Л.Т. Матвеев - Курс общей метеорологии. Физика атмосферы, страница 8

Метеорологические величины изменяются как во времени, так и в пространстве, т..е. являются функциями координат точки х, у, г и времени 7: 7=7(х, у, г, г), (9.1) где 1 — произвольная метеорологическая величина. Совокупность значений метеорологической величины во всем пространстве (или ограниченной области его) называют полем этой величины. Для характеристики пространственного распределения метеорологических величин в фиксированный момент времени вводится понятие эквискалярной поверхности, в каждой точке которой, согласно определению, метеорологическая величина сохраняет постоянное значение: где С вЂ” постоянная для данной эквискалярной поверхности. Эта постоянная различна для разных поверхностей.

Эквискалярные поверхности различных метеорологических величин носят название; давления — изобарическае, температуры— изотермические, плотности — изопакнические и т. д. Кривые пересечения эквискалярных поверхностей с любой другой поверхностью (в частности, с поверхностью уровня моря) называют изолиниями величин)я 7'. Применительно к давлению это изобары, к температуре — изотермы и т. д. Введенне зг Введение Количественной мерой изменения метеорологической величины в пространстве служит градиент этой величины.

Градиентом (пгад/) величины / называют вектор, который по направлению совпадает с нормалью !ч! к эквнскалярной поверхности (положительное направление — в сторону уменьшения /), а по модулю равен производной от / по /!/ с обратным знаком: (9.3) ! игаса / ! = — а//й/У. Нетрудно показать, что проекция градиента величины / на любое направление ! равна частной производной (с обратным знаком) от / по й (9.4) йтаб с / = — д//д/.

В частности, проекции градиента иа оси координат х, у, г равны — д//дх, — д//ду, — д//дг (плоскость хор — горизонтальная, касательная к уроненной поверхности; ось г направлена по вертикали вверх). Наибольший практический интерес представляют горизонтальная и вертикальная проекции цгад 1: ятад„/ = — д//дп, пгабв / = — д//дг, (9.5) л/ а/ юг ам (9.6) где Л/ — приращение величины /, соответствующее увеличению расстояний (шагам) вдоль нормалей на Лдг и Ьп и по высоте на Ьг, где и — нормаль к изолиниям величины / на уровенной поверхности (в частности, к изобарам или изотермам).

Горизонтальную и вертикальную проекции градиента принято называть соответственно горизонтальным и вертикальным градиентами. Поскольку и направлена в сторону убывания /, то горизонтальный градиент всегда положителен: — д//дп ) О. Вертикальный градиент может быть как положительным, так и отрицательным, поскольку ось г всегда направлена по вертикали вверх. Справедливо следующее общее правило: если величина / убываег с высотой, то вертикальный градиент ее положителен ( — д//дг) 0); если величина / растет с высотой, го вертикальный градиент этой величины отрицателен ( — д//дг(0). На практике при расчете градиентов истинные производные от метеорологических величин заменяют отношением конечных разностей, т. е.

полагают Давление воздуха (р). Основной единицей давления, согласно Международной системе единиц (СИ), служит паскаль (Па); 1 Па=! Н/ма=1 кг/(м ст). В метеорологии наиболее часто в качестве единицы давления используется гектопаскаль (гПа); 1 гПа=!От Па. Обозначим вертикальный и горизонтальный градиенты давления через 61 и Од соответственно: О, = — др/дг нли О, = — Лр/Ьг, (9.7) О,= — др/дп или 6,= — йр/Хп. (9.8) На синоптических картах изобары проводят через 5 гПа (Лр = — 5 гПа). Поэтому, если Лп — расстояние между изобарами (по нормали к ним), проведенными через 5 гПа, формула (9.7) принимает вид Он = 5/Лп.

Горизонтальный градиент давления рассчитывают чаше всего в гектопаскалях на 100 км (гПа/100 км). Значение Оа в условиях атмосферы обычно колеблется от ! до 5 гПа/100 км. Так как давление всегда падает с высотой (это положение доказывается в главе 3), вертикальный градиент давления всегда положителен, т. е. 61 О. Отметим, что в атмосфере 61 в десятки и сотни тысяч раз больше 6,, т. е.

давление с высотой изменяется значительно быстрее, чем в горизонтальном направлении. Температура воздуха (Т или 1). Единицей температуры в шкале Кельвина служит кельвин (К), в шкале Цельсия — градус Цельсия ('С); 1 К = 1'С. Температуры по шкале Кельвина (Т) и шкале Цельсия (1) связаны между собой соотношениями: Т = 273, 15 + 1 или Т = 273, 15 (1 + аг), где а = 1/273,! 5 — 0,00366 К-'. Горизонтальный и вертикальный градиенты температуры обозначим соответственно Г= — дТ/дп и у= — дТ/дг. Горизонтальный градиент температуры Г чаще всего рассчитывают в градусах Цельсия на 100 км. Обычно Г составляет несколько градусов Цельсия на 100 км.

Вертикальный градиент температуры у, или, как его еще называют, вертикальный градиент стратификации, колеблется в условиях атмосферы (в различных слоях и в разные моменты времени) в широких пределах. Он может быть как положительным, так и отрицательным.

На практике у рассчитывают для различных слоев по формуле у = — ЛТ//зг, 3 Заказ № 241 35 Введение Введение Рис, ВЛ. Кривая распределения температуры по высоте (кривая стратификапнн). 1О Понятие о барическнх системах Метеорологические станции, на которых производится измерение давления и других метеорологических величин, расположены на различной высоте над уровнем моря. Так как давление изменяется с высотой, то измеренные на станциях значения его будут различаться прежде всего под влиянием разности высот. Оценивать изменение давления в горизонтальном направлении (в частности, рассчитать горизонтальный градиент давления) можно, очевидно, только тогда, когда давление приведено (т.

е. пересчитано) к какому-либо одному уровню. В качестве такого уровня выбирается обычно уровень моря. Приведенное к уровню моря давление и другие метеорологические величины (температура; точка росы; скорость ветра; количество, высота и форма облаков и др.) наносятся на бланки географических карт, которые называются приземными картами погоды.

Установим связь между распределением давления в горизонтальном направлении и наклоном (1па„) нзобарическпх поверхностей. Пусть давление на уровне моря падает справа налево где ЛТ = Т, — Т,, Аз=ге — г1 — приращения температуры и высоты; Т1 — температура на высоте г1, 'Тз — температура на высоте гз (рис. В.1). Если у) О, то температура в данном слое падает с высотой (Тз < Т1 ); если х Т=О, то температура постоянна (изотермия); если у<0, то температура растет с высотой (инверсия температуры ). хя Кривую распределения темпера- туры по высоте, пли кривую стратиах фикации, обычно строят по данным измерений с помощью радиозонда, 0 самолета или ракеты.

По этим дан! ным наносят на график точки А, В, ! д С, ... (см. рис. В.1). Так как зако- 1 ат ~ номерности изменения температуры Т между этими точками неизвестны, обычно делают простейшее предположение: температура между точками А и В, В и С, С и 1? и т. д. изменяется с высотой линейно. Поэтому точки на графике соединяют отрезками прямой.

Построенная таким образом лома. ная линия и будет представлять собой кривую стратификации. ЗЗО Зэб ЮОО 1005 Горнзонмальная плосносмь 20 зб Рис. В.З. Виды барических систем. Область низкого давления Н, ограниченная замкнутыми изобарами называется циклоном, а область высокого давления В— антициклоном (рис. В.З).

Области с И- или Ч-образными изобарами на периферии циклонов носят название лоскбин, а на пери- Зе (рис. В.2). Как наклонены изобарические поверхности при таком расположении изобар? Нетрудно видеть,что изобарические поверхйости должны понижаться в сторону низкого давления Н (сплошные линии на рис. В.2). Если, наоборот, допустить, ~00~„ с что изобарические поверх- Зерманальная плоскость ности понижаются в сторону ее высокого давления В (штриховые линии на рис.

В.2), ззб то давление в точке С ,рб еех (1005 гПа) окажется выше, ар чем в точке .О. Но это исключено, поскольку давление И. В с увеличением высоты всегда падает. Таким образом, если Я известно расположение изобар на карте погоды, то тем самым определен и наклон изобарических поверхностей Рис. Вдь связь между положением изобари(значснис пОследнего чаще ческих поверхностей в пространстве и нзо. барами. всего лежит в пределах 0,0001 — 0,0005) .

Если провести изобары на достаточно обширной территории, то окажется, что они имеют различную форму. В зависимости от последней различают следующие виды барических образований. Значительными преимуществами ."' перед другими мегодагш обладаег ех метод радиозонда, предлонгеяиый и ' осуществленный елереые е Советском Союзе и потому имеющий право на название Соеетсхого метода исследо. линия атмосферы.