Вертикальный и горизонтальный градиент. CSS: Линейный градиент для фона

БАРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ВЕТЕР

(по С.П. Хромову)

Барическое поле

В главе второй говорилось об атмосферном давлении, о единицах, в которых оно выражается, и о его изменении с вы­сотой. В этой главе мы остановимся на горизонтальном распре­делении давления и на его изменениях во времени.То и другое тесно связано с режимом ветра.

Распределение атмосферного давления называют барическим полем. Атмосферное давление есть величина скалярная: в каж­дой точке атмосферы оно характеризуется одним числовым зна­чением, выраженным в миллибарах или в миллиметрах ртутного столба. Следовательно, и барическое поле есть скалярное поле. Как всякое скалярное поле, его можно наглядно представить в пространстве поверхностями равных значений данного скаляра, а на плоскости - линиями равных значений. В случае барического поля это будут изобарические поверхности и изобары.

Можно представить так, что вся атмосфера пронизана семей­ством изобарических поверхностей, огибающих Земной шар. Эти поверхности пересекаются с поверхностями уровня под очень малыми углами, порядка угловых минут. В пересечении с каж­дой поверхностью уровня, в том числе с уровнем моря, изобари­ческие поверхности образуют на ней изобары.

Изобарическая поверхность со значением 1000 мб проходит вблизи уровня моря. Изобарическая поверхность 700 мб распо­лагается на высотах, близких к 3 км; изобарическая поверх­ность 500 мб - на высотах, близких к 5 км. Изобарические поверхности 300 и 200 мб располагаются соответственно на вы­сотах около 9 и около 12 км, т. е. вблизи тропопаузы; поверх­ность 100 мб - около 16 км.

Пересекаясь с поверхностями уровня, каждая изобари­ческая поверхность в разных своих точках в каждый момент находится на различных высотах над уровнем моря.

Например, изобарическая поверхность 500 мб может распо­лагаться над одной частью Европы то высоте около 6000 м, а над другой частью Европы - на высоте около 5000 м. Это зависит, во-первых, от того, что и на уровне моря давление в каждый момент в разных местах разное; во-вторых, от того, что средняя температура атмосферного столба в разных местах также различная. А из главы второй мы знаем, что, чем ниже температура воздуха, тем быстрее давление падает с высотой. Если даже на уровне моря давление везде одинаково, то выше­лежащие изобарические поверхности будут снижены в холод­ных участках атмосферы и, напротив, приподняты в теплых.

Карты барической топографии

Пространственное распределение атмосферного давления непрерывно меняется с течением времени. Это значит, что не­прерывно меняется расположение изобарических поверхностей в атмосфере. Чтобы следить за изменениями барического, а также и термического поля, в практике службы погоды еже­дневно составляют по аэрологическим наблюдениям карты топо­графии изобарических поверхностей - карты барической топо­графии.

На карту абсолютной барической топографии наносят вы­соты определенной изобарической поверхности над уровнем моря на разных станциях в определенный момент времени, на­пример поверхности 500 мб в 6 часов утра 1 января 1967 г. Точки с равными высотами соединяют линиями равных высот - изогипсами (абсолютными изогипсами). По изогипсам можно судить о распределении давления в тех слоях атмосферы, в ко­торых располагается данная изобарическая поверхность.

В атмосфере всегда существуют области, в которых давле­ние повышено или понижено по сравнению с окружающими об­ластями. Фактически вся атмосфера состоит из таких областей повышенного или пониженного давления, расположение которых все время меняется. При этом в областях пониженного давле­ния - циклонах или депрессиях - давление на каждом уровне самое низкое в центре области, а к периферии растет. Давление, кроме того, всегда понижается с высотой; поэтому изобари­ческие поверхности в циклоне прогнуты в виде воронок, сни­жаясь от периферии к центру (рис. 54). Следовательно, на карте абсолютной топографии в центре циклона будут находиться изогипсы с меньшими значениями высоты, а на периферии - изогипсы с большими значениями (рис. 55). В области повы­шенного давления - антициклоне, напротив, на каждом уровне в центре будет наивысшее давление; поэтому изобарические поверхности в антициклоне будут иметь форму куполов, и на карте абсолютной барической топографии в центре антициклона мы найдем изогипсы с наивысшими значениями (см. те же рисунки).

Рис. 54. Изобарические поверхности в циклоне (H) и в антициклоне (В) в вертикальном разрезе.

Составляют еще карты относительной барической топо­графии. На такую карту наносят высоты определенной изоба­рической поверхности, но отсчитанные не от уровня моря (как на картах абсолютной барической топографии), а от другой, ле­жащей ниже изобарической поверхности. Например, можно со ставить карту высот поверхности 500 мб над поверхностью 1000 мб и т. д.

Рис. 55. Циклон (H) и антициклон (В) на карте абсолют­ной топографии изобарической поверхности 500 мб.

Цифры - высоты в десятках метров. В циклоне изобарическая поверхность лежит ближе к уровню моря, чем в антициклоне.

