Барическое поле и ветер

Министерство образования и науки

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Институт фундаментального образования

Кафедра Защиты в чрезвычайных ситуациях

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Климатология и метеорология»

на тему

 «Барическое поле и  ветер»

ОГЛАВЛЕНИЕ

ГЛАВА 1. БАРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ,БАРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ДАВЛЕНИЕ.

1. Барическое поле

          Известно, что пространство, в каждой точке которого существует значение какой – либо величины, называют полем этой величины. В каждой точке атмосферы имеется определенное давление. Это значит, что давление образует поле, которое называют барическим полем, или полем давления. Давление в каждой точке атмосферы характеризуется одним числовым значением, выраженным в гектопаскалях, т.е. оно является скаляром. Следовательно, барическое поле – скалярное поле. Как всякое скалярное поле, его можно наглядно представить в трехмерном пространстве семейством поверхностей ровных значений данного скаляра, а не плоскости – линиями равных значений. В барическом поле это 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 гПа проходит вблизи уровня моря. Поверхность 700 гПа располагается на высоте порядка 3000 м, поверхность 500 гПа – на высоте 5000 м, а поверхности 300 и 200 гПа на высоте 9 и 12 км соответственно. Поверхность 100 гПа находится на высоте 16 км. Пространственное распределение атмосферного давления непрерывно изменяется во времени.

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.

1.2 Карты барической  топографии

По результатам измерения барического и термического полей строятся карты барической топографии. На карту абсолютной барической топографии наносят высоты определенной барической поверхности на конкретную дату, например, высота поверхности 500 гПа на 6 час 22 марта 2000г. Точки с равными высотами соединяются линиями равных высот, называемых изогипсами. По изогипсам можно судить о распределении давления в тех слоях атмосферы, в которых располагается данная изобарическая поверхность. В атмосфере постоянно существуют области повышенного и пониженного давления, положение которых все время изменяется. В областях пониженного давления, циклонах и депрессиях, давление на каждом уровне имеет самое низкое значение в центре области и возрастает к периферии. Кроме того, давление всегда понижается с высотой, поэтому изобарические поверхности в циклоне всегда прогнуты, понижаясь от периферии к центру. На карте абсолютной барической топографии циклоны изображаются изогипсами со значениями высоты, уменьшающимися к центру. В антициклонах изобарические поверхности имеют форму куполов и на карте значения изогипс возрастают к центру (рис. 1.2.1).

Рис. 1.2.1.  Изобарические поверхности в циклоне (H) и в антициклоне (В) в вертикальном разрезе.

Относительная высота одной изобарической поверхности над другой зависит от средней температуры воздуха между этими поверхностями. Величина барической ступени зависит от температуры воздуха, однако, по определению, она представляет собой расстояние между двумя уровнями, отстоящими на единицу, т.е. относительную высоту одной изобарической поверхности над другой. В службе погоды карты абсолютной топографии составляются для изобарических поверхностей 1000, 850, 700, 500, 300, 200, 100, 50 и 25 гПа. Эти карты составляются по осредненным данным за промежуток времени от нескольких дней до месяца. Для использования в климатологии карты составляются по средним многолетним данным. 

Рис. 1.2.2. 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. 1.2.3). 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. 1.2.3. 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 воздуха между взятыми двумя изобарическими поверхностями.

Рис. 1.2.4. 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. 1.2.4).

На карты барической топографии наносятся не высоты изобарической поверхности, а их геопотенциалы. Абсолютным геопотенциалом называется потенциальная энергия единицы массы в поле силы тяжести Земли. Геопотенциал в каждой точке есть работа, которую необходимо затратить, 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. Геопотенциал выражается в геопотенциальных метрах, он близок к высоте в метрах и в точности совпадает с ней на широте 450. Геопотенциал называется геопотенциальной или динамической высотой. 

1.3. Изобары

На уровне моря барическое поле изображается при помощи линий равного давления – изобар. Чтобы построить карту изобар, на географическую карту наносят в пунктах расположения метеорологических станций, приведенные к уровню моря значения атмосферного давления, измеренные на этих станциях в один и тот же момент времени. Затем точки с одинаковым давлением соединяют изобарами. Каждая изобара – след пересечения соответствующей изобарической поверхности с уровнем моря (рис. 1.3.1). Обычно изобары проводятся через 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. 1.3.1. 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 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.

1.4. Горизонтальный  барический градиент

Барический градиент —  вектор, который характеризует степень изменения атмосферного давления в пространстве. По числовой величине барический градиент равен изменению давления (в миллибарах) на единицу расстояния в том направлении, в котором давление убывает наиболее быстро, то есть по нормали к изобарической поверхности в сторону уменьшения давления. Степень интенсивности изменения атмосферного давления по каждому направлению определяется горизонтальным барическим градиентом. Направление градиента берется в сторону уменьшения давления по нормали к изобаре. Вектор горизонтального барического обозначается Ñр, а его модуль равен -dp/dn, где n – расстояние по нормали между изобарами.  
Модуль горизонтального барического градиента обратно пропорционален расстоянию между изобарами. Если в атмосфере имеет место горизонтальный барический градиент, то изобарические поверхности имеют наклон, и пересекаются с поверхностью уровня. Изобарические поверхности всегда наклонены в сторону направления градиента. Горизонтальный барический градиент является составляющей полного барического градиента, который в каждой точке направлен по нормали к изобарической поверхности. 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. 1.4.1).

Рис. 1.4.1. Изобары и горизонтальный барический градиент. Стрелками обозначен горизонтальный барический градиент в трех точках  барического  поля.

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. 1.4.2).

Рис. 1.4.2. Изобарические поверхности в вертикальном разрезе и направление горизонтального барического градиента. Двойная   линия — поверхность   уровня.

На практике для определения среднего горизонтального барического градиента на синоптической карте измеряют расстояние между соседними изобарами по нормали и делят на него разность давлений (обычно 5 гПа). За единицу расстояний при этом берут либо градус меридиана (111 км), либо расстояние в 100 км. Реально у земной поверхности горизонтальный барический градиент составляет 1 – 3 гПа на градус меридиана. В холодном воздухе барическая ступень меньше, чем в теплом, поэтому атмосферное давление с высотой падает тем быстрее, чем ниже температура воздуха. В этом случае, если даже нижняя барическая поверхность горизонтальна, то все лежащие выше поверхности будут иметь наклон в сторону более холодного воздуха, вследствие чего образуется горизонтальный барический градиент.

1.5. Барические системы

Барические системы - области пониженного и повышенного атмосферного давления, части барического поля атмосферы. Основные барические системы — циклоны (с пониженным давлением) и антициклоны (с повышенным давлением) — ограничены на приземных картах распределения давления (см. рис. 1.5.1.) замкнутыми изобарами — линиями, соединяющими места с одинаковым давлением. 

Рис. 1.5.1. Типы барических систем: сплошные линии — изобары; прерывистые линии — оси ложбин и гребней; Н — центры циклонов; В — центры антициклонов; стрелками показаны направления ветра у земной поверхности в Северном полушарии.

К барическим системам с незамкнутыми изобарами относятся ложбина и гребень. Ложбина - это полоса пониженного давления между двумя областями повышенного давления. Изобары в ложбине либо близки к параллельным прямым, либо имеют вид латинской буквы V. В первом случае изобарические поверхности в ложбине напоминают желоба с ребром, обращенным вниз, во втором ложбина является вытянутой периферийной частью циклона. Центра в ложбине нет, но есть ось, т.е. линия, на которой давление имеет минимальное значение. Если изобары имеют вид буквы V, то изобарические поверхности имеют форму лотка. Следовательно, на оси ложбины изобары меняют свое направление, испытывая резкий изгиб. На каждой поверхности ось совпадает с ребром изобарического лотка. Барические градиенты в ложбине направлены от периферии к оси. Гребень представляет собой полосу повышенного давления между двумя областями пониженного давления. Изобары в гребне либо напоминают параллельные прямые, либо имеют вид обращенной латинской буквы V, если гребень является периферийной частью антициклона. Изобарические поверхности в гребне напоминают желоба или лотки, обращенные выпуклостью вверх. Гребень имеет ось, на которой давление максимальное. На оси изобары резко меняют направление. Барические градиенты в гребне направлены от оси к периферии. Различают еще седловину - участок барического поля между расположенными крест-накрест двумя циклонами (или ложбинами) и двумя антициклонами (или гребнями). В седловине изобарические поверхности имеют характерную форму седла: они поднимаются в направлении к антициклонам и опускаются в направлении к циклонам. Точка в центре седловины называется точкой седловины.

1.6. Изменения барического поля с высотой в циклонах и антициклонах

Поскольку барические градиенты с высотой приближаются к температурным градиентам, то и изобары с высотой приближаются по направлению к изотермам. Но изотермы в циклонах и антициклонах, вообще говоря, обнаруживают несимметричное распределение температуры. Именно, в восточной (обычно передней) части циклона, где ветры направлены из низких широт, температура выше; в западной (обычно тыловой) части, где ветры направлены из высоких широт, она ниже.

Рис. 1.6.1. Изобары в циклоне  (H) и антициклоне  (В)  на уровне моря (сплошные кривые) и в высоких слоях (прерывистые кривые).

В антициклонах будет наоборот. Следовательно, изотермы имеют волнообразную форму: в передней части циклона они продвинуты к высоким широтам, в тыловой части — к низким широтам; в антициклоне — наоборот. А стало быть, и изобары на высотах, принимая форму, близкую к форме изотерм, на некоторой высоте размыкаются и становятся такими же волнообразными (рис. 1.6.1). При этом над передней (восточной) частью приземного циклона в средней или верхней тропосфере располагается гребень повышенного давления, совпадающий с языком теплого воздуха, а над тыловой (западной) частью — ложбина пониженного давления, совпадающая с языком холодного воздуха. Над передней частью приземного антициклона располагается ложбина, связанная с низкими температурами, а над тыловой частью — гребень, связанный с высокими температурами.

В некоторых случаях температура в области циклона или антициклона распределяется достаточно равномерно, т. е. горизонтальные градиенты температуры малы. Тогда изобары остаются замкнутыми до больших высот. Но характер изменения барического поля с высотой при этом зависит от того, какая температура наблюдается в области данной барической системы: более высокая или более низкая, чем вне ее.

Рис. 1.6.2. Высокий  (холодный)   и низкий   (теплый)  циклон. Изобарические поверхности  в вертикальном  разрезе.

Рис. 1.6.3. Низкий (холодный) и высокий (теплый)  антициклон Изобарические поверхности в вертикальном разрезе.

Если циклон существует в холодном воздухе и температура самая низкая в его центральной части, то с высотой барические градиенты мало меняют направление и замкнутые изобары с низким давлением в центре обнаруживаются до больших высот тропосферы. Следовательно, холодный циклон является высоким (рис. 1.6.2 слева). Напротив, если циклон совпадает с теплой воздушной массой и температура в центре циклона наивысшая, такой циклон быстро исчезает с высотой, так как в нем дополнительный барический градиент, связанный с градиентом температуры, противоположен нижнему градиенту. Такой теплый циклон является низким. В вышележащих слоях над таким циклоном будет располагаться антициклон (рис. 1.6.2 справа). Обратно, холодные антициклоны являются низкими, а теплые — высокими (рис. 1.6.3).

1.7. Колебания давления

Атмосферное давление в каждой точке земной поверхности или в любой точке свободной атмосферы все время меняется, т. е. либо растет, либо падает. Эти изменения давления в основном непериодического характера. В умеренных и высоких широтах они значительно сильнее, чем в тропических (зато в тропических широтах ярче выражен суточный ход давления).

Рис. 1.7.1. Средний суточный ход атмосферного давления  в Индийском  океане.

Иногда за одни сутки давление в данном пункте меняется на 20—30 мб. Даже за 3 часа давление может измениться на 5 мб и больше. Запись хода давления на барограмме имеет вид волнообразной неправильной кривой: давление в течение некоторого времени (порядка часов или десятков часов) то медленно, то быстро падает, затем растет, затем снова падает и т. д. Поэтому изменения давления называют еще колебаниями давления.

При метеорологических наблюдениях отмечают величину изменения давления Dp за последние 3 часа перед сроком наблюдений. Эта величина называется барической тенденцией.

Изменения давления частично имеют периодический характер суточного хода. При этом суточное колебание давления двойное: максимальные значения наблюдаются дважды в сутки — перед полуднем и перед полуночью (около 9—10 и около 21—22 часов по местному времени), а минимальные - рано утром и после полудня (около 3—4 и около 15—16 часов); см. рис. 1.7.1.

Суточный ход давления хорошо выражен в тропиках, где его амплитуда, т. е. разность между наибольшим и наименьшим значением в течение суток, может достигать 3—4 мб. От тропиков к полюсам амплитуда суточных колебаний убывает; под 60-й параллелью она измеряется только десятыми долями миллибара, и суточные колебания здесь перекрываются и маскируются несравненно более значительными непериодическими колебаниями. Таким образом, суточный ход давления во внетропических широтах не имеет никакого значения и даже не может быть обнаружен непосредственным наблюдением; его можно установить только путем статистической обработки наблюдений.

Причинами суточного хода давления являются: суточный ход температуры воздуха; собственные упругие колебания атмосферы, возбуждаемые суточными колебаниями температуры; приливные волны в атмосфере, усиливаемые резонансом с ее собственными колебаниями.

ГЛАВА 2. ВЕТЕР, ТЕРМИЧЕСКИЙ ВЕТЕР

2.1. Скорость и  сила ветра

Перемещение воздуха над поверхностью Земли в горизонтальном направлении называется ветром. Ветер всегда дует из области высокого давления в область низкого.

Ветер характеризуется скоростью, силой и направлением.

Скорость ветра измеряется в метрах в секунду или в баллах (один балл приблизительно равен 2 м/с). Скорость зависит от барического градиента: чем больше барический градиент, тем выше скорость ветра.

От скорости зависит сила ветра (табл. 2.1). Чем больше разность атмосферного давления между соседними участками земной поверхности, тем сильнее ветер. На метеостанциях, скорость ветра измеряют анемометрами; если прибор самопишущий, то он называется анемографом. Анеморумбограф определяет не только скорость, но и направление ветра в режиме постоянной регистрации. Приборы для измерения скорости ветра устанавливают на высоте 10-15 м над поверхностью, и измеренный ими ветер называется ветром у земной поверхности.

Таблица 2.1.

Сила ветра у земной поверхности по шкале Бофорта (на стандартной высоте   10 м над открытой ровной поверхностью)

Шкала Бофорта — условная шкала для визуальной оценки силы (скорости) ветра в баллах по его действию на наземные предметы или по волнению на море. Была разработана английским адмиралом Ф. Бофортом в 1806 г. и сначала применялась только им самим. В 1874 г. Постоянный комитет Первого метеорологического конгресса принял шкалу Бофорта для использования в Международной синоптической практике. В последующие годы шкала менялась и уточнялась. Шкалой Бофорта широко пользуются в морской навигации.

2.2 Направление  ветра

Направление ветра определяется по той стороне горизонта, с которой он дует, например, ветер, дующий с юга — южный или угол, образуемый направлением ветра с меридианом места, откуда дует ветер, т.е. его азимут. В первом случае различают 8 основных румбов горизонта: север, северо-восток, восток, юго-восток, юг, юго-запад, запад, северо-запад (рис. 2.2.1) и 8 промежуточных, 8 основных румбов направления имеют следующие сокращения (русские и международные): С-N, Ю-S, З-W, В-E, СЗ-NW, СВ-NE, ЮЗ-SW, ЮВ-SE.

 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.

Рис. 2.2.1. Румбы 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.

Рис. 2.2.2. Роза ветров.

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. 2.2.2). 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.

2.3. Ускорение воздуха под действием барического градиента

Ветер возникает в связи с неравномерным распределением атмосферного давления, т. е. в связи с наличием горизонтальных разностей давления. Если бы давление воздуха в каждой горизонтальной плоскости (на каждой поверхности уровня) было во всех точках одинаково, ветра не было бы. При неравномерном распределении атмосферного давления воздух стремится перемещаться из мест с более высоким давлением в места с более низким давлением.

Мерой неравномерности распределения давления является горизонтальный барический градиент. Воздух стремится двигаться от высокого давления к низкому по наиболее короткому пути; это и есть направление барического градиента. При этом воздух получает ускорение тем большее, чем больше барический градиент. Следовательно, барический градиент есть сила, сообщающая воздуху ускорение, т. е. вызывающая ветер и меняющая скорость ветра.

Горизонтальный барический градиент есть равнодействующая сил давления, действующих в горизонтальном направлении на единицу объема воздуха (подобно тому, как вертикальный барический градиент, о котором мы говорили в главе второй, есть равнодействующая сил давления, действующих на единицу объема по вертикали). Следовательно, он является силой, отнесенной к единице объема, что видно и из его размерности, которая есть размерность силы, деленная на размерность объема: