Лекции по "Навигационной гидрометеорологии"

Горизонтальный барический градиент. Рассматривая изобары на синоптической карте, можно заметить, что в одних местах они проходят гуще, в других — реже. Очевидно, что в первом случае атмосферное давление меняется в горизонтальном направлении сильнее, во втором — слабее. Точно выразить, как меняется атмосферное давление в горизонтальном направлении, можно с помощью горизонтального барического градиента. 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. Вертикальный барический градиент в десятки тысяч раз больше горизонтального, т.к. давление с высотой меняется гораздо сильнее, чем в горизонтальном направлении (12,5 мб/100м или 0,1мм/1м).

Из формулы, описывающей закон распределения давления с высотой, следует, что в теплом воздухе давление с высотой понижается медленнее (рис. 1.4.1), чем в холодном (температура входит в знаменатель).

Рис. 1.4.1. Изменение давления с высотой в теплом (ТВ) и холодном (ХВ) воздухе. 

 

Но так как давление в теплом воздухе с высотой уменьшается медленнее, чем в холодном, то на какой-то высоте (3—5 км) в теплой воздушной массе оно станет равным давлению в холодной воздушной массе, а выше этого уровня в теплой воздушной массе будет больше, чем в холодной.

В разных точках барического поля направление и величина горизонтального барического градиента - разные. Там, где изобары сгущены, изменение давления на единицу расстояния будет больше; там, где изобары расположены реже — меньше. Иначе говоря, величина горизонтального барического градиента обратно пропорциональна расстоянию между изобарами.

Формы барического рельефа. Изолинии равного атмосферного давления на приземных синоптических картах — изобары — имеют весьма разнообразную конфигурацию: от прямолинейных и параллельных одна по отношению к другой на отдельных участках до замкнутых концентрических систем округлой или овальной форм с низким или высоким давлением в центре. Эти барические системы основных типов называют циклонами и антициклонами.

Горизонтальные барические градиенты в циклонах направлены от периферии к центру, а в антициклоне — от центра к периферии.

Помимо циклонов и антициклонов, в синоптической практике различают вытянутые периферийные части их: ложбины, гребни и седловины (рис. 1.4.2). 

 

Рис. 1.4.2. Формы барического рельефа: I — циклон; II — антициклон; III — ложбина; IV — гребень; V — седловина  

 

Горизонтальные размеры циклонов и антициклонов очень велики. Большие оси (поперечники) циклонов нередко достигают 1200—2000 км, а антициклонов—3000—4000 км.

Вертикальная протяженность мезомасштабных вихрей в значительной степени зависит от того, какая температура наблюдается в данных барических системах. Если циклоны зарождаются в холодном воздухе и температура самая низкая в его центральной части, то с высотой барические градиенты мало меняют направление и замкнутые изобары с низким давлением в центре обнаруживаются до больших высот (5—7 км). Такой холодный циклон является высоким.

Если циклон зарождается в теплой воздушной массе и температура в его центре наивысшая, то такой циклон быстро исчезает с высотой, так как в нем дополнительный барический градиент, связанный с градиентом температуры, противоположен приземному градиенту и такой циклон является низким. Наоборот, холодные антициклоны являются низкими, а теплые антициклоны — высокими.

Под влиянием асимметрического распределения температуры барические системы с замкнутыми изобарами, как правило, с высотой превращаются в системы с разомкнутыми изобарами. В зависимости от высоты, на которой происходит это превращение, различают высокие, средние и низкие барические системы.

Изобары на синоптических картах в России и подавляющем большинстве стран мира проводят через 5 гПа.

Зональность в распределении атмосферного давления. Анализ синоптических карт за отдельные сроки показывает, что распределение атмосферного давления все время меняется. Эти изменения обусловливаются в основном изменением температуры и циркуляционными факторами — перемещением и эволюцией циклонов и антициклонов. Даже на среднемесячных или сезонных картах барическое поле Земли может значительно отличаться от аналогичного распределения в другие годы. Тем не менее, построение средних многолетних месячных, сезонных или годовых карт обнаруживает определенные закономерности, типичные для каждого месяца или сезона. Одной из самых устойчивых особенностей многолетних барических карт является зональность в распределении давления, хотя и несколько замаскированная различием влияний суши и моря.

По обе стороны от экватора (в зоне от 15 ° с. ш. и 25 ° ю. ш. в январе и между 35° с. ш. и 5° ю. ш. в июле) формируется область пониженного давления. Это область экваториальной депрессии, смещающаяся в то полушарие, в котором в данном месяце лето.

В субтропических широтах (30—32° с. ш. и ю. ш. в январе и 33—37° с. ш. и 26—30° ю. ш. в июле) формируются две субтропические зоны повышенного давления, смещающаяся от января к июлю к северу, а от июля к январю к югу.

От субтропиков к умеренным широтам (55—65° с. ш. и ю. ш.) давление падает, особенно сильно в южном полушарии, и достигает минимума в субарктических и субантарктических зонах. К полюсам обоих полушарий давление опять растет.

Вследствие зональности в распределении атмосферного давления меридиональный барический градиент между широтными зонами обоих полушарий направлен то к низким, то к высоким.

На картах средних многолетних значений давления воздуха для летних и зимних месяцев можно отметить некоторые характерные черты определении давления и ветров на уровне моря (рис. 1.4.3-1.4.4). Из этих карт видно, что в приэкватольной области наблюдается относительно пониженное давление вследствие мощного конвективного подъема прогретого воздуха. В верхних слоях поток воздуха устремляется к высоким широтам, постепенно отклоняясь под влиянием силы Кориолиса. На широте около 30° северный и южный потоки принимают широтные направления, здесь создаются субтропические пояса повышенного давления, расчлененные на отдельные антициклоны. В результате у поверхности Земли создается ж воздуха от пояса высокого давления к экватору — пассаты. Расчлененность субтропического пояса высокого давления в северном полушарии больше, чем в южном, из-за большей неоднородности подстилающей поверхности. В северном полушарии летом в субтропической зоне образуются два мощных антициклона—Азорский и Тихоокеанский, зимою в эту зону распространяется еще и Азиатский антициклон.

Далее к северу расположены обширные пояса пониженного давления. В северном полушарии постоянными составляющими этого пояса являются Исландский и Алеутский минимумы. При этом пояс пониженного давления хорошо выражен на океанах в течение всего года, а на суше — только летом; в зимнее же время над континентами формируются обширные антициклоны (Азиатский, Канадский). В южном полушарии пояс пониженного давления более устойчив. В полярных районах снова наблюдается повышенное давление. Причем в зимнее время область повышенного давления здесь выражена более четко, чем летом.

Рис. 1.4.3. Распределение давления у поверхности земли зимой. 

 

Рис. 1.4.4. Распределение давления у поверхности земли летом. 

 

Центры действия атмосферы – области низкого или высокого давления на многолетней средней карте, являющиеся статистическим результатом преобладания в данном районе барических систем одного знака (циклонов или антициклонов)  над барическими системами других знаков. Делятся на постоянные (перманентные) и сезонные.

Северное полушарие: Постоянные ЦДА: 1. Исландский минимум 2. Азорский максимум 3. Северотихоокеанский максимум 4. Гренландский максимум Сезонные ЦДА: 1.    Алеутская зимняя депрессия 2.    Средиземномноморский зимний минимум 3.    Сибирский зимний антициклон 4.    Канадский зимний антициклон 5.    Южноазиатский летний циклон 6.    Североамериканский летний циклон

Южное полушарие: Постоянные ЦДА: 1.    Южноатлантический антициклон 2.    Южнойндийский антициклон 3.    Южнотихоокеанский антициклон 4.    Предантарктическая зона пониженного давления Сезонные ЦДА: 1.    Южноамериканский летний циклон (I) 2.    Южноафриканский -²- 3.    Австралийский -²- 4.    Новозеландский -²- 5.    Южноафриканский зимний антициклон 6.    Австралийский зимний антициклон

Дополнительно выделяют арктический и антарктический антициклоны и экваториальную зону пониженного давления. 

 

В суточном ходе давления наблюдаются два максимума и два минимума — соответственно в 10 и 22 ч, в 4 и 14 ч. Наиболее четко суточный ход атмосферного давления проявляется в низких (экваториальных и тропических) широтах, где его амплитуда достигает 3—4 мм рт. ст. Любые нарушения правильного суточного хода атмосферного давления в низких широтах предвещают приближение тропического циклона. 

 

Измерение атмосферного давления на судне. На судне измеряются: значение атмосферного давления в гектопаскалях, приведенное к уровню моря и температуре воздуха 0 °С; значение барической тенденции за 3 ч, предшествующие сроку наблюдений (гПа/3 ч); определяется характеристика барической тенденции за 3 ч (в цифрах действующего кода KH-01c).

На судне атмосферное давление измеряется барометрами, барометрами-анероидами (далее анероиды) 8 раз в сутки (в 00, 03, ..., 21 ч UTC; измерение атмосферного давления в сроки 03, 09, 15, 21 ч UTC производится с целью определения значения и характеристики барической тенденции) и непрерывно регистрируется с помощью барографов специальными чернилами на диаграммных лентах.

Барометры, анероиды и барографы на судне размещаются в штурманской рубке горизонтально на поролоне (размещение приборов на поролоне „смягчает" влияние вибрации судна на колебание стрелки анероида и на результаты регистрации атмосферного давления на ленте барографа) толщиной не менее 0,5 см в местах, удаленных от кондиционерной установки, иллюминаторов, входных дверей, т. е. там, где нет резких изменений температуры воздуха и возможности попадания на приборы прямых солнечных лучей. При установке барометры, анероиды и барографы должны быть надежно закреплены таким образом, чтобы удобно было делать отсчеты по ним, открывать крышку футляра барографа при смене его лент и при заводе часового механизма.

Ежедневно, если барограф суточный, или в конце недели, если барограф недельный, необходимо после 12-часового срока наблюдений по UTC проводить смену ленты барографа.

Если при барометре или в анероиде отсутствует термометр, последний размещается в непосредственной близости к анероиду или барометру (термометр должен быть надежно защищен с целью предотвращения любой возможности его разбить).

В штурманской рубке атмосферное давление измеряется на высоте установки прибора Н при температуре окружающего воздуха Та.

Результаты измерений атмосферного давления принято „приводить" к температуре воздуха 0 °С и к единому уровню (к одной высоте) путем введения соответствующих поправок к отсчетам по барометру, анероиду. В качестве единого уровня Н0 во всем мире

принят уровень Мирового океана (уровень моря).

Измерение атмосферного давления на судах производится по анероиду М-67 (МД-49-2); при его отсутствии можно использовать барометр БРС-1 или анероиды БАММ-1, М-98 (МД-49-А).

Для произведения измерений по анероиду необходимо:

— приоткрыть дверь в штурманской рубке, если она закрыта;

— перекрыть систему кондиционирования (для исключения влияния на показание анероида подпора воздуха в рубке за счет работы этой системы);

— отсчитать показание термометра с точностью до 0,2 °С;

— постучать пальцем по стеклу анероида (для предотвращения возможного „застревания" его стрелки);

— визуально совместить стрелку анероида с ее отражением в зеркале шкалы, если в анероиде зеркальная шкала;

— в течение 10—15 с проследить за колебаниями стрелки (если таковые наблюдаются), определить ее среднее положение и сделать отсчет показаний анероида с округлением до 0,1 гПа или до 0,1 мм рт. ст. (в зависимости от того, в каких единицах проградуирована его шкала).

Обработка результатов измерений сводится к получению значения атмосферного давления, приведенного к уровню моря и температуре воздуха 0 °С (Р0).  С этой целью необходимо к отсчету по анероиду ввести три поправки (или их сумму) по формуле

 где:

Ризм — отсчет по анероиду;

ΔРш  — поправка шкалы к отсчету по анероиду, определяемая по показаниям анероида (по значению Ризм ) и соответствующей таблице из свидетельства о поверке путем интерполяции;

ΔРТ  — температурная поправка для приведения атмосферного давления к температуре 0 °С, рассчитываемая по формуле, указанной в свидетельстве о поверке, и по температуре воздуха Г. измеренной вблизи анероида;

ΔРУ  — поправка на приведение атмосферного давления к уровню моря: ΔРУ = ΔРН НУ (здесь ΔРН = 0,133 гПа/м или 0,1 мм рт. ст./м и соответствует изменению атмосферного давления на 1 м высоты; Н — высота установки анероида на судне, в метрах над уровнем моря).

При плавании в открытых морях и океанах высота установки анероида над уровнем моря Н отсчитывается от положения максимальной грузовой ватерлинии, в этих случаях Н = НУ ; при плавании в закрытых морях (например, в Каспийском), уровни которых не совпадают с уровнем Мирового океана, высота установки анероида над уровнем моря рассчитывается по формуле НУ = Н + ΔН , где ΔН — разность уровней „закрытого" моря и Мирового океана, м; она берется со знаком „плюс", если уровень моря выше, и со знаком „минус", если уровень моря ниже уровня Мирового океана.

При расчете значений Р„ по формуле (1) следует помнить, что:

— все поправки рассчитываются с точностью до 0,1 гПа или до 0,1 мм рт. ст. и берутся для расчетов со своим знаком;

— все слагаемые формулы должны быть выражены в одних единицах (гПа или мм рт. ст.); если шкала анероида проградуирована в миллиметрах ртутного столба, то результат расчета должен быть переведен по формуле: Р (гПа) = 1,3332 Р (мм рт. ст.). 

 

Ветер. Причины ветра. Ветер – горизонтальное движение воздуха относительно земной поверхности. Ветер возникает вследствие неравномерного распределения атмосферного давления, т. е. вследствие наличия горизонтальных разностей давления. Если бы давление воздуха в каждой горизонтальной плоскости (на каждой поверхности уровня) было во всех точках одинаково, ветра не было бы. При неравномерном распределении атмосферного давления воздух стремится перемещаться из мест с более высоким давлением в места с более низким давлением.

Мерой неравномерности распределения давления является горизонтальный барический градиент. Воздух стремится двигаться от высокого давления к низкому по наиболее короткому пути; это будет направление барического градиента. При этом воздух получает ускорение тем большее, чем больше барический градиент. Следовательно, барический градиент есть сила, сообщающая воздуху ускорение, т. е. вызывающая ветер и меняющая скорость ветра.