Р. Скорер - Аэрогидродинамика окружающей среды (1115254), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Низкое опален г4ЕРОЕ)НУВ)йриеаиний бетпез Впзг)паеение 4 я ~- — — — Диеераенция Рис. 4ЛЬ. Картина усиления температурного градиента для теплого фронта. а-изобары н положение теплого фронта вблизи подстилающей поверхности, б — еленине вторжении теплого воздуха на гео«трофиеесанй ветер (вертикальный разрез). Теплый фронт, приближаясь к холодной воздушной массе, может вызвать противоположный эффект (рис. 4.7,5), Здесь дивергенция перед перемещающимся теплым воздухом сопровождается возрастанием давления, и фронт задерживается. ,ж зтаноггний ~ ) айняул /"" а Ва)саксе йтезтнтир юи и Я ио И) 1)' )И Ъ) )) ',Ъ ', ',---.
Л пос ~м ~™. 163 ВРАШАЮЩАЯСЯ ЗЕМЛЯ Вообще говоря, увеличение температурного градиента приводит я повышению давления в холодном воздухе и к падению— й теплом. Однако нужно помнить, что это только один из возможных механизмов, и в любом реальном случае результат Мажет оказаться существенно сложнее. Следует подчеркнуть, что какую бы роль трение ни играло В атмосферных течениях, его нельзя считать одной из главных 11ричин развития атмосферных процессов в масштабе циклонов я антициклонов. 4.8.
Фронты Ьо = — ~ — з(п а — о). ах 1 я =т(У (4,8.2) В гл. 7 будет показано, что градиенты температуры и скорости сглаживаются не за счет общего движения жидкости, а лишь вследствие молекулярных движений. Идея о том, что вихри способствуют сглаживанию градиентов в жидкости, возникла при рассмотрении обшей картины турбулентных течений, на которой мелкомасштабные детали как бы смазываются. Реальные движения почти всегда сопровождаются увеличением градиентов температуры и скорости, тогда как механизмы молекулярной диффузии не играют существенной роли.
Это положение не зависит от наличия или отсутствия вращения Земли. Однако, поскольку большие градиенты скорости свидетельствуют о существовании завихренности, а градиенты плотности ее порождают, можно ожидать, что те же механизмы увеличения градиентов действуют и в крупномасштабных процессах в атмосфере, которая завихрена в целом из-за вращения Земли.
Классическое описание фронта, данное Маргулисом, показывает важную роль вращения. Фронт является особым механизмом термического ветра, вызывающим разрыв скорости геострофического ветра на скачке температуры. Если поверхность температурного скачка ЛТ наклонена к горизонтальной плоскости под углом а, то в вертикальной плоскости, проведенной через плоский угол а указанного двугранного угла, горизонтальный градиент давления при переходе через температурный скачок снизу вверх испытывает приращение Лра айна (рис. 4.8.1). Если о и о+Ло — скорости геострофического ветра, перпендикулярные указанной вертикальной плоскости, то о= 1 др 1 рдр (р — Ар) Р дх ' — о + Ьо = — ~ — + Ьй'а)п а), (4.8.1) рг" 1 дх откуда (поскольку Ьр1р= — ЬТ1Т) следует ГЛАВА 4 164 Членом и7АТ1Т, характеризующим влияние разности плотностей в основном уравнении геострофического ветра (4.3.3), в реальных ситуациях можно пренебречь.
Величина у/) в единицах СГС будет порядка 10т, а и — порядка 1Оа, так что, если 8)па будет порядка 10-', можно, используя приближение Буссинеска, написать Ьп = — — 81па. Ат и т у (4.8.3) Так как на фронте скорость геострофического ветра претерпевает скачок, то существует агеострофическая составляющая ю р-лр, и+от и Рис 48.1. Положение поверхности скачка плотное ли сти Лр и скорости Ло по отношению к горизонту.
ветра, поэтому в воздушных массах по обе стороны фронта могут происходить движения вверх и вниз, которые могут увеличивать скачок температуры. На рис. 4.8.2 показаны движения, которые обычно происходят в вертикальной плоскости, А Хало Хшюд» аи ватан а Рис. 4.8.2. Усиление температурных контрастов на фронте. нормальной к фронту. Если воздух из точек А и В приходит в соприкосновение в окрестности точки С, то температурный градиент может увеличиться, а перемещающийся холодный воздух пересечет траекторию движения теплого в соответствии с механизмом, описанным в равд. 4.7.3. В некоторых случаях движение приводит к уменьшению градиента температуры. Это часто случается вблизи холодного фронта типа рис.
4.8.2, и, так называемого катафронта, в котором холодный воздух нагревается при нисходящем движении. Вследствие этого агеострофический ветер в нижнем слое движется по направлению от фронта и в теплом воздухе также возникает нисходящее течение.
