В.А. Магницкий - Общая геофизика (скан) (1119281), страница 40
Текст из файла (страница 40)
Тогда для тангенса угла наклона поверхности раздела фронта можно записать у др1/дх — др2/дх др /дх — др2/дх 1аа — — — —, (б 2) с1х др1/дг — др2/дг К (р1 р2) где, заменив др /дя на — р я и др /дя на — р2я, мы пренебрегли вертикальными ускорениями Ию/Ж (приближение гидростатики).
Если нет горизонтальных ускорений и ветер геострофический (нет трения), то др /дх = ~эр и др /дх = ф>р2, где р = р/КТ. Отсюда имеем формулу Маргулеса ~ р1и1 — р2и2 ~ Т1и2 — Т2и1 д р,— р, а Т,— Т, (6.3) 217 В частности, для Москвы а = 1/115. Если теплая воздушная масса, перемещаясь, оттесняет более холодную, то разделяющий их участок фронта называется теплым фронтом. 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 иногда 7 мбар, а за фронтом давление растет. При наличии фронтальной зоны, однако, этот скачок др/д1 несколько смазан. Когда холодная масса оттесняет теплую, то участок фронта, разделяющий их, называется холодным фронтом. Приток холодной массы, кроме понижения температуры, создает неустойчивость, резкие изменения погоды, нередко ливни, снегопады и т.д.
Наклон холодного'фронта в среднем 1/85, однако в пограничном слое 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 теплый воздух не доходит до земли и оттесняется вверх мощным восходящим потоком, развивающимся над головной частью холодного фронта вместе с высокими грозовыми облаками.
Иногда у фронта грозовое облако 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 конденса- ции в нем водяного пара, вызванной падением давления. Навстречу с земли может подняться аналогичная воронка из пыли или брызг воды над морем.
Смерч возникает при большой неустойчивости атмосферы, летом или осенью, и импульс ему может дать нисходящий поток воздуха, охлажденный выпадающим дождем. Скорость течения в смерче может достигать 40 — 100 м/с, и, опустившись до земли, он вызывает большие разрушения зданий, поломки леса вдоль сравнительно узкой полосы своего движения.
Если колодный фронт движется быстрее теплого, он может догнать последний и объединиться с ним. Так образуется комплексный фронт, называемый фронтом окклюзии. Наблюдения со спутников показывают, что вдоль фронта окклюзии имеется длинная полоса облаков (в меньшей степени, чем у других фронтов, замаскированная перистыми облаками), которая со временем закручивается — "загибается" в циклоническом вихре и распадается на несколько вихрей, Когда холодный фронт подходит к простирающемуся параллельно ему горному хребту, фронт задерживается и холодный воздух накапливается перед ним, а из вытесняемого вверх теплого воздуха выпадают сильные осадки. При этом другая часть холодного фронта может обойти хребет сбоку у его конца и затечь с другой его стороны. Фронтальные явления служат причиной почти 60% всех осадков.
циклонь~ и лнтиииклоны Для прогноза поля давления, ветра и погоды, зависящей от явлений у фронта, используется понятие о вихре. Обозначим через й вертикальную составляющую вихря скорости: й = ( др/дх — ди/ду) . Очевидно (рис. 6.2), возрастание и с ростом х (ди/дх>0) создает вращение против часовой стрелки, равно как и убывание и с ростом у. х,и П (~и Й~ Рис. 6.2. Составляющие вихря: и — — < О, б — — > О в~у ' ах 218 Дифференцируя первое уравнение динамики (5.9) по у, а второе по х, вычитая первое из второго и имея в виду, что при движении по оси х (на юг или север) параметр Кориолиса 1 = 2со, меняется и в то же время д1/ду = О, получаем с учетом выражения для полной производной дй дй дй дй ди дну д1 — +и — +т — + и — = — й+1 — + — — и — + д1 дх ду дя дх ду дх (6.4) где Р зависит от сил трения.
Величину (й + /) = ф называют абсотр лютным вихрем скорости. В циклонах Северного полушария $ >О, поскольку 1>0. Так как величина абсолютного'вихря существенно больше дивергенции дну ч, его расчет и анализ более надежны и наглядны. Обозначив через Л/Л~ операцию д/д1+ и (д/дх) + + ту ( д'/ду), находим, пренебрегая пока членами с ю, — — й+ 1 — + — + дЕ др до др + Р,, (6.5) член в квадратных скобках описывает горизонтальную бароклинность атмосферы. Там, где она слаба (вдали от фронтов, гор, побережий), можно, используя уравнение непрерывности (5.14), записать: Л дю Л1 дя' (6.6) 219 В областях восходящих движений абсолютный вихрь нарастает, в частности у линий сходимости, в областях общего прогрева воздушных масс, около больших облаков и т.д.
Везде, где й >0 и вихрь возрастает, можно ожидать углубления области низкого давления и усиления ветра. Возвращаясь к уравнению (6.4), мы видим, что оно описывает изменения одного из свойств поля ветра в функции самого ветра. Индивидуальное изменение вихря (левая часть) зависит прежде всего от дивергенции, определяющей первый член правой части. Второй чле» в (6.4> — и (д1/дх) — описмваес увеличение Й при смещеиии воздуха к югу. Этот член имеет тот же порядок, что и первый. Третий член зависит от горизонтальной бароклинности атмосферы. Оценка четвертого члена в (6.4) зависит от формы и скорости вертикальных движений, от рельефа и т.д. Он может быть велик в смерчах и других малых явлениях при больших и.
Последний член в (6.4) описывает Н, )тм 12 6 о Ч у Х Х а а я Х а а~~Ф Е::-' "'3т ~ 'Л6 — --7 ®У Рис. б.З. Стадии развития (а, б) и окклюдирования (в) циклона. Верхний ряд— эволюция циклона на синоптической карте. Нижний ряд — вертикальные разрезы циклона по линиям ху, указанным на верхних рисунках тонкими прямыми линиями. ! — линии верхних течений, 2 — струйное течение, 3 — теплый фронт, 4 — холодный фронт, 5 — области осадков, б — облачность без осадков, 7 — тропопауза, 8 — сечение струйного течения; Н вЂ” низкое давление,  — высокое давление 220 эффект трения, тормозящего все движение. Наблюдения показывают, что даже мощные тропические ураганы, выходя с моря на сушу с ее шероховатой поверхностью, затухают иногда за один день.
Циклоны — атмосферные вихри больших размеров, связанные с областями пониженного давления воздуха. В них образуются обширные системы облаков и осадков и происходят большие и важные изменения погоды. Иногда над более теплыми районами Земли могут возникать термические циклоны, где давление понижено благодаря присутствию более теплого и легкого воздуха. Так, над жаркой Передней Азией летом развивается большая "термическая депрессия". Намного чаще наблюдаются и являются гораздо более активными циклоны, возникающие вместе с волной на атмосферном фронте. Существуюшая близ фронта сходимость, согласно (б.4), благоприятна для циклогенеза — зарождения вихря с И > О, в области которого постепенно формируется область низкого давления (рис.
6.3). Если фронт простирался, как это чаще бывает, с запада на восток, то в восточной части этой области участок фронта начинает смещаться к северу, в западной — к югу и образуется фронтальная волна— первая стадия жизни циклона. Перед участком теплого фронта на востоке давление падает, за холодным фронтом на западе (в "тылу") — растет, и волна смещается постепенно к востоку. В дальнейшем сходимость (с ростом величины Й + д и адвекция холода в тылу циклона увеличивают амплитуду волны и углубляют область низ- кого--давления. Постепенно развиваются большие облачные системы обоих фронтов, наступает вторая стадия молодого циклона, движущегося обычно к востоку.
Когда более быстро движущийся холодный фронт догоняет теплый и, начиная от центра циклона, постепенно смыкается с ним, наступает третья стадия жизни циклона — стадия окклюзии. Система облаков принимает вид отдельных спиральных полос, сходящихся в "голове" облачного вихря над центром циклона. В четвертой стадии, когда смыкание фронтов распространится далеко от центра, начинается заполнение циклона, давление в нем растет и ветры ослабевают благодаря работе сил трения. Система его облаков, однако, может на несколько дней пережить циклон. Поскольку новые вихри легче образуются на холодных фронтах уже развитых циклонов — вслед за ними, то иногда наблюдается серия из 4-5 циклонов, идущих один за другим.
Такие серии более часты над Средиземным морем, над теплым Гольфстримом, над севером Европы и др. Чаще всего циклоны образуются либо проходят в областях больших контрастов температуры: у окраин теплых морских течений (рядом с Исландией, Алеутскими островами) или близ теплых морей и озер (Средиземного и Каспийского морей, Великих озер в США).
Летом там циклогенез ослабевает, но возникает пояс тропических циклонов — над океанами, над Африкой, Индией, Индо- китаем. Антициклон — область повышенного давления воздуха и отрицательного вихря (й < 0), вращающегося по часовой стрелке в Северном полушарии. Образование антициклонов связано с существованием циклонов, поскольку конвергенция, развитие положительного вихря и убыль массы в одних местах должны компенсироваться дивергенцией, отрицательным вихрем и прибылью массы— в других. Дивергенция течений из антициклона уменьшает вихрь согласно уравнению (6.7) пока величина Й+ 1 в правой его части не станет меньше нуля.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
