Устойчивость атмосферы и конвекция

Будет ли небо оставаться ясным или разразится мощными грозами, зависит от устойчивости — противоборства между плавучестью поднимающейся воздушной массы и сопротивлением окружающего воздуха.

Definition

Устойчивость атмосферы описывает тенденцию смещенной воздушной массы возвращаться к своему первоначальному уровню или ускоряться от него, а конвекция — это вертикальное перемешивание, которое происходит, когда атмосфера неустойчива и воздушные массы становятся плавучими.

Scope

Эта тема охватывает статическую устойчивость и теорию воздушной частицы, условия абсолютной, условной и конвективной неустойчивости, энергию, доступную для конвекции, измеряемую конвективной доступной потенциальной энергией, а также результирующую свободную и вынужденную конвекцию.

Core questions

• Как сравнение градиента температуры воздушной массы с окружающей средой определяет устойчивость?
• В чем разница между абсолютной, условной и конвективной неустойчивостью?
• Как конвективная доступная потенциальная энергия количественно определяет потенциал для штормов?
• Что вызывает и поддерживает атмосферную конвекцию?

Key theories

Теория устойчивости воздушной массы

Смещенная воздушная масса, которая оказывается теплее и менее плотной, чем ее окружение, продолжает подниматься, сигнализируя о неустойчивости, в то время как та, что оказывается холоднее, опускается обратно, что является основой для сравнения градиентов температуры воздушной массы и окружающей среды.

Конвективная доступная потенциальная энергия

Интегрированная плавучесть, которую воздушная масса приобрела бы при подъеме через слой с положительной площадью, измеряет энергию, доступную для конвекции, и помогает предвидеть интенсивность гроз.

Mechanisms

Устойчивость оценивается путем подъема гипотетической воздушной массы и сравнения ее температуры, регулируемой сухим или влажным адиабатическим градиентом, с окружающей средой. Если температура окружающей среды с высотой падает быстрее, чем температура воздушной массы, воздушная масса остается плавучей, и начинается конвекция; если медленнее, воздушная масса опускается обратно, и воздух стабилен. Условная неустойчивость возникает, когда слой стабилен для сухого, но нестабилен для насыщенного подъема, так что подъем до насыщения может вызвать конвекцию, при этом доступная энергия количественно определяется конвективной доступной потенциальной энергией.

Clinical relevance

Оценка устойчивости и конвективной энергии по данным зондирования имеет центральное значение для прогнозирования гроз, опасных погодных явлений и опасностей для авиации; индексы, основанные на концепциях устойчивости, определяют ежедневную выдачу конвективных прогнозов и штормовых предупреждений.

History

Теория воздушной массы и анализ условной неустойчивости развивались в середине двадцатого века наряду с изучением тропической и конвективной погоды Рилем и Симпсоном; позднее энергетические меры, такие как конвективная доступная потенциальная энергия, подчеркнутые в синтезе Эмануэля, стали стандартными инструментами для диагностики конвекции.

Key figures

• Kerry Emanuel
• Joanne Simpson
• Herbert Riehl

Seminal works

• emanuel1994
• wallace2006

Frequently asked questions

Что делает атмосферу неустойчивой?

Атмосфера неустойчива, когда температура быстро падает с высотой, так что поднимающаяся воздушная масса остается теплее и легче, чем ее окружение, и продолжает ускоряться вверх, что способствует образованию облаков и гроз.

Что CAPE говорит синоптику?

Конвективная доступная потенциальная энергия, или CAPE, измеряет, сколько плавучей энергии может приобрести поднимающаяся воздушная масса; большее значение CAPE указывает на потенциал для более сильных восходящих потоков и более интенсивных гроз, хотя необходимы и другие факторы.