают поддержку очень резких отклонений от окружающей среды, что, как упоминалось ранее, является архетипом благоприятной конвекции. Небольшое количество скрытой теплоты, выделяемой из поднимающегося воздуха и конденсации влаги в грозовом снегу, также способствует увеличению этого конвективного потенциала, хотя и минимально. Также существует три типа гроз: орографические, воздушные и фронтальные.
Несмотря на то, что в атмосфере может существовать слой с положительными значениями CAPE, если участок не достигает или не начинает подниматься до этого уровня, наиболее значимым конвекция, возникающая в FCL, не реализуется. Это может происходить по многим причинам. В первую очередь, это результат ограничения или конвективного торможения (CIN / CINH). Процессы, которые могут разрушить это торможение, - это нагрев поверхности Земли и принуждение. Такие механизмы нагнетания способствуют восходящей вертикальной скорости, характеризующейся относительно низкой скоростью по сравнению с восходящим потоком грозы. Из-за этого не фактический воздух, проталкиваемый к его LFC, «прорывает» ингибирование, а скорее форсирование адиабатически охлаждает ингибирование. Это будет противодействовать или "размывать" повышение температуры с высотой, которое присутствует во время инверсии покрытия.
Механизмы принуждения, которые могут привести к разрушению запрета, - это механизмы, которые создают своего рода эвакуацию массы в верхних частях атмосферы или избыток массы в нижних слоях атмосферы, что может привести к к расхождению верхнего уровня или конвергенции нижнего уровня, соответственно. Часто следует вертикальное движение вверх. В частности, холодный фронт, морской / озерный бриз, граница истечения или форсирование динамики завихренности (дифференциальная адвекция положительной завихренности ) атмосфера, например, с впадинами, как коротковолновая, так и длинноволновая. Динамика струйной полосы за счет дисбаланса сил Кориолиса и градиента давления, вызывающая субгеострофические и супергеострофические потоки, также может создавать восходящие вертикальные скорости. Существует множество других атмосферных установок, в которых могут быть созданы восходящие вертикальные скорости.
Плавучесть является ключом к росту грозы и необходима для любых серьезных угроз во время грозы. Есть 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 реактивного потока.
Градовый вал 
Сильные грозы с градом могут иметь характерную зеленую окраску Как и другие осадки в кучево-дождевых облаках, град начинается с капель воды. Когда капли поднимаются и температура опускается ниже точки замерзания, они становятся переохлажденной водой и замерзают при контакте с ядрами конденсации. Поперечное сечение крупной грады показывает структуру, похожую на луковицу. Это означает, что град состоит из толстых и полупрозрачных слоев, чередующихся с тонкими, белыми и непрозрачными слоями. Прежняя теория предполагала, что градины подвергались многократным спускам и подъемам, попадая в зону влажности и повторно замерзая при подъеме. Считалось, что это движение вверх и вниз отвечает за последовательные слои грады. Новое исследование (основанное на теории и полевых исследованиях) показало, что это не всегда так.
восходящий поток шторма с направленным вверх ветром до 180 километров в час (110 миль в час) разносит образующиеся градины вверх по облаку. По мере того, как градин поднимается вверх, он попадает в области облака, где концентрация влаги и капель переохлажденной воды меняется. Скорость роста градины меняется в зависимости от колебаний влажности и капель переохлажденной воды, с которыми он сталкивается. Скорость прироста этих капель воды - еще один фактор роста градин. Когда градина попадает в область с высокой концентрацией капель воды, она захватывает последние и приобретает полупрозрачный слой. Если градина перемещается в область, где в основном присутствует водяной пар, он покрывается слоем непрозрачного белого льда.
Кроме того, скорость грады зависит от его положения в восходящем потоке облака и его массы. Это определяет разную толщину слоев грады. Скорость нарастания капель переохлажденной воды на градину зависит от относительных скоростей между этими каплями воды и самой градой. Это означает, что, как правило, более крупные градины образуются на некотором расстоянии от более сильного восходящего потока, где они могут проводить больше времени для роста. По мере роста градин выделяется скрытое тепло, которое сохраняет его внешнюю поверхность в жидкой фазе. Подвергаясь «влажному росту», внешний слой становится липким или более липким, поэтому один градус может вырасти при столкновении с другими более мелкими градами, образуя более крупный объект неправильной формы.
Град будет продолжать подниматься в грозу, пока ее масса не перестанет поддерживаться восходящим потоком. Это может занять не менее 30 минут, в зависимости от силы восходящих потоков при градообразующей грозе, вершина которой обычно превышает 10 километров (6,2 мили). Затем он падает на землю, продолжая расти на основе тех же процессов, пока не покинет облако. Позже он начнет таять, когда попадет в воздух с температурой выше точки замерзания
Таким образом, уникальной траектории в грозе достаточно, чтобы объяснить слоистую структуру градины. Единственный случай, в котором мы можем обсуждать множественные траектории, - это многоклеточная гроза, когда град может быть выброшен с вершины «материнской» ячейки и захвачен восходящим потоком более интенсивной «дочерней ячейки». Однако это исключительный случай.