Такие высоты называются относительными, а проведенные по ним изогипсы - относительными изогипсами.Относительная высота одной изобарической поверхности над другой зависит от средней температуры воздуха между этими двумя поверхностями (рис. 56). Из главы второй известно, что барическая ступень зависит от температуры. Но барическая сту­пень, т. е. расстояние между двумя уровнями с давлением, различающимся на единицу, в сущности и есть относительная вы­сота одной изобарической поверхности над другой.

Рис. 56. Изобарические поверхности в областях тепла (T) и холода (X) в вертикальном разрезе. В области тепла они раздвинуты, в области холода - сближены

Отсюда сле­дует, что по распределению на карте относительных высот можно судить о распределении средних температур в слое воз­духамежду взятыми двумя изобарическими поверхностями.

Рис. 57. Области тепла (T) и холода (X) на карте относительной топографии изобарической поверх­ности 500 мб над поверхностью 1000 мб.

В областях тепла толщина атмосферного слоя между двумя поверхностями увеличена, в областях холода - уменьшена.

Чем больше относительная высота, тем выше температура слоя. Следовательно, карты относительной топографии показывают рас­пределение температуры в атмосфере (рис. 57). Иногда го­ворят, что карты абсолютной и относительной топографии вместе представляют термобарическое полеатмосферы.

В службе погоды карты абсолютной топографии обычно со­ставляются для изобарических поверхностей 1000, 850, 700, 500, 300, 200, 100, 50, 25 мб, а карты относительной топографии - для поверхности 500 над 1000 мб. Составляют карты барической топографии и по осредненным данным за промежутки времени от нескольких дней до месяца. Для климатологических целей применяются карты барической топографии, составленные по многолетним средним данным.

На карты барической топографии, строго говоря, наносят не высоты изобарических поверхностей, а их геопотенциалы. Геопотенциалом (абсолютным) называется потенциальная энер­гия единицы массы в поле силы тяжести. Иначе говоря, геопо­тенциал изобарической поверхности в каждой ее точке есть работа, которую нужно затратить против силы тяжести, чтобы поднять единицу массы от уровня моря в данную точку. По определению геопотенциал в каждой точке атмосферы равен Ф = gz , где z - высота точки над уровнем моря, а g - ускорение силы тяжести. Итак, в любой точке изо­барической поверхности под данной широтой при данном зна­чении силы тяжести имеется определенный геопотенциал, про­порциональный высоте этой точки над уровнем моря. Поэтому применение геопотенциала вместо высоты вполне возможно и имеет определенные теоретические и технические преимущества. При этом геопотенциал выражают в таких единицах (геопотен­циальных метрах), при которых он численно близок к высоте, выраженной в метрах (и в точности равен ей на уровне моря под широтой 45°). В связи с этим геопотенциал называют еще динамической или геопотенциальной высотой.

Относительный геопотенциал соответственно равен разности абсолютных геопотенциалов двух точек, лежащих на одной вер­тикали.

Изобары

Карты абсолютной барической топографии для нескольких изобарических поверхностей в своей совокупности наглядно представляют барическое поле атмосферы в тех слоях, в кото­рых располагаются эти изобарические поверхности. Но, кроме того, с давних пор принято изображать барическое поле на уровне моря с помощью линий равного давления - изобар.Для этого наносят на географическую карту величины атмо­сферного давления, измеренные в один и тот же момент на уровне моря или приведенные к этому уровню, соединяют точки с одинаковым давлением изобарами. Каждая изобара является следом пересечения какой-то изобарической поверх­ности с уровнем моря. На карте, охватывающей тот или иной географический район, можно для любого момента времени провести целое семейство изобар (рис. 58). Проводят их обычно так, что каждая изобара отличается по величине давления от соседних изобар на 5 мб. Таким образом, изобары могут иметь, например, значения 990, 995, 1000, 1005, 1010 мб и т. д. Можно, разумеется, проводить изобары и через другое число миллибар, например через 10 мб, 2 мб.

Рис. 58. Изобары на уровне моря (в миллибарах).

H - циклон, В - антициклон.

Изобары можно построить не только для уровня моря, но и для любого вышележащего уровня. Однако в службе погоды составляют для свободной атмосферы не карты изобар, а опи­санные выше карты барической топографии.

На карте изобар также обнаруживаются уже упоминавшиеся области пониженного и повышенного давления - циклоны и антициклоны. В циклоне самое низкое (минимальное) давление наблюдается в центре; напротив, в антициклоне в центре наблю­дается самое высокое давление. На картах изобар для уровня моря, как и на картах барической топографии, обнаруживается постоянное перемещение этих областей и изменение их интен­сивности, а следовательно, и постоянные изменения барического поля. В практике службы погоды не применяются отдельные карты изобар. Составляют комплексные синоптические карты, на ко­торые, кроме давления на уровне моря, наносят и другие метео­рологические элементы по наземным наблюдениям. На этих картах и проводят изобары.

В климатологии применяются карты изобар для уровня моря, составленные по многолетним средним данным.

Горизонтальный барический градиент

Рассматривая изобары на синоптической карте, мы заме­чаем, что в одних местах изобары проходят гуще, в других - реже.

Очевидно, что в первых местах атмосферное давление ме­няется в горизонтальном направлении сильнее, во-вторых - слабее. Говорят еще: «быстрее» и «медленнее», но не следует смешивать изменения в пространстве, о которых идет речь, с изменениями во времени.

Точно выразить, как меняется атмосферное давление в гори­зонтальном направлении, можно с помощью так называемого горизонтального барического градиента, или горизонтального градиента давления. В главе четвертой говорилось о горизон­тальном градиенте температуры. Подобно этому 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. А таким направлением наиболее сильного изменения давления является в каждой точке направление по нормали к изобаре в этой точке.

Таким образом, горизонтальный барический градиент есть вектор, направление которого совпадает с направлением нор­мали к изобаре в сторону уменьшения давления, а числовое зна­чение равно производной от давления по этому направлению. Обозначим этот вектор символом - Ñр , а числовую его вели­чину -dp/dn, где п - направление нормали к изобаре.

Как всякий вектор, горизонтальный барический градиент можно графически представить стрелкой; в данном случае стрел­кой, направленной по нормали к изобаре в сторону убывания давления. При этом длина стрелки должна быть пропорцио­нальна числовой величине градиента (рис. 59).

В разных точках барического поля направление и величина барического градиента будут, конечно, разными. Там, где изо­бары сгущены, изменение давления на единицу расстояния по нормали к изобаре больше; там, где изобары раздвинуты, оно меньше. Иначе говоря, величина горизонтального барического градиента обратно пропорциональна расстоянию между изобарами.

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. Изобарические поверхности наклонены всегда в направлении градиента, т. е. туда, куда давление убывает (рис. 60).

Рис. 59. Изобары и горизон­тальный барический градиент. Стрелками обозначен горизонтальный барический градиент в трех точках барического поля.

Рис. 60. Изобарические поверхности в вертикальном разрезе и направление горизонтального барического градиента. Двойная линия - поверхность уровня

Горизонтальный барический градиент является горизонтальной составляющей полного барического градиента. Последний представляет­ся пространственным вектором, ко­торый в каждой точке изобариче­ской поверхности направлен по нор­мали к этой поверхности в сторону поверхности с меньшим значением давления. Числовая величина этого вектора равна –dp/dn ; но здесь n - на­правление нормали к изобариче­ской поверхности. Полный бариче­ский градиент можно разложить на вертикальную и горизонтальную составляющие, или на вертикальный и горизонтальный градиенты. Можно разложить его и на три составляющие по осям прямоугольных координат X, Y, Z. Давление меняется с высотой гораздо сильнее, чем в гори­зонтальном направлении. Поэтому вертикальный барический градиент в десятки тысяч раз больше горизонтального. Он уравновешивается или почти уравновешивается направленной противоположно ему силой тяжести, как это вытекает из основ­ного уравнения статики атмосферы. На горизонтальное движе­ние воздуха вертикальный барический градиент не влияет. Дальше в этой главе мы будем говорить только о горизонталь­ном барическом градиенте, называя его просто барическим гра­диентом.

На практике измеряют на синоптических картах средний барический градиент для того или иного участка барического поля. Именно, измеряют расстояние ∆n между двумя соседними изобарами в данном участке по прямой, которая достаточно близка к нормалям обеих изобар. Затем разность давлений между изобарами ∆p (обычно это 5 мб) делят на это расстоя­ние, выраженное -в крупных единицах - градусах меридиана (111 км). Средний барический градиент представится по вели­чине отношением конечных разностей - ∆p/ ∆n мб/град. Вместо градуса меридиана теперь чаще берут 100 км. Определить ба­рический градиент в свободной атмосфере можно из расстоя­ния между изогипсами на картах барической топографии. В дей­ствительных условиях атмосферы у земной поверхности горизон­тальные барические градиенты имеют порядок величины в не­сколько миллибар (обычно 1-3) на каждый градус меридиана.

Рассматривая изобары на синоптической карте, мы замечаем, что в одних местах изобары проходят гуще, в других - реже.

Очевидно, что в первых местах атмосферное давление меняется в горизонтальном направлении сильнее, во-вторых - слабее. Говорят еще: «быстрее» и «медленнее», но не следует смешивать изменения в пространстве, о которых идет речь, с изменениями во времени.

Точно выразить, как меняется атмосферное давление в горизонтальном направлении, можно с помощью так называемого горизонтального барического градиента, или горизонтального градиента давления. В главе четвертой говорилось о горизонтальном градиенте температуры. Подобно этому 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. А таким направлением наиболее сильного изменения давления является в каждой точке направление по нормали к изобаре в этой точке.

Таким образом, горизонтальный барический градиент есть вектор, направление которого совпадает с направлением нормали к изобаре в сторону уменьшения давления, а числовое значение равно производной от давления по этому направлению. Обозначим этот вектор символом - Ñр , а числовую его величину - dp / dn , где п - направление нормали к изобаре.

Как всякий вектор, горизонтальный барический градиент можно графически представить стрелкой; в данном случае стрелкой, направленной по нормали к изобаре в сторону убывания давления. При этом длина стрелки должна быть пропорциональна числовой величине градиента.

В разных точках барического поля направление и величина барического градиента будут, конечно, разными. Там, где изобары сгущены, изменение давления на единицу расстояния по нормали к изобаре больше; там, где изобары раздвинуты, оно меньше. Иначе говоря, величина горизонтального барического градиента обратно пропорциональна расстоянию между изобарами.

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. Изобарические поверхности наклонены всегда в направлении градиента, т. е. туда, куда давление убывает.

Горизонтальный барический градиент является горизонтальной составляющей полного барического градиента. Последний представляется пространственным вектором, который в каждой точке изобарической поверхности направлен по нормали к этой поверхности в сторону поверхности с меньшим значением давления. Числовая величина этого вектора равна – dp / dn ; но здесь n - направление нормали к изобарической поверхности. Полный барический градиент можно разложить на вертикальную и горизонтальную составляющие, или на вертикальный и горизонтальный градиенты. Можно разложить его и на три составляющие по осям прямоугольных координат X, Y, Z. Давление меняется с высотой гораздо сильнее, чем в горизонтальном направлении. Поэтому вертикальный барический градиент в десятки тысяч раз больше горизонтального. Он уравновешивается или почти уравновешивается направленной противоположно ему силой тяжести, как это вытекает из основного уравнения статики атмосферы. На горизонтальное движение воздуха вертикальный барический градиент не влияет. Дальше в этой главе мы будем говорить только о горизонтальном барическом градиенте, называя его просто барическим градиентом.

Скорость ветра

Как нам уже известно из главы второй, ветром называют движение воздуха относительно земной поверхности, причем, как правило, имеется в виду горизонтальная составляющая этого движения. Однако иногда говорят о восходящем или о нисходящем ветре, учитывая также и вертикальную составляющую. Ветер характеризуется вектором скорости. На практике под скоростью ветра подразумевается только числовая величина скорости; именно ее мы будем в дальнейшем называть скоростью ветра, а направление вектора скорости - направлением ветра.

Скорость ветра выражается в метрах в секунду, в километрах в час (в особенности при обслуживании авиации) и в узлах (в морских милях в час). Чтобы перевести скорость из метров в секунду в узлы, достаточно умножить число метров в секунду на 2.

Существует еще оценка скорости (или, как принято говорить в этом случае, силы) ветра в баллах, так называемая шкала Бофорта, по которой весь интервал возможных скоростей ветра делится на 12 градаций. Эта шкала связывает силу ветра с различными его эффектами, такими, как степень волнения на море, качание ветвей и деревьев, распространение дыма из труб и т. п. Каждая градация по шкале Бофорта носит определенное название. Так, нулю шкалы Бофорта соответствует штиль, т. е. полное отсутствие ветра. Ветер в 4 балла, по Бофорту называется умеренным и соответствует скорости 5-7 м/сек; в 7 баллов - сильным, со скоростью 12-15 м/сек; в 9 баллов - штормом, со скоростью 18-21 м/сек; наконец, ветер в 12 баллов по Бофорту- это уже ураган, со скоростью свыше 29 м/сек.

Различают сглаженную скорость ветра за некоторый небольшой промежуток времени, в течение которого производятся наблюдения, и мгновенную скорость ветра, которая вообще сильно колеблется и временами может быть значительно ниже или выше сглаженной скорости. Анемометры обычно дают значения сглаженной скорости ветра, и в дальнейшем речь будет идти именно о ней.

У земной поверхности чаще всего приходится иметь дело с ветрами, скорости которых порядка 4-8 м/сек и редко превышают 12-15 м/сек. Но все же в штормах и ураганах умеренных широт скорости могут превышать 30 м/сек, а в отдельных порывах достигать 60 м/сек. В тропических ураганах скорости ветра доходят до 65 м/сек, а отдельные порывы - до 100 м/сек. В маломасштабных вихрях (смерчи, тромбы) возможны скорости и более 100 м/сек. В так называемых струйных течениях в верхней тропосфере и в нижней стратосфере средняя скорость ветра за длительное время и на большой площади может доходить до 70-100 м/сек.

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. Есть конструкции, основанные на манометрическом принципе (трубка Пито). Имеется ряд конструкций самопишущих приборов - анемографов и (если измеряется также и направление ветра) анеморумбографов. 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

Нужно хорошо запомнить, что, говоря о направлении ветра, имеют в виду направление, откуда он дует. Указать это направление можно, назвав либо точку горизонта, откуда дует ветер, либо угол, образуемый направлением ветра с меридианом места, т. е. его азимут. В первом случае различают 8 основных румбов горизонта: север, северо-восток, восток, юго-восток, юг, юго-запад, запад, северо-запад - и 8 промежуточных румбов между ними: север-северо-восток, восток-северо-восток, восток-юго-восток, юг-юго-восток, юг-юго-запад, запад-юго-запад, запад-северо-запад, север-северо-запад (рис. 68). 16 румбов, указывающих направление, откуда дует ветер, имеют следующие сокращенные обозначения, русские и международные:

Если направление ветра характеризуется углом его с меридианом, то отсчет ведется от севера по часовой стрелке. Таким образом, северу будет соответствовать 0° (360°), северо-востоку 45°, востоку 90°, югу 180°, западу 270°. При наблюдениях над ветром в высоких слоях атмосферы направление его, как правило, указывается в градусах, а при наблюдениях на наземных метеорологических станциях - в румбах горизонта.

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.

Однако и сглаженное направление ветра в каждом данном месте Земли непрерывно меняется, а в разных местах в одно и то же время оно также различно. В одних местах ветры различных направлений имеют за длительное время почти равную повторяемость, в других - хорошо выраженное преобладание одних направлений ветра над другими в течение всего сезона или года. Это зависит от условий общей циркуляции атмосферы и отчасти от местных топографических условий.

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 (рис. 69). От начала полярных координат откладываются направления по румбам горизонта (8 или 16) отрезками, длины которых пропорциональны повторяемости ветров данного направления. Концы отрезков можно соединить ломаной линией. Повторяемость штилей указывается числом в центре диаграммы (в начале координат). При построении розы ветров можно учесть еще и среднюю скорость ветра по каждому направлению, умножив на нее повторяемость данного направления. Тогда график покажет в условных единицах количество воздуха, переносимого ветрами каждого направления.

Для представления на климатических картах направление ветра обобщают разными способами. Можно нанести на карту в разных местах розы ветров. Можно определить равнодействующую всех скоростей ветра (рассматриваемых как векторы) в данном месте за тот или иной календарный месяц в течение многолетнего периода и затем взять направление этой равнодействующей в качестве среднего направления ветра. Но чаще определяется преобладающее направление ветра. Именно, определяется квадрант с наибольшей повторяемостью. Средняя линия этого квадранта принимается за преобладающее направление.

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, о которой говорилось в главе второй. 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 (сглаженное) 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. Чашечный анемометр дает возможность определить среднюю скорость ветра за любой конечный промежуток времени.

Однако представляет интерес также и изучение порывистости ветра. Порывистость можно характеризовать отношением амплитуды колебаний скорости ветра за некоторый промежуток времени к средней скорости за то же время; при этом берется либо средняя, либо наиболее часто встречающаяся амплитуда. Под амплитудой подразумевается разность между последовательными максимумом и минимумом мгновенной скорости. Есть и другие характеристики изменчивости, в том числе и направленияветра.

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.

Разность атмосферного давления между двумя областями как у земной поверхности, так и выше нее вызывает горизонтальное перемещение воздушных масс – ветер. С другой стороны, сила тяжести и трение о земную поверхность удерживают массы воздуха на месте. Следовательно, ветер возникает только при таком перепаде давления, который достаточно велик, чтобы преодолеть сопротивление воздуха и вызвать его движение. Очевидно, что разность давлений должна быть отнесена к единице расстояния. В качестве единицы расстояния раньше принимали 1 0 меридиана, то есть 111 км. В настоящее время для простоты расчетов условились брать 100 км.

Горизонтальным барическим градиентом называется падение давления в 1 мб на расстояние в 100 км по нормали к изобаре в сторону убывающего давления.

Скорость ветра всегда пропорциональна градиенту: чем больше избыток воздуха на одном участке в сравнении с другим, тем сильнее его отток. На картах величина градиента выражается расстояниями между изобарами: чем ближе одна к другой, тем градиент больше и ветер сильнее.

Кроме барического градиента на ветер действуют вращение Земли, или сила Кориолиса, центробежная сила и трение.

Вращение Земли (сила Кориолиса) отклоняет ветер в северном полушарии вправо (в южном полушарии влево) от направления градиента. Теоретически рассчитанный ветер, на который действуют только силы градиента и Кориолиса, называется геострофическим. Он дует по касательной к изобарам.

Чем сильнее ветер, тем больше его отклонение под действием вращения Земли. Оно нарастает с увеличением широты. Над сушей угол между направлением градиента и ветром достигает 45-50 0 , а над морем – 70-80 0 ; средняя величина его равна 60 0 .

Центробежная сила действует на ветер в замкнутых барических системах – циклонах и антициклонах. Она направлена по радиусу кривизны траектории в сторону ее выпуклости.

Сила трения воздуха о земную поверхность всегда уменьшает скорость ветра. Скорость ветра обратно пропорциональна величине трения. При одном и том же барическом градиенте над морем, степными и пустынными равнинами ветер сильнее, чем над пересеченной холмистой и лесной местностью, а тем более горной. Трение сказывается в нижнем, примерно 1000 – метровом, слое, называемом слоем трения. Выше ветры геострофические.

Направление ветра определяется стороной горизонта, откуда он дует. Для обозначения его обычно принимается 16-лучевая роза ветров: С, CCЗ, CЗ, ЗСЗ, З, ЗЮЗ, ЮЗ, ЮЮЗ, Ю, ЮЮВ, ЮВ, ВЮВ, В, ВСВ, СВ, ССВ.

Иногда вычисляется угол (румб) между направлением ветра и меридианом, причем север (С) считается за 0 0 или 360 0 , восток (В) – за 90 0 , юг (Ю) – 180 0 , запад (З) – 270 0 .

8.25 Причины и значение неоднородности барического поля Земли

Для географической оболочки важны не сами по себе барические максимумы и минимумы, а направление тех вертикальных токов воздуха, которые их создают.

Размер атмосферного давления показывает направление вертикальных движений воздуха – восходящих или нисходящих, а они или создают условия для конденсации влаги и выпадения осадков, или исключают эти процессы. Между влажностью воздуха и его динамикой существуют два основных типа связи: циклональный с восходящими токами и антициклональный с нисходящими.

В восходящих токах воздух адиабатически охлаждается, относительная влажность его повышается, водяной пар конденсируется, образуются облака и выпадают осадки. Следовательно, барическим минимумам свойственны дождливая погода и влажный климат. Конденсация идет постепенно и на всех высотах. При этом выделяется скрытая теплота парообразования, которая вызывает дальнейший подъем воздуха, его охлаждение и конденсацию новых порций влаги, что влечет за собой выделение новых порций скрытой теплоты. Одновременно идут четыре взаимно связанных процесса: 1) подъем воздуха, 2) охлаждение воздуха, 3) конденсация пара и 4) выделение скрытой теплоты парообразования. Первопричиной всех этих процессов является солнечное тепло, затраченное на испарение воды.

В нисходящих воздушных массах происходит адиабатическое нагревание и понижение влажности воздуха; облака и осадки образовываться не могут. Следовательно, барическим максимумам, или антициклонам, свойственна безоблачная, ясная и сухая погода и сухой климат. С поверхности океанов в областях высокого давления происходит значительное испарение, интенсивность которого благоприятствует безоблачное небо. Влага отсюда уносится в другие места, поскольку опустившийся воздух неизбежно должен перемещаться в стороны. Из тропических максимумов он в виде пассата идет к экватору.

Процессы усвоения атмосферой солнечного тепла, динамикой воздушных масс и влагооборота взаимно связаны и обусловлены.

Циркуляция атмосферы и неоднородность барического поля вызывается двумя неравнозначными причинами. Первая, и основная, состоит в неоднородности термического поля Земли, в тепловом различии экваториальных и полярных широт. Действительно, на экваторе находится нагреватель, а на полюсах – холодильники. Они создают тепловую машину первого порядка.

По термической причине на не вращающейся планете установилась бы довольно простая циркуляция воздуха. На экваторе нагретый воздух поднимается, восходящие токи у земной поверхности формируют пояс низкого давления, называемый экваториальным барическим минимумом. В верхней тропосфере изобарические поверхности поднимаются и воздух оттекает в стороны полюсов.

В полярных широтах холодный воздух опускается, у земной поверхности образуются области повышенного давления и воздух возвращается к экватору.

Термическая разница между широтами вызывает перенос воздушных масс вдоль меридианов или, как принято говорить в климатологии, меридиональную слагающую атмосферной циркуляции.

Таким образом, сущность тепловой машины, вызывающей циркуляцию атмосферы, заключается в том, что часть энергии солнечной радиации превращается в энергию атмосферных движений. Она пропорциональна разнице температур между экватором и полюсами.

Вторая причина циркуляции атмосферы – динамическая; она заключается во вращении планеты. Циркуляция воздуха непосредственно между экваториальными и полярными широтами невозможна, поскольку вся сфера, в которой движется воздух, вращается. Горизонтальные потоки воздуха и в верхней тропосфере, и у земной поверхности под действием вращения Земли непременно отклоняются вправо в северном полушарии и влево в южном полушарии. Так возникает зональная слагающая циркуляции атмосферы, направленная с Запада на Восток и формирующая западно-восточный (западный) перенос воздушных масс. На вращающейся планете западно-восточный перенос выступает в качестве основного типа циркуляции атмосферы.

Сезонные возмущения термического поля Земли, обусловленные различиями в нагревании океанов и материков, вызывают колебания над ними атмосферного давления. Зимой над Евразией и Северной Америкой холоднее, чем над океанами в этих же широтах. Изобарические поверхности над экваториями океанов выше, чем над сушей. Воздух наверху перетекает с океанов на материки. Общая масса воздушного столба над континентами увеличивается. Здесь образуются обширные зимние барические максимумы – Сибирский максимум с давлением до 1 040 мб и несколько меньший Североамериканский максимум с давлением до 1 022 мб. Над океанами масса воздушного столба уменьшается, образуются депрессии. Так создается тепловая машина второго порядка.

Летом тепловые контрасты между сушей и морем уменьшаются, минимумы и максимумы как бы рассасываются, давление выравнивается или меняется на противоположное зимнему. В Сибири, например, оно падает до 1 006 мб.

Сезонные колебания атмосферного давления над сушей и морем создают так называемый муссонный фактор.

На южных материках в январскую (летнюю для них) часть года образуются барические минимумы, оконтуренные замкнутыми изобарами.

