Р. Скорер - Аэрогидродинамика окружающей среды (1115254), страница 85
Текст из файла (страница 85)
11.6.2. Неопределенности фена Обычно считается, что воздух с подветренной стороны горы теплее, чем с наветренной, благодаря скрытому теплу, высвобождаемому при Выпадении дождя в горах. Однако это не всегда верно. Представим себе, что высота горной цепы достигает поверхности 700 мбар ( 3000 м над уровнем моря); основание облаков с наветренной стороны (в точке А') находится на уровне поверхности 900 мбар ( 1000 м), а с подветренной сторопы— на уровне поверхности 700 мбар (т. е. на максимальной для данной ситуации высоте (рис. 11.6.3)1 Из тсфиграммы (рис. 11.6.4) видно, что если температура в точке А' с наветренной стороны равна 10'С, то (считая, что подъем в точку Р на поверхности 700 мбар происходил влажноадиабатически, а спуск в точку В' на поверхности 900 мбар — сухоадиабатически) воздух па подветренной стороне будет иметь температуру 18,5'С.
Следовательно, происходит нагрев на -8,5'С. Такое повышение температуры легче объяснить с помощью механизма блокиро- овлйкй и ослдки Рис, 11,6.3, Возможный механизм охлаждения воздуха, перетекающего через горный хребет, на котором лежит облако с дождем, Возаух в точке В' 1тефнграмма на рнс, 1!,бм) получается на 8,8'С теплее, чем в точке и', если основанне облака расположена на высотак НЮ н 700 мбар с наветренной н полветренной сторон соответственно. Если нснаренне пронскалнт ннже облака, то ложль изме. няет полученный выше результат. Другне варнанты описаны в тексте, Рис.
!1.6Д, Тефиграыма, представляющан возможные изменения в темпера- туре воздуха, перстекаюшсго черсз горный хребет (рис, 11.6.3), вания, рассмотренного в равд. 5.18,7 и представленного на рис. 5.18 12 Это объяснение лучше подходит к ситуаиии, так как нагрев воздуха часто наблюдазот в отсутствие облаков на вершине. Очень важную роль может играть турбулентное перемсшивание, описанное в равд. 9.8.8, когда в результате такого перемешивания верхняя половина устойчиво стратифицирован- 488 ГЛАВА н ного слоя нагревается, а вертикальный профиль температуры по всей толщине слоя становится равным сухоадиабатическому. При объяснении рассматриваемого явления влиянием дождя также необходимо быть осторожным.
Прежде чем воздух поднимется через основание облака с наветренной стороны между точками А и А', может выпасть дождь, который охладит этот воздух и опустит основание облаков до точки А,'. (Индекс 1 означает, что в течение некоторого времени дождь испарялся в воздух.) Если пе имеется соответствующего роста интенсивности дождя, выпавшего вблизи поверхности горы с наветренной стороны, то основание облака с подветренной стороны будет понижаться и частнцы будут возвращаться в первоначальное состояние через точки В", и В';. В этом случае повышение температуры по отношению к температуре в точке А составляет приблизительно половину того, что было вычислено раньше.
Аналогично, дождь, проходящий через воздух с подветренной стороны, способствует переносу воздуха вниз по влажной адиабате от точки Р с тем же результатом. Далее, когда вершина горы тонет в облаке и воздух стекает по ней, основание облака на подветренной стороне вблизи поверхности горы обычно находится ниже (в точке В", например, а не в точке Р). Это показывает, что на самой нижней линии тока в воздухе содержится меныне воды для дождя, чем па самой высшей, которая проходит через верхнюю точку облака. Столб воздуха ЛС не является неустойчивым и обычно бывает стратифицирован слабо устойчиво. В этом случае точка С обладает большей энтропией, чем точка А, и находится выше линии АЛ' на тефиграмме (рис. 11.6А). Перемещение воздуха вдоль кривой СР'РЕ представлено па тсфиграмме.
Из нее можно видеть, что если точка Р пе лежит выше линии ВР, то точке Е соответствует более холодная изэнтропа, чем точке В, и столб воздуха ВЕ будет неустойчиво стратифицирован. Этого обычно не наблюдается, из чего следует, что при своем перемещении над горами основание облака должно скорее оставаться на линии тока СЕ, чем подниматься вдоль линии тока АВ, если столб воздуха АС пс стратифицирован очень устойчиво. Если по данным наблюдений высота основания облаков все же удовлетворяет этим условиям, то, но-видимому, это происходит из-за того, что воздух, находящийся ниже вершины горы, не перетекает над ней, Кроме того, из-за блокирования воздуха над вершиной может происходить опускание по подветренной стороне и испарение находящихся там облаков.
Это испарение пе связано с дождем в горах. Далее, волновая теория показывает, что облака пе обязательно исчезают на подветренной стороне горы (см. рис. 5.16.3), и теплые ветры без дождя— 469 овлхкх и осхдки фен и чинук — оказываются типичным явлением в горах. Чинук в своей ранней стадия начинается от земли недалеко от подветренной стороны горы. Представляется возможным, что (так как он опускается с верхних уровней за счет блокирования нижних) волна с подветренной стороны имеет ббльшую амплитуду, и в ней существует вихрь, несущий холодный воздух, все еще нс перемсстившийся от подножия горы, В таких случаях в конце зимы земля с подветренной стороны горы может быть все еще пе покрыта снегом.
