Определение и физическая природа вынужденной конвекции
Вынужденная конвекция в атмосфере — это процесс переноса тепла, массы и импульса, обусловленный не столько температурной стратификацией и подъемом нагретого воздуха (как в случае свободной конвекции), сколько внешними механическими воздействиями: ветром, орографией (рельефом местности), турбулентностью, аэродинамическими эффектами, возникающими, например, при обтекании препятствий. При этом вертикальные движения воздуха индуцируются не гравитационной неустойчивостью, а динамическим воздействием извне.
Физические механизмы формирования
Основным источником вынужденной конвекции является горизонтальное движение воздуха, которое, взаимодействуя с неоднородностями подстилающей поверхности, преобразуется в вертикальные потоки. Наиболее характерные физические ситуации, в которых возникает вынужденная конвекция:
Орографическая вынужденная конвекция: при обтекании воздушным потоком возвышенностей (гор, хребтов) воздух вынужден подниматься вверх, вызывая адиабатическое охлаждение, конденсацию водяного пара и образование облаков. Это типичное явление в подветренных и наветренных зонах горных массивов.
Фронтальная вынужденная конвекция: в зонах атмосферных фронтов тёплый воздух принудительно поднимается над холодным, что приводит к вертикальной стратификации и интенсивной облачности, особенно в зоне теплого фронта.
Конвекция, индуцируемая вихрями и турбулентностью: сильный ветер, встречая шероховатую или неоднородную поверхность, вызывает турбулентные вихри, которые могут способствовать вертикальному перемешиванию воздуха даже при устойчивой стратификации.
Математическое описание
Вынужденная конвекция описывается уравнениями гидродинамики и термодинамики в приближении уравнений Навье–Стокса, уравнения непрерывности и уравнения теплопереноса. В атмосфере эти уравнения дополняются параметризацией турбулентного переноса:
$$ \frac{\partial \theta}{\partial t} + \vec{v} \cdot \nabla \theta = \nabla \cdot (K_h \nabla \theta) $$
где θ — потенциальная температура, v⃗ — вектор скорости ветра, Kh — коэффициент турбулентной теплопроводности. Для вынужденной конвекции характерны большие значения горизонтального градиента давления и существенная роль тангенциального сдвига ветра.
Сравнение со свободной конвекцией
| Характеристика | Свободная конвекция | Вынужденная конвекция |
|---|---|---|
| Источник движения | Неустойчивость по плотности | Внешнее динамическое воздействие |
| Вертикальная скорость | Зависит от плавучести | Определяется механическим подъемом |
| Наличие ветра | Необязателен | Необходим |
| Воздействие рельефа | Слабое | Существенное |
Роль в структуре атмосферных процессов
Вынужденная конвекция играет ключевую роль в следующих явлениях:
Орографическая вынужденная конвекция
При обтекании гор воздух, сталкиваясь с физическим препятствием, не может обойти его в горизонтальном направлении (особенно в нижней тропосфере), и вынужден подниматься вверх. При этом наблюдаются:
Уравнение, описывающее вертикальную скорость при обтекании горы с синусоидальным профилем (в простейшей линейной теории) может быть записано как:
$$ w(x,z) = U \cdot \frac{dh}{dx} \cdot \exp\left(-\frac{Nz}{U}\right) $$
где U — горизонтальная скорость ветра, h(x) — профиль рельефа, N — частота Брюнт–Вяйсала.
Фронтальная вынужденная конвекция
Фронтальные зоны представляют собой области интенсивного горизонтального температурного контраста. При подходе тёплого фронта теплый воздух скользит вверх по более плотному холодному, формируя устойчивую, но мощную зону подъема. Параметры:
В холодных фронтах подъем более резкий, вертикальные скорости выше, облака — кучево-дождевые (Cb), возможны грозы и ливни.
Вынужденная конвекция и атмосферная турбулентность
Даже в условиях устойчивой стратификации, когда свободная конвекция невозможна, механические возмущения, вызванные ветром, могут вызывать вертикальные перемещения. Эти перемещения часто ограничиваются толщиной турбулентного слоя и зависят от параметра Ричардсона:
$$ Ri = \frac{g}{\theta} \cdot \frac{\partial \theta / \partial z}{\left( \partial u / \partial z \right)^2 + \left( \partial v / \partial z \right)^2} $$
При Ri < 0.25 возникает турбулентность и, как следствие, вынужденная конвекция. При Ri > 1 стратификация подавляет вертикальные движения.
Примеры проявлений в природе
Значение в климатологии и метеорологии
Вынужденная конвекция важна как механизм перераспределения тепла и влаги в атмосфере, особенно в условиях, когда свободная конвекция невозможна или ограничена. Её учет необходим в:
Кроме того, вынужденная конвекция — ключевой механизм в атмосферной циркуляции средних широт, взаимодействии с джет-струями и генерации внутренних гравитационных волн.