تأثیر توپوگرافی بر جریان هوا و باد در مناطق کوهستانی

* سازوکار شکل‌گیری امواج کوهستان در جو

به‌طور‌کلی امواج درون جو توسط واداشت‌های گرمایی یا مکانیکی ایجاد می‌شوند. به‌عنوان‌ِمثال بندآیی جریانِ درحال شارش، توسط رشته‌کوه‌ها مانند کوه‌های راکی، آلپ. اثرهای گرمایشی می‌تواند خردمقیاس باشد (مانند ایجاد امواج گرانی توسط همرَفت) یا بزرگ‌مقیاس (مانند شکل‌گیری امواج راسبی توسط تباین دمایی بین خشکی‌ها و اقیانوس‌ها در زمستان نیمکرۀ شمالی). امواج جوی، تکانه را منتقل می‌کنند.

•  امواج گرانی نیاز به چینه‌بندی پایدار جو دارند.
•  امواج راسبی را می‌توان به‌شکل ناوه و پشته‌های عمیق در تراز 500 هکتوپاسکالی یافت که توسط چرخندها و واچرخندهای تراز میانی ایجاد می‌شوند.

درون جو، امواج گرانی سازوکاری است که تکانه را از تروپوسفر به استراتوسفر منتقل می‌کند. امواج گرانی درون جو توسط سامانه‌های جبهه‌ای یا توسط شارش هوا روی کوهستان ایجاد می‌شوند. بنابراین امواج کوهستان، امواج گرانی (ناشی از توازن بین نیروی شناوری و نیروی جاذبه یا گرانی) هستند. دو دسته از امواج کوهستان قابلِ شناسایی هستند. انتشار عمودی و امواج باد پناهی به‌دام‌افتاده.
انتشار رو به بالای امواج کوهستان روی یک سد کوهستانی ممکن است طول موج‌هایی از چندین ده ‌کیلومتر یا بیشتر داشته باشند که معمولاً به‌سمتِ بالا به استراتوسفر پایینی گسترش می‌یابند و با ارتفاع ‌به‌سمتِ بالا دچار کج‌شدگی می‌شوند. این امواج می‌تواند با شرایط باد فون، چینوک و بورا همراهی کند. آن‌ها قابلیت آن را دارند تا تکانه را در شیب‌های بادپناهی متمرکز کنند. وقتی رطوبت کافی در جریان درحال شارش وجود داشته باشد، انتشار عمودی امواج کوهستانی، شکل‌های جالبی از ابرها را تولید می‌کند، مانند لنتی‌کولار. امواج قوی می‌تواند منجر به مخاطرۀ قابلِ‌ملاحظه‌ای در هوانوردی توسط ایجاد تلاطم شدید هوای خوب شود. امواج باد‌پناهی به‌دام‌افتاده به‌طورِ معمول، طول موج افقی در حدود 5 تا 35 کیلومتر دارند. امواج بادپناهی به‌دام‌افتاده به‌صورتِ شکلی از یک سری امواج پویای موازی با خط‌الرأس‌ها به‌نظر می‌رسند و قلۀ این امواج اغلب شامل ابرهای آلتوکومولوس، استراتوکومولوس و ابرهای موجی یا ابرهای چرخشی در باندهای موازی هستند که می‌تواند در تصاویر ماهواره‌ای برجسته باشد.


