что такое малоградиентное поле в метеорологии

Барическое поле и ветер

Барическое поле

В этой лекции мы остановимся на горизонтальном распределении давления и на его изменениях во времени. То и другое тесно связано с режимом ветра.

Карты барической топографии

Изобары

Барические системы

Горизонтальный барический градиент

Точно выразить, как меняется атмосферное давление в горизонтальном направлении, можно с помощью так называемого горизонтального барического градиента, или горизонтального градиента давления. 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.

Как всякий вектор, горизонтальный барический градиент можно графически представить стрелкой; в данном случае стрелкой, направленной по нормали к изобаре в сторону убывания давления.

Там, где изобары сгущены, изменение давления на единицу расстояния по нормали к изобаре больше; там, где изобары раздвинуты, оно меньше.

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.

Изменения барического градиента с высотой

С высотой барическое поле атмосферы меняется. Это значит, что меняются форма изобар и их взаимное расположение, а стало быть, меняются величина и направление барических градиентов. Эти изменения связаны с неравномерным распределением температуры.

Представим себе, что в некоторой области у земной поверхности никакого барического градиента нет, т. е. давление во всех точках одинаково. Но при этом температура распределяется неравномерно: в одной части рассматриваемой области она выше, в другой ниже. Следовательно, существует горизонтальный температурный градиент, направленный по нормали к изотерме в ту сторону, куда температура убывает. Мы знаем, что в холодном воздухе барическая ступень меньше, чем в теплом: давление падает с высотой тем быстрее, чем ниже температура воздуха. Отсюда следует, что изобарические поверхности, как правило, не могут быть горизонтальными. Если даже нижняя, приземная изобарическая поверхность горизонтальна, то каждая вышележащая поверхность будет приподнята над нижележащей поверхностью в холодном воздухе меньше, в теплом воздухе больше. Следовательно, вышележащие поверхности будут наклонены от теплого воздуха к холодному, притом наклонены тем больше, чем выше лежит данная поверхность. А это значит, что, хотя у земной поверхности горизонтального барического градиента нет, в вышележащих слоях такой градиент имеется.

Обобщая это рассуждение, можно сказать, что, каков бы ни был горизонтальный барический градиент у земной поверхности, с высотой он будет приближаться к горизонтальному температурному градиенту.

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.

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.

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

Междусуточная изменчивость давления. Крайние значения

Общую характеристику непериодических изменений давления можно дать с помощью междусуточной изменчивости давления. Так мы будем называть среднюю многолетнюю величину изменения давления за сутки, например по утренним наблюдениям, независимо от знака изменения.

У земной поверхности в умеренных широтах средняя междусуточная изменчивость давления порядка 3-10 мб.

В течение года колебания давления, конечно, еще больше. В Ленинграде, например, колебания давления за год в среднем 76 мб; в Джакарте, под экватором, 12 мб.

Скорость ветра

Скорость ветра у земной поверхности измеряется анемометрами разной конструкции. Чаще всего они основаны на том, что давление ветра приводит во вращение приемную часть прибора (чашечный анемометр, мельничный анемометр и пр.) или отклоняет ее от положения равновесия (доска Вильда). По скорости вращения или величине отклонения можно определить скорость ветра. Приборы для измерения ветра на наземных станциях устанавливаются на высоте 10-15 м над земной поверхностью. Измеренный ими ветер и называется ветром у земной поверхности.

Направление ветра

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.

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. От начала полярных координат откладываются направления по румбам горизонта, длины которых пропорциональны повторяемости ветров данного направления. Концы отрезков можно соединить ломаной линией. Повторяемость штилей указывается числом в центре диаграммы.

Для представления на климатических картах направление ветра обобщают разными способами. Можно нанести на карту в разных местах розы ветров. Но чаще определяется преобладающее направление ветра.

Линии тока

Пространственное распределение ветра, стало быть, является векторным полем. Его можно представать графически разными способами. Наиболее наглядно поле ветра представляется с помощью линий тока, аналогичных, например, силовым линиям в магнитном поле. В каждой точке поля, в которой ветер известен, его наносят стрелкой, имеющей то направление, куда дует ветер. Затем на карте проводят линии тока так, чтобы направление ветра в каждой точке поля совпадало с направлением касательной к линии тока, проходящей через эту точку. Линии тока проводят тем ближе друг к другу, чем больше скорость ветра в данном участке поля. Таким образом, на карте получается система линий тока.

Нужно помнить, что линии тока для определенного срока наблюдений представляют собой именно моментальный снимок с поля ветра. Не следует смешивать их с путями (траекториями) воздушных частиц. Дело в том, что с течением времени поле ветра изменяется и, стало быть, меняется распределение линий тока.

