水平対流ロール

水平対流ロールは、水平ロール渦または雲列とも呼ばれ、惑星境界層で地面とほぼ平行に配向した、逆回転する空気の長いロールです。過去 30 年間衛星写真で見られていますが、観測データが不足しているため、その発達はよく理解されていません。地上からは、低層風と平行に並んだ積雲または積雲タイプの雲の列として見えます。研究により、これらの渦は境界層内の運動量、熱、水分、および大気汚染物質の垂直輸送に重要であることが示されています。^{[ 1 ]}雲列は通常、ほぼ直線ですが、まれに、雲を駆動する風が障害物に遭遇すると、雲列はペイズリー模様になります。これらの雲の形成は、フォン カルマン渦列として知られています。

水平ロールは、惑星境界層 (PBL) の平均風とほぼ平行な逆回転渦ロールです。これらは、中程度の風が存在する対流^{[ 2 ]}および/または平均風プロファイルの動的変曲点不安定性^{[ 3 ]}によって引き起こされる可能性があります。これらの特徴に関する初期の理論^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}は、渦が安定成層環境では左に最大 30°、中立環境では左に 18°、不安定成層 (対流) 環境では平均風とほぼ平行になる可能性があると予測しています。この理論は、いくつかのフィールド実験からの航空機観測によって裏付けられています。^{[ 5 ] [ 7 ] [ 8 ]}

渦の深さは通常、境界層の深さであり、一般的には 1 ～ 2 km 程度である 。渦ペアは通常、横方向と垂直方向の寸法比が約 3:1 である。^{[ 6 ] [ 7 ] [ 9 ]}実験的研究では、アスペクト比 (ロール波長と境界層深さの比) は 2:1 から 6:1 の間で変化することがわかっているが、状況によっては、アスペクト比が 10:1 にもなることがある。対流ロールの寿命は数時間から数日に及ぶことがある。^{[ 4 ] [ 10 ] [ 6 ] [ 7 ]}

周囲の空気が飽和状態に近い場合、渦の回転によって生じる上昇気流の中で凝結が起こることがあります。交互に繰り返される回転運動によって生じる下降気流は雲を蒸発させます。この蒸発と上昇気流が組み合わさることで、雲の列が形成されます。グライダーのパイロットは、雲の列によって生じる上昇気流を利用して長距離を直線的に飛行することが多く、これが「雲の列」と呼ばれる所以です。

水平ロールの形成につながる正確なプロセスは複雑です。 PBL における基本的な応力メカニズムは運動量の乱流フラックスであり、エクマン層の流れとフラックスをモデル化するために、この項を流体運動方程式で近似する必要があります。^{[ 6 ] [ 7 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 1 ]}

線形近似、渦拡散係数 K を持つ渦拡散方程式により、エクマンは単純な対数螺旋解を得ることができました。しかし、乱流の組織化 (コヒーレント構造) を表す PBL 内の水平ロール渦の頻繁な存在は、拡散近似が適切ではないことを示しています。エクマンの解は、組織化された大きな渦のスケールに対応する長波に対して不安定であることが判明した固有の変曲風プロファイルを持っています。^{[ 3 ]}非線形理論は、これらの有限摂動波の成長が平均流を変化させ、動的変曲不安定エネルギーを排除して平衡が得られることを示しました。修正された平均流は観測とよく一致しています。^{[ 7 ] [ 1 ]} PBL スケールのロール波長を含む層のこの解は、大きな渦の移流運動のモデル化に対応するためにフラックス輸送の修正を必要とします。^{[ 11 ] [ 12 ] [ 1 ]}

ロール状の気流が発生するのに最も好ましい条件は、最下層の空気が不安定でありながら、その上に安定層である逆転層が存在する場合です。適度な風が吹いている必要があります。これは、高気圧などの上空の空気が下降している時によく発生し、夜間に放射霧が発生した場合にも頻繁に見られます。逆転層の下では対流が発生し、雲の下では上昇気流によって空気が上昇し、街路間の空気は下降します。

動的不安定性から生じる乱流エネルギーは、風速シアエネルギーから生成されます。風速が高いほどこのロールの発生が促進されますが、対流エネルギーはそれを変化させます。低速での対流では、シアの不安定性の成長が抑制されるため、ロールが発生します。非常に弱い風の環境での対流は、一般的にセル状対流を生成します。^{[ 7 ] [ 1 ] [ 8 ]}

この解法は多数の観測によって検証されているものの、カオス理論の数学を伴う複雑なものであり、広くは使用されていない。^{[ 3 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 11 ] [ 12 ]}しかし、衛星表面風データを用いたNCEP予測モデルに組み込むと、予測が大幅に改善された。有限摂動コヒーレント構造ロールの明示的な記述を伴う非線形解法は、乱流の組織化に関するカオス理論に大きく貢献するものである。

• 大気対流
• 波雲

• ダンロップ、ストーム（2002） 『気象識別ハンドブック』 コネチカット州ギルフォード：ライオンズ・プレス 。ISBN 1-58574-857-9
• スコアラー、ヴェルカイク (1989) Spacious Skies David & Charles ISBN 0-7153-9139-9
• 「雲の道がハドソン湾を舗装する」。NASA地球観測所。2006年10月1日にオリジナルからアーカイブ済み。2006年5月1日に取得。
• 「メキシコ湾上空で撮影された雲の通り：雲の通りの画像ギャラリー」。気象ニュース。 2009年10月29日取得。