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.

Рис 76 Градиентный ветер в циклоне.

G — сила барического градиента, А — откло­няющая сила вращения Земли, С — центро­бежная сила, V—скорость ветра.

Рис. 77. Градиентный ветер в антициклоне. Обозначения те же, что и на рис. 76.

 

б) В центре бариче­ской системы давление самое высокое, к перифе­рии оно убывает. Следо­вательно, барические гра­диенты направлены от центра к периферии (рис. 77). Это случай области высокого давления, анти­циклона. Центробежная сила и в антициклоне на­правлена наружу, в сто­рону выпуклости изобар, стало быть, одинаково с силой градиента. Отсюда следует, что отклоняющая сила вращения Земли должна быть направлена внутрь антициклона, чтобы уравновешивать две оди­наково направленные силы — градиента и центробежную. А если отклоняющая сила направлена к центру, то скорость, отклоняю­щаяся от нее на прямой угол влево (в северном полушарии), должна быть направлена так, чтобы ветер дул по круговым изобарам антициклона по часовой стрелке.

Запомним это очень важное различие между циклоном и антициклоном.

В обоих случаях, как и в случае геострофического ветра, скорость градиентного ветра отклоняется от барического гра­диента вправо. Но это только в северном полушарии. В южном полушарии, где отклоняющая сила вращения Земли направлена влево от скорости, градиентный ветер будет отклоняться от градиента влево. Поэтому для южного полушария движение воздуха по изобарам в циклоне получается по часовой стрелке, а в антициклоне — против часовой стрелки. В дальнейшем мы будем рассматривать только условия северного полушария.

Скорость Vgr градиентного ветра определяется из квадрат­ного уравнения

смысл которого в том, что все три силы (градиента, отклоняю­щая и центробежная) уравновешиваются. Знак плюс соответ­ствует градиентному ветру в циклоне, а знак минус — в анти­циклоне.

Отсюда легко заключить, что 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. Это видно и из рис. 76 и 77. 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.

Действительный ветер в циклонах и антициклонах в свобод­ной атмосфере близок к градиентному ветру еще более, чем к геострофическому. Но в слоях, близких к земной поверхности, действительный ветер вследствие трения сильно отличается и от того, и от другого.

 

Термический ветер

 

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

Но если с высотой меняется направление изобар, то вместе с ним должно меняться направление ветра. Равным образом и скорость ветра будет меняться с высотой в зависимости от из­менения величины барического градиента.

Нам уже известно, что бариче­ский градиент получает с высотой дополнительную составляю­щую, направленную по температурному градиенту и пропорцио­нальную ему, а также и приросту высоты. Следовательно, и градиентный ветер получает с высотой дополнительную состав­ляющую скорости, направленную по изотерме (имеется в виду средняя изотерма всего рассматриваемого слоя атмосферы). Эту дополнительную составляю­щую ΔV называют термиче­ским ветром. Ее нужно приба­вить к градиентному ветру на нижнем уровне V0, чтобы полу­чить градиентный ветер на верхнем уровне V (рис. 78).

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.

Рис. 78. Термический ветер.

V0ветер на нижнем уровне,  ΔV — тер­мический ветер, V — ветер на верхнем уровне, T = const — изотерма.

 

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. Если же градиенты барический и температурный образуют между собой угол, меньший 180°, то термический ветер будет направлен вправо или влево относительно ветра на нижнем уровне, смотря по тому, в какую сторону барический градиент отклоняется от температурного. Поэтому с высотой ветер, приближаясь к изо­терме, вращается либо вправо, либо влево.

В восточной (передней) части циклона, где барический гра­диент направлен приблизительно к западу, а температурный — к северу, ветер, приближаясь к изотерме, с высотой вращается вправо; в тыловой (западной) части циклона — влево. В анти­циклоне будет наоборот.

Теория термического ветра относится, строго говоря, к гра­диентному ветру. Но установленные закономерности вполне оп­равдываются и для действительных условий в атмосфере.

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.

При неустойчивой стратификации атмосферы в дополнение к динамической турбулентности развивается термическая турбу­лентность — конвекция, особенно сильно перемешивающая воз­дух по вертикали. В результате при не­устойчивой стратификации (что над сушей особенно часто бы­вает летом) замедляющее влияние трения распространяется на более мощный слой воздуха и уровень трения располагается выше,чем при устойчивой стратификации (особенно частой зи­мою). Но зато у земной поверхности влияние трения на скорость и направление ветра при неустойчивой стратификации будет меньше, чем при устойчивой.

 


Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 523; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