Барическое поле и ветер

2.9. 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. 2.9.1). 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.

Рис   2.9.1  Градиентный  ветер  в  циклоне.

G — сила    барического    градиента,   А — отклоняющая   сила   вращения   Земли,  

С — центробежная сила,   V—скорость ветра.

Рис. 2.9.2. Градиентный ветер в антициклоне.

G — сила    барического    градиента,   А — отклоняющая   сила   вращения   Земли, 

 С — центробежная сила,   V—скорость ветра.

б) В центре барической системы давление самое высокое, к периферии оно убывает. Следовательно, барические градиенты направлены от центра к периферии (рис. 2.9.2). Это случай области высокого давления, антициклона. Центробежная сила и в антициклоне направлена наружу, в сторону выпуклости изобар, стало быть, одинаково с силой градиента. Отсюда следует, что отклоняющая сила вращения Земли должна быть направлена внутрь антициклона, чтобы уравновешивать две одинаково направленные силы — градиента и центробежную. А если отклоняющая сила направлена к центру, то скорость, отклоняющаяся от нее на прямой угол влево (в северном полушарии), должна  быть направлена так,  чтобы ветер дул  по круговым изобарам антициклона по часовой стрелке.

В циклоне и антициклоне, как и в случае геострофического ветра, скорость градиентного ветра отклоняется от барического градиента вправо. Но это только в северном полушарии. В южном полушарии, где отклоняющая сила вращения Земли направлена влево от скорости, градиентный ветер будет отклоняться от градиента влево. Поэтому для южного полушария движение воздуха по изобарам в циклоне получается по часовой стрелке, а в антициклоне — против часовой стрелки. В дальнейшем мы будем рассматривать только условия северного полушария.

Смысл скорости Vgr градиентного ветра в том, что все три силы (градиента, отклоняющая и центробежная) уравновешиваются. Знак плюс соответствует градиентному ветру в циклоне, а знак минус — в антициклоне.

Отсюда легко заключить, что 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.

Действительный ветер в циклонах и антициклонах в свободной атмосфере близок к градиентному ветру еще более чем к геострофическому. Но в слоях, близких к земной поверхности, действительный ветер вследствие трения сильно отличается и от того, и от другого.

 

 

2.10. Термический ветер

Геострофический или градиентный ветер направлен, как мы уже знаем, по изобарам. Приблизительно по изобарам направлен и действительный ветер в свободной атмосфере. Но если с высотой меняется направление изобар, то вместе с ним должно меняться направление ветра. Равным образом и скорость ветра будет меняться с высотой в зависимости от изменения величины барического градиента.

Нам уже известно, что барический градиент получает с высотой дополнительную составляющую, направленную по температурному градиенту и пропорциональную ему, а также и приросту высоты. Следовательно, и градиентный ветер получает с высотой дополнительную составляющую скорости, направленную по изотерме (имеется в виду средняя изотерма всего рассматриваемого слоя атмосферы). Эту дополнительную составляющую ΔV называют термическим ветром. Ее нужно прибавить к градиентному ветру на нижнем уровне V0, чтобы получить градиентный ветер на верхнем уровне V (рис. 2.10.1).

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.

Рис. 2.10.1. Термический ветер.V0 — ветер на нижнем уровне,  ΔV  — термический ветер, V — ветер    на    верхнем уровне,  T = const — изотерма.

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. Если же градиенты барический и температурный образуют между собой угол, меньший 180°, то термический ветер будет направлен вправо или влево относительно ветра на нижнем уровне, смотря по тому, в какую сторону барический градиент отклоняется от температурного. Поэтому с высотой ветер, приближаясь к изотерме, вращается либо вправо, либо влево.

В восточной (передней) части циклона, где барический градиент направлен приблизительно к западу, а температурный — к северу, ветер, приближаясь к изотерме, с высотой вращается вправо; в тыловой  (западной) части циклона — влево. В антициклоне будет наоборот.

Теория термического ветра относится, строго говоря, к градиентному ветру. Но установленные закономерности вполне оправдываются и для действительных условий в атмосфере.

2.11. Угол отклонения ветра от градиента

Угол, который скорость ветра составляет с барическим градиентом, у земной поверхности имеет среднюю величину 60°. Угол между скоростью ветра (линией тока) и изобарой имеет дополнительную до прямого угла величину порядка 30°. Однако в разных условиях этот угол разный. Над морем ветер может отклоняться от градиента на величину 70—80°, так что становится очень близким к изобарам; над сушей угол отклонения ветра от градиента значительно меньше, порядка 40—50°. Он меняется также в зависимости от скорости ветра и от вертикальной стратификации атмосферы.

С высотой угол отклонения ветра от градиента быстро возрастает и на уровне трения становится очень близким к 90°. Это значит, что ветер там будет иметь направление, близкое к направлению градиентного ветра, т. е. к изобарам. В отдельных случаях, когда ветер имеет значительное ускорение и, стало быть, сильно отличается от градиентного, он и на уровне трения будет существенно отклоняться от изобар.

Так как ветер у земной поверхности отклоняется от изобар влево, то с высотой, приближаясь к изобаре, он меняет направление, вращаясь вправо, по часовой стрелке. Таким образом, слой трения характеризуется правым вращением ветра с высотой. Только в том случае, если направление самих изобар с высотой очень быстро меняется, обнаруживается либо левое вращение ветра в слое трения, либо неизменность направления ветра по высоте. Одновременно скорость ветра в слое трения растет с высотой. Изменения скорости и направления ветра с высотой в этом слое можно представить годографом, т. е. кривой, соединяющей концы векторов, изображающих ветер на разных высотах и проведенных из одного начала (рис. 2.11.1). Эта кривая называется спиралью Экмана.

Рис. 2.11.1. Спираль Экмана. Скорости и направления ветра на различных высотах от земной поверхности до уровня трения.

2.12. Барический закон  ветра

Опыт подтверждает, что ветер у земной поверхности всегда (за исключением широт, близких к экватору) отклоняется от барического градиента на некоторый угол меньше прямого, в северном полушарии вправо, в южном влево. Отсюда следует такое положение: если встать спиной к ветру, а лицом туда, куда дует ветер, то наиболее низкое давление окажется слева и несколько впереди, а наиболее высокое давление — справа и несколько сзади. Это положение было найдено эмпирически еще в первой половине XIX века и носит название барического закона ветра, или закона Бейс-Балло. Точно так же действительный ветер в свободной атмосфере всегда дует почти по изобарам, оставляя (в северном полушарии) низкое давление слева, т. е. отклоняясь от барического градиента вправо на угол, очень близкий к прямому. Это положение можно считать распространением барического закона ветра на свободную атмосферу.

Барический  закон  ветра,  очевидно,   описывает  свойства действительного   ветра,   близкие   к   известным   нам   свойствам геострофического и геотриптического ветра. Таким образом, закономерности движения воздуха, о которых говорилось выше для упрощенных теоретических условий, в основном оправдываются и в более сложных действительных условиях. Так, ветер у земной поверхности отклоняется от барического градиента так же, как и геотриптический ветер. Вместе с этим, хотя линии тока в приземном слое циклона или антициклона не являются геометрически правильными спиралями, однако характер их все же спиралеобразный и в циклонах они сходятся к центру, а в антициклонах расходятся от центра. В свободной атмосфере, несмотря на неправильную форму изобар и линий тока и на наличие в движении воздуха ускорений, ветер достаточно близок по направлению к изобарам, а скорость его близка к скорости геострофического ветра.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Библиографический список

1.  Хромов,  С.П.  Метеорология и климатология: Учебник/ Издательство МГУ, 2006 г. - 583 страницы

2 Зверев, А. С. Синоптическая метеорология и основы предвычисления погоды, Л., 1968..

3. Пальмен, Э. Ньютон, Ч. Циркуляционные системы атмосферы, пер. с англ., Л., 1973;

4. Бугаев, В. А.  Карты барической топографии, Л., 1950; Руководство по краткосрочным прогнозам погоды, 2 изд., ч. 1, Л., 1964;

5. Петерсен, С. Анализ и прогноз погоды, пер. с англ., Л., 1961; Хромов С. П., Основы синоптической метеорологии, Л., 1948;

6. Погосян,  Х. П. Циклоны, Л., 1976.