Горизонтальный барический градиент. Изменения давления с высотой. Стандартная атмосфера. Горизонтальный барический градиент Вертикальный и горизонтальный градиент

Рассматривая изобары на синоптической карте, мы замечаем, что в одних местах изобары проходят гуще, в других - реже.

Очевидно, что в первых местах атмосферное давление меняется в горизонтальном направлении сильнее, во-вторых - слабее. Говорят еще: «быстрее» и «медленнее», но не следует смешивать изменения в пространстве, о которых идет речь, с изменениями во времени.

Точно выразить, как меняется атмосферное давление в горизонтальном направлении, можно с помощью так называемого горизонтального барического градиента, или горизонтального градиента давления. В главе четвертой говорилось о горизонтальном градиенте температуры. Подобно этому 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. А таким направлением наиболее сильного изменения давления является в каждой точке направление по нормали к изобаре в этой точке.

Таким образом, горизонтальный барический градиент есть вектор, направление которого совпадает с направлением нормали к изобаре в сторону уменьшения давления, а числовое значение равно производной от давления по этому направлению. Обозначим этот вектор символом - Ñр , а числовую его величину - dp / dn , где п - направление нормали к изобаре.

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.

В разных точках барического поля направление и величина барического градиента будут, конечно, разными. Там, где изобары сгущены, изменение давления на единицу расстояния по нормали к изобаре больше; там, где изобары раздвинуты, оно меньше. Иначе говоря, величина горизонтального барического градиента обратно пропорциональна расстоянию между изобарами.

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.

Горизонтальный барический градиент является горизонтальной составляющей полного барического градиента. Последний представляется пространственным вектором, который в каждой точке изобарической поверхности направлен по нормали к этой поверхности в сторону поверхности с меньшим значением давления. Числовая величина этого вектора равна – dp / dn ; но здесь n - направление нормали к изобарической поверхности. Полный барический градиент можно разложить на вертикальную и горизонтальную составляющие, или на вертикальный и горизонтальный градиенты. Можно разложить его и на три составляющие по осям прямоугольных координат X, Y, Z. Давление меняется с высотой гораздо сильнее, чем в горизонтальном направлении. Поэтому вертикальный барический градиент в десятки тысяч раз больше горизонтального. Он уравновешивается или почти уравновешивается направленной противоположно ему силой тяжести, как это вытекает из основного уравнения статики атмосферы. На горизонтальное движение воздуха вертикальный барический градиент не влияет. Дальше в этой главе мы будем говорить только о горизонтальном барическом градиенте, называя его просто барическим градиентом.

Скорость ветра

Как нам уже известно из главы второй, ветром называют движение воздуха относительно земной поверхности, причем, как правило, имеется в виду горизонтальная составляющая этого движения. Однако иногда говорят о восходящем или о нисходящем ветре, учитывая также и вертикальную составляющую. Ветер характеризуется вектором скорости. На практике под скоростью ветра подразумевается только числовая величина скорости; именно ее мы будем в дальнейшем называть скоростью ветра, а направление вектора скорости - направлением ветра.

Скорость ветра выражается в метрах в секунду, в километрах в час (в особенности при обслуживании авиации) и в узлах (в морских милях в час). Чтобы перевести скорость из метров в секунду в узлы, достаточно умножить число метров в секунду на 2.

Существует еще оценка скорости (или, как принято говорить в этом случае, силы) ветра в баллах, так называемая шкала Бофорта, по которой весь интервал возможных скоростей ветра делится на 12 градаций. Эта шкала связывает силу ветра с различными его эффектами, такими, как степень волнения на море, качание ветвей и деревьев, распространение дыма из труб и т. п. Каждая градация по шкале Бофорта носит определенное название. Так, нулю шкалы Бофорта соответствует штиль, т. е. полное отсутствие ветра. Ветер в 4 балла, по Бофорту называется умеренным и соответствует скорости 5-7 м/сек; в 7 баллов - сильным, со скоростью 12-15 м/сек; в 9 баллов - штормом, со скоростью 18-21 м/сек; наконец, ветер в 12 баллов по Бофорту- это уже ураган, со скоростью свыше 29 м/сек.

Различают сглаженную скорость ветра за некоторый небольшой промежуток времени, в течение которого производятся наблюдения, и мгновенную скорость ветра, которая вообще сильно колеблется и временами может быть значительно ниже или выше сглаженной скорости. Анемометры обычно дают значения сглаженной скорости ветра, и в дальнейшем речь будет идти именно о ней.

