Устойчивость атмосферы и конвекция

Как вертикальная температурная структура атмосферы определяет, свободно ли поднимается воздух, и возникающие в результате конвективные движения.

Definition

Устойчивость атмосферы — это тенденция атмосферы подавлять или усиливать вертикальные смещения воздуха; конвекция — это вертикальное движение, обусловленное плавучестью, которое возникает, когда атмосфера неустойчива.

Scope

Охватывает критерии статической устойчивости, сравнивающие градиенты температуры воздушного объёма и окружающей среды, абсолютную и условную неустойчивость, уровень свободной конвекции и уровень равновесия, конвективную доступную потенциальную энергию и конвективное торможение, а также организацию плавучей конвекции в термики, облака и штормы.

Core questions

• Когда атмосфера сопротивляется, а когда усиливает вертикальное движение?
• Что такое условная неустойчивость и почему она центральна для влажной конвекции?
• Как количественно определяется энергия, доступная для конвекции, по данным зондирования?

Key theories

Критерии устойчивости воздушного объёма

Сравнение градиента температуры смещенного воздушного объёма с градиентом температуры окружающей среды классифицирует атмосферу как устойчивую, нейтральную или неустойчивую, при этом влажный случай приводит к условной неустойчивости.

Конвективная энергетика

Конвективная доступная потенциальная энергия измеряет интегрированную плавучесть, которую воздушный объём может приобрести при подъеме, определяя потенциальную интенсивность конвекции.

Mechanisms

Воздушный объём, смещенный вверх, является плавучим, если он остается теплее и, следовательно, менее плотным, чем окружающая среда. Когда градиент температуры окружающей среды находится между сухоадиабатическим и влажноадиабатическим градиентами, атмосфера является условно неустойчивой: устойчивой для ненасыщенных воздушных объёмов, но неустойчивой, как только начинается насыщение. Конвективная доступная потенциальная энергия количественно определяет плавучесть, которую воздушный объём накапливает выше уровня свободной конвекции, в то время как конвективное торможение измеряет энергетический барьер, который должен быть преодолен в первую очередь.

Clinical relevance

Индексы устойчивости и метрики конвективной энергии являются основными инструментами для прогнозирования гроз, суровых погодных явлений и вертикального перемешивания загрязняющих веществ в пограничном слое.

History

Метод воздушного объёма и классификация устойчивости были установлены в начале двадцатого века Нормандом и другими; современная трактовка энергетики влажной конвекции, включая конвективную доступную потенциальную энергию, была систематизирована в монографии Эмануэля 1994 года.

Key figures

• Kerry Emanuel
• Charles Normand

Seminal works

• emanuel1994

Frequently asked questions

Что такое условная неустойчивость?

Условная неустойчивость — это состояние, при котором атмосфера устойчива для ненасыщенного воздуха, но становится неустойчивой, как только поднимающийся воздушный объём достигает насыщения, и выделение скрытой теплоты делает его плавучим.