ДИНАМИКА АТМОСФЕРЫ 1 1 Действующие факторы —

ДИНАМИКА АТМОСФЕРЫ 1

1. Действующие факторы - Неравномерный нагрев подстилающей поверхности - Вращение Земли - Орография - трение о ПП 2

2. Ветер, характеристики 2. Ветер – это горизонтальное (адвективное) перемещение воздуха относительно земной поверхности, характеризуется направлением и скоростью. • Направление • задается углом (или румбом δ=22, 50 ), отсчитываемым от северного направления по часовой стрелке Величина скорости задается оперением на стрелке (малое перо – 2, 5 м/с, большое перо – 5 м/с, зачерненный треугольник – 25 м/с) ССЗ С СЗ З В ЮЗ ЮВ Ю 3

По величине скорости ветер различают • < 3 м/с – слабый • 4 -7 м/с – умеренный • 8 -14 м/с – сильный • 15 -19 м/с – очень сильный • 20 -24 м. с – шторм • 25 -30 м/с – жестокий шторм, ураган • Меняющийся ветер – за 2 мин направление • • изменяется более, чем на 1 румб Порывистый – за 2 минуты ветер меняется на 4 м/с и более Шквал – кратковременное резкое усиление ветра до 20 м/с и более со значительным изменением направления 4

Измерение характеристик ветра • Флюгер • Анемометр • Анерумбометр и анерумбограф • Шар-пилот • Радиопилотный метод 5

3. Распределение давления в атмосфере 6

Барические системы • Циклон – область пониженного давления, ограниченная • • замкнутыми изобарами с минимальным давлением в центре. Антициклон – область повышенного давления, ограниченного замкнутыми изобарами с максимальным давлением в центре. Ложбина – область пониженного давления без замкнутых изобар, часто это вытянутая периферия циклона. Геометрическое место точек с минимальным давлением – ось ложбины. Поле воздушных течений имеет циклонический характер, преобладают восходящие движения, облачная погода с осадками Гребень – это область повышенного давления без замкнутых изобар ( часто это вытянутая периферия антициклона). Ось гребня – геометрическое место точек с максимальным давлением. Характерны нисходящие движения и малооблачная погода. Седловина – область, расположенная между двумя накрест лежащими циклонами и двумя антициклонами. Изобарические поверхности имеют вид седла. Погода: слабые ветры, облачно с прояснениями. 7

Примерные значения высот стандартных изобарических поверхностей Р, г. Па 1000 700 500 300 200 100 H, км (от у. м. ) 0 3 5 9 12 16 Изобарической называется поверхность, в каждой точке которой давление имеет одно и то же значение. Для представления поля давления в 3 D пространстве принято семейство изобарических поверхностей 1000, 925, 900, 850, 700, 600, 500, …. , 10 г. Па 8

• Барическая ступень: 9

4. Геопотенциал • Абсолютным геопотенциалом называется • потенциальная энергия единицы массы в поле силы тяжести. Геопотенциал изобарической поверхности в каждой ее точке есть работа, которую нужно совершить против силы тяжести для того, чтобы поднять единицу массы от уровня моря в данную точку: • Единица измерения [Ф]= 1 кг м 2/с2. 10

Для того, чтобы сделать сравнимыми геометрическую единицу длины и единицу геопотенциала вводят понятие геопотенциальный метр: • Введем величину Н (геопотенциальная высота): (напомним, что ) • Единица измерения H – это геопотенциальный метр, который численно близок к геометрическому метру, и точно равен ему на уровне моря на широте 450. Наиболее часто используют единицу измерения декаметр (сокращ. - дам). [H]= 1 дам = 10 гп. м 11

Карты барической топографии • В службе погоды ежедневно 2 раза в сутки • • • составляют карты топографии (высот) изобарических поверхностей – карты барической топографии Картой абсолютной барической топографии (АТ) называют карту высот этой поверхности над уровнем моря. Изогипсы АТ - линии равных высот над уровнем моря. Картой относительной барической топографии (ОТ) данной изобарической поверхности называется высота этой изобарической поверхности относительно другой нижележащей поверхности. (Часто используют карты ОТ 1000/500 г. Па) Относительная высота одной изобарической поверхности относительно другой зависит только от температуры воздуха между этими двумя поверхностями, поэтому карты ОТ показывают распределение температуры в атмосфере. 12

13

• Вспомним уравнение статики: • (2) в (1): • и уравнение состояния: • Интегрируем: • Откуда: 14

• Применим ее для карты ОТ 1000/500: • Для Н: • Итак: Высота слоя 1000 -500 г. Па, деленная на 2, дает среднюю температуру этого слоя в 0 К 15

16

5. Динамика атмосферы. 5. 1. Основные понятия • Барический градиент – вектор, который в каждой точке изобарической поверхности направлен по нормали к ней в сторону убывания давления: • Вертикальная составляющая градиента давления с хорошей точностью уравновешивается силой тяжести: • Барическая тенденция – локальное изменение давления на рассматриваемом уровне за определенные промежутки времени (например, за последние 3 ч). 17

Силы, действующие на воздушную частицу • Сила барического градиента: • Сила Кориолиса: • Сила трения: • Центробежная сила (в расчете на единицу массы): 18

5. 2. Геострофический ветер (в сев. п/ш, пренебрегаем трением) fp – сила барического градиента, градиента fk - сила Кориолиса 19

Барический закон ветра Геострофический ветер дует вдоль изобар, оставляя низкое давление слева (в сев. п/ш) 20

• Геострофический – ветер, дующий вдоль изобар, под действием силы барического градиента и силы Кориолиса. • Наблюдается при широтном (вдоль параллелей) расположении изобар в свободной атмосфере 21

• Из рисунка: Геострофическая скорость увеличивается • 1) с высотой; • 2) с ростом барического градиента; • 3) с уменьшением широты ( но на экваторе геостр. Ветер не существует). 22

5. 3. Градиентный ветер Градиентный – ветер, возникающий под действием сил барического градиента, Кориолиса и центробежной силы. 23

Градиентный ветер в циклоне • Уравнение движения: • Решение квадратного уравнения: 24

Градиентный ветер в антициклоне • Уравнение движения: • Решение квадратного уравнения (в центре v=0 ): 25

Итак, согласно барическому закону ветра • В циклоне циркуляция осуществляется против часовой стрелки, в антициклоне – по часовой стрелке. • Скорость ветра в циклоне в среднем больше по величине, чем в антициклоне. 26

5. 4. Барический закон ветра в слое трения • Под действием трения ветер отклоняется от изобары в сторону низкого давления (в сев. полушарии - влево) и уменьшается по величине. 27

Годограф скоростей в приземном слое (Спираль Экмана) 28

Вследствие трения в центре циклона наблюдается зона сходимости и восходящих движений: 29

В приземном слое вследствие сходимости воздуха к оси циклонов (ложбин) создается максимальный контраст температур, и у Земли формируются атмосферные фронты (АФ), которые располагаются именно вдоль осей барических ложбин. 30

Вследствие трения в центре антициклона наблюдается зона расходимости и нисходящих движений: Инверсии оседания! 31

Итак, согласно барическому закону ветра • В циклоне циркуляция осуществляется против часовой стрелки, у земли (в слое трения) наблюдается сходимость воздушных масс, восходящие вертикальные движения и формирование атмосферных фронтов. Преобладает облачная погода. • В антициклоне – циркуляция против часовой стрелки, расходимость воздушных масс , нисходящие вертикальные движения и формирование крупномасштабных (~1000 км) приподнятых инверсий. Преобладает безоблачная погода. Слоистая облачность в подынверсионном слое. 32

33

Расчет скорости геострофического ветра по картам АТ (Лаб. Работа № 2) 34

600 500 υg =36 м/с Направление α≈960 40 16 дам=160 гп. м ω =7. 29 x 10 -5 c-1 Sin φ =sin 560=0, 83 35