9.5: Як горизонтальна розбіжність/конвергенція пов'язана з вертикальним рухом?

Комбіноване супутникове інфрачервоне зображення, накладене аналізом поверхні та радаром. Зверніть увагу, що опади, як правило, пов'язані з регіонами низького тиску, а області високого тиску, як правило, не містять значних хмар. Як ми незабаром побачимо, повітря низького рівня сходиться в області низького тиску, викликаючи підйом, що спричиняє хмари та опади. Повітря низького рівня розходиться з областей високого тиску, спричиняючи здуття повітря та потепління та сушіння адіабатичним спуском. Погляньте на останнє складене зображення.

Кредит: Юнісіс

Наша мета тут полягає в тому, щоб пов'язати горизонтальну конвергенцію і розбіжність з вертикальним рухом. Якщо вертикальний рух буде вгору, то підняте повітря охолоне, утворюються хмари, а може піти дощ або сніг. Якщо вертикальний рух буде вниз, то припливне повітря буде прогріватися адіабатичним спуском, хмари випаруються, і стане ясно.

Щоб дізнатися, що буде, нам потрібно повернутися до основного закону збереження маси, який ми детально виведемо на Урок 10. Тут ми просто наводимо результат:

\[\frac{1}{\rho} \frac{D \rho}{D t}+\vec{\nabla} \bullet \vec{U}=0\]

де ρ - щільність, а D/Dt - загальна похідна.

Для розбіжності обсяг зменшується\(\vec{\nabla} \bullet \vec{U}>0\), а щільність повинна збільшуватися, щоб зберегти масу.

Однак до хорошого наближення щільність не змінюється з часом для будь-якої заданої горизонтальної поверхні. Звичайно, щільність зменшується експоненціально з висотою, але для кожного рівня висоти щільність на цьому рівні досить постійна.

Отже, до хорошого наближення:

\[\vec{\nabla} \bullet \vec{U}=0\]

і тому, що ми можемо відокремити горизонтальну і вертикальну складові розбіжності:

\[\vec{\nabla} \bullet \vec{U}=\vec{\nabla}_{H} \bullet \vec{U}_{H}+\frac{\partial w}{\partial z}\]

ми бачимо, що:

\[\vec{\nabla}_{H} \bullet \vec{U}_{H}+\frac{\partial w}{\partial z}=0, \quad\) or \(\quad \frac{\partial w}{\partial z}=-\vec{\nabla}_{H} \bullet \vec{U}_{H}\]

Таким чином, горизонтальна розбіжність компенсується вертикальною збіжністю, а горизонтальна збіжність компенсується вертикальною розбіжністю.

\[\vec{\nabla}_{H} \bullet \vec{U}_{H}>0 \quad\) means \(\quad \frac{\partial w}{\partial z}<0\]

Горизонтальна розбіжність дає зменшення вертикальної швидкості з висотою.

\[\vec{\nabla}_{H} \bullet \vec{U}_{H}<0 \quad\) means \(\quad \frac{\partial w}{\partial z}>0\]

Горизонтальна конвергенція дає збільшення вертикальної швидкості з висотою.

Тепер у тропосфері вертикальна швидкість близька до нуля (w ~ 0) на двох висотах. Перший - це земна поверхня, яка утворює суцільну межу, яка зупиняє вертикальний вітер. Друга - тропопауза, вище якої швидке підвищення температури стратосферного потенціалу сильно гальмує вертикальний рух з тропосфери (див. Дві малюнки нижче), настільки, що можна сказати, що вертикальний вітер повинен бути ~ 0 при тропосфері.

Поверхнева збіжність або розбіжність і результуюча вертикальна швидкість (примітка: v, використана на цьому малюнку, така ж, як U _H в тексті.).

Кредит: Х.Н. Ширер

Збіжність або розбіжність тропопаузи і результуюча вертикальна швидкість (примітка: v використовується на цьому малюнку така ж, як U _H в тексті.).

Кредит: Х.Н. Ширер

Ці процеси можна узагальнити в наступній таблиці:

площині	процес	зміна площі поверхні	ш /з	ш
поверхня	зближення	зменшення	+	вгору
поверхня	розбіжність	збільшувати	—	вниз
на висоті	зближення	зменшення	+	вниз
на висоті	розбіжність	збільшувати	—	вгору

Давайте тепер розглянемо ефект, який має дивергенція/конвергенція на поверхневу конвергенцію/розбіжність (див. Малюнок нижче).

Розбіжність на висоті пов'язана з підйомом повітря по всій тропосфері, що пов'язано з низьким тиском і сходженням на поверхні.

Конвергенція на висоті пов'язана з зануренням повітря по всій тропосфері, що пов'язано з високим тиском на поверхні і, таким чином, розбіжністю на поверхні.

Отже, починаючи з поверхні, вертикальна швидкість стає більш позитивною з висотою, коли є поверхнева конвергенція, досягає деякої максимальної вертикальної швидкості, а потім стає менш позитивною з висотою знову до розбіжності на висоті.

Аналогічно, починаючи знову з поверхні, вертикальна швидкість стає більш негативною з висотою, коли є поверхнева розбіжність, досягає деякої максимальної негативної швидкості, а потім стає менш негативною з висотою знову поблизу сходження на висоті.

Як дивергенція на висоті з'єднується з поверхневим низьким тиском та конвергенцією та як конвергенція на висоті з'єднується з поверхневим високим тиском та розбіжністю.

Кредит: Х.Н. Ширер

Тепер подивіться це відео (3:52) про горизонтальну дивергенцію:

Горизонтальна розбіжність Вертикальний рух

Клацніть тут для стенограми відео про вертикальний рух горизонтальної дивергенції.

Ключовими поняттями, які дозволяють перетворити горизонтальну розбіжність у вертикальний рух, є те, що маса зберігається, але вертикальна структура щільності та щільності повітря досить постійна з часом, і що вертикальний вітер на поверхні Землі та на тропопаузі ефективно дорівнює 0. Це означає, що загальна розбіжність повинна бути приблизно 0, щоб обсяг повітряної посилки залишався постійним. Таким чином, зміни горизонтальної області викликають зміни вертикальної висоти для підтримки якості повітря. Ключ, який слід пам'ятати, полягає в тому, що вертикальна швидкість w є частковою похідною щодо висоти z не завжди мають однаковий знак. Другий ключовий момент, який слід пам'ятати, полягає в тому, що часткова похідна w щодо z є негативною дивергенцією. Ми б спочатку подивилися на розбіжну дзеркальну поверхню. Але якщо є горизонтальне сходження, то повітря повинен кудись піти, і він не може спуститися, тому йде вгору. Рівняння насправді говорить про те, що часткова похідна w, вертикальна швидкість по відношенню до z, повинна бути додатною. Але якщо w дорівнює 0 на поверхні Землі, а w все більше з висотою, ніж w має бути позитивним. Для розбіжності поблизу поверхні Землі ми бачимо, що часткова похідна w щодо z негативна, а це означає, що w повинен бути негативним над поверхнею, оскільки w дорівнює 0 на поверхні землі. Так що швидкість повітря w повинна бути вниз. Але тропопауза, швидке збільшення напруги для потенційної температури діє як кришка на тропосфері. Ефективно змушує переходити до 0 при тропопаузі. Існує горизонтальна розбіжність, тоді ми повинні бути вгору, щоб підтримувати об'єм повітряної посилки, оскільки повітряна посилка поширюється горизонтально поблизу тропопаузи. Математично це означає, що ми повинні бути позитивними. Але ми знаємо, що він повинен перейти до 0 троупауза. Тому частка w по відношенню до z повинна бути негативною, коли вона наближається до тропопаузи, тобто w зменшується зі збільшенням висоти до 0 при тропопаузі від позитивного значення в тропосфері. З іншого боку, якщо є сходження в повітрі поблизу тропопаузи, то повітря має йти вниз, а вертикальна швидкість w повинна бути негативною. Якщо ми подивимось на зміни w щодо висоти вище рівня нерозбіжності, оскільки z збільшується, w переходить від більш негативного до менш негативного, що є позитивною зміною w, з позитивною зміною z, тому часткова похідна є позитивною, хоча w негативна. Зібравши ці частини разом, ми бачимо, що якщо ми маємо конвергенцію на поверхні Землі, яка відбувається в районах низького тиску з причин, які ми побачимо на уроці 10, то на тропопаузі, є розбіжність. У проміжку між двома поверхнями швидкість вгору— тобто w позитивна. Якщо у нас є розбіжність біля поверхні Землі, яка відбувається в районах високого тиску, то відбувається сходження на тропопаузі. У проміжках вертикальна швидкість - вниз. Тобто w негативний. Виходить назовні повітря вище низького тиску створює охолодження, що призводить до хмар і опадів. Повітря, що рухається вниз над областю високого тиску, викликає потепління та висихання, що призводить до чітких умов.

Поверхнева карта погоди на 2 лютого 2015 року. Вказуються фронти, мінімуми та максимуми. Радар показує, де випадають опади.

Кредит: Юнісіс

Карта погоди 500 мб на 2 лютого 2015 року. Чорні лінії - це висота поверхні, а смуги вітру показують напрямок і величину вітру.

Кредит: NOAA.

Показано, що конвергенція та дивергенція на висоті біля тропопаузи пов'язані з поверхневими максимумами та мінімумами. Тепер ваша черга знайти кілька прикладів. Перейдіть до джерела інформації про поверхневий тиск і верхні вітри повітря і виберіть деякі регіони, які показують цей зв'язок. Одним з хороших джерел є електронна стіна штату Пенн, для якої ви можете використовувати «Супутникові накладення США».