Связь ветра с изменениями давления



 

Как ни малы отклонения действительного ветра в свободной атмосфере от градиентного, именно они имеют решающее зна­чение для изменений атмосферного давления.

Атмосферное давление на каждом уровне, как мы знаем, равно весу вышележащего столба воздуха, т. е. пропорцио­нально массе воздуха в этом столбе. Убыль массы воздуха в ат­мосферном столбе над тем или иным пунктом приводит к паде­нию давления, увеличение массы воздуха — к росту 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.

Но на земной поверхности давление не может изменяться вследствие вертикальных движений. Для этого нужны горизон­тальные перемещения воздуха. Они являются основной причи­ной изменений давления на любом уровне, а на земной поверх­ности — единственной причиной.

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. Распределение массы воздуха при указан­ных условиях не менялось бы, а следовательно, не менялось бы и распределение давления. Но при движении из одних широт в другие даже и при градиентном ветре были бы небольшие из­менения давления. 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. Эти изменения в барическом поле происходят в первую очередь за счет таких отклонений действительного ветра от градиентного в свободной атмосфере, при которых имеются составляющие ветра, направ­ленные против градиента.

 

Фронты в атмосфере

 

В атмосфере постоянно создаются такие условия, когда две воздушные массы с разными свойствами располагаются одна подле другой и при этом разделены узкой переходной зоной — фронтом. В зоне фронта, при переходе от одной воздушной массы к другой, температура, ветра и влажность воздуха более или менее резко меняются.

В главе второй говорилось о главных фронтах в атмосфере, разделяющих воздушные массы основных географических типов. Рассмотрим теперь основные свойства фронтов.

Зона фронта всегда имеет какую-то ширину в горизонтальном направлении и какую-то толщину по вертикали. Однако и ши­рина, и толщина фронта очень невелики в сравнении с разме­рами разделяемых им воздушных масс. Поэтому, идеализируя действительные условия, можно представлять фронт как поверх­ность раздела между воздушными массами. В пересечении с зем­ной поверхностью фронтальная поверхность, очевидно, образует линию фронта, которую также кратко называют фронтом. При такой идеализации можно рассматривать фронт также и как поверхность разрыва, понимая под этим, что температура и неко­торые другие метеорологические элементы резко меняются в зоне фронта.

Очень важно то обстоятельство, что фронтальные поверх­ности проходят в атмосфере наклонно (рис. 82). Если бы обе воздушные массы были неподвижными, поверхность фронта ме­жду ними проходила бы горизонтально, параллельно горизон­тальным же изобарическим поверхностям; теплый воздух лежал бы при этом над холодным. Но, поскольку воздушные массы движутся, поверхность фронта может существовать и сохра­няться только при условии, что она наклонена к поверхности уровня и, стало быть, к уровню моря. При этом угол наклона за­висит от скоростей, ускорений и температур воздушных масс, а также от географической широты и от ускорения силы тяжести. Теория и опыт показывают, что углы наклона фронтальных поверхностей к земной поверхности очень малы, порядка угло­вых минут. Тангенс угла наклона называют просто наклоном фронта. Он имеет порядок величины от 0,01 до 0,001. Таким об­разом, фронты проходят в атмосфере очень полого. При удале­нии от линии фронта на несколько сотен километров фронталь­ная поверхность окажется всего на высоте нескольких километров. Но все же очень важно, что воздушные массы, разде­ляемые такой поверхностью, располагаются не только одна рядом с другой, но и одна над другой. При этом холодный воздух лежит под теплым воз­духом в виде узкого клина.

На чертежах угол наклона фронтальной поверхности по необходимости приходится пре­увеличивать.

Рис. 82. Поверхность фронта в вер­тикальном разрезе.

 

С обеих сторон от поверхности фронта давление одинаково. Но при переходе из одной воздушной массы в другую, с другими температурами и скоростями, изобарические поверхности меняют свое направление, «ломаются». Это значит, что на поверхности фронта испытывают разрыв барические градиенты. Если иметь в виду основное уравнение статики, из которого следует, что барическая ступень в теплом воздухе больше, чем в холодном (и, стало быть, больше вертикальные расстояния между изоба­рическими поверхностями), то при геострофическом ветре в обеих воздушных массах возможны три основных типа распределения давления и ветра около поверхности фронта (рис. 83 и 84).

Из рис. 83 видно, что, пересекая поверхности фронта, изо­барические поверхности прогибаются, принимая вид желобов, открытых вверх. Это распределение давления представляет собой ложбину в барическом поле — явную (случай /) или замаскиро­ванную (случаи // и ///). Легко убедиться, что при этом ско­рости воздушных течений по обе стороны от линии фронта рас­пределяются следующим образом (рис. 84). Если холодный воздух находится на севере, а теплый на юге и, следовательно, поверхность фронта наклонена к северу, то трем случаям распре­деления давления соответствуют три таких случая распределения ветра: 1) западное течение в теплом воздухе и восточное в хо­лодном; 2) оба западных течения, причем в теплом воздухе более сильное; 3) оба восточных течения, причем в холодном воздухе более сильное.

Рис. 83. Типы распределения давления вблизи фронтальной поверхности в вертикальном разрезе.

Тонкие линии — изобарические поверхности, жирная линия — фронталь ная поверхность.

 

Фронты в атмосфере не существуют постоянно. Они воз­никают заново, обостряются, размываются, исчезают. Но условия для их образования всегда существуют в тех или иных частях атмосферы, и потому фронты являются не редкой случайностью, а по­стоянной, повседневной осо­бенностью атмосферы.

Обычный механизм об­разования фронтов (фронтогенеза) в атмосфере — это кинематический механизм: фронты возникают под влия­нием таких полей движения воздуха, которые сближают между собой воздушные час­тицы с различной темпера­турой (и другими свойства­ми). В определенной зоне горизонтальные градиенты температуры растут, что и означает образование резкого фронта, вместо постепенного перехода между воздушными массами. Аналогично уже суще­ствующие фронты могут размываться, т. е. превращаться в ши­рокие переходные зоны и сглаживаться.

Рис. 84. Типы распределения ветра по обе стороны фронта в горизонтальной плос­кости, соответствующие трем типам распределения давления рис. 83

 

Фронты могут в некоторых случаях возникать и под непо­средственным тепловым влиянием подстилающей поверхности, например вдоль кромки льдов или на границе снежного покрова. Но этот механизм образования фронтов имеет малое значение в сравнении с кинематическим фронтогенезом.

 

Типы фронтов

 

В действительных условиях фронты, как правило, не па­раллельны воздушным течениям. Ветер по обе стороны фронта имеет составляющие, нормальные к фронту; поэтому сами фронты не остаются в неизменном положении, а перемещаются.

Фронт может перемещаться либо в сторону более холодного воздуха, либо в сторону более теплого воздуха.

Если линия фронта перемещается по земной поверхности в сторону более холодного воздуха, это значит, что клин холод­ного воздуха отступает и освобождаемое им место занимает теплый воздух. Такой фронт называют теплым фронтом (рис. 85 а). Прохождение теплого фронта через место наблюде­ния приводит к смене холодной воздушной массы теплой воз­душной массой, следовательно, к повышению температуры и к определенным изменениям других метеорологических элементов. Если линия фронта перемещается в сторону теплого воздуха, это значит, что клин холодного воздуха продвигается вперед и теплый воздух перед ним отступает либо вытесняется вверх на­ступающим холодным клином.

Рис 85. Теплый (вверху) и холодный (внизу) фронт в верти­кальном разрезе.

 

Такой фронт называют холодным фронтом (рис. 85 б). Его прохождение создает смену теплой воздушной массы на холодную и, в связи с этим, понижение тем­пературы и резкие изменения других метеорологических элемен­тов (рис. 86).

В зонах фронтов (или, как обычно говорят, на фронталь­ных поверхностях) возникают вертикальные составляющие ско­рости движения воздуха. Наиболее важен тот особенно частый случай, когда теплый воздух находится в состоянии восходящего скольжения, т. е. когда одновременно с горизонтальным движе­нием он еще перемещается вверх над клином холодного воздуха. Именно с этим связано развитие над фронтальной поверхностью облачной системы, из которой выпадают осадки.

В случае теплого фронта восходящее скольжение охватывает мощные слои теплого воздуха над всей фронтальной поверхно­стью и возникает обширная система высоко-слоистых — слоисто-дождевых облаков с обложными осадками. В случае холодного фронта восходящее движение теп­лого воздуха ограничено более узкой зоной и особенно сильно перед холодным клином, где теп­лый воздух вытесняется холод­ным. Облака здесь будут в зна­чительной мере иметь характер кучево-дождевых с ливневыми осадками и грозами.

Рис. 86. Изменение метеороло­гических элементов в одном случае прохождения холодного фронта в Москве.

 

В атмосфере при эволюции циклонов возникают и более сложные комплексные фронты, представляющие собой объедине­ние двух или нескольких фрон­тальных поверхностей. Это — фронты окклюзии. Они также связаны с облачными системами.

Очень существенно, что все фронты связаны с ложбинами в барическом поле. В случае ста­ционарного фронта изобары в та­кой ложбине параллельны са­мому фронту. Но в случаях теп­лого и холодного фронтов изо­бары имеют форму латинской буквы V, пересекаясь с фронтом, лежащим на оси ложбины.

В связи с этим при прохождении фронта ветер в данном ме­сте будет менять свое направление по часовой стрелке;напри­мер, перед фронтом он является юго-восточным, а за фронтом перейдет на южный, юго-западный или западный.

Фронт и струйное течение

 

В предшествующем изложении фронт схематически рассма­тривался как геометрическая поверхность разрыва. В действи­тельности фронт есть переходная зона между теплой и холодной воздушными массами. Температура на фронте не испытывает разрыва, а быстро меняется внутри зоны фронта. Это значит, что фронт характеризуется увеличенными горизонтальными гра­диентами температуры. Только внутри тропиков разности тем­ператур на фронте малы и главным признаком фронта стано­вится сходимость линий тока.

Мы уже знаем, что если есть горизонтальный градиент тем­пературы, достаточно совпадающий с горизонтальным бариче­ским градиентом, последний с высотой растет, а с ним растет и скорость ветра.

Рис. 87. Вертикальный разрез через струйное течение над Европой в одном конкретном случае.

Кривые — изолинии западной составляющей скорости ветра в м/сек; жирные линии — тропопауза в холодном и теплом воздухе; заштрихована зона фронта. Скорость западного переноса на оси струйного течения превышает 100 м/сек

 

Отсюда следует, что во фронтальной зоне между холодным и теплым воздухом, где горизонтальный гра­диент температуры особенно велик, барический градиент осо­бенно сильно растет с высотой, а с ним и скорость ветра достигает очень больших величин.

В результате в случае резкого фронта над ним наблюдается в верхней тропосфере и в нижней стратосфере в общем парал­лельное фронту сильное воздушное течение в несколько сотен километров шириной, со скоростями порядка 150—300 км/'час. Выше, в стратосфере, где горизонтальный температурный гра­диент меняется на обратный, барический градиент уменьшается с высотой и скорость ветра ослабевает. Максимальная скорость ветра наблюдается вблизи тропопаузы (рис. 87). Указанные сильные воздушные течения вблизи тропопаузы называют струйными течениями.В случае арктического фронта струйные течения обнаруживаются на более низких уровнях. При определенных условиях струйные течения наблюдаются и в стра­тосфере.

Главные фронты тропосферы — полярные, арктические — про­ходят в основном по широте, причем холодный воздух распола­гается в более высоких широтах. Поэтому связанные с ними струйные течения чаще всего направлены с запада на восток. Но при резком отклонении главного фронта от широтного на­правления такое же отклонение имеет и струйное течение.

Струйное течение, встречное по отношению к самолету, будет уменьшать скорость полета; попутное струйное течение будет, напротив, ее увеличивать, иногда существенно. Кроме того, в зоне струйного течения может развиваться сильная турбулентность. Поэтому учет струйных течений важен для обеспечения воздуш­ного транспорта.


Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 201; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