Лекция 11.
Динамика атмосферы
- Воздушные массы, их свойства и распространение.
- Законы атмосферного давления. Барические центры, их происхождение и влияние на атмосферные процессы.
- Общая циркуляция воздушных масс в тропосфере. Основные закономерности. Связь с типами ветров.
- Постоянные, переменные, местные ветры, их влияние на погоду и климат.
1. Воздушные массы, их свойства и распространение
Воздушная масса – крупный объем воздуха тропосферы и нижней стратосферы, обладающий относительно однородными свойствами и движущийся как единое целое в одном из потоков общей циркуляции атмосферы.
Размеры воздушной массы сопоставимы с частями материков. Протяженность – тысячи километров, мощность – 22–25 км.
Территории, над которыми формируются воздушные массы, называются очагами формирования. Они должны обладать однородной подстилающей поверхностью (суша или море), определенными тепловыми условиями и временем, необходимым для их образования. Подобные условия существуют в барических максимумах над океанами, в сезонных максимумах над сушей.
Типичные свойства воздушная масса имеет только в очаге формирования, при перемещении она трансформируется, приобретая новые свойства. Приход тех или иных воздушных масс вызывает резкие смены погоды непериодического характера. При трансформации воздушных масс большое значение имеет скорость движения. Если скорость движения большая, то воздушная масса дольше сохраняет свои свойства. Следовательно, погода на территории, куда движется воздушная масса, изменяется значительно. При медленном перемещении воздушная масса успевает трансформироваться и погода существенно не меняется.
По отношению к температуре подстилающей поверхности воздушные массы делят на теплые и холодные.
Теплая воздушная масса перемещается на холодную подстилающую поверхность, она приносит потепление, но сама охлаждается.
Холодная воздушная масса приходит на теплую подстилающую поверхность и приносит похолодание.
По условиям образования воздушные массы подразделяют на четыре типа:
- экваториальная,
- тропическая,
- полярная (воздух умеренных широт),
- арктическая (антарктическая).
В каждом типе выделяется два подтипа – морской и континентальный.
Для континентального подтипа, образующегося над материками, характерна большая амплитуда температур и пониженная влажность.
Морской подтип формируется над океанами, следовательно, относительная и абсолютная влажность у него повышена; амплитуды температур значительно меньше континентальных
экватор
Арктическая (антарктическая) воздушная масса формируется в полярных широтах. t в течение года отрицательные, a небольшая.
ЭВМ
образуется
в низких широтах, характеризуется высокими t и
большой r и a.
ТВМ
формируется в тропических широтах. t в течение года не опускается ниже 20 °С, r невелика.
ПВМ, или воздух умеренных широт,
образуется в умеренных широтах.
t зимой отрицательные, летом положительные; годовая амплитуда t значительна, a увеличивается летом и уменьшается зимой, r средняя.
Атмосферные и климатические фронты
Атмосферный фронт – узкая переходная зона, разделяющая на значительном протяжении воздушные массы с разными физическими свойствами.
Ширина фронтальных зон – несколько сотен километров, длина – тысячи километров, вертикальная мощность – до высоты 20 км.
Чаще всего атмосферные фронты возникают в умеренных широтах, где встречается холодный воздух из высоких широт и теплый воздух из тропических широт.
Фронтальная зона в пространстве изображается фронтальной поверхностью. Фронтальная поверхность наклонена к земной поверхности под углом около 1°, под фронтальной поверхностью находится более тяжелый холодный воздух, над ней – более легкий теплый воздух.
Пересечение фронтальной поверхности с земной образует линию фронта. На линии фронта скачком меняются температура, влажность, облачность, давление, направление и скорость ветра.
Атмосферные фронты подразделяются на
теплый холодный окклюзии.
I рода II
рода по типу по типу
теплого холодного
Теплый фронт
Теплым фронтом называется такой фронт, когда теплая воздушная масса более активна и перемещается в направлении холодной воздушной массы. Линия фронта при этом смещается в сторону холодного воздуха. После прохождения теплого фронта наступает потепление. Движение холодного воздуха у подстилающей поверхности тормозится, поверхность раздела воздушных масс растягивается и становится пологой.
Холодный фронт
Холодный фронт образуется при наступлении холодной воздушной массы в направлении теплой воздушной массы. Линия фронта перемещается в сторону теплого воздуха. Движение холодного воздуха наверху быстрее, поверхность раздела становится более крутой.
При холодном фронте I рода, когда скорость движения фронта небольшая, теплый воздух спокойно поднимается по поверхности холодного.
Когда скорость движения возрастает (холодный фронт II рода), теплый воздух выталкивается вверх.
Фронты окклюзии
В атмосфере нередко возникают и более сложные фронты, при смыкании теплого и холодного фронтов возникают фронты окклюзии. Здесь соседствуют два холодных воздуха, теплый воздух не контактирует с поверхностью, он поднимается вверх.
Процесс может развиваться
по типу теплого фронта, если наступающий холодный воздух немного теплее,
по типу холодного, если наступающий холодный воздух холоднее.
Климатические фронты
Климатические фронты – средние многолетние, наиболее типичные положения серий атмосферных фронтов, возникающих между типами или подтипами воздушных масс.
Главные климатические фронты разделяют типы воздушных масс, вторичные – подтипы воздушных масс. Существуют
арктический (антарктический) фронт, разделяющий арктическую и полярную воздушные массы,
полярный фронт – между полярной и тропической воздушной массами,
тропический фронт, разделяющий тропическую и экваториальную воздушные массы.
Любой фронт выражен лучше, когда взаимодействующие воздушные массы резко различаются по своим свойствам. При взаимодействии воздушных масс, слабо различающихся по физическим свойствам, фронт размывается и порой исчезает. Следовательно, климатические фронты не опоясывают весь земной шар, они разделены на отдельные ветви (Иранская, Средиземноморская).
Некоторые фронты сохраняются в течение всего года, другие – обостряются в один из сезонов. Фронты смещаются вслед за Солнцем: в июне занимают крайнее северное (летнее в Северном полушарии) положение, в декабре – крайнее южное (зимнее в Северном полушарии). Анализ положения климатических фронтов позволяет сделать вывод, что на Земле существуют зоны, где в течение года господствует только одна воздушная масса, и зоны, где воздушные массы меняются по сезонам. Процессы формирования и смещения воздушных масс, образования фронтов положены в основу генетической классификации климатов Б.П.Алисова.
2. Законы атмосферного давление
Атмосфера оказывает давление на земную поверхность. Давление на каждый квадратный сантиметр поверхности на уровне океана равно 1033,3 г.
Нормальное атмосферное давление – вес атмосферного столба сечением 1 см2 на уровне океана при 0 °С на 45° широты. Оно уравновешивается столбиком ртути в 760 мм.
Нормальное атмосферное давление равно 760 мм ртутного столба или 1013,25 мб (миллибар). Давление в СИ измеряется в паскалях (Па): 1 мб = 100 Па. Нормальное атмосферное давление равно 1013,25 гПа.
Барическая ступень, барический градиент
Давление с высотой понижается, так как мощность вышележащего слоя атмосферы уменьшается. Расстояние в метрах, на которое надо подняться или опуститься, чтобы атмосферное давление изменилось на 1 мб, называется барической ступенью.
Барическая ступень на высоте от 0 до 1 км составляет 10,5 м, от 1 до 2 км – 11,9 м; на высоте 2 – 3 км барическая ступень равна 13,5 м. Величина барической ступени зависит от температуры: с повышением температуры она увеличивается на 0,4 %. В теплом воздухе барическая ступень больше. Следовательно, теплые области атмосферы в высоких слоях имеют большее давление, чем холодные.
Величина, обратная барической ступени, называется вертикальным барическим градиентом, это изменение давления на единицу расстояния; за единицу расстояния принимается 100 м.
Давление изменяется в результате перемещения воздуха – его оттока из одного места и притока в другое. Движение воздуха обусловлено изменением плотности воздуха (г/см3), возникающим в результате неравномерного нагрева подстилающей поверхности. Над одинаково нагретой поверхностью в слое воздуха с высотой давление равномерно понижается и изобарические поверхности – поверхности, проведенные через точки с одинаковым давлением, – расположатся параллельно друг другу и подстилающей поверхности. Если начнется нагрев одного из участков (например, поля), возникнет конвекция, плотность воздуха уменьшится, объем увеличится, но масса останется без изменения, значит, давление на подстилающую поверхность пока не изменится.
В самом слое воздуха при восходящем движении происходит изменение в распределении давления. В теплом воздухе на одной и той же высоте по сравнению с холодным давление окажется выше, изобарические поверхности над теплым участком поднимаются, расстояние между ними возрастает. Начинается переток воздуха наверху в сторону холодных участков. Благодаря оттоку воздуха давление у подстилающей поверхности в теплом воздухе уменьшается, а в холодном – возрастает. У подстилающей поверхности из-за неравномерного распределения давления начнется движение воздуха от холодного участка в сторону теплого. Следовательно, термические причины (повышение температуры) приводят к появлению динамических причин (перемещению воздуха), их совместное действие обусловливает изменение давления.
Изменение давления в атмосфере показывается с помощью изобарических поверхностей. В области повышенного давления изобарические поверхности обращены выпуклостью вверх, в области пониженного давления – выпуклостью вниз. На земной поверхности давление показывается с помощью изобар – линий, соединяющих точки с одинаковым давлением. Изобары представляют собой линии пересечения изобарических поверхностей с земной поверхностью.
Изобары образуют замкнутые и незамкнутые системы (рис. 1). К замкнутым барическим системам относятся барические максимумы и минимумы, к незамкнутым – барические гребень, ложбина и седловина.