В.А. Магницкий - Общая геофизика (1119278), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Изучение пограничных слоев, исследование их структуры, генерации и релаксации в них вихревых образований и, наконец, выявление ведущего механизма и основных закономерностей процесса обмена в них имеет особую значимость.Роль пограничных слоев в геофизике исключительна еще и в силу их широкой распространенности. Пограничные слои не толькосуществуют в приземном слое атмосферы и в придонных слоях океана, формируются на границе раздела вода-воздух и на границахводных и воздушных течений, но буквально пронизывают всю толщуокеанических вод и атмосферы, проявляясь в виде тонкой термохалинной структуры океана и метеорологических фронтов. Наиболеераспространенными типами пограничных слоев в геофизике являются следующие: динамические и тепловые пограничные слои нагладких и шероховатых поверхностях; плоские турбулентные слоисмешения, формирующиеся на границе раздела слоев жидкости, движущихся относительно друг друга; отрывные течения, возникающиеза плохо обтекаемыми телами.
И наконец, это наиболее сложныйи играющий важнейшую роль в геофизических процессах пограничный слой вода-воздух, характеризующийся энергетически прозрачной, подвижной и легкодеформируемой границей раздела. Как правило, все пограничные слои, реализующиеся в геофизических объектах, осложнены наличием неравномерного распределения плотности,что в значительной степени затрудняет исследование их структуры ипротекающих в них процессов.Характернейшей особенностью всех перечисленных турбулентныхпограничных слоев является общность механизма обмена в них. Этотак называемый “взрывной” механизм обмена, при котором сравнительно медленная стадия развития пограничного слоя сменяется быстрой стадией его разрушения.
При этом в пограничных слоях генерируются вихревые структуры, которые затем проникают в основнойпоток. После разрушения пограничный слой вновь начинает формироваться и весь процесс повторяется, приобретая как бы пилообразный характер.Таким образом, турбулентным пограничным слоям свойственнаквазипериодическая форма движения, характеризующаяся наличиемструктурных образований, которые и дают главный вклад в производство пульсационной энергии.В настоящее время наиболее изучены приземный и приводныйпограничные слои атмосферы. Отличительной чертой этих пограничных слоев является постоянство по высоте потоков импульса, тепла имассьь Для пограничных слоев существен учет молекулярных механизмов тепло-, массо- и энергообмена.ГЛАВА 6ДИНАМИКА АТМОСФЕРЫВОЗДУШ Н Ы Е М АССЫИ П О ВЕРХН О СТИ РАЗДЕЛА В АТМ О СФ ЕРЕВоздушные массы различают по областям (очагам), где формировались их свойства. В высоких широтах формируются арктические воздушные массы, которые временами могут проникать далеков умеренные широты, принося резкие похолодания, высокую прозрачность воздуха и повышенное содержание озона.
В более низкихширотах формируется воздушная масса, называемая полярной или,точнее, умеренной. Обширная область низких широт занята тропическим воздухом. Тропический воздух отличается, кроме высокойтемпературы, также малой прозрачностью, низким содержанием озона и характерной облачностью: высокими и тонкими облаками вконтинентальном тропическом воздухе и сильной конвективной облачностью в морском воздухе.
Тропический воздух, временами вторгаясь далеко на север, приносит потепление, характерную дымкуи ясную погоду.Иногда особо выделяют и экваториальную воздушную массу —очень теплую и влажную в течение всего года. Границы воздушныхмасс и, следовательно, сами воздушные массы находятся в постоянном движении и перемещении. Распространяясь в далекие от своегоочага области, они становятся там причиной резкого изменения погоды. Большое значение для сельского хозяйства имеют летние вторжения очень теплого и сухого континентального тропического воздуха,называемые суховеями, на европейскую территорию и в степи Казахстана.При дальнейшем распространении воздушная масса изменяет своисвойства.
Дольше всех при трансформации воздушной массы сохраняются ее оптические свойства и типичное содержание озона.Главные и большие изменения погоды в умеренных и высокихширотах связаны с атмосферными фронтами. Фронты возникают какобласти сходимости воздушных течений и представляют собой поверхность раздела двух воздушных масс по температуре, влажности,облачности, осадкам, ветру и т.д. При своем движении фронт вызывает быстрые изменения всех этих свойств. Пересечение поверхностифронта с поверхностью Земли или уровнем р = const называетсялинией фронта.Частичное смешивание воздуха двух воздушных масс у поверхности фронта превращает ее в переходную — фронтальную — зонузаметной толщины (иногда приблизительно 100 км), в которой, например, температура меняется постепенно от значения в теплой воздушноймассе до значения в холодной.Рассмотрим равновесие двух воздушных масс, разделяемых стационарным фронтом (рис.
