الأرصاد الجوية الديناميكية

ارصاد جويه ديناميكيه

Dynamic meteorology - Météorologie dynamique

الأرصاد  الجوية الديناميكية

الأرصاد الجوية الديناميكية (الدينامية، التحريكية)  dynamic meteorology فرع من الأرصاد الجوية يهتم بدراسة حركات الغلاف الجوي atmosphere الأرضي، وكذلك حركات أغلفة الكواكب والسواتل الأخرى في المجموعة الشمسية.

تعتمد الأرصاد الجوية الديناميكية على تطبيق مبادئ التحريك الحراري  thermodynamic، بما فيها معادلة الحالة، وقوانين التحريك الحراري، وتوازن السوائل الساكنة  hydrostatics equilibrium، والحَمْل (الحراري) convection؛ بهدف تحليل الطقس والتنبؤ به.

يُعدّ الغلاف الجوي وسطاً مائعاً fluid مستمراً، وتهمل طبيعته الجزيئية المتقطعة  discrete molecular عند دراسة هذه الحركات. وتمتد حركات الغلاف الجوي على مجال كبير جداً في المستويين الزمني  temporal والفضائي spatial. ويركز علم الأرصاد الجوية الديناميكية أساساً على الحركات الواسعة الامتداد large scale والمتوسطة الامتداد  meso-scale. وتُعرّف الحركات الواسعة الامتداد للغلاف الجوي بأنها الحركات ذات الامتدادات الفضائية الأفقية التي تربو على بضع مئات من الكيلومترات، والامتدادات الزمنية الأطول من يوم. وتتأثر هذه الحركات كثيراً بدوران الأرض وبالتطَبُّق stratification الحراري الشاقولي للغلاف الجوي. أما الحركات المتوسطة الامتداد فلها امتداد أفقي من رتبة عدة كيلومترات إلى عدة مئات الكيلومترات، وغالباً ما تُربط هذه الحركات بالغيوم والهطل المطري والثلجي.

تحْكم ثلاثة قوانين ميكانيك الغلاف الجوي غير المشبع unsaturated، وتحريكه الحراري وهي:

- قانون الحفاظ على الكتلة، والذي يُعبّر عنه بمعادلة استمرارية الكتلة mass continuity.

- قانون الحفاظ على العزم momentum، والذي يُعبّر عنه بقانون الحركة الثاني لنيوتن Newton.

- قانون مصونية طاقة التحريك الحراري، والذي يُعبّر عنه بقانون التحريك الحراري الأول.

ويتوجب تطبيق قانون مصونية مادة الماء water substance إذا كان الغلاف الجوي مشبعاً.

توازن الغلاف الجوي

تتحدد متحولات حالة التحريك الحراري للغلاف الجوي في أي نقطة بوساطة قيم الضغط والحرارة والكثافة (أو الحجم النوعي  (specific volume  عند تلك النقطة. وترتبط هذه المتحولات ببعضها بوساطة معادلة الحالة للغاز المثالي ideal gas، والتي تحدد البنية الشاقولية للغلاف الجوي مع علاقة التوازن المائي السكوني hydrostatic التي تعبر عن التوازن بين مركَّبة component قوة تدرج الضغط pressure-gradient force الموجّهة نحو الأعلى (والمرتبطة بالتناقص الأسي تقريباً للضغط مع الارتفاع)، وقوة الجاذبية الأرضية الموجهة نحو الأسفل. وينجم عن ذلك المعادلة (1).

حيث () فرق الارتفاع بين سطحيّ الضغط p₂ و p₁، و الحرارة المتوسطة في الطبقة بين السطحين، و R ثابت الغاز للهواء الجاف وقيمته ، و g تسارع الجاذبية الأرضية وقيمته . لذا يتناقص الضغط على نحو أسرع مع الارتفاع في الهواء البارد من تناقصه في الهواء الساخن.

القوانين الأساسية في جملة الإحداثيات المتساوية الضغط  الجوي

تُكتب معادلات العزم الأفقي واستمرارية الكتلة والقانون الأول للتحريك الحراري في جملة إحداثيات متساوية الضغط الجوي isobaric على النحو المبيّن في العلاقات (2) و(3) و(4).

