Введение

Атмосферные стационарные колебания

В метеорологии волны подветренной стороны – это атмосферные стационарные волны. Наиболее распространенной формой являются горные волны, которые представляют собой атмосферные внутренние гравитационные волны. Они были обнаружены в 1933 году двумя немецкими пилотами планеров, Гансом Дойчманом и Вольфом Хиртом, над Гигантскими горами. Это периодические изменения атмосферного давления, температуры и ортометрической высоты в потоке воздуха, вызванные вертикальным смещением, например, орографическим подъемом, когда ветер дует над горой или горным хребтом. Они также могут быть вызваны поверхностным ветром, дующим над уступом или плато. Обычно вокруг первого желоба образуется турбулентный вихрь, ось вращения которого параллельна горному хребту; это называется ротором. Наиболее сильные волны подветренной стороны формируются, когда вертикальный градиент температуры показывает стабильный слой над препятствием, с нестабильным слоем выше и ниже. Сильные ветры (с порывами ветра) могут создаваться в предгорьях крупных горных массивов горными волнами. Эти сильные ветры могут способствовать неожиданному росту и распространению лесных пожаров (включая лесные пожары в Национальном парке Грейт-Смоки-Маунтинс в 2016 году, когда искры от лесных пожаров в Горах Смоки были вынесены ветром в районы Гатлинбурга и Пиджон-Фордж).

Основная теория

Волны Ли — это форма внутренних гравитационных волн, возникающая, когда устойчивый, стратифицированный поток обтекает препятствие. Это возмущение поднимает воздушные пакеты выше уровня их нейтральной плавучести. Силы восстановления плавучести, таким образом, возбуждают вертикальные колебания возмущенных воздушных пакетов на частоте Брунта — Вяйсяля, которая для атмосферы равна: , где — вертикальный профиль потенциальной температуры. Эти колебания воздушных пакетов происходят согласованно, параллельно фронтам волн (линиям постоянной фазы). Эти фронты волн представляют собой экстремумы в поле возмущенного давления (то есть линии минимального и максимального давления), а области между фронтами волн — экстремумы в поле возмущенной плавучести (то есть области, наиболее быстро приобретающие или теряющие плавучесть). Энергия передается вдоль фронтов волн (параллельно колебаниям воздушных пакетов), что соответствует направлению групповой скорости волны. В отличие от этого, фазовое распространение (или фазовая скорость) волн направлено перпендикулярно передаче энергии (или групповой скорости).

Другие виды атмосферных волн

Существует множество различных типов волн, которые формируются при различных атмосферных условиях. Ветровой сдвиг также может создавать волны. Это происходит, когда атмосферная инверсия разделяет два слоя с заметной разницей в направлении ветра. Если ветер встречает искажения в инверсионном слое, вызванные восходящими потоками теплого воздуха снизу, он создаст значительные сдвиговые волны в наветренной части искажений, которые можно использовать для парения. Волны, вызванные гидравлическим скачком, – это тип волн, который формируется, когда существует нижний слой воздуха, плотный, но тонкий по сравнению с размером горы. После обтекания горы в нижней части потока формируется волновой фронт, а также резкий вертикальный разрыв, называемый гидравлическим скачком, который может быть в несколько раз выше горы. Гидравлический скачок похож на ротор в том, что он очень турбулентен, но менее локализован в пространстве. Сам гидравлический скачок действует как препятствие для стабильного слоя воздуха, движущегося над ним, тем самым вызывая образование волн. Гидравлические скачки можно узнать по их высоким валообразным облакам и наблюдались в хребте Сьерра-Невада, а также в горных массивах Южной Калифорнии. Гидростатические волны – это вертикально распространяющиеся волны, которые формируются над протяженными препятствиями. В гидростатическом равновесии давление жидкости может зависеть только от высоты, а не от горизонтального смещения. Гидростатические волны получили свое название, поскольку приблизительно подчиняются законам гидростатики, то есть амплитуды давления изменяются преимущественно в вертикальном направлении, а не в горизонтальном. В то время как обычные, негидростатические волны характеризуются горизонтальными колебаниями восходящих и нисходящих потоков, в значительной степени независимыми от высоты, гидростатические волны характеризуются колебаниями восходящих и нисходящих потоков на разных высотах над одной и той же точкой на земной поверхности. Неустойчивость Кельвина-Гельмгольца может возникать при наличии градиента скорости в сплошной жидкости или при достаточной разнице скоростей на границе между двумя жидкостями. Волны Россби (или планетарные волны) – это крупномасштабные движения в атмосфере, восстанавливающей силой которых является изменение силы Кориолиса с широтой.