Р. Скорер - Аэрогидродинамика окружающей среды (1115254), страница 28

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 28)

Перейдем теперь к рассмотрению влияния различных участвующих в процессе факторов. 4.7А. Зависимость нриземного поля давлений от термического ветра Снова рассмотрим поле ветра в геострофическом приближении и вместо (ч'.ятаб,)ч~ напишем (чя цгабт) че. Это будет вектор, направленный вдоль поверхностных иэобар, если двигаться по термическому ветру вдоль иэотерм, имея холодный воздух слева по движению. Этот вектор перемещает приэемное поле давления в направлении термического ветра и поэтому может быть назван термическим сдвигом. Рассмотрим зто на примере. Представим себе замкнутую циклоническую циркуляцию у поверхности Эемли (рис. 4.7.1).

Окружность изображает некоторую иэобару, а прямые линии— изотермы. Холодный воздух показан находящимся на севере (в верхней части рисунка), так что мы фактически имеем дело со схематическим описанием типичной для средних широт ситуации циклона в западно-восточном переносе.

Геострофический ветер в нижнем слое, чю, циркулирует вокруг зоны депрессии, которую называют также областью низкого давления, или циклоном. При движении в направлении термического ветра от А к В, от С к Е или от Е к О приземный геострофический ветер меняется эа счет добавки к нему составляющей, направленной на север (т. е. вдоль ЕА или 6В). Это и есть его вклад в относительное ускорение, описываемое формулой (4.7.3) (член, определяющий термический сдвиг, стоит на первом месте в правой части указанной формулы).

В соответствии с (4.3,6) агеострофический ветер направлен к составляющей термического сдвига под прямым углом налево, т. е. на запад (рис. 4.7.1). Это означает, что воздух в более верхнем слое смещается, как ГЛАВА Ь показано на нижней части рисунка, влево относительно нижних слоев. Такое смещение вызывает в передней части депрессии восходящее движение воздуха н развитие циклона, а в тыловой (м ..рттйьс) зеаг 7Гснеереенция = — циеерзинция с ~ и з й е а Рис.

4.7Л. Механизм движения депрессии, перемещающейся по термическому ветру. части — соответственно нисходящее движение и развитие анти- циклона. Таким образом, депрессия смещается в направлении термического ветра. ртнюсиямльюе усизрзетге 3 Отнсситсльний еизсетд рричесяий иеерсенция Рис. 4.7ЗХ Картина дивергеипии потсжа в иаправаеиии термичеокого ветра. — изобара, -- — изотериа, Картина дивергенции потока, показанная на рис. 4.7.2, дает нам второй пример: здесь скорость геострофического ветра убывает вниз по потоку. Направление термического ветра выбрано совпадающим с направлением потока.

Таким образом, вектор относительного ускорения будет направлен вверх по потоку, т. е. в нашем случае против ветра. При этом относительный агеострофический ветер, направленный к потоку под прямым углом, порождает в нижнем слое слева по потоку конвергенцию, а справа по потоку — дивергенцию. Следова- вващающаяся звмля тельно, слева образуется область циклогенеза (Ц), или падения давления, а справа — область антнциклогенеза (А), или роста давления.

Таким образом, градиент давления возрастает, поэтому рассматриваемое барическое образование будет перемешаться по направлению термического ветра. Интересно сравнить разобранную ситуацию с показанным на рис. 4.3.4 агеострофическим движением, которое выводилось без учета движения вышележащих слоев и термического ветра. В последнем случае ситуация оказалась совершенно иноК Уравнение (4.7.3) можно записать в эквивалентной форме, поменяв местами индексы 1 и 2 и изменив знак у ч'. Это позволяет обнаружить, что термический ветер смещает барическое поле в верхнем слое.

Однако высказанные положения могут оказаться неверными, поскольку в этом случае соотношения между циклогенезом и вертикальным движением необязательно окажутся такими жег как у земной поверхности, где имеется жесткая граница, порождающая процесс сдвига. Можно было бы, конечно, утверждать, что барическое образование движется по направлению ветра в верхнем слое, поскольку само оно создано весом находящегося сверху воздуха. Однако это было бы ошибкой, так как барическое поле у поверхности Земли в действительности не зависит от массы воздуха в вышележащих слоях, который движется вместе с термическим ветром.

Изотермы в случае, показанном на рис. 4.73, отнюдь не свидетельствуют о наличии теплого воздуха над циклоном. В действительности «холодные депрессии» представляют собой обычное явление в атмосфере, а ураганы являются экстремальным случаем. Область низкого давления создается теплым воздухом в стратосфере, и ее наличие обычно показывает, что тропопауза над ней находится ниже среднего уровня, так что теплый воздух не движется вместе с циклоном, а по тропопаузе движется волна, порожденная циклоном внизу. Таким образом, хотя мы и показали на двух примерах, как барическое образование движется по направлению термического ветра, мы лишь обнаружили аргумент, который может быть использован в любом частном случае.

