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.