Säädä painejakaumaa ja katso, miten ilma liikkuu. Kartan pohjoinen on ylhäällä ja matalampi paine pohjoisessa. Malli kuvaa pohjoista pallonpuoliskoa, suorien isobaarien aluetta.
Säädä olosuhteita
Mallin kitka vaimenee korkeuden mukana. Ei mitattu maastokohtainen ennuste.
Toistossa 1 sekunti vastaa 10 minuutin malliaikaa. Aika ei kuvaa pienen puuskan kehittymistä.
Isobaarit ja ilman liike
| Vaikutus · m/s² | Itään | Pohjoiseen |
|---|
Tuuli korkeuden mukana
Tässä tasapainomallissa kitka vaimenee ylöspäin. Nopeus lähestyy geostrofista arvoa ja pohjoisella pallonpuoliskolla tuulen tulosuunta kääntyy oikealle. Vertaile pintaa, valittua korkeutta ja ylempiä tasoja.
Sinivihreä: nopeus · harmaa katkoviiva: geostrofinen nopeus
Nuolet näyttävät ilman liikesuunnan; pituus on vakio. Lukuarvo on tuulen tulosuunta.
| Korkeus AGL | Nopeus | Mistä |
|---|
Havainto korkeudesta
Korkeusprofiili näyttää aina vakiintuneen ratkaisun, vaikka kartalla tarkasteltaisiin lähtöä levosta. Todellinen tuuli voi poiketa tästä lämpötilaerojen, stabiilisuuden, sekoittumisen, maaston ja muuttuvan säätilan vuoksi.
2.1 · Painegradientti
Sama paine-ero lyhyemmällä matkalla tarkoittaa suurempaa gradienttia. Vakiolla 4 hPa:n isobaarivälillä viivat tihenevät.
2.2 · Coriolis
Pohjoisella pallonpuoliskolla vaikutus on liikkeeseen nähden oikealle. Levossa vaikutusta ei ole. Se ei käynnistä tuulta.
2.3 · Tasapaino ja kitka
Kitkattomassa geostrofisessa tasapainossa PGF ja Coriolis kumoavat toisensa. Pintakitka tuo tuuleen komponentin kohti matalampaa painetta.
2.4 · Korkeuden muutos
Tämän mallin tuuli voimistuu ja veeraa ylöspäin. Se on yksi perustapaus, ei kaikkia tilanteita määräävä sääntö.
Painegradientti kertoo liikkeellepanevan suunnan. Isobaarin suuntainen tuuli edellyttää tasapainoa — ei painegradientin puuttumista.
Kokeile näitä havaintoja
- Valitse Pelkkä PGF ja käynnistä. Levossa Coriolis on nolla; tässä asetuksessa se on myös kytketty pois. Ilma kiihtyy kohti matalampaa painetta.
- Valitse Geostrofinen. PGF ja Coriolis ovat vastakkaiset. Tuuli virtaa isobaarin suuntaisesti, vaikka resultantti on nolla: nollakiihtyvyys ei ole sama kuin nollanopeus.
- Valitse Pintatuuli. Kitka vastustaa liikettä ja tasapainotuuli ylittää isobaarit kohti matalampaa painetta. Kaikkien kolmen voimavaikutuksen summa on nolla.
- Pidä painejakauma samana ja siirry Korkeusprofiiliin. Lisää korkeutta. Vertaa 10 m:n tuulta ylempään tuuleen.
- Kytke kitka pois ja valitse Liikkeelle levosta. Tuuli ei asetu automaattisesti geostrofiseen arvoon, vaan syntyy inertia- eli hitausvärähtely. Kytke kitka takaisin: värähtely vaimenee vähitellen. Hidas vaimeneminen voi vaatia pidemmän ajan kuin 12 tunnin aikajana.
- Pidä nopeus mielessä, kun muutat leveysastetta: samalle liikenopeudelle Coriolis on voimakkaampi pohjoisempana. Samalla painegradientilla geostrofiseen tasapainoon tarvittava nopeus on siellä pienempi.
Laskentamalli ja rajaukset
Paikallinen kaksiulotteinen f-tasomalli pohjoisella pallonpuoliskolla. Koordinaatit u = itään, v = pohjoiseen. PGF on pohjoiseen: A = Δp/(ρ Δy). Coriolis-parametri f = 2 Ω sinφ. Tiheys ρ = 1,225 kg/m³ ja Ω = 7,2921159 × 10⁻⁵ s⁻¹ pidetään vakioina.
Liikeyhtälöt: du/dt = fv − ku; dv/dt = A − fu − kv. Kitka on yksinkertainen lineaarinen vaimennus −kV. Vakiintunut ratkaisu on u = Af/(f²+k²), v = Ak/(f²+k²). Ilman kitkaa u = A/f ja v = 0. Alkuehto levosta u = v = 0 ratkaistaan samoista yhtälöistä analyyttisesti.
Pinnan mallikertoimet k₀: vesi 2 × 10⁻⁵, avoin maa 8 × 10⁻⁵ ja metsä 1,8 × 10⁻⁴ s⁻¹. Korkeudella z: k(z) = k₀ exp[−(z−10 m)/350 m]. Arvot ovat opetuksen valintoja, eivät maastokohtaisia mittaustuloksia. Tämä ei ole logaritminen pintakerrosmalli eikä Ekman-kerroksen ratkaisu: tasojen välistä liikemäärän siirtymistä ei ratkaista.
Painegradientti, f ja tiheys ovat kullakin laskentakerralla vakioita. Isobaarit ovat suoria. Kaarevuus, pystyliike, geostrofisen tuulen korkeusmuutos lämpötilaerojen vuoksi, stabiilisuus, puuskat, inversiot, rintamat ja maastokanavointi eivät sisälly malliin. Korkeus on maanpinnasta AGL; samaa tiheyttä käytetään kaikilla tasoilla kitkan vaikutuksen erottamiseksi.
Kartan isobaarit kuvaavat vaakasuuntaista painejakaumaa samalla geometrisella korkeudella. Niitä ei ole tarkoitettu eri korkeuksien pintapainekartoiksi. Numeeriset paineet ovat havainnollistavia. Yläilmakartan vakiopainepinnan korkeuskäyrät ovat eri esitystapa.
Coriolis on kiihtyvyytenä (fv, −fu), joka on aina kohtisuorassa liikkeeseen nähden: se ei tee työtä eikä yksin muuta nopeuden suuruutta. Voimanuolet ovat m/s² eli voima massayksikköä kohti. Niillä on yhteinen automaattinen mittakaava. Tuulinuolella on eri mittakaava. Nollavektorin kohdalla ei piirretä nuolenkärkeä.
Pisteiden liike on havainnollistava ja nopeutettu. Lähtötilan harmaa jälki on laskettu hiukkasen historia nykyisen ajan loppupisteeseen suhteutettuna; vanhempi osa voi jäädä kartan ulkopuolelle. Säätimien muutos laskee saman alkuehdon uudelleen; se ei ole kesken simulaation muuttuva sääjärjestelmä. Korkeusprofiili näyttää erillisten tasapainotilojen vertailun.
Leveysastevalinta 10–80° N pitää mallin erossa päiväntasaajan geostrofisen approksimaation ongelmasta. Coriolis-pois on tarkoituksellinen opetuskytkin; silloin käytetään alkutilanteen tarkastelua eikä esitetä geostrofista korkeusprofiilia. Mikään arvo ei ole operatiivinen tuuliennuste.
Lähteet ja lisämateriaali
- NOAA / NWS · Basic Weather Education, Wind — painegradientti, Coriolis ja pintakitka.
- FAA · Aviation Weather Handbook, luku 10 — tuulen voimat ja geostrofinen tuuli.
- Met Office · How we measure wind — tuulen tulosuunta, nopeus ja korkeuden vaikutus.
Laskenta ja havainnollistava kitkaprofiili on toteutettu yllä kuvatuilla yksinkertaistuksilla tätä opetusta varten.