Чтобы доказать положение Сатклиффа в общем виде, нам понадобилось бы формальное описание граничных условий на поверхности и ряд ограничений на характер движения в рассматриваемой окрестности. Это сделало бы циклогенез обязательным следствием агеострофического движения, обусловленного наличием ускорения, поскольку мы, очевидно, уже предположили, что в любом частном случае существуют компенсационные вертикальные движения. Тем не менее это может рассматриваться как теорема для некоторых предполагаемых условий, которые подобны условиям в реальной атмосфере. ГЛАВА 4 Это — прекрасный пример возможности вывода всех важных аспектов реального движения из уравнений поля геострофического ветра, которое на самом деле не может служить их причиной. Тем не менее такой подход является весьма существенным шагом в развитии динамического мышления.

4.7.2. Образование депрессий из-за нагрева Член дч'/дг' в правой части выражения (4.7.3) описывает эффект локальных изменений поля температур. Проиллюстрируем это явление следующим примером. Представим, что в летний день воздух нагрет над такой областью, как Британские острова или Иберийский полуостров; тогда термический ветер будет дуть так, чтобы область нагрева оказывалась справа. По отношению к рассматриваемой области движение будет антициклональным (рис.

4.7.3). В процессе развития антициклональиой циркуляции локальная производная будет ориентирована в том же направлении. Как следует из уравнения (4.7.3), так же будет направлено и относительное ускорение, передаваемое вышележащими слоями нижним.

Агеострофическая составляющая будет ориентирована относительно этого направления налево под прямым углом, т. е. наружу от нагреваемой области в верхних слоях, и наоборот — в нижних. Это порождает дивергенцию наверху и конвергенцию внизу, а следовательно, восходящее движение в центре области, увеличение завихренности в нижнем слое и образование зоны теплой депрессии.

Итак, мы пришли к выводу, что нагрев порождает центры низкого давления. Это может показаться совершенно очевидным результатом для читателя, хорошо усвоившего положение о том, что горячий воздух, создав низкое давление под собой, поднимается, потому что он имеет меньшую плотность.

Читатель, вероятно, встречался с этим эффектом при возникновении морского бриза или подобных явлений. Однако во многих случаях вращением Земли можно пренебречь, а трение играет важную роль, так что ветры могут быть антитриптнческнми. Но в нашем случае влияние вращения Земли доминирует, а трением как раз можно и пренебречь. Это иллюстрирует тот принцип, что вращение Земли является причиной развития областей низкого давления посредством динамических атмосферных процессов вообще. Ураган служит самым ярким примером такого развития, потому что не наличие источника тепла н нагрев воздуха этим источником является причиной понижения давления в центре урагана.

Область низкого давления углубляется за счет притока туда воздушных масс вблизи Земли, поскольку это сопровождается растяжением вихревых линий по вертикали и увеличением цир- ВРАЩАЮЩАЯСЯ ЗЕМЛЯ 1б! куляции. Действительно, сила Кориолиса, отклоняющая втекающий воздух вправо, приводит к понижению давления. Если же, напротив, низкое давление возникает в отсутствие вращения Земли, то приток воздуха вызывает заполнение депрессии, а трение лищь немного замедляет этот процесс. В нашем случае Рис 4 7.3.

Образование депрессии в приземном слое вследствие аигипиклоиического ускорении наверху вокруг нагреваемого воздуха. Недхнлй слой — Лнлмлгй слай Жилимглзлийсл ммннра(зи ческий дглмо трение, наоборот, способствует притоку воздуха в область низ- кого давления, не увеличивая при этом циркуляции и ускоряя тем самым процесс заполнения депрессии. 4.7.3.

Увеличение температурных градиентов Горизонтальные температурные градиенты могут еще более усиливаться в уже существующей зоне значительных термических градиентов за счет ветров, дующих поперек изотерм в направлении области, где они поворачивают вдоль них, как, например, во фронтальной зоне. На рис. 4.7.4 слева показано течение, которое сближает теплый и холодный воздух н увеличивает температурный градиент за счет адвекции в верхних слоях, описываемой в уравнении (4.7.3) членом (чх ~гада)»'.

Термический ветер, дующий вдоль изотерм, усиливается вследствие адвекции, и, таким образом, относительный агеострофический ветер дует под прямым углом к образующемуся вектору т', порождая в верхнем слое течение по направлению от зоны возрастающего температурного градиента, а в нижнем слое— по направлению к этой зоне. Рассматриваемая зона, следовательно, становится областью падения давления. В разбираемом примере это ложбина низкого давления, а не центр, и развитие типично для холодного фронта. 162 ГЛАВА 4 Такой же результат можно получить для теплого фронта, как это показано на рис.

4.7.5. Когда холодный фронт приближается к антициклону, а термальный ветер усиливается, давление падает перед фрон- Рис. 4.74 Картина усиления температурного градиента для холодного фронта. том и возрастает за ним таким образом, что перемещает фронт сквозь антициклон, который за фронтом восстанавливается.

Характеристики

Список файлов книги