Earth
Конвективная гроза
Смотрите, как летний день строит грозу над прерией: солнце греет землю, перемешанный слой углубляется вдоль сухой адиабаты и вгрызается в задерживающий слой над собой, а поднимаемая частица — сухая до уровня конденсации, затем насыщенная вдоль псевдоадиабаты — показывает свои CAPE и CIN на табло зондирования рядом с небом. Кучевые облака хорошей погоды держатся у основания облаков — около 125 м высоты на каждый кельвин дефицита точки росы, — пока термики не пронесут частицу за уровень свободной конвекции; тогда башня растёт со скоростью струи — восходящего потока с вовлечением, намного слабее, чем sqrt(2 CAPE) по замкнутой формуле, — и растекается наковальней на уровне равновесия. Её дождь запускает холодный нисходящий поток, чей фронт порывов душит ячейку. Усильте задерживающий слой — и гроза так и не придёт; иссушите воздух наверху — и вытекающий поток станет холоднее.
Что происходит
Зондирование 9:00: 24 °C у земли, 6,5 К/км до задерживающей инверсии толщиной 300 м на 1,8 км, которая на 2,5 К теплее, чем дал бы вертикальный градиент, выше — 7 К/км до тропопаузы на 12 км, ещё выше — изотермия; 1000 гПа у земли, гидростатическое давление по замкнутой формуле. Поток явного тепла 400 Вт/м² в 13:00 (восход в 6:00, закат в 20:00) нагревает перемешанный слой, который следует сухой адиабате g/cp от температуры поверхности до пересечения с профилем зондирования; его теплосодержание ρ·cp·∫(T − T_morning)dz равно подведённому теплу. Приземная частица (точка росы 17 °C) поднимается сухой до своего точного уровня конденсации, затем вдоль псевдоадиабаты с давлением пара по Мёрфи–Купу, RK4 через каждые 100 м; B = g·(Tp − Te)/Te даёт LFC, EL, CAPE и CIN. Струя d(w²/2)/dz = B − g·f·q_c − 2ε·w²/2 стартует с конвективной скоростью w* = (g·h·H/(ρ·cp·T))^(1/3); гроза начинается, когда струя проносит частицу за LFC и выше уровня −10 °C со скоростью 1 м/с или больше. Затем башня растёт со скоростью струи, наковальня растекается на EL со скоростью π·a²·w_EL в слое толщиной 2 км (a = 2,5 км), поток конденсата ρ·w·q_c наполняет облако; через десять минут после того, как башня проходит −10 °C, дождь достигает земли, нагрев прекращается, а облачная вода убывает как dW/dt = C − W/τ при τ = top/(8 м/с), половина её — дождём; холодный вытекающий поток душит восходящий поток спустя одно время падения. Насыщенный нисходящий поток с 3 км даёт DCAPE, холодный купол и фронт порывов √(2·g′·500 м); молнии следуют частоте Прайса–Ринда по высоте верхней границы облака.
Что попробовать
Смотрите, как задерживающий слой держится в начале дня, а кучевые облака углубляются; сравните CAPE, CIN и основание облаков с правилом 125 м/К; поставьте вовлечение на ноль и сравните восходящий поток с √(2 CAPE); усиливайте задерживающий слой, пока гроза не перестанет приходить; иссушите воздух наверху и смотрите, как вытекающий поток становится холоднее.
Модель и её ограничения
Теория частицы с одномерной струёй и плитой перемешанного слоя: без поправки на виртуальную температуру, без льда, без сдвига ветра, без разрешённой динамики облака и без электрической модели — башня, наковальня, полоса дождя и молнии рисуются по числам частицы, а частота вспышек — эмпирический закон Прайса–Ринда. Одна обычная ячейка, задушенная собственным вытекающим потоком; перемешанный слой сохраняет утреннее отношение смеси. Числа относятся к этому идеализированному дню.
Уравнения модуля
Уравнения ρ·cp·∫(T − T_m) dz = ∫H dt, T = T_s − (g/cp)·z below h dT/dp = (R_d·T/p + L·r_s/(p − e_s))/(cp + L·∂r_s/∂T), B = g·(T_p − T_e)/T_e d(w²/2)/dz = B − g·f·q_c − 2ε·w²/2, w_EL = √(w0² + 2·(CAPE − CIN)) at ε = f = 0 dW/dt = ρ_b·w_b·q_c − W/τ, DCAPE = ∫ g·(T_e − T_d)/T_e dz, c = √(2·g′·h)
