開爾文一赫姆霍茨不穩定

如果在一條速度不連續的切變線上渦度集中，則線性氣流的不穩定性(即在某處有最大的切變渦度)可能變得特別顯著。這種和不連續性相連繫的不穩定性稱為開爾文一亥姆霍茲不穩定(簡稱K—H不穩定)。開爾文一赫姆霍茨不穩定常被用來粗略地解釋高空波狀雲的出現、晴空湍流和鋒面的不穩定等。

基本介紹

• 中文名：開爾文一赫姆霍茨不穩定
• 外文名：Kelvin-Helmholtz instability
• 學科：天氣學
• 簡稱：K-H不穩定
• 判據：Ri＜1/4

定義

開爾文一赫姆霍茨不穩定（Kelvin-Helmholtz instability）是指在兩個密度不同的流體交界面上，由水平風速的切變所引起的動力不穩定，簡記為K-H不穩定。

性質

首先我們考慮一個不連續面。這個面分隔兩部分均勻、不可壓以及作二維平面運動的流體。設S線為不連續線。

圖1 K-H不穩定

開始時，假定S是直線(無限的定常滑動渦度線)，分隔兩支均勻，反向氣流。設沿s線有無限均勻的空間點，每組以速度移動。這些點把S分隔成具有同樣渦旋強度dc的很多小段。

只要S是直線，則處處為0，什麼也不發生。我們引進擾動並讓S具有小振幅的正弦曲線的形狀，如圖1(a)所示。在拐點(B和D點)上，仍然為0。但在波槽中(A點)，y指向右；而在波脊中(C點)，指向左。因此滑動渦旋沿S線遷移；它從D點移開，並圍繞B點從兩側向B點集中，這個過程是不可逆的，並導致切變線圍繞B點捲曲起來。而B點和D點一樣，由於對稱的緣故而保持靜止。因此最終的結果是出現一組間隔相等的渦旋，圖1(b)。然而這也是一種不穩定狀態，它可能受到波長較長的波動的類似發展過程的支配。

套用

在大氣中，在一些線對流中往往會出現一些小渦旋。這也可能是由於開爾文—亥姆霍茲不穩定引起的。觀測表明，有時線上對流的很長部位上可以穩定地保持切變氣流。因而常常可以看到切變線部位上的雷達回波帶是捲曲起來的，有時用都卜勒雷達可以觀測到線元上的小渦旋流場(如圖2)。K.A.Browning等認為水平切變得以破壞，造成渦旋的機制很可能是上面所說的開爾文一赫姆霍茨不穩定。K-H不穩定發生的判據常用理查孫(Ri)數小於1/4表示。

圖2 小渦旋流場