Вычисление вертикальной составляющей скорости ветра и вертикальных токов конвекции

Вертикальные движения в атмосфере имеют различную природу и масштабы. К ним относятся неупорядочные вертикальные движения, связанные с турбулентностью; упорядоченные местные вертикальные движения, связанные с конвекцией (в облаках Сu и Сb), с местными вихрями (шквалы, смерчи) и местные циркуляционные системы (бризы, горнодолинные ветры); вертикальные движения при волновых движениях различного происхождения; вертикальные движения, обусловленные влиянием на воздушные течения орографических припятствий; вертикальные движения, обусловленные приземным трением и нестационарностью крупномасштабных воздушных течений, особенно у атмосферных фронтов и в центральных частях циклонов и антициклонов.

Вертикальная составляющая скорости или сокращенно вертикальная скорость w=dz/dt характеризует изменение с течением времени высоты фиксированной частицы воздуха. При восходящих движениях воздуха w > 0, при нисходящих w < 0. Вычисление вертикальной составляющей скорости w можно осуществить несколькими способами, которые применяются в зависимости от характера решаемой диагностической или прогностической задачи.

1) Вычисление w по уравнению неразрывности

В изобарической системе координат уравнение неразрывности:

Интегрируя эту формулу в пределах от p1 до p2 получим:

2) Вычисление w поуравнениям вихря скорости и неразрывности.

Полная производная вихря скорости может быть представлена формулой

3) Учет влияния трения и вычисление w внутри пограничного слоя

В пограничном слое атмосферы возникают вертикальные движения w тр связанные с влиянием трения. Расчеты показывают, что максимального значения w тр достигает на верхней границе пограничного слоя h, причем

где  - среднее из значений  в точке А в данной момент времени и в точке М 12 часов назад, причем траектория частицы и точка М определяются по карте АТ.

4) Вычисление w по адиабатическим измененим температуры.

Из уравнения притока тепла при е = 0 получаем

При вычислении вертикальных токов конвекции также выделяется несколько способов.

1. Упрощенный расчет  по барическим тенденциям:

Для центра циклона или антициклона с круговыми изобарами, когда р₁=р₂=р₃=р₄=р на настоянии 500 км от центра,

2. Оценка знака  по особенностям барического поля:

а) увеличение (уменьшение) р_п и Н_п по траектории перемещения частицы воздуха при кривизне изобар k > 0 обусловливает восходящие (нисходящие) движения воздуха, при k < 0 — нисходящие (восходящие) движения;

б) увеличение (уменьшение) циклонической кривизны (k > 0) изобар или изогипс по пути перемещения частицы воздуха обуслов­ливает восходящие (нисходящие) движения, увеличение (уменьше­ние) антициклонической кривизны (k < 0) — нисходящие (восходя­щие) движения.

3. Оценка знака  по термобарическому полю:

При адиабатических процессах перемещающаяся частица воздуха сохраняет свою потенциальную температуру, т. е. остается на одной и той же изэнтропической поверхности   В зоне адвекции тепла, когда частица воздуха пере­мещается в сторону повышения изэнтропической поверхности, обычно наблюдается восходящее движение воздуха, а в зоне адвекции хо­лода— нисходящее движение воздуха. При отсутствии адвекции температуры, когда изотермы параллельны изогипсам карты AT, вертикальные смещения частиц должны отсутствовать.

Подобным образом можно оценивать вертикальные движения воз­духа, определяя адвекцию по карте термобарического поля нижней половины тропосферы, т. е. сопоставляя изогипсы карт АТ₇₀₀и АТ⁵⁰⁰_1000.

3. Оценка величины конвективных вертикальных движений :

Конвективные движения обладают весьма большой изменчивостью в пространстве и времени. Некоторое общее представление о скорости возможных конвективных движений  можно получить, оценивая превращение энергии неустойчивости Е в кинетическую энергию.