شارش هوای روی کوهستان شامل، حرکت‌هایی با مقیاس افقی 100 کیلومتر است. چنین آشفتگی‌های به شاره‌ها، برای وضع هوا در مناطق خاص خیلی مهم هستند. رفتار شارش هوا روی یک مانع اساساً وابسته به 1) پروفایل عمودی (قائم)، 2) ساختار پایداری و 3) شکل ناهمواری است.
در این بخش تلاش می‌شود که اثرهای یک پشتۀ بلندِ سادۀ عمود بر شارش هوا را برای موردی از یک جو پایدار آزمون کنیم، جاییکه دمای پتانسیل با ارتفاع افزایش می‌یابد. برای این شرایط فورچ‌گات (1949) سه نوع اساسی از شارش را مطابق با پروفایل قائم سرعت باد برجسته ساخت. با بادهای سبک که اساساً با ارتفاع ثابت هستند و هوا به‌صورتِ هموار روی یک پشته در موج کم عمق شارش می‌کند (a) و فقط جریان‌های عمودی ضعیف وجود دارد. این به‌عنوانِ جریان آرام (laminar) شناخته می‌شود. زمانی‌که سرعت‌های باد تا حدی قوی‌تر هستند و افزایشی متوسط با ارتفاع نشان می‌دهند. هوا در جانب بادپناهی مانع، برگشت می‌کند و یک پیچک ایستاده شکل می‌گیرد. (b) با گرادیان عمودی سرعت بالا کمی قوی‌تر، موجب نوسان می‌شود. قطاری از امواج بادپناهی به‌وسیلۀ کوهستان تنظیم شود. (c) و ابرهای موجی برای 25 کیلومتر با بادهای نزولی بیشتر ایجاد می‌کنند. این‌ها امواج گرانی هستند امواج بادپناهی معمولاً فقط زمانی شکل می‌گیرند که شارش عمیق هوا در جهت حدود 30 درجۀ عمود برمحور پشته، با کمی تغییر در جهت باد با ارتفاع وجود دارد. این موارد تحتِ عنوان امواج عرضی شناخته می‌شوند با حداقل سرعت افقی حدود 7 متربرثانیه در قله برای پشته‌های کوتاه (یک کیلومتر) و 15 متربرثانیه برای محدودۀ ارتفاعی 4 کیلومتر، به‌سمتِ بالا افزایش می‌یابد. وقتی جدایی اتفاق می‌افتد، حرکت چرخشی، شکل‌گیری تاوایی‌های مجزا زیرقله‌های موج را توسعه می‌دهد. چرخندهها (Rotor) مناطق بسیار تلاطمی هستند که مخاطرۀ شدید برای هواپیماها ایجاد می‌کنند.

1. برای بادهای کمتر از 8 متربرثانیه، هر موجی ضعیف و کم‌عمق هستند. شارش تلاطمی با یک رتور بادپناهی مغلوب می‌شود. اثر کوهستان به لایه‌ای از ناپیوستگی سرعت تا 200-100متری بالای قله کوه محدود می‌شود.
2. برای بادهای 15-8 متربرثانیه، شاره با جایگزینی رتورهای تراز پایین هم فاز با پشته‌ها، تلاطمی‌تر است. شکل‌های موجی، با ارتفاع، دامنه‌شان افزایش می‌یابد. اگر سرعت ثابت باشد و اگر جو پایدار باشد، قوی‌تر هستند.
3. برای بادهای بیش‌از 15 متربرثانیه ویژگی‌های مشابه با مورد 2 است. طول موج بادپناهای و دامنۀ قائم وقوع رتورها وابسته به پایداری و گردایان قائم سرعت باد است. رتورها تمایل به تضعیف شدن دارند اگر چینه‌بندی پایدار است وسرعت باد به‌طورِ معمول با ارتفاع افزایش می‌یابد. تئوری‌های شارش هوا روی رشته‌کوه‌ها از نظر ریاضی پیچیده هستند و تنها نقاط اساسی را می‌توان اینجا ارائه کرد. موانع توپوگرافی یک جابجایی قائم ازنظر هوای عمود بر آن را آغاز می‌کند و در جانب بادپناهی به‌وسیلۀ ذخیره دوبارۀ نیروی گرانش خنثی می‌شود.

* امواج ایستا

جریان روی مانع، امواج زیادی با طول موج‌های متفاوت ایجاد می‌کند اما فقط آن‌هایی که سرعت فاز برابر و مخالف جریان شاره دارند، ایستا باقی خواهند ماند. اگر سرعت جریان افزایش یا کاهش یابد، طول موجِ موج ایستا تغییر خواهد کرد. درون جو، جریان یک شاره با چینه‌بندی پایدار روی یک سد کوهستانی می‌تواند امواج ایستا تولید کند. جریان روی یک کوه‌، طیف کاملی از امواج گرانی را تولید خواهد کرد. هر مؤلفۀ موج‌، بسته به عدد موج عمودی حقیقی یا موهومی آن به‌صورتِ عمودی منتشر و یا میرا می‌شود. اینکه آیا جریان روی یک کوه منفرد امواج منتشر شونده به‌سمتِ بالا ایجاد می‌کنند یا به‌صورتِ عمودی میرا می‌شوند به سرعت باد و عرض کوه بستگی دارد. امواج منتشرشونده به‌سمتِ بالا بیشتر محتمل هستند اگر سرعت باد کم و کوه پهن باشد. در سرعت‌های بالاتر برای باد و کوهستان‌های باریک، بیشتر احتمال میرا شدن موج به‌صورتِ عمودی وجود دارد. برای ادامه، به کتاب مراجعه کنید.