وفيها تمثل  التدرّج الأفقي  horizontal gradient مقدراً عند ضغط  ثابت، و t الزمن، و V المركّبة الأفقية للسرعة، و هو معامل كوريوليس Coriolis (حيث  السرعة الزاوية لدوران الأرض، و زاوية خط العرض)، و Kالشعاع الواحدي الشاقولي، و Zهو ارتفاع سطح ثابت الضغط، و Fr هي قوة الاحتكاك  friction force، و الحركة الشاقولية في جملة لإحداثيات المتساوية الضغط، و  الاستقرار السكوني، و  معدل التسخين.

التدفق المتوازن

تؤلف المعادلات (2) و(3) و(4) إضافةً إلى الشكل التفاضلي للمعادلة (1) في حال أمكن إهمال  معدل التسخين الكظوم (أدياباتي) adiabatic وFr  قوة الاحتكاك؛ مجموعة مغلقة تسمح بالتنبؤ بالمعاملات  مع توفر الشروط البدائية والحدية المناسبة. وتُستخدم طرائق عددية لحل هذه المعادلات التفاضلية الجزئية غير الخطية. ويمكن في حالة حركات الغلاف الجوي الواسعة الامتداد الحصول على حلول تقريبية جيدة.

وبإهمال الاحتكاك (وهذا ممكن لمناطق الغلاف الجوي الأعلى من 1 كم)، تكون حركات الغلاف الجوي الواسعة الامتداد خارج المنطقة المدارية تقريباً في توازن دوران أرضي geostrophic balance،  بفعل تساوي قوة معدل تدرج الضغط الأفقي  horizontal pressure-gradient force وقوة كوريوليس تقريباً مطالاً وتعاكسهما جهةً. وتسمى الرياح عند تَحقق هذا التوازن بالرياح الدورانية الأرضية   geostrophic wind، والتي يمكن حساب سرعتها باستخدام المعادلة (5).

الشكل (1) توازن القوى في حالة الرياح الدورانية الأرضية

ويبيّن الشكل (1) توازن القوى في حالة الرياح الدورانية الأرضية، وفيه تمثل P قوة تدرج الضغط و قوة كوريوليس Coو Z₀ و كِفاف  contours الارتفاع الثابت   constant-height  على سطح متساوي الضغط وV_g سرعة هذه الرياح.

تؤثر قوة كوريوليس عمودياً في اتجاه سرعة الرياح (على يمين الرياح في نصف الكرة الشمالي)، في حين توجه قوة تغير الضغط إلى أسفل تدرج ارتفاع الكمون الأرضي  geopotential height مباشرة. ومن ثَمّ، يتطلب التوازن الدوراني الأرضي أن تكون الرياح موازية لكِفاف الارتفاع، وأن تكون سرعتها متناسبة طرداً مع تدرج الارتفاع عند ضغط ثابت.

وبدمج المعادلتين (1) و (5) يمكن الحصول على معادلة الرياح الحرارية المعطاة بالعلاقة (6).

حيث:.وتنص المعادلة (6) على أن الفرق الشعاعي لسرعة الرياح الدورانية الأرضية بين سطحي ضغط تتناسب طرداً مع التدرج الأفقي للحرارة المتوسطة في الطبقة بين السطحين. وهذه المعادلة الناجمة عن التوازن السكوني والدوراني الأرضي تفرض قيداً شديداً على السرعة الأفقية والتوزيعات الحرارية. ولا يمكن لحقول الرياح والحرارة أن تتغير على نحو مستقل، في حالة الحركات شبه الدورانية الأرضية وشبه المتوازنة سكونياً، بل تكون وثيقة الاقتران closely coupled عبر علاقتهما المتبادلة بالتوزع الحراري (أو توزع الكثافة).

الدواميَّة والكمون الدواميّ

ينتج من المعادلة (2) أنه لا يُحافظ على العزم ضمن جزء مائع (الهواء)  fluid parcel، حتى مع كون الجريان دون تبادل حراري (كظوم) وعديم الاحتكاك. ويتعلق معدل تغير العزم بالفرق الصغير بين قوة كوريوليس وقوة تدرج الضغط. ويُطلق على الكمية الدينامية التي تجري المحافظة عليها جراء الحركة في هذه الظروف اسم الكمون الدوامي potential vorticity. ويمكن التعبير عن هذه الكمية في أبسط أشكالها باستخدام إحداثيات الكمون الحراري كما هو مبين بالعلاقة (7).

وتمثل فيها  المركبة الشاقولية للدوُّاميَّة النسبية، ويمثلf، معامل كوريوليس، المركبة الشاقولية لدوُّاميَّة الأرض.

تبيّن المعادلة (7) أنه يمكن الحفاظ على جداء الدوُّاميَّة المطلقة ، وهي قياس لدوران جزيء مائع حول محور عمودي محلي في الفضاء العطالي  inertial space، بمعامل الاستقرار  stability parameter  وهو مقياس للتوسع الشاقولي للجزء المائع بفعل الحركة. يُعدّ الحفاظ على الكمون الدوّامي في ديناميك الموائع نظيراً للحفاظ على العزم الزاوي   angular momentum في ميكانيك الجسم الصلب. وعندما تنتقل كتلة هوائية من منطقة يكون   فيها الاستقرار التوازني ضعيفاً إلى منطقة يكون فيها الاستقرار التوازني قوياً؛ يجب عليها التقلص من حيث الامتداد الشاقولي والتوسع في المنطقة الأفقية، وينجم عن ذلك انخفاض تناقص الدوُّاميَّة المطلقة. وينتج أنه بتوصيف شروط حدّية مناسبة يمكن تحديد توزيع الرياح واسعة الامتداد والحقول الحرارية في فضاء ثلاثي الأبعاد على نحو فريد من توزيع الكمون الدوامي. ولما كان الكمون الدواميّ يُحافظ عليه جراء الحركة، فإنه يمكن التنبؤ بتطور توزيع الكمون الدوامي مع الزمن، واستخدامه للاستدلال على الرياح والحرارة.

الطبقة الحدّية الكوكبية

يوجد ضمن الكيلومتر الأخفض من الغلاف الجوي طبقة حدّية تمثل فيها قوة الاحتكاك الناجمة عن حركات اضطرابية turbulence صغيرة الامتداد مساهمة مهمّة في توازن القوى. تعتمد بنية هذه الطبقة الحدّية من الغلاف الجوي بصورة كبيرة على التطَبُّق الشاقولي في هذه الطبقة. وينعدم الاضطراب وتنخفض قوة الاحتكاك في المناطق ذات الاستقرار السكوني الشديد (حيث يزداد الكمون الحراري بسرعة مع الارتفاع)، فيما خلا الأمتار القليلة التي تعلو سطح الأرض، حيث يولد القص الشاقولي للرياح مصدراً ميكانيكياً للاضطراب. ويمكن في الواقع أن يتناقص الكمون الحراري مع الارتفاع بالقرب من سطح الأرض، عندما يوجد تسخين سطحي كبير (مثلما يحدث في الصحارى). ويقاد في هذه الحالة اضطراب الطبقة الحدية بالحَمْل الحراري، ويمكن لقوة الاحتكاك أن تصبح قوية على طول الكيلومتر الأخفض، على الأقل من الغلاف الجوي. كما تكون الطبقة الحدية فوق مساحات كبيرة من سطح الأرض قريبة من الاستقرار الحيادي neutral stability، ويصبح مسموحاً في هذه الحالة تقريب قوة الاحتكاك إلى كبح drag يتناسب وسرعة الريح.

التنبؤ الرقمي بالطقس

تؤلف المتحولات المرتبطة فيما بينها في المعادلات الديناميكية (2) و(3) و(4) مجموعة من الحقول المستمرة زمنياً وفضائياً. ويتوجب تقريب الحقول المختلفة، مثل السرعة والحرارة والضغط، إما بحساب قيمها على مجموعة منتهية من نقاط شبكة في فضاء ثلاثي الأبعاد (طريقة الفروق المنتهية)، أو بسلاسل مبتورة  truncated من التوابع المتعامدة  truncated series. ويُستخدم غالباً خليط من التقنيات في نماذج التنبؤ بالطقس الشامل الحالية. وتستخدم معظم النماذج تمثيلات فروق منتهية للإحداثِي الشاقولي والزمن، في حين يُمثَل التغير الأفقي إما باستخدام شبكة منتظمة من النقاط عند مجالات خطوط الطول والعرض، أو بمجموعة منتهية من التوافقيات الكروية spherical harmonics.