Поочередное полугодовое нагревание северного и южного полушарий вызывает смещение всего барического поля Земли в сторону летнего полушария – в январскую часть года северного, а в июльскую – южного.

Экваториальный минимум в январскую часть года лежит южнее экватора, в июльскую он смещен к северу, достигая в Южной Азии северного тропика. Над Ираном и пустыней Тар создается Ирано-Тарский (Южноазиатский) минимум. Давление в нем падает до 994 мб.

Рассмотрим в атмосфере прямоугольный параллелепипед с ребрами dx, dy, dz (рис. 5.12). Нас интересует изменение давления в горизонтальном направлении, т.е. вдоль оси х .

Пусть изобара с давлением р направлена параллельно оси y , вдоль ребра . Параллельно ей вдоль ребра СВ проходит изобара с давлением (p + dp ). Напомним, что атмосферное давление характеризуется силой, действующей на единицу площади поверхности, нормально последней. В дальнейшем пренебрегаем временными изменениями давления, т.е. рассматриваем его изменение только в пространстве.

Рис/ 5.12. К расчету силы горизонтального градиента давления

Итак, слева на грань AA"D"D атмосферное давление равно р. На противоположную грань ВВ"C"C давление равно . Так как сила, действующая на всю грань, равна произведению атмосферного давления на ее площадь, запишем выражение для силы:

· слева рdydz ,

· справа .

В результате на объем dxdydz действует сила (dF x ), равная

Согласно второму закону Ньютона, сила dF x и масса рассматриваемого объема

dm = рdxdydz (5.2)

связаны между собой (отношение силы к массе равно ускорению а ):

откуда, с учетом (5.1) и (5.2)

Мы получили выражение для ускорения а , которое создает сила барического градиента. Величина его, согласно (5.3), равна силе барического градиента, приходящейся на единицу массы элементарного объема воздуха. Знак минус в формуле (5.1) и (5.4) указывает, что сила и ускорение барического градиента направлены в сторону убывания давления. Причем сила и ускорение барического градиента действуют в направлении наиболее быстрого убывания давления. Таким направлением является направление нормали к изобаре в рассматриваемой точке приложения силы.

В (5.4) выражение равно численной величине барического градиента. Горизонтальный барический градиент можно графически представить стрелкой, направленной по нормали к изобаре в сторону убывания давления. Длина стрелки должна быть пропорциональна числовой величине градиента (рис. 5.13). Иначе говоря, величина горизонтального барического градиента обратно пропорциональна расстоянию между изобарами.

Очевидно, что там, где изобары сгущены, барический градиент, т.е. изменение давления на единицу расстояния по нормали к изобаре, – больше. Там, где изобары раздвинуты, барический градиент меньше.

Рис. 5.13. Стрелки обозначают горизонтальный барический градиент в трех точках барического поля

Изобарические поверхности наклонены всегда в направлении градиента, т.е. в направлении, куда давление убывает (рис. 5.13).

Вертикальный барический градиент (см. гл. 1) в десятки тысяч раз больше горизонтального. Далее речь пойдет только о горизонтальном барическом градиенте. Для определения среднего барического градиента для участка барического поля измеряют давление вдоль нормали к изобарам в двух точках, расположенных на расстоянии, соответствующем одному градусу меридиана (111 км). Барический градиент численно равен разнице давлений и имеет размерность мб/111 км (или гПа/111 км). В атмосфере у земной поверхности порядок величины горизонтальных барических градиентов составляет несколько миллибар (чаще 1–3) на каждый градус меридиана (111 км).

Рис. 5.14. Вертикальный разрез изобарических поверхностей. Стрелка – направление горизонтального барического градиента; двойная линия – поверхность уровня

Например, пусть на синоптической карте масштаба 1: 10 000 000 расстояние между соседними изобарами составляет 2 см. Шаг изолиний 5 мб. Для указанного масштаба 2 см на карте соответствуют 200 км в натуре. Следовательно, разница давлений на 100 км составит 5/2= 2.5 мб/100 км. Для расстояния 111 км эта разница = 2.75 мб/111 км.

Если бы в атмосфере действовала только сила горизонтального барического градиента, то воздух двигался бы равноускоренно, с ускорением, которое можно рассчитать по формуле (5.4). Ускорение при реальных градиентах давления составляет небольшую величину, порядка 0–0.3 см/с 2 . Тем не менее с ростом продолжительности действия силы барического градиента, скорости ветра бы неограниченно возрастали. В действительности скорости ветра редко превышают 10 и более м/с. Следовательно, действуют также другие силы, уравновешивающие силу барического градиента (об этом – в следующей главе).

Изменение барического градиента с высотой связаны с неравномерным распределением температуры. Следуя С.П. Хромову , представим себе, что у земной поверхности барический градиент равен нулю т.е. давление во всех точках одинаково (рис. 5.15). При этом температура в одной части рассматриваемой области выше, в другой ниже. Г оризонтальный температурный (термический) градиент по определению T,всегда направлен по нормали к изотерме (линии равных температур) в ту сторону, куда температура возрастает.

Вспомним, что давление падает с высотой тем быстрее, чем ниже температура воздуха. Отсюда следует, что изобарические поверхности при неравномерном распределении температуры не могут быть горизонтальными. Если даже приземная изобарическая поверхность горизонтальна, то каждая вышележащая изобарическая поверхность будет приподнята над нижележащей поверхностью в холодном воздухе меньше, в теплом воздухе больше. Это означает, что вышележащие поверхности будут наклонены от теплого воздуха к холодному (рис. 5.15). Таким образом, хотя у земной поверхности горизонтальный барический градиент нулевой, в вышележащих слоях такой градиент имеется.

z

Xолод Tепло

Рис. 5.15. Связь между горизонтальными градиентами температуры и давления

Более того, каков бы ни был горизонтальный барический градиент у земной поверхности, с высотой он будет по своему направлению приближаться к горизонтальному температурному градиенту. На достаточно большой высоте горизонтальный барический градиент будет близко совпадать по направлению со средним горизонтальным градиентом температуры в слое воздуха от нижнего уровня до верхнего. Из рис. 5.15 следует, что в теплых областях атмосферы давление на заданной высоте будет повышенным, а в холодных областях пониженным.

Атмосферное давление изменяется как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях, и каждой точке атмосферы соответствует определенноедавление. Это значит, что давление образует поле, которое называют барическим полем . Такое поле наглядно представляют в трехмерном пространстве системой поверхностей равных значений давления - изобарическими поверхностями, а на плоскости - линиями равных значений давления - изобарами. Замкнутыми изобарами изображаются циклоныи антициклоны . Циклоны - это области с пониженным давлением в центре, антициклоны - области с повышенным давлением в центре (рис.6.13)

Рис. 6.13. Изобарические поверхности в циклоне (H) и в антициклоне (В) в вертикальном разрезе.

Кроме того, выделяют также незамкнутые барические системы – ложбины, седловины и гребни . Ложбинами называют полосы пониженного давления между двумя областями повышенного, гребнями наоборот, полосы относительно повышенного давления между областями пониженного. Между двумя ложбинами или гребнями выделяют седловину (рис.6.14)

Рис. 6.14. Изобары на уровне моря в различных типах барических систем.

I -циклон, II - антициклон, III - ложбина, IV- гребень, V - седловина.

Изменение атмосферного давления в горизонтальном направлении выражается с помощью горизонтального барического градиента. Горизонтальным градиентомназывают вектор, который направлен по нормали к изобаре, в сторону низкого давления и по величине равный производной давления по нормали. Горизонтальный барический градиент представляет собой изменение давления на единицу расстояния в горизонтальной плоскости (рис. 6.15).

Давление с высотой меняется значительно быстрее, чем в горизонтальном направлении, поэтому вертикальный барический градиент в десятки тысяч раз больше горизонтального. В действительных условиях атмосферы горизонтальные барические градиенты имеют порядок величин в 1-3 гПа на каждый градус меридиана. Как и вертикальный барический градиент, горизонтальный градиент зависит от температуры. Рис. 6.15. Изобары и горизон­тальный барический градиент. Стрелками обозначен горизонтальный барический градиент в трех точках барического поля.

Температура в атмосфере на одной и той же высоте в разных районах разная, следовательно, существует горизонтальный температурный (термический) градиент, определяющий изменение температуры воздуха на единицу длины по нормали к изотерме. Наличие горизонтального термического градиента определяет возникновение горизонтального барического градиента на некоторой высоте, даже если у земной поверхности мы исходно имели одинаковое давление и горизонтальный барический градиент, равный нулю. Рассмотрим, как это происходит. Мы имеем некоторую область у земной поверхности с одинаковым давлением, но с разной температурой, в одной части области мы имеем холодную воздушную массу, в другой теплую. В холодном воздухе барическая ступень меньше, чем в теплом, то есть давление с высотой будет падать быстрее в холодной воздушной массе , и на некоторой высоте появится разница в давлении между двумя воздушными массами. Она будет тем больше, чем выше мы будем подниматься, то есть горизонтальный барический градиент будет расти с высотой и приближаться к горизонтальному термическому. Это означает, что в теплых воздушных массах давление на высоте будет повышенным, а в холодных - пониженным (при условии равенства давлений у поверхности) . Из этого положения следует важный вывод: если циклон (область пониженного давления) существует в холодном воздухе с самой низкой температурой в центральной части, то барические градиенты с высотой мало меняют свое направление и низкое давление прослеживается до больших высот, то есть холодный циклон является высоким (рис.6.16).

Рис. 6.16. Высокий (холодный) и низкий (теплый) циклон. Изобарические поверхности в вертикальном разрезе.

Напротив, циклон в теплой воздушной массе с максимальной температурой в центре быстро исчезает с высотой, то есть является низким . В вышележащих слоях над ним будет располагаться антициклон.

Для антициклонов соотношение обратное, холодные антициклоны являются низкими, а теплые высокими (рис.6.17).

Рис. 6.17. Низкий (холодный) и высокий (теплый) антициклон. Изобарические поверхности в вертикальном разрезе.