Баричиское поле

Проект подготовила учитель географии ЦО№491
Прокопенко Светлана Валентиновна
Барическое поле
Барическое поле - пространное распределение атмосферного давления.
Давление в каждой точке атмосферы характеризуется другим числовым
значением, выраженным в гектопаскалях, т.е. оно является
скаляром.
Следовательно, барическое поле — скалярное поле.
Изобарической называется поверхность, в каждой точке которой
имеется одно и то же давление.
Изобара — линия, соединяющая точки с одинаковым давлением на
уровне моря (или на какой-либо поверхности уровня).
На каждой поверхности уровня, включая и уровень моря, изобарические
поверхности при пересечении образуют семейство изобар.
Атмосфера находится в непрерывном движении. Это движение
связано с непрерывным перераспределением давления на всем
земном шаре.
Барическое поле зависит от географических координат (широты и
долготы), высоты и времени.
Изобары
На карте барического поля
обнаруживаются области с
замкнутыми изобарами и
самым низким давлением в
центре, называемые
циклонами или депрессиями.
Области с замкнутыми изобарами
и самым высоким давлением в
центре, называемые
антициклонами.
Карты барической топографии
Карты абсолютной барической топографии – карта топографии
этой поверхности по отношению к уровню моря.
Изогипсами абсолютной топографии – соединение точек с
одинаковыми высотами над уровнем моря линиями равных
высот.
Расположение областей низкого давления — циклонов и областей
высокого давления — антициклонов не остается неизменным;
они непрерывно перемещаются и меняют свою форму, возникают
и исчезают.
Карты относительной барической топографии – карта топографии
этой поверхности по отношению к нижележащей изобарической
поверхности.
Линии равных относительных высот — изогипсы относительной
топографии.
Относительная высота одной изобарической поверхности над другой
зависит только от средней температуры воздух между этими
двумя поверхностями.
Карты относительной топографии показывают распределение
температуры в атмосфере.
Карты абсолютной и относительной топографии вместе представляют
термобарическое поле атмосферы.
Набор карт абсолютной топографии за один срок наблюдений позволяет
получить представление о трехмерном строении поля давления в
момент наблюдений, а последовательность карт — об изменении поля
давления с течением времени.
Абсолютным геопотенциалом называется потенциальная энергия
единицы массы в поле силы тяжести.
Иначе говоря, геопотенциал изобарической поверхности в каждой ее
точке есть работа, которую нужно совершить против силы тяжести,
чтобы поднять единицу массы от уровня моря в данную точку.
Абсолютный геопотенциал изобарической поверхности равен работе,
которую нужно совершить, чтобы поднять единицу массы от уровня
моря до заданной поверхности.
Относительный геопотенциал представляет работу, которую нужно
совершить против силы тяжести, чтобы поднять единицу массы от
нижележащей изобарической поверхности до рассматриваемой
вышележашей изобарической поверхности.
Горизонтальный барический градиент
В тех местах, где изобары гуще, атмосферное давление меняется в
горизонтальном направлении сильнее, а где реже — слабее.
Если имеется поле какой-либо скалярной величины (например,
давления), то количественной мерой изменения этой величины в
пространстве является ее градиент.
Горизонтальный градиент давления – вектор, который направлен по
нормали к изобаре, в сторону низкого давления и по величине равный
производной давления по нормали.
Модуль горизонтального градиента давления обратно пропорционален
расстоянию между изобарами.
Вертикальный барический градиент не оказывает влияния на
горизонтальные движения.
Изогипсы абсолютной топографии — это линии, соединяющие точки с
равной геопотенциальной высотой данной изобарической
поверхности.
Изогипсы относительной топографии — линии, соединяющие точки с
одинаковой средней температурой слоя между изобарическими
поверхностями,
Изотермы — линии, соединяющие точки с одинаковыми температурами
на уровне моря, либо на земной поверхности, либо на данной
изобарической поверхности.