У земной поверхности чаще всего приходится иметь дело с ветрами, скорости которых порядка 4-8 м/сек и редко превышают 12-15 м/сек. Но все же в штормах и ураганах умеренных широт скорости могут превышать 30 м/сек, а в отдельных порывах достигать 60 м/сек. В тропических ураганах скорости ветра доходят до 65 м/сек, а отдельные порывы - до 100 м/сек. В маломасштабных вихрях (смерчи, тромбы) возможны скорости и более 100 м/сек. В так называемых струйных течениях в верхней тропосфере и в нижней стратосфере средняя скорость ветра за длительное время и на большой площади может доходить до 70-100 м/сек.

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. Есть конструкции, основанные на манометрическом принципе (трубка Пито). Имеется ряд конструкций самопишущих приборов - анемографов и (если измеряется также и направление ветра) анеморумбографов. 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

Нужно хорошо запомнить, что, говоря о направлении ветра, имеют в виду направление, откуда он дует. Указать это направление можно, назвав либо точку горизонта, откуда дует ветер, либо угол, образуемый направлением ветра с меридианом места, т. е. его азимут. В первом случае различают 8 основных румбов горизонта: север, северо-восток, восток, юго-восток, юг, юго-запад, запад, северо-запад - и 8 промежуточных румбов между ними: север-северо-восток, восток-северо-восток, восток-юго-восток, юг-юго-восток, юг-юго-запад, запад-юго-запад, запад-северо-запад, север-северо-запад (рис. 68). 16 румбов, указывающих направление, откуда дует ветер, имеют следующие сокращенные обозначения, русские и международные:

Если направление ветра характеризуется углом его с меридианом, то отсчет ведется от севера по часовой стрелке. Таким образом, северу будет соответствовать 0° (360°), северо-востоку 45°, востоку 90°, югу 180°, западу 270°. При наблюдениях над ветром в высоких слоях атмосферы направление его, как правило, указывается в градусах, а при наблюдениях на наземных метеорологических станциях - в румбах горизонта.

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.

Однако и сглаженное направление ветра в каждом данном месте Земли непрерывно меняется, а в разных местах в одно и то же время оно также различно. В одних местах ветры различных направлений имеют за длительное время почти равную повторяемость, в других - хорошо выраженное преобладание одних направлений ветра над другими в течение всего сезона или года. Это зависит от условий общей циркуляции атмосферы и отчасти от местных топографических условий.

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 (рис. 69). От начала полярных координат откладываются направления по румбам горизонта (8 или 16) отрезками, длины которых пропорциональны повторяемости ветров данного направления. Концы отрезков можно соединить ломаной линией. Повторяемость штилей указывается числом в центре диаграммы (в начале координат). При построении розы ветров можно учесть еще и среднюю скорость ветра по каждому направлению, умножив на нее повторяемость данного направления. Тогда график покажет в условных единицах количество воздуха, переносимого ветрами каждого направления.

Для представления на климатических картах направление ветра обобщают разными способами. Можно нанести на карту в разных местах розы ветров. Можно определить равнодействующую всех скоростей ветра (рассматриваемых как векторы) в данном месте за тот или иной календарный месяц в течение многолетнего периода и затем взять направление этой равнодействующей в качестве среднего направления ветра. Но чаще определяется преобладающее направление ветра. Именно, определяется квадрант с наибольшей повторяемостью. Средняя линия этого квадранта принимается за преобладающее направление.

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, о которой говорилось в главе второй. 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 (сглаженное) 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. Чашечный анемометр дает возможность определить среднюю скорость ветра за любой конечный промежуток времени.

Однако представляет интерес также и изучение порывистости ветра. Порывистость можно характеризовать отношением амплитуды колебаний скорости ветра за некоторый промежуток времени к средней скорости за то же время; при этом берется либо средняя, либо наиболее часто встречающаяся амплитуда. Под амплитудой подразумевается разность между последовательными максимумом и минимумом мгновенной скорости. Есть и другие характеристики изменчивости, в том числе и направленияветра.

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.

CSS-градиент представляет собой переходы от одного цвета к другому.

Градиенты создаются с помощью функций linear-gradient() и radial-gradient() .

Градиентный фон можно устанавливать в свойствах background , background-image , border-image и list-style-image .