В этом случае облачные системы (которые образуются, когда фронты вызывают циклогенез) быстро разрушаются. Рис. 4.8,3 иллюстрирует трехмерные движения в теплом фронте тропического циклона, подобные движению, представ- НРАЩАЮШАЯСЯ ЗИМЛЯ Рис. 4.8 3. Изобары в приземном слое, поверхность теплого фронта и типичные траектории: теплого воздуха — над этой поверхностью, а холодного в перед ней и нитке нее. втьь Лбдн~ центр кивлон Рис 4.8.4. Типичные траектории воздушных масс в теплом секторе циклона. Ноложенне фронтов показано нз уровне Земли, На большей высоте теплый сектор больше.
г — теплый воздух с более низкого уровня псднимается в холодном фронте; у — теплый воздух с более высокого уровня проходит над теплым фронтом; 3 — холодный воздух опускается за холодным фронтом: З вЂ” холодный воздух вытесняется теплмм воздухом. ГЛАВА 4 ленному на рис. 4.8.2, а. В холодном фронте движения будут такими же, но направленными в обратную сторону; траектории различных теплых и холодных воздушных масс показаны на рис.
4.8.4. 4.9. Струйные течения Теплый воздух над фронтом подвергается воздействию термического ветра и поэтому обычно движется практически вдоль фронта так, что холодный воздух оказывается слева. го лм с боо 1ООО лм моо Рис 4.9 1, типичный масштаб и упрощенная структура струйного течения в вертикальном сечении, изотермы и изотаки ветра, дующего в плоскость рисунка.
На рис. 4.9.1 показано сечение типичной' фронтальной зоны 1вертикальный масштаб значительно укрупнен). На рисунке представлены порядки величин максимума скорости ветра, а также горизонтальный и вертикальный масштабы описываемого процесса. Естественно, что конкретные случаи могут суй1ественно отличаться от рассмотренного. Струйным течением называется зона максимальной скорости ветра. Такое резкое увеличение скорости легко воспроизводится во вращающейся массе жидкости, в которой имеются температурные градиенты. На рис. 4.9.1 фронт изображен скорее как зона больших гра- ВРАЩАЮЩАЯСЯ ЗЕМЛЯ диентов, чем зона разрыва.
Это более соответствует действительности, а эффект воздействия больших градиентов оказывается таким же, как и у скачка. Над струйным течением температурный градиент меняется на противоположный (обычно в стратосфере) и ветер убывает с высотой. Интенсивность струйного течения меняется вдоль фронта и имеет максимум к западу от центра циклона, активного во фронтальной зоне. Рис.
4.9.2 показывает типичное распределение скоростей струйного течения относительно положений теплого и холодного фронтов, движущихся много медленнее, со скоростью всего от 15 до.25 м/с. Поэтому теплый Рис. 4.9АЬ Типичное положоние струйного течения и распределение скоростей в нем по отногпеиню к положению фронта в теплом секторе пиклоиа. поиеэио ннтврнретнроватэ этот рнсуиотс и сочетании с рнс 484, 4 8 9 н 4 аз. воздух в струйном течении догоняет циклон и ускоряется до максимума при входе в струйную зону (точка А) и замедляется на выходе из нее (точка В).
Необходимая для создания ускорения энергия получается за счет прямой циркуляции, когда холодный воздух опускается, а теплый — поднимается; при этом потенциальная энергия воздуха уменьшается. Движение в этой циркуляции — агеострофическое и по большей части объясняется «механизмом ускорения» геострофического ветра, описанным в равд. 4.7.3. На выходе из струи замедление вызывается обратной циркуляцией, когда теплый воздух опускается и движется агеострофически в сторону высокого давления: кинетическая энергия при этом преобразуется в потенциальную.
Поскольку максимум скорости опускается вдоль по потоку в нижние слои, оса струи в ее начале находится обычно примерно на 1 км выше, чем в конце. Депрессии, вопреки их унылому названию, создаются самыми восхитительными атмосферными механизмами. Общая анатомия депрессий, когда движение ' теплого воздуха обнаруживалось по появлению циррусов и альтокумулюсов, была известна морякам задолго до того, как депрессии стали ГЛАВА Ф исследоваться пилотами, до того„как началось регулярное шаропилотное зондирование, и до того, как ученые подвергли нх сколько-нибудь существенному анализу.
Конденсация облаков замедляет течение времени в депрессиях, поскольку теплый воздух может непрерывно нагреваться за счет конденсации и выпадения дождя. На Марсе, вероятно, невозможно существование циклонов, по масштабу сравнимых с земными. Венера и Юпитер окружены более глубокой атмосферой, а облака там имеют совершенно иной химический состав. Способность воды легко конденсироваться и создавать дождь, а также ее чрезвычайно высокая удельная теплота парообразования делают земную атмосферу в известном смысле уникальной. Во всяком случае, ни одна из планет Солнечной системы не имеет лишь частично покрытого облаками и столь быстро меняющегося неба.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