Градиент абсолютного геопотенциала — это вектор, численно равный
производной абсолютного геопотенциала изобарической поверхности
по нормали к изогипсе и направленный по нормали в сторону
убывания геопотенциала. Горизонтальный градиент относительного
геопотенциала
Горизонтальный градиент средней температуры слоя — это вектор,
численно равный производной относительного геопотенциала
(средней температуры слоя) по нормали к изогипсе (средней
изотерме) и направленный в сторону убывания относительного
геопотенциала (убывания средней температуры слоя).
Горизонтальный градиент температуры — это вектор, численно
равный производной температуры по нормали к изотерме и
направленный по нормали в сторону убывания температуры.
Изменение барического градиента с
высотой
С высотой барическое поле атмосферы меняется. Это значит, что
меняются форма изобар и их взаимное расположение, а стало
быть, меняются модуль и направление барических градиентов.
Эти изменения связаны с неравномерным распределением температуры,
т.е. с температурным полем.
Барические системы
Форма барического поля атмосферы непрерывно меняется во времени.
Это многообразие можно расчленить на небольшое число барических
систем.
Области пониженного давления — циклоны и области повышенного
давления — антициклоны на приземных синоптических картах
обрисовываются округлой или овальной формы.
Ложбина — это полоса пониженного давления между двумя областями
повышенного давления. (Изобары в ложбине либо близки к
параллельным прямым, либо имеют вид латинской буквы V).
Гребень – полоса 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).
Седловина — участок барического поля между расположенными крестнакрест двумя циклонами (или ложбинами) и двумя антициклонами
(или гребнями). Точка в центре седловины называется точкой
седловины.
Изменения барического поля с высотой в
циклонах и антициклонах
В расположенных рядом циклоне и антициклоне изотермы имеют
волнообразную форму: в передней части циклона они продвинуты к
высоким широтам, в тыловой части циклона и передней части
антициклона — к низким широтам и в тыловой части антициклона —
снова к высоким широтам.
Следовательно, и изобары на высотах, принимая форму, все более
близкую к форме изотерм, на некоторой высоте разомкнутся и
станут такими же волнообразными.
Колебания давления
Атмосферное давление в каждой точке земной поверхности и (или) в
любой точке свободной атмосферы все время меняется, т.е. либо
растет, либо падает.
Эти изменения имеют сложный характер, так как слагаются из
периодической составляющей — суточного хода, и непериодических
изменений.
При метеорологических наблюдениях отмечают изменение давления за
последние 3 ч перед сроком наблюдений. Эта величина называется
барической тенденцией.
Периодические изменения давления определяются его суточным ходом.
Кривая суточного колебания давления имеет два максимума и два
минимума. Максимальные значения наблюдаются перед полуднем и
перед полуночью (около 9—10 и 21—22 ч по местному времени), а
минимальные — рано утром и после полудня (около 3—4 и 15—16 ч)
Междусуточная изменчивость давления.
Крайние значения
Следствием циклонической деятельности и являются непериодические
колебания давления, достигающие 30 гПа, а иногда и больше.
Междусуточная изменчивость давления – это среднее многолетнее из
суточных разностей давления, взятых по абсолютной величине.
Размах колебаний давления возрастает с географической
широтой.
•
Под 60° с.ш. колебания давления в течение месяца зимой
достигают над морем 60 гПа и над сушей 40 гПа.
•
Под 10° с.ш. соответствующие значения только 5 и 10 гПа.
Если рассматривать весь земной шар в целом за длительное время,
то давление на уровне моря меняется в пределах почти 200 гПа.
Области изменения давления
Соединив на карте изолиниями точки с одинаковыми изменениями
давления, мы получим систему изаллобар, т.е. линий равного
изменения давления во времени.
Области падения и роста давления вместе называют областями
изменения давления, или изаллобарическими областями.
Годовой ход давления
Если по суточным значениям давления вычислить среднее месячное
значение давления для каждого из двенадцати месяцев года,
построить соответствующую кривую, мы получим годовой ход
давления для данного пункта.
Ход среднемесячных значений давления данного года в точности не
похож на ход давления прошлого года.
Если построить ход давления по многолетним средним месячным
значениям, то для каждого места он будет иметь определенные
особенности, обусловленные главным образом характером
циклонической деятельности в данном районе.
Месячные и годовые аномалии давления
Амплитуда годового хода – это разность максимального и
минимального среднемесячного значения, т.е. размах
Отклонение среднего значения давления в отдельный месяц
определенного года от многолетнего среднего того же месяца, т.е.
разность этих значений, называют месячной аномалией давления.
Средние годовые значения давления в отдельные годы также
отклоняются от многолетнего среднего; это годовые аномалии.
Ускорение воздуха по действием барического
градиента
Мерой неравномерности распределения давления является
горизонтальный барический градиент.
Следовательно, барический градиент есть сила, сообщающая воздуху
ускорение, т.е. вызывающая ветер и меняющая его скорость.
Следовательно, горизонтальный барический градиент есть
равнодействующая сил давления, действующая в
горизонтальном направлении на единицу объема воздуха
(подобно тому, как вертикальный барический градиент есть
равнодействующая сил давления, действующих на единицу
объема по вертикали).
Отклоняющая сила вращения Земли
Тело, движущееся во вращающейся системе координат, получает
относительно этой системы поворотное ускорение, или ускорение
Кориолиса, направленное под прямым углом к скорости.
•
Если рассматривать действие поворотного ускорения на единицу
массы, то его можно условно назвать отклоняющей силой
вращения Земли или силой Кориолиса.
Отклоняющая ста вращения Земли при движении воздуха может
уравновесить силу барического градиента.
Геострофический ветер
Геострофическое движение — это прямолинейное равномерное
движение единицы массы воздуха,
При геострофическом движении вектор силы градиента и вектор силы
Кориолиса равны по модулю и направлены взаимно противоположно,
а воздух совершает равномерное и прямолинейное движение.
В Северном полушарии сила градиента давления направлена под прямым
углом влево от направления скорости движения и равна по величине
отклоняющей силе.
Сила градиента давления направлена по нормали к изобаре,
следовательно, под прямым углом к силе градиента давления лежит
изобара.
Геострофический ветер дует вдоль изобар, оставляя в Северном
полушарии низкое давление слева.
Скорость геострофического ветра прямо пропорциональна
барическому градиенту.
Градиентный ветер
Теоретический случай равномерного движения воздуха по
круговым траекториям без влияния трения называют
градиентным, а ветер — градиентным ветром.
Градиентный ветер в циклоне и
антициклоне
•
Первый случай
В барической системе с концентрическими
круговыми изобарами градиенты
направлены по радиусам от периферии к
центру.
Это значит, что в центре системы давление
самое низкое, а к периферии оно растет.
Такая барическая система с низким давлением
в центре и с концентрическими
круговыми изобарами представляет
собой простейший вид циклона.
Центробежная сила в циклоне направлена по
радиусу, всегда наружу, в сторону
выпуклости траектории (изобары), т.е. в
данном случае против силы градиента.
• Второй случай
В центре барической системы с круговыми
концентрическими изобарами давление
самое высокое, к периферии оно убывает.
Следовательно, барические градиенты
направлены от центра к периферии .
Это простейший случай антициклона.
Центробежная сила в антициклоне направлена
по радиусу наружу, в сторону выпуклости
изобар, т.е. одинаково с силой барического
градиента. Ветер в антициклоне дует по
круговым изобарам по часовой стрелке.
Термический ветер
Термический ветер - дополнительная составляющая
скорости градиентного (и геострофического) ветра с
высотой, направленную по средней изотерме
рассматриваемого слоя атмосферы.
Теория термического ветра справедлива, строго говоря, для
градиентного и геострофического ветров. Но установленные
закономерности изменений ветра с высотой оправдываются и для
действительных условий в атмосфере.
Сила трения
Силу трения в атмосфере можно считать направленной
противоположно скорости.
Вязкость — это способность двух слоев жидкой среды сопротивляться
скольжению относительно друг друга.
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.
Вследствие турбулентности уменьшение скорости передается вверх на
более или менее мощный слой атмосферы. Это и есть слой трения.
При неустойчивой стратификации атмосферы в дополнение к
динамической турбулентности развивается термическая
турбулентность — конвекция, особенно сильно перемешивающая
воздух по вертикали.
Влияние трения на скорость и
направление ветра
Скорость ветра уменьшается за счет трения над сушей примерно вдвое
по сравнению с геострофическим ветром, рассчитанным для того же
барического градиента.
Море обеспечивает меньшее трение воздуха, чем суша.
Сила трения влияет и на направление ветра. За счет трения ветер может
отклоняться от направления градиентного.
Над морем он близок к градиентному направлению, над сушей
отклонение сильнее.
В циклоне воздух как бы сходится в центре (конвергенция), а в
антициклоне, наоборот, расходится от центра к периферии
(дивергенция).
Угол наклона ветра от градиента
У земной поверхности ветер отклоняется от изобар влево, а на уровне
трения он близок к изобаре.
С высотой ветер меняет свое направление, вращаясь вправо, по часовой
стрелке.
Сила трения характеризуется правым вращением ветра с высотой.
Если направление самих изобар с высотой очень быстро меняется,
обнаруживается либо левое вращение ветра в слое трения, либо
неизменность направления ветра с увеличением высоты.
Суточный ход ветра
В слое трения обнаруживается суточный ход скорости ветра, часто
хорошо заметный не только при осреднении данных наблюдений, но
и в отдельные дни.
У земной поверхности над сушей максимум скорости ветра наблюдается
около 14 ч, минимум — ночью или утром.
Начиная примерно с высоты 500 м, суточный ход обратный: с
максимумом ночью и минимумом днем.
Барический закон ветра
По направлению ветра можно судить о расположении областей высокого и его
низкого давлений. Для этих целей используют закон Бэйс-Балло: «Если в
Северном полушарии 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».
Фронты в атмосфере
Фронт – узкая переходная зона между воздушными массами с разными
свойствами.
Фронты, разделяющие основные географические типы воздушных масс,
называют главными фронтами.
Главные фронты между арктическим и умеренным воздухом носят
название арктических, между умеренным и тропическим воздухом
— полярных.
Раздел между тропическим и экваториальным воздухом называют
внутритропической зоной конвергенции.
В пересечении с земной поверхностью фронтальная поверхность
образует линию фронта.
Если мы идеализируем фронтальную зону как поверхность раздела, то
для метеорологических величин она является поверхностью разрыва,
потому что резкое изменение во фронтальной зоне температуры и
некоторых других метеорологических величин приобретает на
поверхности раздела характер скачка.
Обычный механизм образования фронтов в атмосфере —
кинематический: фронты возникают в таких полях движения
воздуха, которые сближают между собой воздушные частицы с
различной температурой (и другими свойствами).
Процесс образования фронта называется фронтогенезом.
Уже существующие фронты могут размываться, т.е. превращаться
в широкие переходные зоны, а существовавшие в них большие
градиенты метеорологических величин, в частности
температуры, — сглаживаться.
Типы фронтов
Теплый фронт – линия фронта перемещается у земли в сторону более
холодного воздуха, это значит, что клин холодного воздуха отступает
и освобождаемое им место занимает теплый воздух.
Холодный фронт – линия фронта перемещается в сторону теплого
воздуха, это значит, что клин холодного воздуха продвигается вперед,
теплый воздух перед ним отступает, а также вытесняется вверх
наступающим холодным клином.
Фронт окклюзии – объединение теплой и холодной фронтальных
поверхностей.
Фронт и струйное течение
В действительности фронт есть переходная зона между теплой и
холодной воздушными массами;
в тропосфере он представляет некоторую область, называемую
фронтальной зоной.
Струйное течение –это сильное воздушное течение в несколько сотен
километров шириной, со скоростями от 150 до 300 км/ч.
В субтропиках, где тропосфера умеренных широт соприкасается с
тропической тропосферой, возникает субтропическое струйное
течение, ось которого обычно расположена между тропической и
полярной тропопаузами.