يجب للتنبؤ بالطقس ديناميكياً حل المعادلات الديناميكية بمكاملتها في الزمن انطلاقاً من حالة ابتدائية لمتحولات الغلاف الجوي تحددها معطيات الرصد. ولكن بسبب أخطاء الرصد وقلة المعطيات وعلى الأخص فوق المحيطات، يكون من المستحيل تحديد الحالة الابتدائية للغلاف الجوي بدقة. من جانب آخر، لا تمثل معطيات الرصد عادةً التوازن الديناميكي الحقيقي بين الضغط وحقول الرياح على نحو صحيح. يولد عدم التوازن ضجيجاً يفسر أمواج عطالة جاذبية inertia-gravity waves عالية التردد. وعند محاولة التنبؤ انطلاقاً من هذه الحالة البدائية، يسيطر الضجيج بسرعة على اضطرابات الطقس الحقيقية  بطيئة التغير. ولمنع ازدياد هذا الضجيج الطفيلي spurious يجب المبادرة initialize إلى التحليل بمعالجة هذا الضجيج بطريقة تضمن تحقق التوازن الديناميكي بين الضغط وحقول الرياح، مع المحافظة على معطيات الرصد الفعلية ما أمكن. ولكن حتى لو عُرفت الحالة البدائية معرفة تامة سيبقى هناك حد تسيطر بعده الأخطاء على التوقعات. وتنشأ محدودية التنبؤ من أن للغلاف الجوي طيفاً مستمراً من امتدادات الحركة. وتوجد حتماً امتدادات صغيرة جداً لا يمكن حلها بوساطة  النموذج، وستسيطر هذه الامتدادات في نهاية المطاف على التوقعات نتيجة تداخلات لاخطية. لذلك فإن الطول النظري للتنبؤ باضطرابات الطقس الانتقالي والعابرة يصل إلى 3 أسابيع.

دور الصور الساتلية في التنبؤ بالطقس

تُعدّ الصور والمعلومات التي تقدمها السواتل satellites من أهم الأدوات المساعدة في التنبؤ بالطقس، إذ توفر السواتل صوراً مهمة لتوضع الغيوم. تبرز أهمية هذه الصور عند التقاطها في أماكن لا يوجد فيها محطات أرضية للرصد الجوي، ولاسيما فوق المحيطات والبحار التي تؤلف 70 % من مساحة الأرض. لم يكن ممكناً اكتشاف العواصف الشديدة والأعاصير قبل وصولها إلى الأماكن المأهولة بالسكان من دون السواتل.

ثمة نوعان من السواتل المستخدمة في الأرصاد الجوية، يتمثل الأول في السواتل الثابتة بالنسبة إلى الأرض  geostationary earth orbit (GEO )، والتي تدور بسرعة دوران الأرض نفسها،  فوق خط الاستواء على ارتفاع 36000 كم تقريباً، مما يسمح لها بالبقاء فوق منطقة ثابتة من الكرة الأرضية. يوفر هذا النوع من السواتل مراقبة مستمرة لمنطقة محددة. وتبرز أهمية هذه السواتل في كونها تستخدم منظومة معطيات بالزمن الحقيقي، أي إن الصور ترسل إلى المحطات الأرضية فور التقاطها. يتم وضع الصور تسلسلياً مع فروقات زمنية محددة لإظهار حركة السحب وتطور الجبهات الهوائية والعواصف. تسمح الصور الملتقطة بالسواتل بتوقع الطقس لمناطق كبيرة وبتقدير اتجاهات الرياح وسرعاتها على عدة ارتفاعات ومراقبة حركة السحب.