6.1). В любойточке А фронта давления со сторонытеплой воздушной массы р х и холодной р2 равны и должны быть равныР ис 6.1. Поверхность раздела (фроннормальные к фронту (вдоль оси х)та), параллельная оси у и наклоненсоставляющиеветра их = и2. Взяв двеная под углом а к оси х. T 1, v 1 —темточки А и В на фронте на расстояниипература и скорость движения теплого воздуха, Т2, г>2 —температура иds, имеем, очевидно, вдоль ds, чтоскорость движения холодного воздухаdpx = dp2 илидр 1дхдр2dx +дхдр 1дудРгdy +дудР[dzдр^dz = 0,dz(6.1)где dx, dy, dz — проекции ds на оси координат.
Если ось у направлена вдоль линии фронта и А и В выбраны в плоскости, параллель-ной Z O X , то dy = 0. Тогда для тангенса угла наклона поверхностираздела фронта можно записатьdzдрх/ д х - др2/ д хXga ~ ~ d x ~ d p j d z - др2/ d z ~дрх/ д х — др2/ д хg(P\ - Р 2)’(6-2)где, заменив др{/ dz на —p {g и др2/ dz на —p 2g, мы пренебрегли вертикальными ускорениями d w/ d t (приближение гидростатики). Еслинет горизонтальных ускорений и ветер геострофический (нет трения), то др{/ д х = lp\V\ и др2/ д х = lp2v 2, где р = р / RT.
Отсюда имеем формулу Маргулеса1 Р {У \ - Р 2 У2l T lv 2 - T 2v 1t g a = - - — ----- ----- = - — ------ -— .8Р1 Р28 ^2~(6.3)1В частности, для Москвы а — 1/115.Если теплая воздушная масса, перемещаясь, оттесняет более холодную, то разделяющий их участок фронта называется теплымфронтом. Он, таким образом, движется в сторону холодного воздуха.В холодной воздушной массе с приближением фронта давление падает и величина изменения давления за три часа достигает иногда7 мбар, а за фронтом давление растет. При наличии фронтальнойзоны, однако, этот скачок д р / dt несколько смазан.Когда холодная масса оттесняет теплую, то участок фронта, разделяющий их, называется холодным фронтом. Приток холодной массы, кроме понижения температуры, создает неустойчивость, резкиеизменения погоды, нередко ливни, снегопады и т.д.Наклон холодного фронта в среднем 1/85, однако в пограничномслое он много круче.
Холодный воздух здесь интенсивно вытесняет вверх теплый, в котором близ линии фронта развиваются конвекция и мощные облака. Они дают сильные ливневые осадки, грозы, порывы ветра и т.д. Различают холодные фронты двух типов:пассивный, над которым теплый воздух отстает от движения фронта,и активный холодный фронт, над которым скорость движения теплого воздуха больше, чем скорость фронта. Во втором случае верхний поток обгоняет фронт и опускается иногда даже до земли, принося туда сухой и теплый воздух. Однако чаще всего этот теплыйвоздух не доходит до земли и оттесняется вверх мощным восходящим потоком, развивающимся над головной частью холодного фронта вместе с высокими грозовыми облаками. Иногда у фронта грозовоеоблако или несколько таких облаков с низким основанием порождают смерч (торнадо) — вихрь в виде опускающейся из облака воронки либо столба диаметром 3-300 м.
Он видим благодаря конденсации в нем водяного пара, вызванной падением давления. Навстречус земли может подняться аналогичная воронка из пыли или брызгводы над морем.Смерч возникает при большой неустойчивости атмосферы, летомили осенью, и импульс ему может дать нисходящий поток воздуха, охлажденный выпадающим дождем. Скорость течения в смерчеможет достигать 40-100 м/с, и, опустившись до земли, он вызываетбольшие разрушения зданий, поломки леса вдоль сравнительно узкойполосы своего движения.Если холодный фронт движется быстрее теплого, он может догнать последний и объединиться с ним.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
