малоградиентное барическое поле что такое

Барическое поле

Барическое поле– этопространственное распределение атмосферного давления.Область в атмосфере, в которой давление понижено вблизи центра, называют циклоном, а область с повышенным давлением вблизи центра – антициклоном. Обширные области с определенным типом атмосферного давления – пониженного или повышенного, – называют барическими системами. Барические системы формируются циклонами и антициклонами, в совокупности с обширными ложбинами низкого давления и гребнями высокого.

Атмосферное давление в некоторой точке в определенный момент времени рассматривается как скалярная величина, поскольку характеризуется одним числовым значением, выраженным в миллибарах или в миллиметрах ртутного столба. Распределение атмосферного давления в пространстве можно представить набором поверхностей с заданными его значениями, т.е. в виде изобарических поверхностей, окружающих Земной шар.

Рис. 5.6. Вертикальный разрез изобарических поверхностей над циклоном (Н) и антициклоном (В). Поверхности проведены с одинаковым шагом давления, выраженного в мб [84].

Высота каждой из этих поверхностей над уровнем моря в каждой ее точке может быть неодинаковой (рис. 5.6). Иными словами, поверхность может быть изогнутой. Тем не менее высоты изобарических поверхностей подчиняются определенным закономерностям: чем больше давление, тем поверхность в среднем располагается ближе к уровню моря. Например, изобарическая поверхность со значением давления 1000 мб проходит вблизи уровня моря. Изобарические поверхности 700 мб, 500 мб, 300 мб, 200 мб и 100 мб располагается соответственно на высотах, близких к 3 км, 5 км, 9 км, 12 км и 16 км.

Карты абсолютной барической топографии. Введем в рассмотрение поверхности другого вида – поверхности уровня. Каждая такая поверхность окружает Земной шар, проходя на одной и той же высоте над уровнем моря. Таких поверхности можно представить сколько угодно, например, с интервалом 40 м по высоте (т.е. в этом случае смежные поверхности уровня различаются по высоте на 40 м).

Любая изобарическая поверхность в данный момент времени в различных своих точках пересекается несколькими поверхностями уровня, причем число пересечений зависит, в частности, от интервала по высоте между поверхностями уровня. В каждой точке пересечения ее высота равна высоте соответствующей поверхности уровня. Соединив точки пересечения плавными линиями (изолиниями высот), получим карту распределения высот заданной изобарической поверхности, или карту абсолютной барической топографии. Например, на рис. 5.7 приводится карта абсолютной барической топографии 500 мб(сокращенное обозначение АТ₅₀₀), на которой высоты показаны в десятках метров. Изолинии проведены через 40 м (или через 4 декаметра).

Пересекаясь с поверхностями уровня, рассматриваемая изобарическая поверхность 500 мб в разных своих точках в каждый момент находится на различных высотах над уровнем моря. На представленной карте набольшая высота рассматриваемой изобарической поверхности составляет 568 декаметров (5680 м), а минимальная 536 декаметров (5360 м).

Рис. 5.7. Циклон (H) и антициклон (В) на карте абсолютной топографии изобарической поверхности 500 мб (АТ₅₀₀) [84].

Высота изобарической поверхности в данной точке и в данный момент определяется следующими факторами:

· величиной атмосферного давления на уровне моря;

· величиной средней температуры атмосферного столба воздуха.

Чем ниже температура воздуха, тем он более плотный, и тем быстрее давление падает с высотой. Поэтому вышележащие изобарические поверхности будут снижены в холодных участках атмосферы и, напротив, приподняты в теплых.

Выше указывалось, что в атмосфере существуют области, в которых давление повышено или понижено по сравнению с окружающими областями. Расположение их все время меняется. При этом в циклонах давление на каждом уровне самое низкое в центре и растет к периферии. Давление, кроме того, всегда понижается с высотой (см. гл. 1). В результате изобарические поверхности в циклоне снижаются от периферии к центру (рис. 5.6). Таким образом, на карте абсолютной топографии в центре циклона располагаются изогипсы с меньшими значениями высоты, а с удалением от центра изогипсы с большими значениями (рис. 5.7). По форме изобарическая поверхность в области циклона напоминает воронку (рис. 5.6).

В области повышенного давления (антициклон), на каждом высотном уровне в центре будет наивысшее давление, следовательно, в антициклоне изобарические поверхности будут иметь форму куполов. На карте абсолютной барической топографии в центре антициклона мы найдем изогипсы с наибольшими значениями высоты (рис. 5.6, 5.7).

В циклоне изобарическая поверхность лежит ближе к уровню моря, чем в антициклоне.

