при какой энергии неустойчивости условия благоприятны для развития конвективной облачности

При какой энергии неустойчивости условия благоприятны для развития конвективной облачности

Погода без границ

Расчет Ki основан на вертикальном градиенте температуры, влажности воздуха в нижней тропосфере, а также учитывает вертикальную протяженность влажного слоя воздуха. Ki характеризует степень конвективной неустойчивости воздушной массы, которая необходима для возникновения и развития гроз.
Формула: Ki=T850-T500+Td850-∆Td700.
В формуле: Ki — индекс неустойчивости (число Вайтинга), T850 — температура воздуха на изобарической поверхности 850 гПа, T500 — температура воздуха на 500 гПа, Td850 — температура точки росы на 850 гПа, ∆Td700 — дефицит точки росы (T-Td) на поверхности 700 гПа.

Ki лучше всего использовать в летний период для прогнозирования внутримассовых гроз. Пороговые значения в таблице могут изменяться в зависимости от сезона, географии и синоптической ситуации.

Вероятность гроз, рассчитанных по методу Вайтинга.

VT — Vertical Totals индекс

Если VT > 28, следовательно тропосфера обладает высоким потенциалом конвективной неустойчивости, достаточным для образования гроз.

CT — Сross Totals индекс

При СT 25 — Очень высокая энергия неустойчивости. Очень сильные грозы.

TT — Total Totals индекс

Формула: TT = VT + CT, Miller (1972); где CT — Сross Totals индекс, VT — Vertical Totals индекс.

При TT 55 — Многочисленные сильные грозы с сильными смерчами.

SWEAT — Severe Weather ThrEAT индекс

SWEAT — индекс неустойчивости, разработанный в ВВС США. SWEAT — комплексный критерий для диагноза и прогноза опасных и стихийных явлений погоды, связанных с конвективной облачностью. SWEAT включает в себя индекс неустойчивости воздушной массы, скорость и сдвиг ветра.

В формуле Td850 — температура точки росы на 850 гПа, TT — Total Totals индекс, F850 — скорость ветра на 850 гПа, F500 — скорость ветра на 500 гПа, D500 и D850 — направление ветра на соответствующих поверхностях.

SWEAT Li — Lifted index

Li — Разница температур окружающего воздуха и некоторого единичного объёма, поднявшегося [адиабатически] от поверхности земли (или с заданного уровня) до уровня 500 гПа. Li рассчитывается с учётом вовлечения окружающего воздуха.

Li — характеризует термическую стратификацию атмосферы по отношению к вертикальным перемещениям воздуха. Если значения Li положительные, то атмосфера (в соответствующем слое) устойчива. Если значения Li отрицательные — атмосфера неустойчива.

Ti — Thompson index

Формула: Ti = Ki- Li. Ki — К-индекс (число Вайтинга), Li — Lifted index.

Интенсивность конвективных явлений по CAPE

400-1000 Дж/кг — небольшая неустойчивость (Cu, Cb, слабые ливневые осадки);
1000-2500 Дж/кг — умеренная неустойчивость (Cb с ливнями, грозы);
2500-3500 Дж/кг — сильная неустойчивость (грозы, местами сильные);
≥ 3500 Дж/кг — очень сильная неустойчивость (сильные и очень сильные грозы, смерчи).

СIN — Convective INhibition

СIN — количество энергии, необходимой частице воздуха для преодоления в нижней тропосфере задерживающего слоя. В этом слое перемещение воздушных частиц по вертикали вверх затруднено или полностью исключено. В частности, слои инверсии температуры воздуха имеют наиболее устойчивую стратификацию и препятствуют развитию восходящих движений воздуха. На аэрологической диаграмме CIN — область от поверхности земли до нижней границы КНС. Значение CIN больше 200 Дж/кг достаточно для предотвращения конвекции в атмосфере. Энергию CIN принято записывать отрицательными числами.

К разрушению задерживающего слоя приводят:
— интенсивный дневной прогрев;
— увлажнение пограничного слоя атмосферы (адвекция влажного воздуха или испарение с местных источников влаги);
— подъем воздуха синоптического масштаба.

Источник

При какой энергии неустойчивости условия благоприятны для развития конвективной облачности

Конвективные движения возникают в результате особого рода неустойчивости воздуха, известной как статическая, или конвективная неустойчивость. Конвективная неустойчивость характеризуется тем, что частица, сместившись по вертикали относительно исходного уровня (на котором она находилась в равновесии), под действием силы плавучести не возвращается на этот уровень, а продолжает удаляться от него. Причиной является вертикальная стратификация атмосферы: температура в окружающем воздухе падает с высотой быстрее, чем в адиабатически поднимающейся частице, и последняя, таким образом, оказывается теплее окружающего воздуха на всех уровнях выше исходного. Другими словами, в статически неустойчивом насыщенном воздухе вертикальный градиент температуры больше сухоадиабатического (γ > γ_а), а в насыщенном – больше влажноадиабатического (γ > γ_ва). Конвективные движения черпают свою кинетическую энергию из потенциальной энергии неустойчиво стратифицированного воздуха.

Атмосферная конвекция наиболее часто наблюдается и бывает наиболее интенсивной в зонах атмосферных фронтов, где действует вынуждающий эффект восходящих движений; интенсивная внутримассовая конвекция наблюдается значительно реже. Фронтальная конвекция нередко развивается одновременно со слоисто-дождевыми облаками и обложными осадками. В таких случаях облака Cb бывают скрыты от наземного наблюдателя, однако они обнаруживаются радиолокационными наблюдениями.

Конвекция неодинаково развивается над морем и сушей, над ровной и гористой местностью. Известно, что чем однороднее подстилающая поверхность, тем реже над ней развиваются очень интенсивные конвективные очаги. Так, грозы и град над морем бывают значительно реже, чем над сушей. Спектры размеров облаков над сушей более широкие, чем над морем. Даже небольшие возвышенности приводят к интенсификации конвекции, прежде всего к регулярному увеличению конвективных осадков.

Высокие горы создают особенно сложные условия для развития конвекции, в ряде случаев сильно увеличивая ее повторяемость и интенсивность. Аналогичный, но более слабый эффект имеет увеличение шероховатости подстилающей поверхности. В частности, интенсивность конвекции заметно увеличена над крупными городами, что проявляется в увеличении повторяемости над ними сильных ливней, гроз и града.

Согласно классификации ВМО, различают три типа Cb: одноячейковые, многоячейковые и облака типа сверхячеек (суперячеек).

Приведенная классификация не является исчерпывающей. Только около 50% всех наблюдаемых очагов интенсивной конвекции можно уверенно отнести к какому-либо из перечисленных типов, в остальных случаях они имеют сложную структуру и образуют комплексы, нерегулярно изменяющиеся во времени и пространстве.

Конвективная облачность характеризуется большой электризацией, что является причиной грозы.

Грозой называется атмосферное явление, возникающее при наличии интенсивной конвекции, необходимой частью которого являются электрические разряды, сопровождающиеся молнией и громом.

Грозовые разряды могут вызвать пожары, в том числе лесные, повреждение линий связи, могут вывести из строя приборы управления самолетом, поразить людей и т.д. Поэтому грозы относятся к опасным метеорологическим явлениям.

Различают внутримассовые и фронтальные грозы.

Возникновению гроз способствуют следующие условия:

Источник

Тепловой режим поверхности Земли и атмосферы

Тепловая энергия поступает в нижние слои атмосферы главным образом от подстилающей поверхности. Тепловой режим этих слоев тесно связан с тепловым режимом земной поверхности, поэтому его изучение является также одной из важных задач метеорологии.

Основными физическими процессами, при которых почва получает или отдает тепло являются: 1) лучистый теплообмен, 2) турбулентный теплообмен между подстилающей поверхностью и атмосферой, 3) молекулярный теплообмен между поверхностью почвы и нижним неподвижным прилегающим слоем воздуха; 4) теплообмен между слоями почвы; 5) фазовый теплообмен: затраты тепла на испарение воды, таяние льда и снега на поверхности и в глубине почвы или его выделение при обратных процессах.

Тепловой режим поверхности земли и водоемов определяется их теплофизическими характеристиками. Изучите их. Особое внимание при подготовке следует обратить на вывод и анализ уравнения теплопроводности почвы (уравнение Фурье). Если почва однородна по вертикали, то ее температура t на глубине z в момент времени t может быть определена из уравнения Фурье:

(1)

где a ¾ температуропроводность почвы.

Следствием этого уравнения являются основные законы распространения температурных колебаний в почве:

1. Закон неизменности периода колебаний с глубиной:

2. Закон уменьшения амплитуды колебаний с глубиной:

, (3)

3. Закон сдвига фазы колебаний с глубиной (закон запаздывания):

, (4)

где ¾ запаздывание, т.е. разность между моментами наступления одинаковой фазы колебаний (например, максимума) на глубинах z₁ и z₂. Колебания температуры проникают в почву до глубины z_пр, определяемой соотношением:

(5)

Кроме того, необходимо обратить внимание на ряд следствий из закона уменьшения амплитуды колебаний с глубиной:

а) глубины, на которых в разных почвах (а₁¹а₂) амплитуды температурных колебаний с одинаковым периодом (Т₁=Т₂) уменьшается в одинаковое число раз , относятся между собой как корни квадратные из температуропроводности этих почв

; (6)

б) глубины, на которых в одной и той же почве (a=const) амплитуды температурных колебаний с разными периодами (Т₁¹Т₂) уменьшаются в одинаковое число раз , относятся между собой как корни квадратные из периодов колебаний

; (7)

Необходимо четко усвоить физический смысл и особенности формирования теплового потока в почву.

Поверхностная плотность теплового потока в почве определяется по формуле:

(8)

Средняя поверхностная плотность теплового потока через поверхность почвы за интервал времени t описывается формулой

, (9)

Приведем основные примеры задач по теме «Тепловой режим почвы».

Задача 1. На какой глубине уменьшается в е раз амплитуда суточных колебаний в почве, имеющей коэффициент температуропроводности

Решение. Из уравнения (3) следует, что амплитуда суточных колебаний уменьшится в е раз на глубине, соответствующей условию

; .

Задача 2. Найти глубину проникновения суточных колебаний температуры в гранит и в сухой песок, если экстремальные температуры поверхности соседних участков с гранитной почвой 34,8 и 14,5 0 С, а с сухой песчаной почвой ¾42,3 и 7,8 0 С. Температуропроводность гранита а_г=72,0 см 2 /ч, сухого песка а_п=23,0 см 2 /ч.

Решение. Амплитуда температуры на поверхности гранита и песка равна:

Глубина проникновения рассматривается по формуле (5):

;

В связи с большей температуропроводностью гранита мы получили и большую глубину проникновения суточных колебаний температуры.

Задача 3. Предположив, что температура верхнего слоя почвы изменяется с глубиной линейно, следует вычислить поверхностную плотность теплового потока в сухом песке, если температура его поверхности составляет 23,6 0 С, а температура на глубине 5 см равна 19,4 0 С.

Решение. Температурный градиент почвы в этом случае равен:

.

Теплопроводность сухого песка l=1,0 Вт/м×К. Поток тепла в почву определяем по формуле:

.

Тепловой режим приземного слоя атмосферы определяется, главным образом, турбулентным перемешиванием, интенсивность которого зависит от динамических факторов (шероховатости земной поверхности и градиентов скоростей ветра на различных уровнях, масштаба движения) и термических факторов (неоднородности нагревания различных участков поверхности и вертикального распределения температуры).

Для характеристики интенсивности турбулентного перемешивания используется коэффициента турбулентного обмена А и коэффициент турбулентного перемешивания К. Они связаны соотношением

Коэффициент турбулентности К измеряется в м 2 /с, с точностью до сотых долей. Обычно в приземном слое атмосферы используют коэффициент турбулентности К₁ на высоте z¢ = 1 м. В пределах приземного слоя:

Необходимо знать основные методы определения К₁.

Задача 1. Вычислить поверхностную плотность вертикального теплового потока в приземном слое атмосферы через площадку, на уровне которой плотность воздуха равна нормальной, коэффициент турбулентности равен 0,40 м 2 /с, а вертикальный градиент температуры 30,0 0 /100м.

Решение. Вычисляем поверхностную плотность вертикального теплового потока по формуле

;

Изучите факторы, влияющие на тепловой режим приземного слоя атмосферы, а также периодические и непериодические изменения температуры свободной атмосферы. Уравнения теплового баланса земной поверхности и атмосферы описывают закон сохранения энергии, полученной деятельным слоем Земли. Рассмотрите суточный и годовой ход теплового баланса и причины его изменений.

Вопросы для самопроверки

1. Какие факторы определяют тепловой режим почвы и водоемов?

2. Каков физический смысл теплофизических характеристик и как они влияют на температурный режим почвы, воздуха, воды?

3. От чего зависят и как зависят амплитуды суточных и годовых колебаний температуры поверхности почвы?

4. Сформулируйте основные законы распределения температурных колебаний в почве?

5. Какие следствия вытекают из основных законов распределения температурных колебаний в почве?

6. Каковы средние глубины проникновения суточных и годовых колебаний температуры в почве и в водоемах?

7. Влияние растительного и снежного покрова на тепловой режим почвы?

8. Какие особенности теплового режима водоемов в отличие от теплового режима почвы?

9. Какие факторы влияют на интенсивность турбулентности в атмосфере?

10. Какие количественные характеристики турбулентности вы знаете?

11. Каковы основные методы определения коэффициента турбулентности, их достоинства и недостатки?

12. Нарисуйте и проанализируйте суточный ход коэффициента турбулентности над поверхностью суши и водоема. В чем причины их различия?

13. Как определяется поверхностная плотность вертикального турбулентного теплового потока в приземном слое атмосферы?

КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ

Общие указания

К выполнению контрольных работ следует приступить после тщательного изучения рекомендованных глав литературы. Для решения задач полезны сведения о расчетных формулах по каждому из разделов дисциплины, а также большой объем справочных данных, которые можно найти в «Задачнике по общей метеорологии». Составители А.Г. Бройдо и др.[2].

В результате самостоятельного изучения первой части дисциплины необходимо выполнить две контрольные работы, каждая из которых состоят из 7 заданий. Каждое задание дано в 10 вариантах вопросов. Номер выполняемого варианта соответствует последней цифре номера вашей зачетной книжки. Вариант 10 соответствует цифре «0».

Ответы на вопросы контрольной работы должны быть сформулированы достаточно подробно, чтобы был ясен физический смысл излагаемого материала, подтвержденный, где это возможно, математическими формулами.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1

Задание 1

По показаниям сухого и смоченного термометров стационарного психрометра и атмосферного давления на станции найти по психрометрической таблице точку росы, парциальное давление водяного пара, относительную влажность и дефицит насыщения. Вычислить абсолютную влажность, массовую долю и массовое отношение водяного пара, пояснить их физический смысл.

Варианты исходных данных

№ варианта	о С	о С	Р гПа
1	19, 4	12, 7	1026, 7
2	18, 5	11, 8	1017, 8
3	17, 4	10, 7	1028, 9
4	16, 5	10, 9	1018, 3
5	17, 6	9, 8	1022, 4
6	18, 9	11, 7	1016, 7
7	26, 3	19, 2	1018, 9
8	22, 1	14, 1	1024, 7
9	20, 1	12, 3	1017, 3
10	16, 4	9, 8	1024, 1

Задание 2

1. Как изменяется барическая ступень с высотой в реальной атмосфере?

2. Как изменяется вертикальный градиент давления с высотой в однородной атмосфере?

3. При каком вертикальном температурном градиенте высота политропной атмосферы наименьшая?

4. Как изменяется плотность воздуха с высотой в изотермической атмосфере?

5. Какие значения может принимать парциальное давление водяного пара при температуре 15,0 0 С?

6. Определить дефицит насыщения при температуре воздуха 10,0 0 С и относительной влажности 50%.

7. Определить температуру воздуха, если дефицит насыщения 12,3 гПа, а точка росы 10,0 0 С.

9. Определить массовую долю водяного пара, если его температура 12,0 0 С, f=100% и Р=1000 гПа.

10. Что больше массовая доля или массовое отношение водяного пара?

Задание 3

Найти плотность влажного воздуха r_в и виртуальной температуру T_v при температуре t, давлении Р и относительной влажности f. Что больше: плотность сухого или влажного воздуха? Каков физический смысл виртуальной температуры?

Задание 4

1. Укажите границы солнечного спектра у поверхности Земли.

2. Что такое солнечная постоянная: как она меняется от зимы к лету?

4. Облака какого яруса рассеивают солнечную радиацию больше всего и почему?

5. Когда наблюдается наибольшее значение рассеянной радиации в суточном ходе в ясный солнечный день?

6. Что такое интегральный коэффициент прозрачности и как он изменяется с уменьшением высоты солнца?

8. При каком вертикальном распределении температуры под основанием низких облаков эффективное излучение наименьшее (при прочих равных условиях) и почему?

9. Изменение каких метеовеличин больше всего влияет на суточный ход эффективного излучения при безоблачном небе?

Задание 5

Вычислить энергетическую освещенность прямой солнечной радиации горизонтальной поверхности при высоте солнца h 0 _(.) и коэффициенте прозрачности Р. Объясните физический смысл составляющих закона Буге.

Варианты исходных данных

Задание 6

1. Чем объясняется цвет неба?

2. Почему облака белые?

3. Какие процессы определяют яркость небесного свода?

4. Чем объясняется кажущееся увеличение размеров солнца и луны у горизонта?

5. Что такое сумерки?

6. Каковы источники освещения земной поверхности ночью?

7. Что такое яркостной контраст и как он влияет на дальность видимости?

8. Какие факторы влияют на метеорологическую дальность видимости?

