質問:
寒冷前線やその他の急勾配の気象効果が消えないのはなぜですか?
naught101
2014-04-16 06:07:37 UTC
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寒冷前線やその他の急勾配の気象効果が消えないのはなぜですか?なぜそんなに長く続くのですか?なぜ熱はより涼しい地域に向かって放散しないのですか?

簡単な答えは、複数の力(気圧傾度力、コリオリの力、遠心力、および(わずかな)摩擦)が働いているためです。風(およびそれを通して温度/湿気/渦度など)は、これらの力が互いに作用する方法のために、あなたが想像するように単に高圧から低圧に流れるのではありません。 http://www.aos.wisc.edu/~aalopez/aos101/wk11/HLsfc.jpg本質的に、私たちが観察する天気は、空気が「ただ消散」したいが、何か他のことを強いられた結果です。
@DrewP84: Hrm、ええ、私はarea51サイトから(かなり古い)質問をコピーしているときに気づきました。現状では答えられない(広すぎる?)可能性があります。あるいは、改善される可能性があります。考え?たぶんあなたのコメントのわずかに拡張されたバージョンが答えとして役立つでしょう。
良い質問だと思います。私よりもうまく説明できる人がそこにいると確信しています。その間に短い答えをすることにしました。流体力学の方程式は私の強みではありませんでした。
二 答え:
#1
+7
Kenshin
2014-04-23 14:09:40 UTC
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良い質問です。高圧ゾーンの空気は低圧ゾーンの空気に向かって移動し、その結果、圧力勾配が消えるはずだと、あまり考えずに思われるでしょう。これが発生しない理由は、圧力勾配から生じる力に加えて作用する他の力(または疑似力)が働いているためです。そのような力の概要を以下に示します:

1。圧力勾配:
これは、高圧ゾーンと低圧ゾーンの間の圧力差から生じる力です。圧力変化は、高圧ゾーンと低圧ゾーンの間の離散的な変化ではなく連続的であるため、これを圧力勾配と呼びます。次の式を使用して、圧力勾配から生じる特定の方向の加速度をモデル化できます。

$$ \ alpha = \ frac {-1} {\ rho} \ frac {dP} {dz} $$

ここで、$ \ alpha $は特定のポイントでの加速度、$ \ rho $はそのポイントでの空気の密度、$ dP / dz $はの小さな変化に対する圧力の小さな変化を表します。水平距離。より一般的には、次の式を使用して、加速度ベクトルを3次元でモデル化できます。

$$ \ vec {\ alpha} = \ frac {-1} {\ rho} \ vec {\ nabla} P $$

圧力勾配が作用する唯一の力である場合、加速が高圧領域から低圧領域に向けられ、最終的にそのような勾配が消失することは上から明らかです。

ただし、次に考慮すべき疑似力はコリオリ効果です。

2。コリオリ効果:
コリオリ効果は、水平方向に移動する赤道から離れる風に影響を与えます。北半球のこのような風は右に偏向しますが、南半球の風は左に向けられます。これは地球の自転の結果です。 (この効果の詳細については、こちらの質問と回答をご覧ください)。コリオリの疑似力から生じる加速度は、次の式で与えられます。

$$ \ boldsymbol {a} _C = -2 \ Omega \ times \ boldsymbol {v} $$

ここで、$ \ Omega $は地球の角速度を表し、$ \ boldsymbol {v } $は風速を表します。ここでの外積は重要であり、コリオリ効果の偏向が風の速度の方向に対して直角になることを示しています。さまざまな緯度の角度で地球の特定の結果を導き出す詳細については、こちらをご覧ください。

では、このコリオリ効果により、風が高圧から低圧に移動するのをどのように阻止するのでしょうか。 ?風が(北半球で)高気圧から低気圧に北に移動し始めることを想像してみてください。コリオリ効果により、この風は右に偏向され、コリオリ効果から生じる疑似力が圧力勾配による力と正確に釣り合うまで、このような方法で偏向され続けます(しばらくの間摩擦を無視します)であること)。 現時点では、風は地衡風のバランスが取れていると言われています。したがって、風はもはや高圧領域から低圧領域に直接移動することはなく、このため、圧力勾配はすぐには消散しません。 (下の摩擦力を参照)これは下の図で表すことができます。mathjaxにアクセスできるときに式を含めます(この図ではコリオリの項の表現が少し異なりますが、心配しないでください) mathjaxを追加した場合も同じであると説明します。基本的には、上記のより一般化されたベクトルの特定の方向コンポーネントです):

enter image description here

3 。摩擦

前述したように、地衡バランスは摩擦がないことを前提としています。実際には、摩擦は風の流れを遅くするように作用し、コリオリ効果の影響を少なくします。したがって、最終的には、風は低圧ゾーンに向かってわずかに内側に向かってらせん状になる傾向があります。摩擦の影響は下層大気でより顕著であり、上部対流圏では地衡運動の近似がより正確であるため、圧力勾配は下層大気よりも上層大気で消散するのに時間がかかります。

摩擦力は次の式で与えられます。

$$ F = cV $$

ここで、$ c $は定数、$ V $は風の速度です。

4。重力

重力の影響により、圧力勾配を垂直方向に維持することもできます。重力が気圧勾配のバランスをとる場合、この状況は静水圧風バランスと呼ばれ、次の式で表されます。

$$ dP / dz =-{\ rho} g $$

ここで、$ \ rho $は空気の密度、$ g $は重力による加速度で、約$ 9.8 ms ^ {-2} $です。

Net効果:

私はすでに質問に答えましたが、完全を期すために4つの力すべてを組み合わせた方程式を含めることにしました。風に作用するこれらすべての力を組み合わせると、風の正味の加速度は次の方程式で決定できます。

$$ \ frac {D \ boldsymbol {U}} {Dt} = -2 \ Omega \ times \ boldsymbol {U}-\ frac {1} {\ rho} {\ nabla} p + \ boldsymbol {g} + \ boldsymbol {F} _r $$

ここで、$ \ boldsymbol {U} $は風速、$ t $は時間を表します。太字の量はベクトルであり、指定された方向に作用します。 (例:$ \ boldsymbol {g} $は垂直方向に機能しますが、$ \ boldsymbol {F} $は$ \ boldsymbol {U} $と反対方向に機能します)。以下はこの画像です:

enter image description here

この画像は、高圧ゾーンと低圧ゾーンの周囲で力がどのように作用するか(重力を除く)を示しています。 PGFは気圧傾度力、CFは疑似コリオリ力、Fは風速に対抗する摩擦力です。風は、地衡運動によって予測された勾配に垂直ではなく、低気圧に向かってわずかに方向に移動することに注意してください。これは摩擦力によるものです。

これは風を説明するだけで、勾配が続く理由は説明しません。あなたは本当に前線遺伝学的機能の分析と前線(3次元で)の周りのageostrophic循環の役割と交差前線方向の変形の役割を含めるべきです。与えられた答えは正しくありませんが、実際には質問に答えていません。
@casey,はい、その通りです。これらの追加の概念を省略したため、私の投稿は完全ではありません。後で時間があれば、これらを含めるように投稿を編集する予定です。ご指摘いただきありがとうございます。
#2
+4
Jim S
2014-11-13 00:23:36 UTC
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勾配が持続する理由は、大気プロセスが太陽のエネルギーによって駆動されるエンジンの一部であるためです。太陽が燃え尽きると、勾配は実際に消散します。しかしそれまでは、太陽は赤道近くの表面で空気を加熱し、冷たい空気は極で沈み、地球の周りを循環します(ハドレーセルを参照)。前線は、循環中に形成される渦の境界です。

短く、シンプルで甘い。正解である必要があります。


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