Карты относительной барической топографии. В синоптическом анализе применяют карты, на которых показано превышение высоты одной изобарической поверхности над другой, лежащей ниже, например превышение поверхности 500 мб над поверхностью 1000 мб. Изогипсы, показывающие относительную высоту одной изобарической поверхности над другой называются относительными изогипсами, а сами карты – карты относительной барической топографии. На рис. 5.8 показана карта относительной барической топографии поверхности 500 мб над поверхностью 1000 мб, которая обозначается .

Вспомним, что барическая ступень есть вертикальное расстояние, в пределах которого давление различается на единицу (1 мб). Следовательно, барическая ступень равна относительной высоте одной изобарической поверхности с давлением р над другой с давлением р+1. Как показано в главе 1, барическая ступень зависит от температуры воздуха. Таким образом, относительная высота между смежными изобарическими поверхностями зависит от средней температуры воздуха между ними.

Рис. 5.8. Области тепла (T) и холода (X) на карте относительной топографии изобарической поверхности 500 мбнад поверхностью 1000 мб[84].

На картах относительной барической топографии, характеризующих среднее поле температуры между двумя изобарическими поверхностями, области холода и тепла очерчиваются также изогипсами, при этом местоположение очагов холода чаще всего совпадает с циклонами и ложбинами, а очагов тепла – с антициклонами и гребнями (рис. 5.8).

В областях тепла толщина атмосферного слоя между двумя поверхностями увеличена, в областях холода – уменьшена [84; 83]. В области тепла давление падает с высотой медленнее, чем в области холода. Поэтому в области тепла относительная высота увеличивается, и изобарические поверхности раздвигаются, а в области холода относительная высота уменьшается, и изобарические поверхности сжимаются(рис. 5.9).

Рис. 5.9. Изобарические поверхности в областях тепла (T) и холода (X) в вертикальном разрезе [84].

Таким образом, на картах относительной топографии можно судить о распределении средних температур в слое воздухамежду рассматриваемыми изобарическими поверхностями.

Геопотенциал. Следует отметить, что на картах барической топографии наносят на самом деле не высоты изобарических поверхностей, а их геопотенциалы, численно близкие к высоте, выраженной в метрах. За единицу геопотенциала принят динамический метр, представляющий собой работу, которую необходимо затратить для подъёма единицы массы воздуха от уровня моря на 1 м на широте 45°. Для любой широты, до высоты 30 км, значение ускорения силы тяжести g принимают в расчётах равным 9.8 м/сек; Для того чтобы выразить положение изобарической поверхности в единицах работы таким же числом, что и её геометрическая высота z, было введено понятие геопотенциальной высоты Н. Геопотенциальные высоты вычисляют по барометрической формуле геопотенциала:

где H₁ и H₂ – геопотенциальные высоты на нижнем и верхнем уровне, a p₁ и p₂ – соответственно давление на этих уровнях, T_v – средняя виртуальная температура слоя воздуха, заключенного между уровнями H₁ и H₂.

Итак, любой точке изобарической поверхности соответствует определенный геопотенциал, пропорциональный высоте этой точки над уровнем моря. При этом геопотенциал выражают в геопотенциальных (динамических) метрах, при которых он численно близок к высоте, выраженной в метрах (и в точности равен ей на уровне моря на широте 45°). Относительный геопотенциал соответственно равен разности абсолютных геопотенциалов двух точек, лежащих на одной вертикали.

Приземные карты атмосферного давления. Принято изображать барическое поле на уровне моря с помощью линий равного давления – изобар.Для этого наносят на географическую карту величины атмосферного давления (р, мб) в пунктах метеорологических наблюдений, измеренные в один и тот же момент и приведенные к уровню моря, и плавно соединяют точки с одинаковым давлением линиями – изобарами (рис. 5.10). Проводят изобары обычно с интервалом 5 мб. Таким образом, изобары могут принимать значения 990, 995, 1000, 1005, 1010 мб и т.д.

Рис. 5.10. Изобары на уровне моря (мб). H – циклон, В – антициклон

На карте изобар обнаруживаются рассмотренные выше области пониженного и повышенного давления – циклоны и антициклоны. Области замкнутых изобар пониженного давления в их центре – циклоны, области замкнутых изобар с повышенным давлением в центре – антициклоны.

Рис. 5.11. Типы барических систем: сплошные линии – изобары; прерывистые линии – оси ложбин и гребней; Н – центры циклонов; В – центры антициклонов; стрелками показаны направления ветра у земной поверхности в Северном полушарии

Кроме циклонов и антициклонов в барическом поле могут выделяться промежуточные барические системы – барический гребень (связанная с антициклоном и вытянутая от его центра полоса повышенного давления) и ложбина (связанная с циклоном область пониженного давления) (рис. 5.11).

Дата добавления: 2015-09-07 ; просмотров: 4748 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Барическое поле

Смотреть что такое «Барическое поле» в других словарях:

БАРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ — пространственное распределение атмосферного давления. Характеризуется системой поверхностей равного давления изобарических поверхностей, а на земной поверхности системой линий равного давления изобар … Большой Энциклопедический словарь

барическое поле — Пространственное распределение атмосферного давления на уровне моря … Словарь по географии

барическое поле — пространственное распределение атмосферного давления. Характеризуется системой поверхностей равного давления изобарических поверхностей; на синоптических и климатических картах изображается изобарами. * * * БАРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ БАРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ,… … Энциклопедический словарь

БАРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ — пространств. распределение атм. давления. Характеризуется системой поверхностей равного давления изобарич. поверхностей; на синоптич. и климатич. картах изображается изобарами … Естествознание. Энциклопедический словарь

Фронты атмосферные — фронты тропосферные, промежуточные, переходные зоны между воздушными массами (См. Воздушные массы) в тропосфере. Зона Ф. а. очень узка по сравнению с разделяемыми ею воздушными массами, поэтому для целей теоретического исследования её… … Большая советская энциклопедия

Аэроклиматология — учение о климатических условиях в свободной атмосфере, т. е. в слоях атмосферы, располагающихся на разных уровнях над земной поверхностью, практически в тропосфере и нижней стратосфере (до высоты 20 25 км). Сравнительно редко… … Большая советская энциклопедия

Барические системы — области пониженного и повышенного атмосферного давления, части барического поля (См. Барическое поле) атмосферы. Основные Б. с. Циклоны (с пониженным давлением) и Антициклоны (с повышенным давлением) ограничены на приземных картах… … Большая советская энциклопедия

Прогноз погоды — научно обоснованное предположение о предстоящих изменениях погоды, составленное на основе анализа развития крупномасштабных атмосферных процессов. П. п. делятся на краткосрочные (от нескольких часов до 1 2 сут), долгосрочные… … Большая советская энциклопедия

Синоптическая метеорология — (от греч. synoptikós способный всё обозреть) раздел метеорологии (См. Метеорология), изучающий атмосферные процессы, определяющие условия погоды (См. Погода) и их изменения с целью разработки методов прогноза погоды (См. Прогноз погоды).… … Большая советская энциклопедия

Фронт окклюзии — Фронт окклюзии атмосферный фронт, связанный с гребнем тепла в нижней и средней тропосфере, который обусловливает крупномасштабные восходящие движения воздуха и формирование протяжённой зоны облаков и осадков. Нередко фронт окклюзии… … Википедия

Источник

Барическое поле

В атмосфере всегда существуют области, в которых атмосферное давление выше или ниже по сравнению другими районами или зонами атмосферы. Пространственное распределение атмосферного давления при этом также непрерывно изменяется. Распределение атмосферного давления зависит от очень многих факторов и имеет сложный характер его распределения как по высоте, так и в горизонтальном направлении (рис. 7.1).

Барическим полем атмосферы называется пространственное распределение атмосферного давления на определённом стандартном уровне поверхности (рис. 7.2).

Атмосферное давление по своей сути есть величина скалярная — в каждой точке атмосферы оно характеризуется одним числовым значением, выраженным в гектопаскалях. Следовательно, и барическое поле есть скалярное поле. Скалярное поле можно представить в пространстве поверхностями равных значений данного скаляра, а на плоскости — линиями равных значений. Для характеристики скалярного барического поля это изобарические поверхности и изобары/изогипсы.

Всю тропосферу можно представить в виде семейства изобарических поверхностей, огибающих земной шар. Эти поверхности пересекаются с поверхностями уровня под очень малыми углами, порядка угловых минут. Чтобы следить за изменениями барического поля по данным аэрологических наблюдений, составляют карты топографии изобарических поверхностей — карты барической топографии.

На карте абсолютной барической топографии барическое поле представлено как высоты определённой изобарической поверхности над уровнем моря (рис. 7.3). Точки с равными высотами соединяют линиями равных высот — изогипсами (абсолютными изогипсами). По значению и характеру расположения изогипс на рассматриваемой изобарической поверхности можно судить о распределении давления в тех слоях атмосферы, в которых располагается данная изобарическая поверхность.

В областях пониженного давления на каждом уровне оно самое низкое в центре области, а к периферии — растёт. Давление, кроме того, всегда понижается с высотой, поэтому изобарические поверхности в областях пониженного давления имеют прогиб (прогнуты) в виде воронки, снижаясь от периферии к центру. Следовательно, на карте абсолютной топографии область с более низким давлением будет очерчиваться изогипсами со значениями высоты, уменьшающимися к центру.

Для области повышенного давления картина будет противоположная области пониженного давления — на каждом уровне изобарические поверхности будут иметь форму куполов. Значения изогипс в области повышенного давления увеличиваются к центру области повышенного давления.

Карты абсолютной барической топографии для нескольких изобарических поверхностей наглядно представляют барическое поле атмосферы в тех слоях, в которых располагаются эти изобарические поверхности.

На карту относительной барической топографии наносят высоты определённой изобарической поверхности, но отсчитанные не от уровня моря, как на картах абсолютной барической топографии, а от нижележащей изобарической поверхности. Такие высоты на картах погоды называются относительными, а приведённые на них изогипсы называются относительными изогипсами.

Барическое поле на уровне моря принято изображать с помощью линий равного давления — изобар (рис. 7.4). Каждая изобара является следом пересечения какой-то изобарической поверхности с уровнем моря. На карте погоды можно провести целое семейство изобар. Проводят их таким образом, что каждая изобара отличается от соседних изобар на одну и ту же величину.

На карте изобар, как и на других картах изобарических поверхностей, обнаруживаются области замкнутых изобар — пониженного (Н) и повышенного (В) давления. Вытянутая область изогипс от центра пониженного давления (Н) называется ложбиной. В области повышенного давления (В) сходная картина характеризует область распространения гребня на карте погоды. Изобары на приземных картах погоды проводятся через 5 гПа. Разумеется, что изобары можно проводить и через 10 гПа или через 2 гПа и т. д.

Отдельные карты изобар на приземной карте погоды обычно не используются на практике. Составляются комплексные синоптические карты, на которые, кроме давления на уровне моря, наносят целый комплекс метеорологических величин по данным наблюдений за погодой на метеорологических станциях на суше и на море, выявляются барические центры и зоны атмосферных фронтов. Используются эти карты для анализа состояния погоды в конкретный момент времени, а с учётом этого — и для прогноза возможных изменений погоды на период времени от нескольких часов до суток.

ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ БАРИЧЕСКИЙ ГРАДИЕНТ

Рассматривая изобары на синоптической карте (приземной), можно отметить, что они в одних местах проведены гуще, а в других — реже. Понятно, что там, где они проведены чаще в горизонтальном (вертикальном) направлении, давление изменяется быстрее. Точно выразить, как меняется атмосферное давление в горизонтальной плоскости, можно с помощью так называемого горизонтального барического градиента, или горизонтального градиента давления.

Горизонтальным градиентом давления называют изменение давления на единицу расстояния в горизонтальной плоскости, а точнее, на поверхности уровня. При этом расстояние берётся по тому направлению плоскости, в котором давление убывает сильнее всего. Таким направлением в каждой точке изобарической поверхности является направление по нормали к изобаре (изогипсе) в данной точке.

В разных точках барического поля направление и модуль барического градиента, конечно, будут разными.

Горизонтальный барический градиент является горизонтальной составляющей полного барического градиента. Давление с высотой меняется гораздо сильнее, чем в горизонтальном направлении. Поэтому вертикальный барический градиент в десятки тысяч раз больше, чем горизонтальные градиенты. На практике измеряют и оценивают средний барический градиент на синоптической карте погоды для того или иного участка барического поля. Для этого измеряют расстояние Δn между двумя соседними изобарами в данном участке по прямой, которая достаточно близка к нормалям обеих изобар. Затем разность давления между этими изобарами делят на расстояние Δp (обычно 5 гПа), выраженное в крупных единицах — сотнях километров или градусах меридиана (111 км).

Средний барический градиент представляется отношением Δp∕Δn гПа/ градус меридиана. Вместо градуса меридиана чаще берут значение, равное 100 км. У земной поверхности горизонтальные барические градиенты имеют порядок величины в несколько гектопаскалей: 1–3 гПа на каждый градус меридиана.

Определить значение барического градиента в свободной атмосфере можно по расстоянию между изогипсами на картах барической топографии.

С высотой барическое поле в атмосфере меняется, и это значит, что изменяется форма изобар (изогипс) и их взаимное расположение.

Литература

Источник

Барическое поле и ветер

Барическое поле

В этой лекции мы остановимся на горизонтальном распределении давления и на его изменениях во времени. То и другое тесно связано с режимом ветра.

Карты барической топографии

Изобары

Барические системы

Горизонтальный барический градиент

Точно выразить, как меняется атмосферное давление в горизонтальном направлении, можно с помощью так называемого горизонтального барического градиента, или горизонтального градиента давления. Горизонтальным градиентом давления называют изменение давления на единицу расстояния в горизонтальной плоскости (точнее, на поверхности уровня); при этом расстояние берется по тому направлению, в котором давление убывает всего сильнее.

Как всякий вектор, горизонтальный барический градиент можно графически представить стрелкой; в данном случае стрелкой, направленной по нормали к изобаре в сторону убывания давления.

Там, где изобары сгущены, изменение давления на единицу расстояния по нормали к изобаре больше; там, где изобары раздвинуты, оно меньше.

Если в атмосфере есть горизонтальный барический градиент, это означает, что изобарические поверхности в данном участке атмосферы наклонены к поверхности уровня и, стало быть, пересекаются с нею, образуя изобары.

Изменения барического градиента с высотой

С высотой барическое поле атмосферы меняется. Это значит, что меняются форма изобар и их взаимное расположение, а стало быть, меняются величина и направление барических градиентов. Эти изменения связаны с неравномерным распределением температуры.

Представим себе, что в некоторой области у земной поверхности никакого барического градиента нет, т. е. давление во всех точках одинаково. Но при этом температура распределяется неравномерно: в одной части рассматриваемой области она выше, в другой ниже. Следовательно, существует горизонтальный температурный градиент, направленный по нормали к изотерме в ту сторону, куда температура убывает. Мы знаем, что в холодном воздухе барическая ступень меньше, чем в теплом: давление падает с высотой тем быстрее, чем ниже температура воздуха. Отсюда следует, что изобарические поверхности, как правило, не могут быть горизонтальными. Если даже нижняя, приземная изобарическая поверхность горизонтальна, то каждая вышележащая поверхность будет приподнята над нижележащей поверхностью в холодном воздухе меньше, в теплом воздухе больше. Следовательно, вышележащие поверхности будут наклонены от теплого воздуха к холодному, притом наклонены тем больше, чем выше лежит данная поверхность. А это значит, что, хотя у земной поверхности горизонтального барического градиента нет, в вышележащих слоях такой градиент имеется.

Обобщая это рассуждение, можно сказать, что, каков бы ни был горизонтальный барический градиент у земной поверхности, с высотой он будет приближаться к горизонтальному температурному градиенту.

Колебания давления

Атмосферное давление в каждой точке земной поверхности или в любой точке свободной атмосферы все время меняется, т. е. либо растет, либо падает. Эти изменения давления в основном непериодического характера. В умеренных и высоких широтах они значительно сильнее, чем в тропических.

Иногда за одни сутки давление в данном пункте меняется на 20-30 мб. Даже за 3 часа давление может измениться на 5 мб и больше.

При метеорологических наблюдениях отмечают величину изменения давления dp за последние 3 часа перед сроком наблюдений. Эта величина называется барической тенденцией.

Междусуточная изменчивость давления. Крайние значения

Общую характеристику непериодических изменений давления можно дать с помощью междусуточной изменчивости давления. Так мы будем называть среднюю многолетнюю величину изменения давления за сутки, например по утренним наблюдениям, независимо от знака изменения.

У земной поверхности в умеренных широтах средняя междусуточная изменчивость давления порядка 3-10 мб.

В течение года колебания давления, конечно, еще больше. В Ленинграде, например, колебания давления за год в среднем 76 мб; в Джакарте, под экватором, 12 мб.

Скорость ветра

Скорость ветра у земной поверхности измеряется анемометрами разной конструкции. Чаще всего они основаны на том, что давление ветра приводит во вращение приемную часть прибора (чашечный анемометр, мельничный анемометр и пр.) или отклоняет ее от положения равновесия (доска Вильда). По скорости вращения или величине отклонения можно определить скорость ветра. Приборы для измерения ветра на наземных станциях устанавливаются на высоте 10-15 м над земной поверхностью. Измеренный ими ветер и называется ветром у земной поверхности.

Направление ветра

Направление ветра определяется с помощью флюгера, вращающегося около вертикальной оси. Под действием ветра флюгер принимает положение по направлению ветра. Флюгер обычно соединяется с доской Вильда. Так же как и для скорости, различают мгновенное и сглаженное направление ветра. Мгновенные направления ветра значительно колеблются около некоторого среднего (сглаженного) направления, которое определяется при наблюдениях по флюгеру.

При климатологической обработке наблюдений над ветром можно для каждого данного пункта построить диаграмму, представляющую собой распределение повторяемости направлений ветра по основным румбам, в виде так называемой розы ветров. От начала полярных координат откладываются направления по румбам горизонта, длины которых пропорциональны повторяемости ветров данного направления. Концы отрезков можно соединить ломаной линией. Повторяемость штилей указывается числом в центре диаграммы.

Для представления на климатических картах направление ветра обобщают разными способами. Можно нанести на карту в разных местах розы ветров. Но чаще определяется преобладающее направление ветра.

Линии тока

Пространственное распределение ветра, стало быть, является векторным полем. Его можно представать графически разными способами. Наиболее наглядно поле ветра представляется с помощью линий тока, аналогичных, например, силовым линиям в магнитном поле. В каждой точке поля, в которой ветер известен, его наносят стрелкой, имеющей то направление, куда дует ветер. Затем на карте проводят линии тока так, чтобы направление ветра в каждой точке поля совпадало с направлением касательной к линии тока, проходящей через эту точку. Линии тока проводят тем ближе друг к другу, чем больше скорость ветра в данном участке поля. Таким образом, на карте получается система линий тока.

Нужно помнить, что линии тока для определенного срока наблюдений представляют собой именно моментальный снимок с поля ветра. Не следует смешивать их с путями (траекториями) воздушных частиц. Дело в том, что с течением времени поле ветра изменяется и, стало быть, меняется распределение линий тока.

Если на поле с линией сходимости налагается переносное движение, то может получиться, что линии тока направлены к линиям сходимости только с одной стороны, а с другой выходят из этой линии, как показано на рис. 72. Такую линию сходимости называют односторонней.

Легко понять, что сходимость линий тока должна сопровождаться восходящим движением стекающегося воздуха, а расходимость, напротив, нисходящим движением растекающегося воздуха.

Порывистость ветра

Ветер постоянно и быстро меняется по скорости и направлению, колеблясь около каких-то средних величин. Причиной этих колебаний (пульсаций, или флуктуации) ветра является турбулентность. Колебания эти можно регистрировать чувствительными самопишущими приборами. Ветер, обладающий резко выраженными колебаниями скорости и направления, называют порывистым. При особенно сильной порывистости говорят о шквалистом ветре.

При обычных станционных наблюдениях над ветром определяют среднее направление и среднюю его скорость за промежуток времени порядка нескольких минут. При наблюдениях по флюгеру Вильда наблюдатель должен в течение двух минут следить за колебаниями флюгарки и в течение двух минут за колебаниями доски Вильда, а в результате определить среднее (сглаженное) направление и среднюю (сглаженную) скорость за это время.

Порывистость тем больше, чем больше турбулентность. Следовательно, она сильнее выражена над сушей, чем над морем; особенно велика в районах со сложным рельефом местности; больше летом, чем зимой; имеет послеполуденный максимум в суточном ходе.

В свободной атмосфере турбулентность может приводить к болтанке самолетов. Болтанка особенно велика в сильно развитых облаках конвекции. Но она резко возрастает и при отсутствии облаков в зонах так называемых струйных течений.

Влияние препятствий на ветер

Всякое препятствие, стоящее на пути ветра, будет как-то на него влиять, возмущать поле ветра. Такие препятствия могут быть и крупномасштабными, как горные хребты, и мелкомасштабными, как здания, деревья, лесные полосы и т. д. Прежде всего препятствие отклоняет воздушное течение: оно должно либо обтекать препятствие с боков, либо перетекать через него сверху.

Перетекание воздуха через препятствия приводит к очень важным следствиям, таким, как увеличение облаков и осадков на наветренном склоне горы при восходящем движении воздуха и, наоборот, рассеяние облачности на подветренном склоне при нисходящем движении.

Обтекая препятствие, ветер перед ним ослабевает, но с боковых сторон усиливается. За препятствием скорость ветра уменьшается, там имеется ветровая тень.

Очень существенно усиливается ветер, попадая в суживающееся орографическое ложе, например между двумя горными хребтами. При продвижении воздушного потока его поперечное сечение уменьшается; а так как сквозь уменьшающееся сечение должно пройти столько же воздуха, то скорость возрастает. Этим объясняются усиление ветра в проливах между высокими островами и даже на городских улицах.

Влияние полезащитных лесных полос на микроклиматические условия полей связано в первую очередь с тем ослаблением ветра в приземных слоях воздуха, которое создают лесные полосы. Воздух перетекает поверх лесной полосы, и, кроме того, скорость его ослабевает при просачивании его сквозь просветы в полосе. Поэтому непосредственно за полосой скорость ветра резко ослаблена. На более далеком расстоянии за полосой скорость ветра увеличивается. Однако первоначальная, неослабленная скорость ветра восстанавливается только на расстоянии, равном 40-50-кратной высоте деревьев полосы, если полоса ажурная (несплошная). Влияние сплошной полосы распространяется на расстояние, равное 20-30-кратной высоте деревьев и меньше.

Ускорение воздуха под действием барического градиента

Ветер возникает в связи с неравномерным распределением атмосферного давления. При неравномерном распределении атмосферного давления воздух стремится перемещаться из мест с более высоким давлением в места с более низким давлением.

Мерой неравномерности распределения давления является горизонтальный барический градиент. Воздух получает ускорение тем большее, чем больше барический градиент. Следовательно, барический градиент есть сила, сообщающая воздуху ускорение, т. е. вызывающая ветер и меняющая скорость ветра.

Если бы на воздух действовала только сила барического градиента, то движение воздуха под действием этой силы было бы равномерно ускоренным. Хотя ускорение, сообщаемое воздуху силой градиента, невелико, при более или менее длительном действии этой силы воздух получил бы очень большие и притом неограниченно растущие скорости. В действительности этого не бывает. Воздух движется, как правило, со скоростью порядка нескольких метров и, очень редко, нескольких десятков метров в секунду, причем обычно скорость ветра мало меняется в течение длительного времени. Это значит, что, кроме силы градиента, на движущийся воздух действуют другие силы, более или менее уравновешивающие силу градиента.

Отклоняющая сила вращения Земли

В механике доказывается, что при движении любого тела во вращающейся системе координат возникает отклонение от первоначального направления движения относительно этой системы. Иными словами, тело, движущееся во вращающейся системе координат, получает относительно этой системы так называемое поворотное ускорение, или ускорение Кориолиса, направленное под прямым углом к скорости. Таким образом, поворотное ускорение не меняет величину скорости, а только меняет направление движения.

Поворотное ускорение объясняется не тем, что есть какая-то внешняя сила, отклоняющая воздух от первоначального направления движения. На самом деле воздух стремится сохранить по инерции свое первоначальное направление движения, но не относительно вращающейся Земли, а относительно мирового пространства, относительно неподвижной системы координат. Система же координат, связанная с земной поверхностью, к которой относят ветер, поворачивается под движущимся воздухом в процессе суточного вращения Земли. Таким образом, не воздух отклоняется от первоначального направления относительно Земли, а Земля с ее параллелями и меридианами поворачивается под движущимся воздухом в противоположную сторону.

Отклоняющая сила вращения Земли обращается в нуль у экватора и имеет наибольшую величину на полюсе. Она также пропорциональна скорости ветра и обращается в нуль при скорости, равной нулю. Если тело неподвижно, то никакого ускорения относительно Земли оно получить не может. Направлена отклоняющая сила под прямым углом к скорости, вправо в северном полушарии и влево в южном. Отклоняющая сила вращения Земли при движении воздуха может уравновесить силу барического градиента.

Геострофический ветер

При геострофическом ветре, кроме движущей силы градиента на воздух действует еще отклоняющая сила вращения Земли. Поскольку движение предполагается равномерным, обе силы уравновешиваются, т. е. равны по величине и направлены взаимно противоположно. Отклоняющая сила вращения Земли в северном полушарии направлена под прямым углом к скорости движения вправо. Отсюда следует, что сила градиента, равная ей по величине, должна быть направлена под прямым углом к скорости влево. А так как под прямым углом к градиенту лежит изобара, то это значит, что геострофический ветер дует вдоль изобар, оставляя низкое давление слева.

Ветер у земной поверхности всегда более или менее отличается от геострофического ветра и по скорости, и по направлению. Это происходит потому, что у земной поверхности достаточно велика сила трения, которая для геострофического ветра предполагается равной нулю. Но в свободной атмосфере, примерно начиная с 1000 м, действительной ветер уже очень близок к геострофическому.

В действительности ветер в свободной атмосфере все-таки отклоняется от изобар в ту или иную сторону, но на очень небольшой угол, порядка нескольких градусов. Скорость его также хотя и близка к скорости геострофического ветра, но не в точности равна ей. Тем не менее, близость действительного ветра в свободной атмосфере к геострофическому ветру дает важную возможность с достаточным приближением определять скорость и направление действительного ветра на высотах по распределению давления.

Градиентный ветер

Если движение воздуха происходит без действия силы трения, но криволинейно, то это значит, что, кроме силы градиента и отклоняющей силы вращения Земли, появляется еще центробежная сила. Направлена центробежная сила по радиусу кривизны траектории наружу, в сторону выпуклости траектории.

Такой теоретический случай равномерного движения воздуха по круговым траекториям без влияния трения называют градиентным ветром. Из изложенного видно, что траектории в случае градиентного ветра совпадают с изобарами. Градиентный ветер, так же как и геострофический, направлен по изобарам, в этом случае уже не прямолинейным, а круговым.

В понятие градиентного ветра часто включают также и геострофический ветер, как предельный случай градиентного ветра.

Градиентный ветер в циклоне и антициклоне

Для градиентного ветра возможны два случая.

а) В барической системе с концентрическими круговыми изобарами градиенты направлены по радиусам от периферии к центру (рис. 76). Это значит, что в центре системы давление самое низкое, а к периферии оно растет. Такая барическая система с самым низким давлением в центре и с концентрическими круговыми изобарами представляет собой простейший вид циклона. Центробежная сила в циклоне направлена всегда наружу, в сторону выпуклости траектории (изобары), т. е. в данном случае против силы градиента.

Как правило, центробежная сила в действительных атмосферных условиях меньше силы градиента. Поэтому для равновесия действующих сил нужно, чтобы отклоняющая сила вращения Земли была направлена так же, как и центробежная сила, и чтобы они вместе уравновешивали силу градиента. Это значит, что отклоняющая сила должна быть направлена также наружу, от центра циклона. Скорость же ветра должна отклоняться на прямой угол от отклоняющей силы, в северном полушарии влево. Стало быть, ветер должен дуть по круговым изобарам циклона против часовой стрелки, отклоняясь от барического градиента вправо.

Запомним это очень важное различие между циклоном и антициклоном.

При одном и том же градиенте скорость градиентного ветра в циклоне меньше, а в антициклоне больше, чем при прямолинейных изобарах, т. е. больше, чем скорость геострофического ветра. Скорость ветра пропорциональна отклоняющей силе. Но в случае антициклона отклоняющая сила больше, а в случае циклона меньше, чем сила градиента. Поэтому одному и тому же градиенту соответствует в антициклоне большая скорость ветра, чем в циклоне.

Термический ветер

Геострофический или градиентный ветер направлен, как мы уже знаем, по изобарам. Приблизительно по изобарам направлен и действительный ветер в свободной атмосфере.

Нам известно, что барический градиент получает с высотой дополнительную составляющую, направленную по температурному градиенту и пропорциональную ему. Следовательно, и градиентный ветер получает с высотой дополнительную составляющую скорости, направленную по изотерме. Эту дополнительную составляющую называют термическим ветром.

Если барический градиент на нижнем уровне совпадает по направлению с температурным градиентом в вышележащей атмосфере, то он с высотой возрастает, не меняя направления. В этом случае изобары на всех уровнях будут совпадать по направлению с изотермами, а термический ветер будет совпадать по направлению с ветром на нижнем уровне. Ветер при этом возрастает с высотой; не меняя своего направления. Если барический градиент на нижнем уровне противоположен по направлению температурному градиенту, то он будет соответственно убывать с высотой. Вместе с ним, не меняя направления, будет убывать и ветер до тех пор, пока он не превратится в нуль и не перейдет на противоположное направление.

Сила трения

Трение в атмосфере также является силой, которая сообщает уже существующему движению воздуха отрицательное ускорение, т. е. замедляет движение, а также меняет его направление.

В первом приближении силу трения в атмосфере можно считать направленной противоположно скорости. Сила трения наиболее велика у самой земной поверхности. С высотой она убывает и на уровне около 1000 м становится незначительной по сравнению с другими силами, действующими на движение воздуха. Поэтому начиная с этой высоты ею можно пренебречь. Высота, на которой сила трения практически исчезает (от 500 до 1500 м, в среднем около 1000 м), называется уровнем трения.

Нижний слой тропосферы, от земной поверхности до уровня трения, называется слоем трения или планетарным пограничным слоем.

Сила трения в этом слое вызывается тем, что воздух течет над шероховатой земной поверхностью и скорость воздушных частиц, непосредственно соприкасающихся с земной поверхностью, замедляется. Частицы с уменьшенной скоростью в процессе турбулентного обмена передаются в вышележащие слои, а сверху взамен их поступают частицы с большей скоростью, которые в свою очередь замедляются при соприкосновении с земной поверхностью. Таким образом, вследствие турбулентности уменьшение скорости передается вверх на более или менее мощный слой атмосферы. Это и будет слой трения.

Влияние трения на скорость и направление ветра

Скорость ветра уменьшается вследствие трения настолько, что у земной поверхности (на высоте флюгера) над сушей она примерно вдвое меньше, чем скорость геострофического ветра, рассчитанная для того же барического градиента.

Сила трения влияет и на направление ветра.

Представим себе равномерное прямолинейное движение воздуха при наличии силы трения (геотриптический ветер). Скорость ветра будет направлена не по изобарам. Она будет пересекать изобары, отклоняясь при этом от градиента вправо (в северном полушарии), но составляя с ним некоторый угол меньше прямого.

Понятно, что в южном полушарии спиралеобразные линии тока будут направлены в циклоне по часовой стрелке и в антициклоне против часовой стрелки. Но составляющая скорости ветра, нормальная к изобарам, будет и там в циклоне направлена внутрь, а в антициклоне наружу.

Суточный ход ветра

Над морем некоторое усиление конвекции приходится на ночь, а потому и суточный максимум ветра наблюдается ночью.

Барический закон ветра

Связь ветра с изменениями давления

Над любым уровнем в свободной атмосфере масса воздуха может меняться, между прочим, вследствие вертикальных движений воздуха. При нисходящем движении часть воздуха будет уходить ниже данного уровня, и давление на этом уровне будет убывать. В случае восходящего движения наблюдается обратное.

Горизонтальное перемещение воздуха может приводить, а может и не приводить к изменениям давления, смотря по своим особенностям. Если, например, допустить, что ветер геострофический и дует в широтном направлении и при этом температура воздуха везде одинаковая, то изменений в распределении давления вовсе не будет. В действительности давление все время меняется, и подчас очень сильно. Меняется оно как раз за счет отклонений действительного ветра от градиентного. При этом значительные отклонения действительного ветра от градиентного вследствие трения могут менять распределение давления только в одну сторону, именно выравнивать разности давления, т. е. заполнять циклоны и ослаблять антициклоны. В действительности же всегда наблюдается также и возрастание разностей давления, т. е. углубление циклонов и усиление антициклонов.

Источник