9. Объясните появление нижних миражей?

10. Объясните появление верхних и боковых миражей.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 2

Задание 1

1. Как изменяется с высотой потенциальная температура воздуха в слое атмосферы, в котором вертикальный градиент температуры больше сухоадиабатического градиента?

2. Как изменяются при подъеме параметры ненасыщенной водяным паром воздушной частицы?

3. Как и почему изменяется влажноадиабатический градиент температуры при подъеме воздуха с насыщенным водяным паром?

4. Какова стратификация слоя атмосферы, в котором вертикальный градиент температуры равен влажноадаиабатическому?

5. Как поведет себя в неустойчивом слое атмосферы объем воздуха, если действие этой силы прекратится?

6. Как влияет неустойчивая термическая стратификация на турбулентное перемешивание?

7. Как и почему изменяется относительная влажность ненасыщенной водяным паром частицы воздуха адиабатически поднимающейся до уровня конвекции.

8. При какой энергии неустойчивости условия благоприятны для развития конвективной облачности?

9. Как изменится с точки зрения устойчивости термическая стратификация воздуха, натекающего зимой в умеренных широтах с континента на поверхность моря, не покрытую льдом?

Задание 2

По заданному давлению атмосферы Р (гПа), температуре t 0 C, относительной влажности f(%), найти массовые доли насыщенного пара, находящегося при данных условиях, точку росы и дефицит точки росы воздуха.

Варианты исходных данных

Задание 3

Вычислить влажноадиабатический градиент температуры в воздухе, находящемся при давлении Р (гПа) и температуре t( 0 C). Как и почему изменится ответ при том же давлении, но более высокой (низкой) температуре? Почему и всегда ли влажноадаиабатический градиент меньше суходиабатического?

Варианты исходных данных

Задание 4

1. Какие теплофизические характеристики почвы вы знаете, каков их физический смысл?

2. Сравните и проанализируйте теплофизические характеристики воздуха, воды и почвы?

3. Амплитуда суточного хода температуры поверхности почвы составила 31,1 0 С, а на глубине 20 см 3,7 0 С. Вычислить среднюю температуропроводимость верхнего 20-сантиметрового слоя почвы.

5. Какие формула могут применяться при изучении распространения температурных колебаний в глубь почвы и водоемов?

6. Какие факторы влияют на амплитуду суточных и годовых колебаний поверхности почвы?

7. До какой глубины распространяются (в среднем) суточные и годовые колебания температуры в почве и в различных водоемах? Каким образом можно определить эту глубину?

8. Как и почему влияет снежный покров на температуру почвы?

9. Максимум температуры поверхности почвы отмечен в 13 ч 25 мин. В какое время теоретически наступит максимум на глубинах 20, 40 и 60 см, если температуропроводность на всех глубинах одинакова и равна

10. Как влияют на изменения температуры почвы на глубине рыхление, уплотнение, орошение?

1. Дайте определение приземного слоя атмосферы. Какова его средняя высота?

2. Какие факторы определяют вертикальный турбулентный обмен при равновесном состоянии в приземном слое атмосферы?

3. Какие факторы определяют вертикальный турбулентный обмен при неравновесном состоянии в приземном слое атмосферы?

4. Как изменяется с высотой температура при равновесном состоянии в приземном слое атмосферы?

5. Как изменяется с высотой коэффициент турбулентности?

6. В какое время суток летом турбулентный поток тепла направлен от деятельного слоя в атмосферу над морем и над сушей?

7. При каком распределении температуры в приземном слое формула для определения коэффициента турбулентности методом диффузии может быть не применима?

8. Найти коэффициент турбулентности на высоте 10 м, если Dt=0,0 0 C, z₀=2 см, u_2,0=3м/с.

10. Каков физический смысл коэффициента турбулентности? Какова его размерность?

Задание 6

Вычислить коэффициент турбулентности на высоте 1 м по методу теплового баланса, станционному и уточненному методам турбулентной диффузии, используя результаты градиентных наблюдений на высотах 0,2; 0,5; 1,0; 2,0 м.

Варианты исходных данных

СОДЕРЖАНИЕ

Редактор И. Г Максимова

ЛР № 203209 от 30.12.99.

Подписано в печать … Формат бумаги ……Бумага кн.-жур. Печать офсетная.

Печ. л. …….. Уч.-изд. л. ……….. Тираж …….. Зак. ………..

195196, СПб, Малоохтинский пр. 98. РГГМУ.

Дата добавления: 2018-11-24 ; просмотров: 1188 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник