Классификация вертикальных движений воздуха

Вертикальные движения воздуха представляют интерес не столько, сами по себе, хотя в некоторых случаях это тоже важно, сколько потому, что они переносят по вертикали различные примеси и физические свойства воздуха (субстанции). С этим процессом связано образование облачности и осадков, таких метеорологических явлений, как грозы и град, суточный ход метеорологических величин и т. д.

Вертикальные движения непосредственно не измеряются, а вычисляются по различным формулам, основанным на моделях связи, поля вертикальных движений с полями измеряемых метеорологических величин (давления, ветра, температуры).

Вертикальная составляющая скорости движения воздуха возникает за счет влияния сил турбулентного трения, нестационарности движения воздуха, силы плавучести, влияния орографии. В зависимости от основных причин, вызывающих вертикальные движения, они имеют различные пространственные и временные масштабы, т. е. различные размеры областей и интервалов времени, на протяжении которых эти движения сохраняют один и тот же знак.

Мелкомасштабные вертикальные турбулентные движения в пограничном слое атмосферы возникают в основном за счет влияния сил турбулентного трения. С вертикальным турбулентным обменом связаны формирование вертикальных профилей температуры,, влажность воздуха и скорость ветра в пограничном слое атмосферы, образование под приподнятыми температурными инверсиями слоистых и слоисто-кучевых облаков, изменение концентрации загрязняющих атмосферу веществ в приземном слое и т. д.

Временной масштаб мелкомасштабных турбулентных вертикальных движений имеет порядок десятков секунд. Верхний предел масштаба горизонтальных размеров областей этих движений, одного знака скорее всего можно распространить до нижней границы масштаба мезомасштабных атмосферных движений, имеющей порядок сотен метров — нескольких километров.

При гидродинамическом подходе к учету влияния вертикальных турбулентных движений на погодообразующие процессы задача решается методом параметризации, т. е. описанием суммарного эффекта мелкомасштабной турбулентности через характеристики метеорологических полей более крупного масштаба. По- существу также поступает и метеоролог, работающий в основном, синоптическим методом анализа атмосферных процессов. В этом, случае учет интенсивности вертикального турбулентного обмена производится с помощью эмпирических связей между исследуемой характеристикой процесса и распределением метеорологических величин, полученным по данным синоптических станций и других средств производства метеорологических наблюдений.

Турбулентные движения в свободной атмосфере возникают обычно при нестационарности атмосферных движений. Они вызываю болтанку самолетов, могут явиться причиной образования некоторых видов облаков верхнего и среднего ярусов.

Конвективные вертикальные движения возникают в основном под влиянием сил плавучести. Условием их развития является наличие в слое атмосферы, где они развиваются, неустойчивой температурной стратификации. Поскольку с конвективными вертикальными движениями связано образование облачности кучевых форм, то имеется реальная возможность по результатам наблюдений за этими облаками дать эмпирическую оценку пространственных и временных масштабов этих вертикальных движений.

Таким образом было установлено, что конвективные вертикальные движения одного знака могут сохраняться в данном пункте несколько десятков минут, охватывая слой атмосферы толщиной в несколько километров, а по горизонтали распространяясь на территорию, имеющую поперечное сечение от единиц до десятков километров. Средняя скорость конвективных вертикальных движений чаще всего равна 1—2 м/с, но в отдельных случаях она может достигать 30—40 м/с.

Упорядоченные вертикальные движения возникают главным образом под действием сил трения в пограничном слое атмосферы и нестационарности атмосферных движений. Они имеют один и тот же знак на территориях, соизмеримых с размерами циклонов и антициклонов. Время их существования над пунктом определяется скоростью перемещения этих образований, т. е. обычно от нескольких часов до 1—2 сут, а время существования в пределах перемещающегося синоптического объекта может достигать 3—5 сут и даже более. Характерная скорость упорядоченных вертикальных движений составляет несколько см/с.

Конвективные и упорядоченные вертикальные движения могут рассчитываться по результатам сетевых метеорологических наблюдений, а результаты расчетов — использоваться в целях анализа синоптических процессов и при составлении краткосрочных прогнозов погоды. Поэтому остановимся на более детальном рассмотрении вертикальных движений этих двух классов и способах их расчета.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам геологических специальностей, профессиональным геологам-тектонистам, специалистам в области геодинамики и региональной геологии, а также всем, кто интересуется фундаментальными процессами формирования и эволюции земной коры.