Горизонтальный барический градиент



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.

 


Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 406; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