A downburst - это сильная ветровая система на уровне земли, которая исходит из точечного источника выше и дует радиально, т. е. по прямым линиям во всех направлениях от точки контакта на уровне земли. Часто вызывающий разрушительные ветры, его можно спутать с торнадо, когда высокоскоростной ветер окружает центральную область, а воздух движется внутрь и вверх; Напротив, при нисходящем порыве ветер направлен вниз, а затем наружу от точки приземления на поверхности.
Нисходящие потоки возникают из-за того, что воздух сильно охлаждается дождем, который, достигнув уровня земли, распространяется во всех направлениях, вызывая сильный ветер. Сухие нисходящие потоки связаны с грозами с очень небольшим количеством дождя, в то время как влажные нисходящие потоки создаются грозами с большим количеством осадков. Микропорывы и макропорывы - это нисходящие выбросы в очень малых и больших масштабах соответственно. Другая разновидность, тепловой выброс, создается вертикальными потоками на обратной стороне старых границ оттока и линиями шквалов там, где нет дождя. Тепловые выбросы вызывают значительно более высокие температуры из-за отсутствия охлаждаемого дождем воздуха при их образовании. Нисходящие порывы создают вертикальный сдвиг ветра или микропорывы, которые опасны для авиации, особенно во время посадки, из-за сдвига ветра, вызванного его фронтом порыва. За последние несколько десятилетий этому явлению было приписано несколько исторических аварий со смертельным исходом, и летный экипаж тщательно обучался тому, как правильно распознать микропорыв / сдвиг ветра и восстановиться после них. Обычно они длятся от секунд до минут.
Они проходят три стадии в своем цикле: стадии нисходящего выброса, выброса и амортизации.
Нисходящий выброс создается столбом опускающегося воздуха, который после удара об уровне земли распространяется во всех направлениях и способен создавать разрушительный прямой ветер со скоростью более 240 км / ч (150 миль в час)., часто вызывая повреждения, подобные, но отличимые от повреждений, вызванных торнадо. Это связано с тем, что физические свойства нисходящей волны полностью отличаются от таковых у торнадо. Ущерб от нисходящей вспышки будет исходить из центральной точки, так как нисходящий столб распространяется при ударе о поверхность, в то время как повреждение торнадо имеет тенденцию к сходящемуся повреждению, соответствующему вращающемуся ветру. Чтобы различать повреждение торнадо и повреждение от нисходящего потока, термин прямолинейный ветер применяется к повреждению от микропорывов.
Нисходящие потоки особенно сильны нисходящие потоки из-за грозы. Нисходящие потоки в воздухе, без осадков или содержащие виргу, известны как сухие всплески ; сопровождающиеся осадками известны как мокрые нисходящие потоки . Большинство нисходящих всплесков имеют протяженность менее 4 км (2,5 мили): они называются микропрысками . Нисходящие всплески протяженностью более 4 км (2,5 мили) иногда называют макровсплесками . Скачки могут происходить на больших площадях. В крайнем случае derecho может охватывать огромную территорию более 320 км (200 миль) в ширину и более 1600 км (1000 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.
Термин микровзрыв был определен мезомасштабной метеорологией экспертом Тедом Фуджитой как воздействующий на территорию диаметром 4 км (2,5 мили) или меньше, различая их как тип нисходящей волны и помимо обычного сдвига ветра, который может охватывать большие площади. Fujita также ввела термин «макровзрыв» для нисходящих выбросов размером более 4 км (2,5 мили).
Можно провести различие между влажным микровзрывом, состоящим из осадков, и сухим микровзрывом, который обычно состоит из вирга. Как правило, они образованы потоком воздуха, охлаждаемого атмосферными осадками, стремящегося к поверхности, но, возможно, они также могут приводиться в движение сильным ветром, отклоняемым к поверхности динамическими процессами во время грозы (см. нисходящий поток с задней стороны ).
Когда дождь падает ниже нижней границы облаков или смешивается с сухим воздухом, он начинает испаряться, и этот процесс испарения охлаждает воздух. Холодный воздух опускается и ускоряется по мере приближения к земле. Когда прохладный воздух приближается к земле, он распространяется во все стороны. Сильные ветры, распространяющиеся по этому типу рисунка с небольшой кривизной или отсутствием кривизны, известны как прямолинейные ветры.
Сухие микропорывы, вызванные сильными грозами, которые практически не производят поверхностных осадков, возникают в средах, характеризующихся термодинамическим профилем. демонстрирующий перевернутую букву V в профиле температуры и влажности, как показано на термодинамической диаграмме Skew-T log-P. Вакимото (1985) разработал концептуальную модель (над Высокими равнинами в Соединенных Штатах) сухой среды с микровзрывами, которая включала три важные переменные: влажность среднего уровня, нижнюю часть облаков в средней атмосфере и нижнюю поверхность относительная влажность. В этих условиях влага из воздуха испаряется по мере ее падения, охлаждая воздух и заставляя его падать быстрее, потому что он более плотный.
Мокрые микровырывы - это нисходящие выбросы, сопровождающиеся значительным выпадением осадков на поверхности. Эти нисходящие выбросы больше зависят от сопротивления осадков для ускорения вниз участков, а также от отрицательной плавучести, которая имеет тенденцию вызывать «сухие» микропорывы. В результате для образования этих нисходящих выбросов необходимы более высокие соотношения смешения (отсюда и название «влажные» микровырывы). Таяние льда, особенно град, по-видимому, играет важную роль в формировании нисходящих потоков (Wakimoto and Bringi, 1988), особенно на нижнем уровне 1 км (0,62 мили) над уровнем земли (Proctor, 1989). Эти факторы, среди прочего, затрудняют прогноз влажных микропорваний.
Характеристика | Сухой микровзрыв | Влажный микровзрыв |
---|---|---|
Наиболее вероятное место в США | Средний Запад / Запад | Юго-Восток |
Осадки | Небольшие или нет | Умеренное или сильное |
Базовая облачность | До 500 мб (гПа) | До 850 мб (гПа) |
Характеристики ниже облачной базы | Virga | осаждающий вал |
первичный катализатор | испарительное охлаждение | осаждение и испарительное охлаждение |
среда ниже нижней границы облаков | глубокий сухой слой / низкая относительная влажность / сухой адиабатический градиент | Мелкий сухой слой / высокая относительная влажность / влажный адиабатический градиент |
Прямолинейный ветер (также известный как плуговый ветер, грозовые порывы и ураганы прерий ) - очень сильные ветры, которые могут причинять ущерб, что свидетельствует об отсутствии повреждающей структуры, связанной с торнадо. Прямолинейные ветры обычны для фронта порывов грозы или возникают при сильных порывах грозы. Эти события могут нанести значительный ущерб даже в отсутствие торнадо. Скорость ветра может достигать 58 м / с (130 миль в час), а скорость ветра 26 м / с (58 миль в час) и более может длиться более двадцати минут. В Соединенных Штатах такие явления прямолинейного ветра чаще всего случаются весной, когда нестабильность наиболее высока, а погодные фронты регулярно пересекают страну. Прямолинейные ветры в форме derechos могут иметь место на всей восточной половине США.
Прямолинейные ветры могут наносить ущерб морским интересам. Небольшие корабли, катера и парусники подвержены риску этого метеорологического явления.
Формирование нисходящей волны начинается с града или крупных капель дождя падение через более сухой воздух. Град плавится, а капли дождя испаряются, забирая скрытое тепло из окружающего воздуха и значительно охлаждая его. Более холодный воздух имеет более высокую плотность, чем более теплый воздух вокруг него, поэтому он опускается на землю. Когда холодный воздух ударяется о землю, он расширяется, и фронт мезомасштаба можно наблюдать как фронт порыва. Области под прорывом и в непосредственной близости от них - это районы, которые получают самые сильные ветры и осадки, если таковые имеются. Кроме того, из-за того, что охлажденный дождем воздух спускается из средней тропосферы, наблюдается значительное падение температуры. Из-за взаимодействия с землей нисходящий поток быстро теряет силу, поскольку он разветвляется и образует характерную «форму завитка», которая обычно наблюдается на периферии микровзрыва (см. Изображение). Нисходящие выбросы обычно длятся всего несколько минут, а затем рассеиваются, за исключением случаев, когда возникают линии шквалов и дерехо. Однако, несмотря на их короткий срок службы, микровзрывы представляют серьезную опасность для авиации и имущества и могут привести к значительному повреждению местности.
Особый и гораздо более редкий вид нисходящих выбросов - это тепловые выбросы, которые возникают в результате компрессионного нагрева воздуха, испаренного атмосферными осадками, при спуске с очень высокой высота, обычно на обратной стороне умирающей линии шквала или границы оттока. Тепловые всплески происходят в основном ночью, могут вызывать ветер со скоростью более 160 км / ч (100 миль в час), характеризуются исключительно сухим воздухом, могут внезапно повышать температуру поверхности до 38 ° C (100 ° F) или более, а иногда сохраняться в течение несколько часов.
Развитие микровсплесков разбивается на три стадии: стадия контакта, стадия вспышки и стадия амортизации.
Нисходящий взрыв сначала развивается, когда нисходящий поток начинает спускаться от нижней границы облака. Нисходящий поток ускоряется и в течение нескольких минут достигает земли (стадия контакта).
На стадии выброса ветер "закручивается", поскольку холодный воздух при выбросе удаляется от точки удара о землю.