Кучево-дождевое облако над Мексиканским заливом в Галвестоне, штат Техас Нисходящая волна создается столбом тонущего воздуха, который, достигнув уровня земли, распространяется. во всех направлениях и способен создавать разрушительные прямолинейные ветры со скоростью более 240 километров в час (150 миль в час), часто вызывая повреждения, аналогичные, но отличимые от повреждений, вызываемые торнадо. Это потому, что физические свойства нисходящего потока полностью отличаются от свойств торнадо. Ущерб от нисходящего взрыва будет исходить из центральной точки, когда нисходящая колонна распространяется при ударе о поверхность, тогда как повреждение торнадо имеет тенденцию к сходящимся повреждениям, совместимым с вращающимися ветрами. Чтобы различать повреждение от торнадо и повреждение от нисходящего потока, термин прямолинейный ветер применяется к повреждению от микропорывов.
Нисходящие потоки - это особенно сильные нисходящие потоки от гроз. Нисходящие выбросы в воздухе, который не содержит осадков или содержит virga, известны как сухие нисходящие выбросы ; те, которые сопровождаются осадками, известны как мокрые нисходящие потоки . Большинство нисходящих выбросов имеют протяженность менее 4 километров (2,5 миль): они называются микропрысками. Нисходящие всплески протяженностью более 4 километров (2,5 мили) иногда называют макровсплесками . Скачки могут происходить на больших площадях. В крайнем случае, derecho может охватывать огромную территорию более 320 километров (200 миль) в ширину и более 1600 километров (990 миль) в длину, продолжаясь до 12 часов или более, и ассоциируется с некоторыми наиболее сильных прямолинейных ветров, но генерационный процесс несколько отличается от большинства нисходящих ветров.
Торнадо F5, обрушившийся на Эли, Манитоба в 2007 году. Торнадо - это опасный вращающийся столб воздуха, соприкасающийся как с поверхностью земли, так и с землей. основание кучево-дождевого облака (грозовое облако) или кучевого облака в редких случаях. Торнадо бывают разных размеров, но обычно образуют видимую воронку конденсата, самый узкий конец которой достигает земли и окружен облаком из обломков и пыли.
Скорость ветра у смерчей обычно средняя. от 64 километров в час (40 миль в час) до 180 километров в час (110 миль в час). Их диаметр составляет примерно 75 метров (246 футов), и они проходят несколько километров, прежде чем рассеяться. Некоторые развивают скорость ветра более 480 километров в час (300 миль в час), могут растягиваться более чем на 1,6 километра (0,99 мили) в поперечнике и поддерживать контакт с землей на расстояние более 100 километров (62 миль).
Торнадо, несмотря на то, что они являются одним из самых разрушительных погодных явлений, обычно недолговечны. Долгоживущий торнадо обычно длится не более часа, но известно, что некоторые из них могут длиться 2 часа или дольше (например, Торнадо с тремя состояниями ). Из-за их относительно короткой продолжительности известно меньше информации о развитии и формировании торнадо. Как правило, любой циклон в зависимости от его размера и интенсивности имеет разную динамику нестабильности. Наиболее нестабильное азимутальное волновое число выше для больших циклонов.
Потенциал конвекции в атмосфере часто измеряется профилем температуры атмосферы / точки росы с высотой. Это часто отображается на диаграмме Skew-T или другой подобной термодинамической диаграмме. Они могут быть нанесены на график с помощью анализа измеренного зондирования, который представляет собой отправку радиозонда, прикрепленного к воздушному шару, в атмосферу для измерения высоты. Модели прогнозов также могут создавать эти диаграммы, но они менее точны из-за неопределенностей и смещений модели и имеют более низкое пространственное разрешение. Тем не менее, временное разрешение модельных зондирований прогноза больше, чем у прямых измерений, где первые могут иметь графики для интервалов до каждых 3 часов, а вторые - только 2 в день (хотя, когда ожидается конвективное событие, особый зондирование может быть выполнено вне обычного графика 00Z, а затем 12Z.). [2]
Атмосферная конвекция также может быть причиной и иметь последствия для ряда других погодные условия. Несколько примеров в меньшем масштабе могут включать: Конвекцию, перемешивающую планетарный пограничный слой (PBL) и позволяющую более сухому воздуху подниматься к поверхности, тем самым уменьшая точки росы, создавая облака типа кучевых облаков, которые могут ограничивать небольшое количество солнечного света, увеличивая приземные ветры, сделать границы оттока / и другие меньшие границы более размытыми, а также продвижение сухой линии на восток в течение дня. В более крупном масштабе подъем воздуха может привести к понижению температуры ядра на поверхности, что часто встречается в пустыне на юго-западе.
Портал погоды 