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大气对流链式触发的流体实验类比

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主题1 天气、气候、全球变化、行星大气 > 专题1.24 大气波动与多尺度对流系统

中尺度对流系统（MCS）的发展有两种途径，常见的方式是冷池触发新对流单体，此外对流激发的重力波也可能在周围环境中触发新的对流乃至MCS。重力波链式触发对流的机制有利于MCS的聚集和维持，但是链式触发的条件尚不清楚。我们设计了多米诺骨牌和水波相互作用的流体力学试验来类比这一过程。我们将离散的骨牌堆间隔一定距离放置在水槽中。骨牌堆间隔足够大，在没有水的时候一堆骨牌倾倒后无法接触到下一堆骨牌。若水槽中有一定深度的水，那么一堆骨牌倾倒产生的水波能够触发下一堆骨牌，形成类似大气中MCS发展的链式过程。



从能量学的角度分析，骨牌从静止状态到质心达到最高点过程中克服重力所做的功类比于大气中的对流抑制能（CIN）；而骨牌自由倾倒释放的重力势能可以类比于大气中的对流有效位能（CAPE）。当一堆骨牌倾倒时，“CAPE”被释放，骨牌推动水从而产生重力波。波的产生是一个逐级放大的过程：随着骨牌堆中骨牌数量增加，波振幅也逐渐增强。波往下游传播并推动下一组骨牌堆，当波所做的功足以克服“CIN”，即可触发下一组骨牌，从而使链式触发过程持续进行。



实验中控制链式触发过程的关键参数是水深和骨牌高度的比值，它显著影响骨牌势能转换为波能的能量转换效率。当水深大于骨牌高度时，大部分骨牌势能被水中湍流耗散，且能量在垂直方向上分散，难以形成较强的水波；当水深远小于骨牌高度时，骨牌难以推动水波，且骨牌接触水面时产生大量水花耗散能量。因此只有水深略小于骨牌高度时，该过程才可以持续。我们还在一维浅水模式中，参数化骨牌堆的动量强迫，模拟出了波动链式触发过程。