Таким образом, для объяснения данного явления обычно рассматривают облака, обволакивающие вершину горы, а выпадение дождя учитывают только на наветренном склоне. Такое объяснение оказывается поверхностным. Оно может быть правильным случайно, а более общей причиной нагревания являстся блокирование. По-видимому, наиболее эффективный пример нагревания дают горные ветры Наталя, Воздух, поступающий в Дурбан со стороны гор, иногда имеет такую потенциальную температуру, которая указывает на то, что он спустился с высоты, ббльшей, чем высота вершин гор (высота гор 3600 м, расстояние до пих — примерно 250 км). Высокая прпземпая температура в этом случае, вероятно, частично объясняется перемешпвапием устойчиво стратифицированной воздушной массы.
11.6.3. Динамика вымеобразных облаков Если облачные термики распространяются в устойчивом слое, то на нижней поверхности (т. е, па основании) этих облаков с наковальней влажность имеет разрыв. Эта поверхность опускается (возможно, за счет подъема последующих термиков или благодаря неровностям подстилающей поверхности, над которой движется воздух) в пространство между инверсией н основанием облака.
Тогда воздух над основанием облака будет оседать вдоль влажной адиабаты и охлаждаться быстрее, чем воздух в нижележащих слоях, который оседает по сухой адиабате. При опускании основания на 100 м разность в температурах достигаег '(з С в соответствии с характеристиками сухой и влажной адиабат для большей части тефиграмм.
Если до оседания воздушных масс вертикальный градиент температуры выше н ниже облачного основания влажноадиабатичсский (что вполне естественно), то слой воздушной массы, равный по толщине глубине оседания, может быть вовлечен в возникающую неустойчивость. Основание облака при этом сморщивается (рис. 11.6.5 и 1!.6.6). Дополнительные иллюстрации по этому вопросу имеются в работе Скорера (!958). Верхняя поверхность облачных термиков имеет вид, типичный для кучевых облаков, и четкие очертания, связанные с большим гллвл и Рис. 11.6.5.
Возникновение ггеустойчивостн движения в основании облака с наковальней вследствие оседания (рис. 11.6.6). Рис 1!.66. Облако с вммсобразным основанием, образовавшимся вследствие оседания. Это облако псрвоначэтьно образовалось в результате распространенна большого кучевого облака в устойчивом слое. К>чово-дождевое облако с наковальней типично н эффектно само оо себе, но то, что мы видим иа снимке, позннкает.
«игла меньшие кучевые облака распространяются йз его верхушки. Когда материнское облако растет, з наковальв» утоашаетсш основание наковальни опускается, н вслепствис оседания создается неустойчивая стратификация. В результате образуюшя вымеобразиые облака. Неустойчивость может быть усилена осадками, которые охлаждают аозлух ниже вымеобразиых облаков и увеличивают там иисходяшпй поток. Иногда нижняя граница аымеобразных облаков явлнется двойной, причем ннжяви нрелставляет собой границу осадков, а игрхня» — границу облака. На данном снимке материнское облако нахолит«я за левым инжннм углом !фотография М, Колдовского!.
47! ОБЛАКА И ОСАДКИ Рнс. 1!.6.7. Выысобразные облака в основании леднного следа, который сфар- мнравалсн в результате оледенений облака-башни. Плоские верн~ивы облаков Расположены вблизи уровня коиденсзции периоизчзльного облике. Вода в облаке испаряется, ио ледяные выпздеиия из него увелнчнвзются вплоть до уровкя испарения льда. Ззтсн ледяные частицы выпадают и воздух, ие взсыщеиный лля льда, е сдвиг ветРа вытягивает нх юлейбы влево. После етого испарение оклзж- дает воздух, вызывая ниехадящее движение. количеством ядер конденсации в сильном восходящем потоке. В противоположность этому основания нисходящих терников, или вымеобразных облаков, выражены менее отчетливо.
Это происходит потому, что при нисходящем движении меньшие капли испаряются быстрее и видимость быстро возрастает до нескольких метров. Когда солнце освещает основание облаков, вымеобразные облака ярко сверкают, но когда солнце светит на верхушку слоя, то просветы показывают, что облака очень тонкие. Когда идет снег, имеющий гораздо меньшую скорость падения, чем дождь, очертания оснований облаков, из которых он выпадает, видны очень отчетливо. Снег не только увлекает воздух вниз, но и выхолаживает его, и эти эффекты вызывают появление вымеобразных облаков, например при снегопаде во время прохождения теплого фронта. У многих кучевых облаков с наковальнямн образуются похожие вымеобразные нижние части, которые отличаются от уже упоминавшихся вымеобразных облаков, порожденных слоисто-кучевыми облаками, тем, что образуются прн выпадении ледяных кристаллов в ненасьпценный воздух, который за счет этого охлаждается. Обычно вылуеобразное облако представляет собой след осадков из высоких башнеобразных облаков, которые, замерзая (разд.
1!.6.4), образуют плотные следы. Если воздух, в котором падают кристаллы, перенасыщен для льда, то кристаллы растут, и это происходит непосредственно под башнеобразными облаками, где у основания воздух насыщен для воды. Если имеется небольшой сдвиг ветра с высотой, то следы уносятся в одном ГЛАВА П направлении, а затем, когда онн достигают пенасьпцсппого слоя, благьяаря пспареншо начинают возникать вымеобразные облака (рис. 11.6.7).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