Как сделать градиент в CSS

Поддержка браузерами

IE: 10.0
Firefox: 16, 3.6 -moz-
Chrome: 26.0, 10.0 -webkit-
Safari: 6.1, 5.1 -webkit-
Opera: 12.1, 11.1 -o-
iOS Safari: 7.1
Opera Mini: —
Android Browser: 4.4, 4.1 -webkit-
Chrome for Android: 44

1. Линейный градиент linear-gradient()

Рис. 1. Линия градиента, начальная и конечная точки и угол градиента

Линейный градиент создается с помощью двух и более цветов, для которых задано направление, или линия градиента .

Если направление не указано, используется значение по умолчанию — сверху-вниз .

Цвета градиента по умолчанию распределяются равномерно в направлении, перпендикулярном линии градиента.

Background: linear-gradient(угол / сторона или угол наклона с помощью ключевого слова (пары ключевых слов), первый цвет, второй цвет и т.д.);

Направление градиента может быть задано двумя способами:
с помощью угла наклона в градусах deg , значение которого определяет угол наклона линии внутри элемента.

Div { height: 200px; background: linear-gradient(45deg, #EECFBA, #C5DDE8); }

с помощью ключевых слов to top , to right , to bottom , to left , которые соответствуют углу градиента, равному 0deg , 90deg , 180deg и 270deg соответственно.

Div { height: 200px; background: linear-gradient(to right, #F6EFD2, #CEAD78); }

Если направление задано парой ключевых слов, например, to top left , то начальная точка градиента будет расположена в противоположном направлении, в данном случае справа внизу.

Div { height: 200px; background: linear-gradient(to top left, powderblue, pink); }

Для неравномерного распределения цветов указывается начальная позиция каждого цвета через точки остановки градиента, так называемые color stops . Точки остановки задаются в % , где 0% — начальная точка, 100% — конечная точка, например:

Div { height: 200px; background: linear-gradient(to top, #E4AF9D 20%, #E4E4D8 50%, #A19887 80%); }

Для чёткого распределения цветных полос каждый последующий цвет нужно начинать с точки остановки предыдущего цвета:

Div { height: 200px; background: linear-gradient(to right, #FFDDD6 20%, #FFF9ED 20%, #FFF9ED 80%, #DBDBDB 80%); }

2. Радиальный градиент radial-gradient()

Радиальный градиент отличается от линейного тем, что цвета выходят из одной точки (центра градиента) и равномерно распределяются наружу, рисуя форму круга или эллипса.

Background: radial-gradient(форма градиента / размер / позиция центра, первый цвет, второй цвет и т.д.);

Форма градиента определяется ключевыми словами circle или ellipse . Если форма не задана, по умолчанию радиальный градиент принимает форму эллипса.

Div { height: 200px; background: radial-gradient(white, #FFA9A1); }

Позиция центра задаётся с помощью ключевых слов, используемых в свойстве background-position , с добавлением приставки at . Если позиция центра не задана, используется значение по умолчанию at center .

Div { height: 200px; background: radial-gradient(at top, #FEFFFF, #A7CECC); }

С помощью пары значений, указанных в единицах длины % , em или px , можно управлять размером эллипсообразного градиента. Первое значение задает ширину эллипса, второе — высоту.

Div { height: 200px; background: radial-gradient(40% 50%, #FAECD5, #CAE4D8); }

Размер градиента задаётся с помощью ключевых слов. Значение по умолчанию farthest-corner (к дальнему углу).

div { height: 200px; background: radial-gradient(circle farthest-corner at 100px 50px, #FBF2EB, #352A3B); }

С помощью радиального градиента можно создавать реалистичные объёмные фигуры, такие как мячи, кнопки.

Мяч

div { width: 200px; height: 200px; border-radius: 50%; margin: 0 auto; background: radial-gradient(circle at 65% 15%, aqua, darkblue); }

Кнопка

.wrap { height: 200px; padding: 50px 0; background: #cccccc; } .button { width: 100px; height: 100px; border-radius: 50%; margin: 0 auto; background: radial-gradient(farthest-side ellipse at top left, white, #aaaaaa); box-shadow: 5px 10px 20px rgba(0,0,0,0.3), -5px -10px 20px rgba(255,255,255,0.5); }

Почтовая марка

Используя в градиентах прозрачный цвет, можно создавать вот такие эффекты.

Jpg">

.container { background: #B7D1D8; padding: 25px; } .wrap { background: radial-gradient(transparent, transparent 4px, white 4px,white); padding: 10px; width: 300px; height: 220px; background-size: 20px 20px; background-position: -10px -10px; /*обрезаем узор по краю*/ margin: 0 auto; } img { width: 100%; }

3. Повтор градиента

В добавление к линейному и радиальному градиентам существует повтор градиента, который задается с помощью функций repeating-linear-gradient() и repeating-radial-gradient() соответственно. Фон из повторяющихся градиентов выглядит неаккуратно, поэтому рекомендуется начинать следующий цвет с точки остановки предыдущего, создавая таким образом полосатые узоры.

Div { height: 200px; background: repeating-linear-gradient(45deg, #606dbc, #606dbc 10px, #465298 10px, #465298 20px); } div { height: 200px; background: repeating-radial-gradient(circle, #B9ECFE, #B9ECFE 10px, #82DDFF 10px, #82DDFF 20px); }

4. Кроссбраузерный градиент

Для корректного отображения градиентов во всех браузерах необходимо добавить кроссбраузерную запись.

Линейный градиент

Ms-filter: "progid:DXImageTransform.Microsoft.gradient (GradientType=0, startColorstr=#1471da, endColorstr=#1C85FB)"; /* IE 8-9 */ background: -webkit-linear-gradient(left, red, #f06d06); /* Safari 5.1, iOS 5.0-6.1, Chrome 10-25, Android 4.0-4.3 */ background: -moz-linear-gradient(left, red, #f06d06); /* Firefox 3.6-15 */ background: -o-linear-gradient(left, red, #f06d06); /* Opera 11.1-12 */ background: linear-gradient(to right, red, #f06d06); /* Opera 15+, Chrome 25+, IE 10+, Firefox 16+, Safari 6.1+, iOS 7+, Android 4.4+ */

Повтор линейного градиента

Background: -webkit-repeating-linear-gradient(red, yellow 10%, green 20%); /* Safari 5.1 - 6.0 */ background: -o-repeating-linear-gradient(red, yellow 10%, green 20%); /* Opera 11.1-12.0 */ background: -moz-repeating-linear-gradient(red, yellow 10%, green 20%); /* Firefox 3.6-15 */ background: repeating-linear-gradient(red, yellow 10%, green 20%); /* Стандартный синтаксис */

Радиальный градиент

Background: -webkit-radial-gradient(red, yellow, green); /* Safari 5.1-6.0 */ background: -o-radial-gradient(red, yellow, green); /* Opera 11.6-12.0 */ background: -moz-radial-gradient(red, yellow, green); /* Firefox 3.6-15 */ background: radial-gradient(red, yellow, green); /* Стандартный синтаксис */ background: -webkit-radial-gradient(60% 55%, farthest-side, red, yellow, black); /* Safari 5.1-6.0 */ background: -o-radial-gradient(60% 55%, farthest-side, red, yellow, black); /* Opera 11.6-12.0 */ background: -moz-radial-gradient(60% 55%, farthest-side, red, yellow, black); /* Firefox 3.6-15 */ background: radial-gradient(farthest-side at 60% 55%, red, yellow, black); /* Стандартный синтаксис */

Повтор радиального градиента

Background: -webkit-repeating-radial-gradient(red, yellow 10%, green 15%); /* Safari 5.1-6.0 */ background: -o-repeating-radial-gradient(red, yellow 10%, green 15%); /* Opera 11.6-12.0 */ background: -moz-repeating-radial-gradient(red, yellow 10%, green 15%); /* Firefox 3.6-15 */ background: repeating-radial-gradient(red, yellow 10%, green 15%); /* Стандартный синтаксис */

5. Комбинация градиента и фонового изображения

За счёт комбинации градиента и изображения можно создавать интересные эффекты. Для градиента нужно использовать полупрозрачные цвета, чтобы картинка оставалась видимой.

div { height: 453px; background: linear-gradient(45deg, rgba(103, 0, 31, .8), rgba(34, 101, 163, ..jpg); background-size: cover; }

Рассматривая изобары на синоптической карте, мы замечаем, что в одних местах изобары проходят гуще, в других - реже. Очевидно, что в первых местах атмосферное давление меняется в горизонтальном направлении сильнее, во-вторых - слабее.

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.

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

На практике измеряют на синоптических картах средний барический градиент для того или иного участка барического поля. Именно, измеряют расстояние между двумя соседними изобарами в данном участке по прямой. Затем разность давлений между изобарами (обычно это 5 мб) делят на это расстояние, выраженное в крупных единицах - 100 км. В действительных условиях атмосферы у земной поверхности горизонтальные барические градиенты имеют порядок величины в несколько миллибар (обычно 1-3) на 100 км.