Если на поле с линией сходимости налагается переносное движение, то может получиться, что линии тока направлены к линиям сходимости только с одной стороны, а с другой выходят из этой линии, как показано на рис. 72. Такую линию сходимости называют односторонней.

Легко понять, что сходимость линий тока должна сопровождаться восходящим движением стекающегося воздуха, а расходимость, напротив, нисходящим движением растекающегося воздуха.

Порывистость ветра

Ветер постоянно и быстро меняется по скорости и направлению, колеблясь около каких-то средних величин. Причиной этих колебаний (пульсаций, или флуктуации) ветра является турбулентность. Колебания эти можно регистрировать чувствительными самопишущими приборами. Ветер, обладающий резко выраженными колебаниями скорости и направления, называют порывистым. При особенно сильной порывистости говорят о шквалистом ветре.

При обычных станционных наблюдениях над ветром определяют среднее направление и среднюю его скорость за промежуток времени порядка нескольких минут. При наблюдениях по флюгеру Вильда наблюдатель должен в течение двух минут следить за колебаниями флюгарки и в течение двух минут за колебаниями доски Вильда, а в результате определить среднее (сглаженное) направление и среднюю (сглаженную) скорость за это время.

Порывистость тем больше, чем больше турбулентность. Следовательно, она сильнее выражена над сушей, чем над морем; особенно велика в районах со сложным рельефом местности; больше летом, чем зимой; имеет послеполуденный максимум в суточном ходе.

В свободной атмосфере турбулентность может приводить к болтанке самолетов. Болтанка особенно велика в сильно развитых облаках конвекции. Но она резко возрастает и при отсутствии облаков в зонах так называемых струйных течений.

Влияние препятствий на ветер

Всякое препятствие, стоящее на пути ветра, будет как-то на него влиять, возмущать поле ветра. Такие препятствия могут быть и крупномасштабными, как горные хребты, и мелкомасштабными, как здания, деревья, лесные полосы и т. д. Прежде всего препятствие отклоняет воздушное течение: оно должно либо обтекать препятствие с боков, либо перетекать через него сверху.

Перетекание воздуха через препятствия приводит к очень важным следствиям, таким, как увеличение облаков и осадков на наветренном склоне горы при восходящем движении воздуха и, наоборот, рассеяние облачности на подветренном склоне при нисходящем движении.

Обтекая препятствие, ветер перед ним ослабевает, но с боковых сторон усиливается. За препятствием скорость ветра уменьшается, там имеется ветровая тень.

Очень существенно усиливается ветер, попадая в суживающееся орографическое ложе, например между двумя горными хребтами. При продвижении воздушного потока его поперечное сечение уменьшается; а так как сквозь уменьшающееся сечение должно пройти столько же воздуха, то скорость возрастает. Этим объясняются усиление ветра в проливах между высокими островами и даже на городских улицах.

Влияние полезащитных лесных полос на микроклиматические условия полей связано в первую очередь с тем ослаблением ветра в приземных слоях воздуха, которое создают лесные полосы. Воздух перетекает поверх лесной полосы, и, кроме того, скорость его ослабевает при просачивании его сквозь просветы в полосе. Поэтому непосредственно за полосой скорость ветра резко ослаблена. На более далеком расстоянии за полосой скорость ветра увеличивается. Однако первоначальная, неослабленная скорость ветра восстанавливается только на расстоянии, равном 40-50-кратной высоте деревьев полосы, если полоса ажурная (несплошная). Влияние сплошной полосы распространяется на расстояние, равное 20-30-кратной высоте деревьев и меньше.

Ускорение воздуха под действием барического градиента

Ветер возникает в связи с неравномерным распределением атмосферного давления. 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 получает ускорение тем большее, чем больше барический градиент. Следовательно, барический градиент есть сила, сообщающая воздуху ускорение, т. е. вызывающая ветер и меняющая скорость ветра.

Если бы на воздух действовала только сила барического градиента, то движение воздуха под действием этой силы было бы равномерно ускоренным. Хотя ускорение, сообщаемое воздуху силой градиента, невелико, при более или менее длительном действии этой силы воздух получил бы очень большие и притом неограниченно растущие скорости. В действительности этого не бывает. Воздух движется, как правило, со скоростью порядка нескольких метров и, очень редко, нескольких десятков метров в секунду, причем обычно скорость ветра мало меняется в течение длительного времени. Это значит, что, кроме силы градиента, на движущийся воздух действуют другие силы, более или менее уравновешивающие силу градиента.

Отклоняющая сила вращения Земли

В механике доказывается, что при движении любого тела во вращающейся системе координат возникает отклонение от первоначального направления движения относительно этой системы. Иными словами, тело, движущееся во вращающейся системе координат, получает относительно этой системы так называемое поворотное ускорение, или ускорение Кориолиса, направленное под прямым углом к скорости. Таким образом, поворотное ускорение не меняет величину скорости, а только меняет направление движения.

Поворотное ускорение объясняется не тем, что есть какая-то внешняя сила, отклоняющая воздух от первоначального направления движения. На самом деле воздух стремится сохранить по инерции свое первоначальное направление движения, но не относительно вращающейся Земли, а относительно мирового пространства, относительно неподвижной системы координат. Система же координат, связанная с земной поверхностью, к которой относят ветер, поворачивается под движущимся воздухом в процессе суточного вращения Земли. Таким образом, не воздух отклоняется от первоначального направления относительно Земли, а Земля с ее параллелями и меридианами поворачивается под движущимся воздухом в противоположную сторону.

Отклоняющая сила вращения Земли обращается в нуль у экватора и имеет наибольшую величину на полюсе. Она также пропорциональна скорости ветра и обращается в нуль при скорости, равной нулю. Если тело неподвижно, то никакого ускорения относительно Земли оно получить не может. Направлена отклоняющая сила под прямым углом к скорости, вправо в северном полушарии и влево в южном. Отклоняющая сила вращения Земли при движении воздуха может уравновесить силу барического градиента.

Геострофический ветер

При геострофическом ветре, кроме движущей силы градиента на воздух действует еще отклоняющая сила вращения Земли. Поскольку движение предполагается равномерным, обе силы уравновешиваются, т. е. равны по величине и направлены взаимно противоположно. Отклоняющая сила вращения Земли в северном полушарии направлена под прямым углом к скорости движения вправо. Отсюда следует, что сила градиента, равная ей по величине, должна быть направлена под прямым углом к скорости влево. А так как под прямым углом к градиенту лежит изобара, то это значит, что геострофический ветер дует вдоль изобар, оставляя низкое давление слева.

Ветер у земной поверхности всегда более или менее отличается от геострофического ветра и по скорости, и по направлению. Это происходит потому, что у земной поверхности достаточно велика сила трения, которая для геострофического ветра предполагается равной нулю. Но в свободной атмосфере, примерно начиная с 1000 м, действительной ветер уже очень близок к геострофическому.

В действительности ветер в свободной атмосфере все-таки отклоняется от изобар в ту или иную сторону, но на очень небольшой угол, порядка нескольких градусов. Скорость его также хотя и близка к скорости геострофического ветра, но не в точности равна ей. Тем не менее, близость действительного ветра в свободной атмосфере к геострофическому ветру дает важную возможность с достаточным приближением определять скорость и направление действительного ветра на высотах по распределению давления.

Градиентный ветер

Если движение воздуха происходит без действия силы трения, но криволинейно, то это значит, что, кроме силы градиента и отклоняющей силы вращения Земли, появляется еще центробежная сила. Направлена центробежная сила по радиусу кривизны траектории наружу, в сторону выпуклости траектории.

Такой теоретический случай равномерного движения воздуха по круговым траекториям без влияния трения называют градиентным ветром. Из изложенного видно, что траектории в случае градиентного ветра совпадают с изобарами. Градиентный ветер, так же как и геострофический, направлен по изобарам, в этом случае уже не прямолинейным, а круговым.

В понятие градиентного ветра часто включают также и геострофический ветер, как предельный случай градиентного ветра.

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.

Запомним это очень важное различие между циклоном и антициклоном.

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. 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.

Термический ветер

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

Нам известно, что барический градиент получает с высотой дополнительную составляющую, направленную по температурному градиенту и пропорциональную ему. Следовательно, и градиентный ветер получает с высотой дополнительную составляющую скорости, направленную по изотерме. Эту дополнительную составляющую называют термическим ветром.

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. 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.

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.

Влияние трения на скорость и направление ветра

Скорость ветра уменьшается вследствие трения настолько, что у земной поверхности (на высоте флюгера) над сушей она примерно вдвое меньше, чем скорость геострофического ветра, рассчитанная для того же барического градиента.

Сила трения влияет и на направление ветра.

Представим себе равномерное прямолинейное движение воздуха при наличии силы трения (геотриптический ветер). Скорость ветра будет направлена не по изобарам. Она будет пересекать изобары, отклоняясь при этом от градиента вправо (в северном полушарии), но составляя с ним некоторый угол меньше прямого.

Понятно, что в южном полушарии спиралеобразные линии тока будут направлены в циклоне по часовой стрелке и в антициклоне против часовой стрелки. Но составляющая скорости ветра, нормальная к изобарам, будет и там в циклоне направлена внутрь, а в антициклоне наружу.

Суточный ход ветра

Над морем некоторое усиление конвекции приходится на ночь, а потому и суточный максимум ветра наблюдается ночью.

Барический закон ветра

Связь ветра с изменениями 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.

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. 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.

Источник

Аэрологическая диаграмма. Как читать и что по ней можно узнать.

По ней можно спрогнозировать? :

Давайте разбираться, как же это все прочитать на этом графике.

Для начала, разберем что такое – Аэрологическая диаграмма (АД)? – Итак.

Аэрологическая диаграмма – это ряд данных, описывающих состояние воздуха по высоте. Эти данные, представлены 2-мя кривыми состояния воздуха и значениями о ветра.

Эти 2 кривые и данные о ветре, получают по результатам зондирования атмосферы (они часто так и называются – sounding) метеорологическими шарами – зондами (обычно 2-ды в сутки, в 0 часов и 12 часов по стандартному времени UTC), или же их получают по результатам численного моделирования для тех точек где нет зондирования или в прогнозе на будущее.

Кривые наносят на специальный бланк аэрологической диаграммы, этот бланк-номограмма описывает термодинамические свойства воздуха.

Линии аэрологических диаграмм.

На АД наносят следующие линии:

Изменение ВАГ в зависимости от давления и температуры.

Бланки Аэрологических диаграмм.

Существуют 3 основных вида бланков, эмаграмма (она же АДП), Тепиграмма и Skew-T log P (она же АДК) отличаются они углами пересечения линий, описывающих основополагающие характеристики воздуха (в первую очередь давление (высота), температура, и сухоадиабатический закон.

Бланки аэродинамических диаграмм удовлетворяют следующим требованиям:

Важно, чтобы САГ (isentropes) и изотермы быть далеко друг от друга, чтобы помочь нам увидеть небольшие изменения температуры относительно САГ, который важен в определении стабильности.

Давайте разберем на примере АДК (она же Skew-T log P).

Изобары (высота)

Изобары

Изограммы

Изограммы

Изограммы – линии равной удельной влажности при состоянии насыщения. Показывают при какой температуре и на какой высоте воздушная масса данной влажности достигнет состояния насыщения (точки росы).

Дальнейший подъем этого воздуха привел бы к конденсации и образованию облаков.

Изотермы

Изотермы – прямые постоянных температур. Для удобства, в АДК, они располагаются наискосок слева направо.

Сухие адиабаты (изантропы) или САГ (DALR в англоязычных диаграммах)

САГ или изантропы

Линии САГ (сухоадиабатического градиента) – показывают адиабатическое изменение температуры частицы сухого или влажного ненасыщенного воздуха при его опускании или подъёме.

Сухое адиабатическое понижение температуры поднимающегося воздуха составляет примерно 0.98°С/100м.

Линии САГ направлены справа – налево.

Влажные адиабаты или линии ВАГ (SALR на англоязычных)

Показывают адиабатическое изменение температуры частицы влажного воздуха при его опускании или подъёме при условии конденсации(испарения) влаги.

При конденсации влаги, происходит выделение дополнительной “скрытой” энергии что уменьшает понижение температуры при подъеме воздуха по сравнению с ненасыщенным состоянием как при САГ.

ВАГ (влажно-адиабатический градиент) сильно зависит от объема выделяемого тепла (следовательно от температуры воздуха и давления(высоты)) ВАГ может колебаться от 0,3 до 0,98°С/100м).

В очень холодном воздухе – влажные адиабатические параметры близки к сухо-адиабатическим.

Все вместе линии – образуют бланк АДК (Skew-T log P)

Бланк АДК

На Бланк АД, как уже говорилось выше, наносятся данные точек росы (депеграмма), данные о фактических температурах воздуха (кривая стратификации) и данные о ветре.

Так же на бланке АД, обычно строят “кривую состояния“.

Кривая состояния – характеризует изменения температуры воздуха в адиабатически поднимающейся частице воздуха. Обычно воздух содержит то или иное количество водяного пара, поэтому до уровня конденсации кривая состояния проводится по сухой адиабате (САГ), выше уровня конденсации – по влажной адиабате (ВАГ).

По результатам взаимного анализа кривых стратификации, состояния и депеграммы проводят АНАЛИЗ НЕСТАБИЛЬНОСТИ, и можно найти ряд интересующих нас параметров погоды и базовых уровней.

Такие как:

Так же по анализу диаграммы можно судить о прогнозной динамике погоды, например о приближении атмосферного фронта, о возможности растекания облаков и т.д. Сам процесс определения разных уровней и распознавания разных типов погоды я буду описывать в отдельных статьях, в разделе теоретическая метеорология. А эту статью хочу закончить ссылками на ресурсы, где можно скачать актуальные диаграммы.

Пример натурная АДП

Есть множество других источников, где можно смотреть натурные и прогнозные (модельные) аэрологические диаграммы, но приведенных выше – вполне хватает для анализа погоды в любительских условиях.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник