Б.И. Извеков, Н.Е. Кочин - Динамическая метеорология (часть 1) (1115249), страница 26
Текст из файла (страница 26)
1,7 Дрексель (Небраска) .... 1,8 Сев:Атлант. Океан 30 — 35 14, 1,9 Лнсбург,.......... 2,1 Маунт Ведер (Внргннмя)... 2,3 Вудсток (Онтарио)....., .".,н Павия (Италии) '....... 3„4 Нижний Ольчедаев (СССР) . 3,6 Англия . Мюнхен Париж Уккль (Бельгия) Страссбург .. Цюрих . Иена . Свердловск . Линденберг (Берлин) Слуцк (Ленинград) .
Гамбург Арктика Шпвцберген . 3,7 . 3,7 . 3,9 . 4,0 . 4,1 . 4,1 . 4,3 . 4,5 . 4,8 . 4;9 . 68,,ч) ,."з Контуры изентроппческой поверхности 10,75 мегаэргов на сдпнипу температуры — сплоченные линии; нзотермы, нзобары и изостеры — прерывные липни, центр депрсссии обозначен крестом, две пунктирные линни — изобары на уровне моря, черные кружки — места выпаденяя осадков. Атмосферные возмущения очевидно соответствуют складкам и неправильностям в ходе изентропических поверхностей и удобно могут быть изучены с помощью карт, отнесенных к таким поверхностям.
Следующий рисунок представляет синоптическую карту 12~Х1 1901 03", отнесенную к определенной изентропической поверхности. Температуры точек этой поверхности нанесены цифрами близ соответствующих станций. Непрерывные линии обозначают линии уровня нзентропической поверхности, причем области между последовательными линиями заштрихованы. Они показывают, что наибольшее возвышение (3 ж) находится на севере н вся поверхность наклонена к югу.
Изотермы (изобары) нанесены пунктирными линиями. Косой крест на БИ Ирландии указывает центр значительной депрессии (11 — 13/Х! 1301 г.). Замкнутые кривые с овальными черточками пунктира изображают изобары на земной поверхности, охватывающие область мияимума (23,9 и 29,3 дюйма) и взятые' с обычной синоптической карты этого дня. Места выпадения осадков обозначены черными кружками. Интересно, что эти места хорошо совпадают с направлением склонов изентропической поверхности, по которым происходит вертикальное скольжение масс.
Изентропическими поверхностями атмосфера является расслоенной в горизонтальном направлении и при стационарном состоянии слоев всякое движение, если оно совершается без притока энергии, может иметь место главным образом в изентропическом слое. Такое тепловое разслоение атмосферы имеет иногда настолько резко выраженный характер, что существенно меняется обычное представление о восходящих токах. Что восходящие токи существуют и играют большую роль в атмосферных процессах, не подлежит никакому сомнению. Об этом определенно свидетельствуют факты развития кучевых облаков и выпадения осадков.
Значительное количество выпадающих осадков можно об'ясннть, только допустив, что большие массы воздуха, поднимаясь вверх, охлаждаются вследствие аднабатического расширения, но самый механизм таких восходящих токов мы должны представлять себе не как прорыв больших масс воздуха вертикально вверх, а скорее как скольжение вдоль изентропических поверхностей с очень небольшим горизонтальным уклоном. Изентропические поверхности действуют как физические преграды, для поднимающихся масс воздуха. Даже если происходит конденсация, и вследствие освобождающейся скрытой теплоты энтропия растет, количество этого притекающего к данной массе тепла обычно невелико и достаточно бывает только для того, чтобы передвинуть массу воздуха лишь до соседних близких изентропнческих поверхностей.
Поднятия больших воздушных масс через окружающую атмосферу случаются редко н об'ясняются особыми условиями. Для этого нужно, чтобы расслоение атмосферы было ослаблено т. е. чтобы энтропия мало росла с высотою, т. е. нужно наличие больших вертикальных 'температурных градиентов. Тогда, если воздух сильно яагрет и имеет большое количество паров, которые, кондснснруясь, дают ему большой приток тепла, может случиться, что он начнет быстро подниматься на сравнительно большие высоты. Эти условия очевидно могут иметь место главным образом в экваториальных и тропических странах. Так повидимому об'ясняются тропические бури, а также частые шквалы и ливни в экваториальном поясе.
При нисходящих токах, когда'нет конденсации и следовательно нет заметного притока энергии влияние теплового расслоения еще заметнее. Воздух опускается в окружающей среде не частями, а в виде оседания или скольжения целого большого столба. Внизу такого столба воздух расползается над прилегающими массами атмосферы, а над этим местом медленно опускается как одно целое.
Если большие массы воздуха переносятся в горизонтальном направлении без заметного притока или потери тепла, то они сохраняют свое, первоначальное расслоение. Если встречаются два больших потока, скажем — 111— экваториального и полярного воздуха, то расслоение в них не будет одинаковым. По счастливому сравнению Симпсона (81шр:зоп) здесь имеется аналогия того, что происходит при соседстве двух различных слоистых горных пород разного геологического строения. Поверхность, по которой встречаются эти две массы воздуха, можно уподобить геологическому сбросу. В теплой массе соответствующие изентропические слои лежат ниже, чем в холодной.
Если поверхность раздела является неустойчивой, то более холодная масса, медленно понижается и подтекает в виде клина под теплую массу, которая, отчасти поднимаясь, тянется вверх для замещения оседающего холодного воздуха. Центр тяжести всей системы при атом понижается и освобождается потенциальная энергия, которая переходит в кинетическую знергию и поддерживает дальнейшее перемещение масс. Скользящее движение прекращается тогда, когда либо изентропические поверхности одного значения соединятся с двух сторон на поверхности раздела, либо тогда, когда теплый воздух весь поднимется и расположится над холодным.