На этапе амортизации ветер вокруг завитка продолжает ускоряться, в то время как ветер у поверхности замедляется из-за трения.
Начните с использования уравнения вертикального импульса :
Путем разложения переменных на основное состояние и возмущение, определение основных состояний и использование закона идеального газа (), тогда уравнение можно записать в виде
где B - плавучесть. Поправка виртуальной температуры обычно довольно мала и в хорошем приближении; его можно игнорировать при вычислении плавучести. Наконец, влияние атмосферной нагрузки на вертикальное движение параметризуется путем включения члена, уменьшающего плавучесть, в качестве коэффициента смешивания жидкой воды () увеличивается, что приводит к окончательной форме уравнения количества движения посылки:
Первый член - это влияние градиентов возмущающего давления на вертикальное движение. Во время некоторых штормов этот термин имеет большое влияние на восходящие потоки (Rotunno and Klemp, 1982), но нет особых оснований полагать, что он имеет большое влияние на нисходящие потоки (по крайней мере, на в первом приближении) и поэтому будет проигнорирован.
Второй член - это влияние плавучести на вертикальное движение. Очевидно, что в случае микровзрывов можно ожидать, что B будет отрицательным, что означает, что посылка холоднее, чем ее окружающая среда. Это охлаждение обычно происходит в результате фазовых переходов (испарение, плавление и сублимация ). Частицы осадков, которые малы, но находятся в большом количестве, способствуют максимальному охлаждению и, следовательно, созданию отрицательной плавучести. Основной вклад в этот процесс вносит испарение.
Последний член - эффект водной нагрузки. В то время как испарению способствует большое количество мелких капель, требуется всего несколько больших капель, чтобы внести существенный вклад в ускорение частиц воздуха вниз. Этот термин связан со штормами с большим количеством осадков. Сравнивая эффекты водной нагрузки с эффектами, связанными с плавучестью, если у участка коэффициент смешивания жидкой воды 1,0 g kg, это примерно эквивалентно примерно 0,3 K отрицательной плавучести; последнее - большое (но не экстремальное) значение. Следовательно, в общих чертах отрицательная плавучесть обычно является основным фактором нисходящего потока.
Использование чистой «теории участков» приводит к предсказанию максимального нисходящего потока
где NAPE - отрицательное значение доступная потенциальная энергия,
и где LFS обозначает уровень свободного погружения для нисходящего участка, а SFC обозначает поверхность. Это означает, что максимальное движение вниз связано с интегрированной отрицательной плавучестью. Даже относительно небольшая отрицательная плавучесть может привести к значительному нисходящему потоку, если он поддерживается на относительно большой глубине. Скорость вниз 25 м / с (56 миль / ч; 90 км / ч) является результатом относительно скромного значения NAPE, равного 312,5 м / с. В первом приближении максимальный порыв ветра примерно равен максимальной скорости нисходящего потока.
Нисходящие порывы, в частности микропорывы, чрезвычайно опасны для самолетов, которые взлетают или садятся из-за сильного вертикального сдвига ветра, вызванного этими событиями. Ряд аварий со смертельным исходом был отнесен на счет обрушений.
Ниже приведены некоторые катастрофы со смертельным исходом и / или авиационные происшествия, которые были приписаны микровзрывам вблизи аэропортов:
Микровзрывы часто вызывают крушение самолетов, когда они пытаются приземлиться (см. Выше- упомянутые рейсы BOAC и Pan Am являются заметными исключениями). Микровзрыв - это чрезвычайно мощный порыв воздуха, который, ударяясь о землю, распространяется во всех направлениях. Когда самолет садится на посадку, пилоты пытаются замедлить самолет до соответствующей скорости. Когда происходит микровзрыв, пилоты увидят большой всплеск своей воздушной скорости, вызванный силой встречного ветра, создаваемого микропорой. Пилот, не имеющий опыта работы с микровзрывами, попытался снизить скорость. Затем самолет пролетел бы через микровзрыв и полетел бы против попутного ветра, вызывая внезапное уменьшение количества воздуха, проходящего через крылья. Уменьшение воздушного потока над крыльями самолета приводит к падению подъемной силы. Это уменьшение подъемной силы в сочетании с сильным нисходящим потоком воздуха может привести к тому, что тяга, необходимая для удержания на высоте, превысит доступную, что приведет к сваливанию самолета. Если самолет находится на малой высоте вскоре после взлета или во время посадки, у него не будет достаточной высоты для восстановления.
Самый сильный микровзрыв, зарегистрированный на данный момент, произошел в Эндрюс-Филд, штат Мэриленд, 1 августа 1983 года, при скорости ветра 240,5 км / ч (149,5 миль / ч).
На Wikimedia Commons есть материалы, связанные с Downburst. |