أما النوع الثاني من السواتل المستخدمة في مراقبة الغلاف الجوي فهي السواتل ذات المدارات القطبية  polar orbiting ، والتي توازي مساراتها خطوط الطول الأرضية. تمر هذه السواتل فوق المنطقتين القطبيتين الشمالية والجنوبية في كل دورة. تغطي هذه السواتل كامل الكرة الأرضية نتيجة دوران الأرض حول محورها المار من القطبين باتجاه الشرق، وبذلك تتغير المنطقة التي تجري تغطيتها في كل دورة باتجاه الغرب مقارنة بالدورة السابقة. تتميز هذه السواتل بأنها تصور السحب الواقعة تحتها مباشرة، لذا توفر صوراً أفضل وأكثر دقة ولاسيما في المناطق القطبية التي تكون صورها الملتقطة بالسواتل الثابتة بالنسبة إلى الأرض مشوهة بسبب صغر الزاوية التي يرى خلالها الساتل المنطقة القطبية. تدور السواتل ذات المسارات القطبية على ارتفاعات منخفضة تقرب 850 كم، أي أقل بكثير من ارتفاع السواتل الثابتة بالنسبة إلى الأرض، مما يسمح بالحصول على صور ومعلومات عالية الدقة عن  منظومات السحب والعواصف الشديدة.

أُدخلت تحسينات كبيرة على المحسّات  sensors المحمولة على سواتل مراقبة الأرصاد الجوية. إذ استخدمت أولى السواتل في الستينات من القرن العشرين، مثل تيروسTIROS 1 I ، كاميرات تلفازية لتصوير السحب. في حين تستخدم السواتل الحديثة قائسات راديوية  radiometers تسمح بمراقبة السحب ليلاً ونهاراً. كما يمتلك الجيل الجديد من السواتل البيئية العاملة الثابتة بالنسبة إلى الأرض  geostationary operational environmental satellites (GOES)  القدرة على التقاط صور الغيوم إضافةً إلى توفير معلومات عن قيم الحرارة والرطوبة بدلالة الارتفاع في طبقات الغلاف الجوي.

يمكن الحصول على صور تحوي معلومات عن سماكة السحب باستخدام كاميرات التصوير المرئية. وتظهر هذه الصور أشعة الشمس المنعكسة من السطح الأعلى للغيمة، وكلما كانت الغيمة أكثر سماكة كانت الصورة أكثر بياضاً وسطوعاً.

ويجري الحصول على معلومات عن ارتفاع الغيوم باستخدام كاميرات أشعة تحت الحمراء تتحسس الحرارة، إذ كلما كانت الغيمة على ارتفاع أعلى انخفضت حرارتها وكانت صورتها بالأشعة تحت الحمراء أكثر بياضاً. وباستخدام برمجيات حاسوبية يجري تحسين الصور الملتقطة للحصول على معلومات أكثر دقة.

نمذجة المناخ الشامل

يمكن استخدام النماذج الديناميكية لمحاكاة المناخ الشامل، إضافةً إلى دورها في التنبؤ بالأحوال الجوية. والمناخ هو دراسة الحالة المتوسطة للغلاف الجوي وتغيراته الفصلية والسنوية البينية  interannual. يتحدد المناخ بالتأثير المشترك لمصادر الطاقة ومَفارغها  sinks على سطح الأرض، وتحويل الطاقة ونقلها في الغلاف الجوي والمحيطات. تسمى عادةً النماذج التي تحاكي هذه العمليات نماذج الجريان circulation العامة. ويجب أن تحوي مثل هذه النماذج تمثيلات دقيقة لكل العمليات الفيزيائية المهمة التي تؤثر في الجريان. ومن أهم هذه العمليات التسخين والتبريد بوساطة الإشعاع الشمسي والإشعاع تحت الأحمر والنقل الشاقولي للحرارة والعزوم بوساطة الغيوم الحَمْلية، والتسخين الكامن الناتج من تبخر الماء وتكاثفه وتجمده والكبح والخلط الناتج من حركات الاضطرابات الصغيرة الامتداد في الطبقة الحدية.

إبراهيم شعيب

التصنيف : علم الفلك العام وعلم الفلك الراديوي وعلم الفلك الكروي

النوع : علم الفلك العام وعلم الفلك الراديوي وعلم الفلك الكروي

المجلد: المجلد الأول

رقم الصفحة ضمن المجلد : 550

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية