ناپایداری متقارن شرطی
ناپایداری متقارن شرطی یا CSI، گونه‌ای از ناپایداری همرفتی در سیالی است که در یک چارچوب مرجع با چرخش یکنواخت، تحت اختلاف دما قرار دارد، در حالی که از نظر حرارتی در راستای قائم و از نظر دینامیکی در راستای افقی (پایداری اینرسی) پایدار است. ناپایداری در این حالت تنها در صفحه‌ای مایل نسبت به این دو محور پدید می‌آید و به همین دلیل، اگر بستهٔ هوا تقریباً اشباع باشد و به‌طور جانبی و قائم در ناحیه‌ای دارای CSI جابه‌جا شود، می‌تواند به‌اصطلاح «همرفت مایل» را پدید آورد. این مفهوم عمدتاً در هواشناسی برای توضیح شکل‌گیری مقیاس‌میانهٔ نوارهای بارش شدید در ناحیه‌ای که در غیر این صورت پایدار است -مانند جلوی یک جبهه گرم- به کار می‌رود.[۱][۲] همین پدیده در اقیانوس‌شناسی نیز کاربرد دارد.
مفهوم
پایداری هیدرواستاتیک
یک ذرهٔ هوا در ارتفاع معینی پایدار خواهد بود اگر دمای تغییریافتهٔ بی‌دررویی آن هنگام صعود، برابر یا سردتر از محیط اطراف باشد؛ به همین ترتیب، هنگام نزول نیز اگر دمای آن برابر یا گرم‌تر از محیط باشد، پایدار است. در حالتی که دما برابر باشد، ذره در ارتفاع جدید باقی می‌ماند، در حالی که در دیگر حالت‌ها به تراز اولیهٔ خود بازمی‌گردد. معیاری برای سنجش پایداری هیدرواستاتیک، ثبت تغییرات دمای بالقوه هم‌ارز در راستای قائم است: اگر این دما با ارتفاع کاهش یابد به تودهٔ هوای ناپایدار می‌انجامد؛ اگر با ارتفاع ثابت بماند به تودهٔ هوای خنثی می‌انجامد؛ و اگر با ارتفاع افزایش یابد به تودهٔ هوای پایدار می‌انجامد.[۳]
پایداری لَختی
به همین شکل، جابه‌جایی جانبی یک ذرهٔ هوا، تاوایی مطلق آن را تغییر می‌دهد که برابر است با مجموع تاوایی سیاره‌ای و تاوایی زمین‌گرد (یا نسبی) بستهٔ هوا.[۳][۴] از آنجا که تاوایی مطلق تقریباً همواره در مقیاس سینوپتیک مثبت است، می‌توان گفت که جو به‌طور کلی در برابر جابه‌جایی جانبی پایدار است. پایداری اینرسی تنها هنگامی کم است که چرخندگی نسبی نزدیک به منفیِ پارامتر کوریولیس باشد؛ از آنجا که پارامتر کوریولیس همواره مثبت است، این حالت تنها در سمت وامیانگین (آنتی‌سیکلونی) یک بیشینهٔ قوی رودباد یا در یک پشتهٔ فشاری در ارتفاع رخ می‌دهد، جایی که تغییرات سرعت در راستای جابه‌جایی مقداری منفی و قابل‌توجه پدید می‌آورد.[۵]
جابه‌جایی مایل
در شرایط معینی از پایداری هیدرواستاتیک و اینرسی (لَختی)، جابه‌جایی مایل می‌تواند با این حال ناپایدار باشد، آنگاه که ذره تودهٔ هوا یا رژیم باد را تغییر دهد. جابه‌جایی ذره نسبت به خطوط تکانهٔ جنبشی (که از چپ به راست افزایش می‌یابند) و دمای پتانسیل هم‌ارز (که با ارتفاع افزایش می‌یابد) صورت می‌گیرد. اگر جابه‌جایی صرفاً افقی باشد، شتاب افقی ناشی از تغییر دمای پتانسیل معادل محیط، ذره را وادار می‌کند تا خود را با محیط جدید همساز کند و سرانجام به موقعیت اولیهٔ خود بازگردد؛ اگر جابه‌جایی صرفاً قائم باشد نیز ذره به‌طور مشابه به موقعیت خود بازمی‌گردد.[۵][۶] تنها جابه‌جایی مایل است که ناپایدار است: شتاب افقی با یک اختلال قائم روبه‌بالا ترکیب می‌شود و امکان جابه‌جایی اریب را فراهم می‌سازد؛ این نوع جابه‌جایی شناوری مثبت و شتابی در همان راستای مایل پدید می‌آورد که خود آن را تقویت می‌کند.[۵] بنابراین، شرط وجود ناپایداری متقارن شرطی در وضعیتی که در غیر این صورت پایدار است، آن است که شیب سطوح تکانه از شیب سطوح دمای پتانسیل معادل بیشتر باشد و هوای جابه‌جاشدهٔ جانبی تقریباً اشباع باشد.[۳][۵][۶]
تأثیرات بالقوه
ناپایداری متقارن شرطی معمولاً درون نواحی گستردهٔ حرکت روبه‌بالای قائم جای می‌گیرد. وضعیت ایده‌آل، جریانی زمین‌گرد از سمت جنوب است که سرعت باد آن با ارتفاع افزایش می‌یابد؛ محیط به‌خوبی آمیخته و نزدیک به اشباع است. از آنجا که جریان یک‌جهته است، می‌توان مؤلفهٔ مداری باد را برابر صفر گرفت، که جریانی متقارن و عمود بر گرادیان دمایی تودهٔ هوا پدید می‌آورد. این نوع جریان معمولاً در جوهای باروکلینیک با هوای سرد در غرب یافت می‌شود.[۶]