Массы придут в равновесие, в общем не смешиваясь друг с другом. Пусть влажная масса воздуха, содержащая водяной пар в ненасыщенном состоянии, поднимается вверх. Тогда вначале изменение ее состояния будет происходить по сухой адиабате до тех пор, пока не будет достигнуто состояние насыщения, после чего изменение будет происходить по влажной адибате. На рис.
Щгде координатами служат температура Т и высота х, поднятие массы воздуха изображено ломаной линией 012. Пусть температура массы у земной поверхности будет Т„на уровне х, Т,=Т вЂ” у, х, и на уровне х, Т,=Т,— у, (х,— г). Если теперь, достигнув Рис. б ;::::::, . уровня х, масса воздуха начнет'опускаться, то изменение ее температуры будет существенно различно, смотря по тому. выпал ли сконденсированный пар в виде осадков или остался в данной массе воздуха.
Если имеет место второе, то весь процесс совершается в обратном порядке, — 112— т. е. влага опять при опускании начнет испаряться, на что требуется тепло, так что поднятие температуры при опускании частицы происходит замедленно. Воздушная масса перемещается по влажной адиабате до тех нор, пока вся влага не превратится в пар; затем изменение состояния при опускании будет, следовать по сухой адиабате.
Частица придет в свое первоначальное положение с тою же самой температурой, при какой она начала свой под'ем. Если же, напротив, вся влага при самой конденсации выпадает (на участке 1, 2) то опускание из положения 2 будет происходить по сухой адиабате, и частица придет вниз с температурой Х, >Т~ Повышение температуры Хэ — 2', в точности равно тому повышению температуры, которое сообщила бы массе газа на уровне О, т. е. при постоянном давлении, теплота, выделенная при конденсации влаги. Процесс, при котором частица' возвращается в исходное положение '„с повышенной температурой, назван 5 е ц о л ьдо и (В е х о1б) .псевдоадиабатическим" процессом. Штюве (Б1йче) (1927 г.) ввел понятие о псевдопотенциаль- -н о й т е и п е р а т у р е, которую он определяет, как потенциальную тем"пературу массы воздуха, когда весь содержащийся в'ней пар сконденсировался и передал скрытую теплоту конденсации воздушной массе.,:::: По определению Штюве О,=О+ ~~ д............
(54) в Подобно тому как потенциальная температура массы сухого воздуха "; остается постоянной при всех адиабатических процессах, также н псевдопотенциальная температура не меняется при процессах псевдоздиабати" ческих, Если мы нанесем в системе координат Т, р адиабаты О и О„то они ".,' взаимно параллельны, т. е. всегда отстоят на одинаковом расстоянии и:.",.
ато расстояние, измеренное при одном и том же давлении, т. е. по гори- г зонтали равно — д, где Ф есть удельная влажность в начальном состоянии. ':г св При стационарном движении, как известно, линии тока совпадают -' с траекториями частиц. Таким образом можно пользоваться псевдо- "'-': потенциальной температурой для того, чтобы провести линии тока .'.,;: в стационарном поле, даже в том случае, когда происходит конденсация-'::-' и выпадают осадки, чего нельзя делать с потенциальной температурой.;: Рис.
т Рассмотрим, например, явление фена, предполагая весь процесс стационарным. На подветренной стороне воздушные массы поднимаются,-:-';-';: причем содержащийся в них водяной пар в большой части конденсируется "; и выпадает в виде дождя. С противоположного склона горы воздушийе:;„ массы стекают без заметного завихрения и приходят вниз с температурой ", более высокой по сравнению с той, какую они имели на подветреиибм: .-'-! склоне иа том же уровне.
Явление таким образом в точности отвечвв$ ',. 113— ':;!; только что разобранной модели. Вдоль участка пути 0 — 1 потенциальная темнература постоянна 9=9;, равным образом постоянна она на участке 2 — 3 ' 9 — йо~9,. Разность температур между подветренной и заветренной сто::!:;'" роной йо — 9,= — (до — йо), так как йо — Ь представляет собой выпавшее г ср г ::: количество влаги. Таким образом йо= 9,+ — (4о — йо); далее со г г г г =9о+ с 4о йо+ ~ Чо ~ Чо+ ~ 4о=йо+ Е йо — 9,о. Р Р Р Р 'Р Это означает, что псевдопотенциальная температура вдоль линии тока осталась постоянной, как это и должно быть.
Понятием псевдопотенциальной температуры Ш тю в е пользуется также при проведении поверхностей разрыва на вертикальных атмосферных разрезах. Если теплый воздух поднимается вверх по поверхности разрыва над холодной воздушной массой, то очевидно, как и в преды,у. дущем примере его псевдопотенциальная температура остается постоянной. Если мы имеем несколько расположенных один над другим слоев : инверсий, то определив псевдопотенциальную температуру можно узнать, какие инверсии над разными пунктами образуют одну и ту же поверхность скольжения. Вдоль такой поверхности скольжения псевдопотен,!,:-:, циальная температура должна оставаться постоянной, коль скоро поверх:.,:-;',„:,: ность скольжения совпадает со стационарной поверхностью тока и коль :з:;;, .-скоро мы имеем дело с однородной массой, расположенной вдоль поверхности скольжения.
й 11. Графические методы изображения изменения состояния массы воздуха. Адиабатные бумаги. Имея кривые температуры и давления на обыкновенной метеорограмме змейкового или зондового под'ема можно 'по точкам построить кривую состояния для атмосферы. Для этого удобно воспользоваться особого рода бланками, например о".!:::..:;полулогарифмической бумагой с специально нанесенными сетками линий.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