Изменение давления с высотой

С высотой атмосферное давление падает. Это связано с двумя причинами. Во-первых, чем выше мы находимся, тем меньше высота столба воздуха над нами, и, следовательно, меньший вес на нас давит. Во-вторых, с высотой плотность воздуха уменьшается, он становится более разреженным, то есть в нем меньше молекул газов, а следовательно он имеет меньшую массу и вес.

Международная стандартная атмосфера (сокр. МСА, англ. ISA) -- условное вертикальное распределение температуры, давления и плотности воздуха в атмосфере Земли. Основой для расчёта параметров МСА служит барометрическая формула, с определёнными в стандарте параметрами.

Для МСА принимают следующие условия: давление воздуха на среднем уровне моря при температуре 15 °C равно 1013 мб (101, 3 кН/мІ или 760 мм рт. ст.), температура уменьшается по вертикали с увеличением высоты на 6, 5 °C на 1 км до уровня 11 км (условная высота начала тропопаузы), где температура становится равной?56, 5 °C и почти перестаёт меняться.

БАРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ВЕТЕР

(по С.П. Хромову)

Барическое поле

В главе второй говорилось об атмосферном давлении, о единицах, в которых оно выражается, и о его изменении с высотой. В этой главе мы остановимся на горизонтальном распределении давления и на его изменениях во времени.То и другое тесно связано с режимом ветра.

Распределение атмосферного давления называют барическим полем. Атмосферное давление есть величина скалярная: в каждой точке атмосферы оно характеризуется одним числовым значением, выраженным в миллибарах или в миллиметрах ртутного столба. Следовательно, и барическое поле есть скалярное поле. Как всякое скалярное поле, его можно наглядно представить в пространстве поверхностями равных значений данного скаляра, а на плоскости - линиями равных значений. В случае барического поля это будут 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 мб проходит вблизи уровня моря. Изобарическая поверхность 700 мб располагается на высотах, близких к 3 км; изобарическая поверхность 500 мб - на высотах, близких к 5 км. Изобарические поверхности 300 и 200 мб располагаются соответственно на высотах около 9 и около 12 км, т. е. вблизи тропопаузы; поверхность 100 мб - около 16 км.

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. А из главы второй мы знаем, что, чем ниже температура воздуха, тем быстрее давление падает с высотой. Если даже на уровне моря давление везде одинаково, то вышележащие изобарические поверхности будут снижены в холодных участках атмосферы и, напротив, приподняты в теплых.

Карты барической топографии

Пространственное распределение атмосферного давления непрерывно меняется с течением времени. Это значит, что непрерывно меняется расположение изобарических поверхностей в атмосфере. Чтобы следить за изменениями барического, а также и термического поля, в практике службы погоды ежедневно составляют по аэрологическим наблюдениям карты топографии изобарических поверхностей - карты барической топографии.

На карту абсолютной барической топографии наносят высоты определенной изобарической поверхности над уровнем моря на разных станциях в определенный момент времени, например поверхности 500 мб в 6 часов утра 1 января 1967 г. Точки с равными высотами соединяют линиями равных высот - изогипсами (абсолютными изогипсами). По изогипсам можно судить о распределении давления в тех слоях атмосферы, в которых располагается данная изобарическая поверхность.

В атмосфере всегда существуют области, в которых давление повышено или понижено по сравнению с окружающими областями. Фактически вся атмосфера состоит из таких областей повышенного или пониженного давления, расположение которых все время меняется. При этом в областях пониженного давления - циклонах или депрессиях - давление на каждом уровне самое низкое в центре области, а к периферии растет. Давление, кроме того, всегда понижается с высотой; поэтому изобарические поверхности в циклоне прогнуты в виде воронок, снижаясь от периферии к центру (рис. 54). Следовательно, на карте абсолютной топографии в центре циклона будут находиться изогипсы с меньшими значениями высоты, а на периферии - изогипсы с большими значениями (рис. 55). В области повышенного давления - антициклоне, напротив, на каждом уровне в центре будет наивысшее давление; поэтому изобарические поверхности в антициклоне будут иметь форму куполов, и на карте абсолютной барической топографии в центре антициклона мы найдем изогипсы с наивысшими значениями (см. те же рисунки).

Рис. 54. Изобарические поверхности в циклоне (H) и в антициклоне (В) в вертикальном разрезе.

Составляют еще карты относительной барической топографии. На такую карту наносят высоты определенной изобарической поверхности, но отсчитанные не от уровня моря (как на картах абсолютной барической топографии), а от другой, лежащей ниже изобарической поверхности. Например, можно со ставить карту высот поверхности 500 мб над поверхностью 1000 мб и т. д.

Рис. 55. 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. 56). 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. 56. 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 воздухамежду взятыми двумя изобарическими поверхностями.

Рис. 57. 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. 57). Иногда говорят, что карты абсолютной и относительной топографии вместе представляют термобарическое полеатмосферы.

В службе погоды карты абсолютной топографии обычно составляются для изобарических поверхностей 1000, 850, 700, 500, 300, 200, 100, 50, 25 мб, а карты относительной топографии - для поверхности 500 над 1000 мб. Составляют карты барической топографии и по осредненным данным за промежутки времени от нескольких дней до месяца. Для климатологических целей применяются карты барической топографии, составленные по многолетним средним данным.

На карты барической топографии, строго говоря, наносят не высоты изобарических поверхностей, а их геопотенциалы. Геопотенциалом (абсолютным) называется потенциальная энергия единицы массы в поле силы тяжести. Иначе говоря, геопотенциал изобарической поверхности в каждой ее точке есть работа, которую нужно затратить против силы тяжести, 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. При этом геопотенциал выражают в таких единицах (геопотенциальных метрах), при которых он численно близок к высоте, выраженной в метрах (и в точности равен ей на уровне моря под широтой 45°). В связи с этим геопотенциал называют еще динамической или геопотенциальной высотой.

Относительный геопотенциал соответственно равен разности абсолютных геопотенциалов двух точек, лежащих на одной вертикали.

Изобары

Карты абсолютной барической топографии для нескольких изобарических поверхностей в своей совокупности наглядно представляют барическое поле атмосферы в тех слоях, в которых располагаются эти изобарические поверхности. Но, кроме того, с давних пор принято изображать барическое поле на уровне моря с помощью линий равного давления - изобар.Для этого наносят на географическую карту величины атмосферного давления, измеренные в один и тот же момент на уровне моря или приведенные к этому уровню, соединяют точки с одинаковым давлением изобарами. Каждая изобара является следом пересечения какой-то изобарической поверхности с уровнем моря. На карте, охватывающей тот или иной географический район, можно для любого момента времени провести целое семейство изобар (рис. 58). Проводят их обычно так, что каждая изобара отличается по величине давления от соседних изобар на 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. 58. 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 уже упоминавшиеся 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.

В климатологии применяются карты изобар для уровня моря, составленные по многолетним средним данным.

Горизонтальный барический градиент

Таким образом, горизонтальный барический градиент есть вектор, направление которого совпадает с направлением нормали к изобаре в сторону уменьшения давления, а числовое значение равно производной от давления по этому направлению. Обозначим этот вектор символом - Ñр , а числовую его величину -dp/dn, где п - направление нормали к изобаре.

Рис. 59. Изобары и горизонтальный барический градиент. Стрелками обозначен горизонтальный барический градиент в трех точках барического поля.

Рис. 60. Изобарические поверхности в вертикальном разрезе и направление горизонтального барического градиента. Двойная линия - поверхность уровня

Горизонтальный барический градиент является горизонтальной составляющей полного барического градиента. Последний представляется пространственным вектором, который в каждой точке изобарической поверхности направлен по нормали к этой поверхности в сторону поверхности с меньшим значением давления. Числовая величина этого вектора равна –dp/dn ; но здесь n - направление нормали к изобарической поверхности. Полный барический градиент можно разложить на вертикальную и горизонтальную составляющие, или на вертикальный и горизонтальный градиенты. Можно разложить его и на три составляющие по осям прямоугольных координат X, Y, Z. Давление меняется с высотой гораздо сильнее, чем в горизонтальном направлении. Поэтому вертикальный барический градиент в десятки тысяч раз больше горизонтального. Он уравновешивается или почти уравновешивается направленной противоположно ему силой тяжести, как это вытекает из основного уравнения статики атмосферы. На горизонтальное движение воздуха вертикальный барический градиент не влияет. Дальше в этой главе мы будем говорить только о горизонтальном барическом градиенте, называя его просто барическим градиентом.

На практике измеряют на синоптических картах средний барический градиент для того или иного участка барического поля. Именно, измеряют расстояние ∆n между двумя соседними изобарами в данном участке по прямой, которая достаточно близка к нормалям обеих изобар. Затем разность давлений между изобарами ∆p (обычно это 5 мб) делят на это расстояние, выраженное -в крупных единицах - градусах меридиана (111 км). Средний барический градиент представится по величине отношением конечных разностей - ∆p/ ∆n мб/град. Вместо градуса меридиана теперь чаще берут 100 км. Определить барический градиент в свободной атмосфере можно из расстояния между изогипсами на картах барической топографии. В действительных условиях атмосферы у земной поверхности горизонтальные барические градиенты имеют порядок величины в несколько миллибар (обычно 1-3) на каждый градус меридиана.

Разность атмосферного давления между двумя областями как у земной поверхности, так и выше нее вызывает горизонтальное перемещение воздушных масс – ветер. С другой стороны, сила тяжести и трение о земную поверхность удерживают массы воздуха на месте. Следовательно, ветер возникает только при таком перепаде давления, который достаточно велик, чтобы преодолеть сопротивление воздуха и вызвать его движение. Очевидно, что разность давлений должна быть отнесена к единице расстояния. В качестве единицы расстояния раньше принимали 1 0 меридиана, то есть 111 км. В настоящее время для простоты расчетов условились брать 100 км.

Горизонтальным барическим градиентом называется падение давления в 1 мб на расстояние в 100 км по нормали к изобаре в сторону убывающего давления.

Скорость ветра всегда пропорциональна градиенту: чем больше избыток воздуха на одном участке в сравнении с другим, тем сильнее его отток. На картах величина градиента выражается расстояниями между изобарами: чем ближе одна к другой, тем градиент больше и ветер сильнее.

Кроме барического градиента на ветер действуют вращение Земли, или сила Кориолиса, центробежная сила и трение.

Вращение Земли (сила Кориолиса) отклоняет ветер в северном полушарии вправо (в южном полушарии влево) от направления градиента. Теоретически рассчитанный ветер, на который действуют только силы градиента и Кориолиса, называется геострофическим. Он дует по касательной к изобарам.

Чем сильнее ветер, тем больше его отклонение под действием вращения Земли. Оно нарастает с увеличением широты. Над сушей угол между направлением градиента и ветром достигает 45-50 0 , а над морем – 70-80 0 ; средняя величина его равна 60 0 .

Центробежная сила действует на ветер в замкнутых барических системах – циклонах и антициклонах. Она направлена по радиусу кривизны траектории в сторону ее выпуклости.

Сила трения воздуха о земную поверхность всегда уменьшает скорость ветра. Скорость ветра обратно пропорциональна величине трения. При одном и том же барическом градиенте над морем, степными и пустынными равнинами ветер сильнее, чем над пересеченной холмистой и лесной местностью, а тем более горной. Трение сказывается в нижнем, примерно 1000 – метровом, слое, называемом слоем трения. Выше ветры геострофические.

Направление ветра определяется стороной горизонта, откуда он дует. Для обозначения его обычно принимается 16-лучевая роза ветров: С, CCЗ, CЗ, ЗСЗ, З, ЗЮЗ, ЮЗ, ЮЮЗ, Ю, ЮЮВ, ЮВ, ВЮВ, В, ВСВ, СВ, ССВ.

Иногда вычисляется угол (румб) между направлением ветра и меридианом, причем север (С) считается за 0 0 или 360 0 , восток (В) – за 90 0 , юг (Ю) – 180 0 , запад (З) – 270 0 .

8.25 Причины и значение неоднородности барического поля Земли

Для географической оболочки важны не сами по себе барические максимумы и минимумы, а направление тех вертикальных токов воздуха, которые их создают.

Размер атмосферного давления показывает направление вертикальных движений воздуха – восходящих или нисходящих, а они или создают условия для конденсации влаги и выпадения осадков, или исключают эти процессы. Между влажностью воздуха и его динамикой существуют два основных типа связи: циклональный с восходящими токами и антициклональный с нисходящими.

В восходящих токах воздух адиабатически охлаждается, относительная влажность его повышается, водяной пар конденсируется, образуются облака и выпадают осадки. Следовательно, барическим минимумам свойственны дождливая погода и влажный климат. Конденсация идет постепенно и на всех высотах. При этом выделяется скрытая теплота парообразования, которая вызывает дальнейший подъем воздуха, его охлаждение и конденсацию новых порций влаги, что влечет за собой выделение новых порций скрытой теплоты. Одновременно идут четыре взаимно связанных процесса: 1) подъем воздуха, 2) охлаждение воздуха, 3) конденсация пара и 4) выделение скрытой теплоты парообразования. Первопричиной всех этих процессов является солнечное тепло, затраченное на испарение воды.

В нисходящих воздушных массах происходит адиабатическое нагревание и понижение влажности воздуха; облака и осадки образовываться не могут. Следовательно, барическим максимумам, или антициклонам, свойственна безоблачная, ясная и сухая погода и сухой климат. С поверхности океанов в областях высокого давления происходит значительное испарение, интенсивность которого благоприятствует безоблачное небо. Влага отсюда уносится в другие места, поскольку опустившийся воздух неизбежно должен перемещаться в стороны. Из тропических максимумов он в виде пассата идет к экватору.

Процессы усвоения атмосферой солнечного тепла, динамикой воздушных масс и влагооборота взаимно связаны и обусловлены.

Циркуляция атмосферы и неоднородность барического поля вызывается двумя неравнозначными причинами. Первая, и основная, состоит в неоднородности термического поля Земли, в тепловом различии экваториальных и полярных широт. Действительно, на экваторе находится нагреватель, а на полюсах – холодильники. Они создают тепловую машину первого порядка.

По термической причине на не вращающейся планете установилась бы довольно простая циркуляция воздуха. На экваторе нагретый воздух поднимается, восходящие токи у земной поверхности формируют пояс низкого давления, называемый экваториальным барическим минимумом. В верхней тропосфере изобарические поверхности поднимаются и воздух оттекает в стороны полюсов.

В полярных широтах холодный воздух опускается, у земной поверхности образуются области повышенного давления и воздух возвращается к экватору.

Термическая разница между широтами вызывает перенос воздушных масс вдоль меридианов или, как принято говорить в климатологии, меридиональную слагающую атмосферной циркуляции.

Таким образом, сущность тепловой машины, вызывающей циркуляцию атмосферы, заключается в том, что часть энергии солнечной радиации превращается в энергию атмосферных движений. Она пропорциональна разнице температур между экватором и полюсами.

Вторая причина циркуляции атмосферы – динамическая; она заключается во вращении планеты. Циркуляция воздуха непосредственно между экваториальными и полярными широтами невозможна, поскольку вся сфера, в которой движется воздух, вращается. Горизонтальные потоки воздуха и в верхней тропосфере, и у земной поверхности под действием вращения Земли непременно отклоняются вправо в северном полушарии и влево в южном полушарии. Так возникает зональная слагающая циркуляции атмосферы, направленная с Запада на Восток и формирующая западно-восточный (западный) перенос воздушных масс. На вращающейся планете западно-восточный перенос выступает в качестве основного типа циркуляции атмосферы.

Сезонные возмущения термического поля Земли, обусловленные различиями в нагревании океанов и материков, вызывают колебания над ними атмосферного давления. Зимой над Евразией и Северной Америкой холоднее, чем над океанами в этих же широтах. Изобарические поверхности над экваториями океанов выше, чем над сушей. Воздух наверху перетекает с океанов на материки. Общая масса воздушного столба над континентами увеличивается. Здесь образуются обширные зимние барические максимумы – Сибирский максимум с давлением до 1 040 мб и несколько меньший Североамериканский максимум с давлением до 1 022 мб. Над океанами масса воздушного столба уменьшается, образуются депрессии. Так создается тепловая машина второго порядка.

Летом тепловые контрасты между сушей и морем уменьшаются, минимумы и максимумы как бы рассасываются, давление выравнивается или меняется на противоположное зимнему. В Сибири, например, оно падает до 1 006 мб.

Сезонные колебания атмосферного давления над сушей и морем создают так называемый муссонный фактор.

На южных материках в январскую (летнюю для них) часть года образуются барические минимумы, оконтуренные замкнутыми изобарами.

Поочередное полугодовое нагревание северного и южного полушарий вызывает смещение всего барического поля Земли в сторону летнего полушария – в январскую часть года северного, а в июльскую – южного.

Экваториальный минимум в январскую часть года лежит южнее экватора, в июльскую он смещен к северу, достигая в Южной Азии северного тропика. Над Ираном и пустыней Тар создается Ирано-Тарский (Южноазиатский) минимум. Давление в нем падает до 994 мб.