نمونه‌ای از چنین وضعیتی در زمستان، CSI را همراه با تاوایی پتانسیل هم‌ارز منفی نزدیک یک جبههٔ گرم نشان می‌دهد؛ نوارهای برف در امتداد جبهه، نزدیک ناحیهٔ کم‌فشار و ناحیهٔ CSI شکل می‌گیرند. اگر ذره‌ای در یک ناحیهٔ CSI صعود کند، سرد می‌شود و بخار آب هنگام اشباع میعان می‌کند و از طریق همرفت اریب، ابر و بارش پدید می‌آورد. برای نمونه، در جلوی یک جبههٔ گرم، تودهٔ هوا پایدار است زیرا هوای ملایم بر تودهٔ سرد چیره می‌شود؛ تعادل زمین‌گرد هر ذره‌ای را که به‌طور عمود از مرکز کم‌فشار به‌سوی آن حرکت کند، بازمی‌گرداند. با این حال، جابه‌جایی روبه‌بالا و مایل ناشی از شتاب روبه‌بالای مقیاس سینوپتیک در یک لایهٔ CSI، نوارهای موازی بارش سنگین پدید می‌آورد.[۶][۷]
ناپایداری متقارن شرطی لایه‌ای را تحت تأثیر قرار می‌دهد که می‌تواند نازک یا در راستای قائم بسیار گسترده باشد، مشابه همرفت هیدرواستاتیک؛ ضخامت این لایه، میزان تقویت بارش همرفتی را در ناحیه‌ای که در غیر این صورت ابرهای لایه‌ای (پوشنی‌دیس) دارد، تعیین می‌کند.[۶] از آنجا که حرکت در ناحیه‌ای نزدیک به اشباع رخ می‌دهد، ذره بسیار نزدیک به نرخ کاهش بی‌دررو مرطوب باقی می‌ماند که انرژی پتانسیل دسترس‌پذیر همرفتی (CAPE) محدودی به آن می‌دهد. نرخ صعود در یک ناحیهٔ همرفت مایل از چند ده سانتی‌متر بر ثانیه تا چند متر بر ثانیه متغیر است،[۶] که معمولاً کمتر از حد سرعت صعود در یک کومولونیمبوس (یعنی ۵ متر بر ثانیه) است که آذرخش پدید می‌آورد؛ به همین دلیل رخداد آذرخش همراه با CSI محدود است.[۶] با این حال، این پدیده در موارد زیر ممکن است: در ناحیهٔ بارش دنباله‌ای سامانه‌های همرفتی میان‌مقیاس؛ در همرفت زمستانه، زیرا تروپوپاز پایین‌تر و سردتر به یونیزه‌شدن بلورهای یخ روبه‌بالا کمک می‌کند؛ و در دیوارهٔ چشم توفان در مرحلهٔ ژرف‌شدن توفندهای بالغ، هرچند به‌ندرت، زیرا این ناحیه از نظر متقارن خنثی است و عموماً عاری از فعالیت آذرخش است.[۶]
نوارهای همرفت مایل چند ویژگی دارند: موازی‌اند؛ موازی با باد گرمایی‌اند؛ همراه با چرخش کلی جو حرکت می‌کنند؛ و فاصلهٔ میان نوارها با ضخامت لایهٔ CSI متناسب است.[۶]
فرونشینی
برعکس، اگر ذره روبه‌پایین سُر بخورد، گرم می‌شود و نسبتاً کمتر اشباع می‌گردد و ابرها را از میان می‌برد؛ برفی که در ارتفاع بالاتر توسط همرفت مایل تولید شده نیز در جریان نزولی تصعید می‌شود و شتاب می‌گیرد، به‌طوری‌که می‌تواند به سرعت نزولی تا ۲۰ متر بر ثانیه برسد.[۶] این اثر با نزول به سطح زمین در پدیدهٔ جت نیش (Sting jet) مرتبط است.[۸]
منابع
- ↑ "Slantwise convection". Meteorology Glossary. American Meteorological Society. Retrieved August 23, 2019.
- ↑ "Symmetric instability". Meteorology Glossary. American Meteorological Society. Retrieved August 23, 2019.
- 1 2 3 Charles A. Doswell III. "CSI Physical Discussion". www.cimms.ou.edu. CIMMS. Archived from the original on February 27, 2015. Retrieved August 23, 2019.
- ↑ "Instabilité barocline". Glossaire météorologique (in French). Météo-France. Retrieved August 23, 2019.
- 1 2 3 4 James T. Moore (2001). "Mesoscale Processes". UCAR. pp. 10–53. Archived from the original (ppt) on December 21, 2014. Retrieved August 23, 2019.
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Schultz, David M. ; Schumacher, Philip N. (December 1999). "The Use and Misuse of Conditional Symmetric Instability". Monthly Weather Review. 127 (12). AMS: 2709. doi:10.1175/1520-0493(1999)127<2709:TUAMOC>2.0.CO;2. ISSN 1520-0493. S2CID 708227.
- ↑ Theodore W. Funk; James T. Moore. "Vertical Motion Forcing Mechanisms Responsible for the Production of a Mesoscale very heavy snow band across Northern Kentucky". National Weather Service.
- ↑ Geraint Vaughan. "Sting Jets". eumetrain.org. Retrieved December 18, 2014.
- اقیانوسنگاری فیزیکی
- پیشبینی هواشناسی
- ترمودینامیک جوی
- مفهومهای هواشناسی
- مکانیک سیالات
- هوای شدید و همرفت