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.
V0 — ветер 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: 3003; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!