- •1. Предмет и метод метеорологии
- •2. Связь метеорологии с другими науками. Деление на научные дисциплины
- •3. Значение метеорологии для народного хозяйства и обороны страны
- •4. Особенности
- •6. Краткие сведения о достижениях метеорологической науки
- •7. Международное сотрудничество в области метеорологии
- •Глава 1
- •1.1. Состав воздуха вблизи земной поверхности
- •1.2. Состав воздуха
- •1.3. Уравнение состояния сухого воздуха
- •1.4. Уравнение состояния влажного воздуха
- •1.5. Характеристики влажности воздуха и связь между ними
- •2 Строение атмосферы
- •2.1. Основные сведения о Земле как планете
- •2.2. Принципы деления атмосферы на слои. Краткие сведения о методах исследования атмосферы
- •2.3. Тропосфера, стратосфера и мезосфера
- •2.4. Понятие о воздушных массах и фронтах
- •3 Статика атмосферы
- •3.1. Силы, действующие в атмосфере в состоянии равновесия
- •3.2. Уравнение статики атмосферы
- •3.3. Барометрические формулы
- •3.4. Барическая ступень
- •3.5. Вертикальный масштаб атмосферы
- •3.6. Геопотенциал. Абсолютная и относительная высота изобарических поверхностей
- •3.7. Стандартная атмосфера
- •Глава 4 Термодинамика атмосферы
- •4.1. Первое начало термодинамики применительно к атмосфере
- •4.2. Адиабатический процесс
- •4.3. Сухоадиабатический градиент
- •4.4. Потенциальная температура
- •4.5. Критерии устойчивости атмосферы по методу частицы
- •4.6. Изменение потенциальной температуры с высотой при различных видах стратификации атмосферы
- •4.7. Адиабатические процессы во влажном ненасыщенном воздухе
- •4.8. Влажноадиабатические процессы
- •4.9. Анализ состояния атмосферы с помощью термодинамических графиков
- •4.10. Стратификация атмосферы по отношению к влажноадиабатическому и сухоадиабатическому движению частицы
- •4.11. Метод слоя
- •Глава 5
- •5.2. Солнце и солнечная постоянная
- •Глава 6
- •6.1. Поглощение солнечной радиации в атмосфере Земли
- •6.2. Рассеяние солнечной радиации в атмосфере
- •6.3. Законы ослабления радиации в земной атмосфере
- •6.4. Прямая солнечная радиация
- •6.5. Рассеянная радиация
- •6.6. Суммарная радиация
- •6.7. Альбедо
- •Глава 7
- •7.1. Излучение земной поверхности
- •7.2. Излучение атмосферы
- •7.3. Полуэмпирические формулы для расчета излучения атмосферы и эффективного излучения земной поверхности
- •7.4. Влияние облачности на встречное и эффективное излучение
- •7.5. Суточный и годовой ход эффективного излучения
- •Глава 8
- •8.1. Радиационный баланс земной поверхности
- •Глава 9
- •9.1. Ламинарное и турбулентное состояние атмосферы
- •9.2. Простейшие характеристики турбулентности
- •9.3. Конвективный и турбулентный потоки тепла
- •Глава 11
- •11.1. Уравнение
- •Глава 12
- •12.1. Распределение температуры в тропосфере и нижней стратосфере
- •12.2. Инверсии температуры в атмосфере
- •Глава 14 Влажность воздуха
- •14.1. Уравнение переноса водяного пара в турбулентной атмосфере
- •14.2. Испарение
- •Глава 15
- •15.2. Зависимость теплоты фазового перехода и давления насыщенного водяного пара от температуры
- •Глава 16 Туманы
- •16.1. Физические условия образования и классификация туманов
- •Глава 17 Облака
- •Глава 18 Осадки
- •18.1. Классификация осадков
- •18.2. Процессы укрупнения облачных элементов и образования осадков
- •18.3. Наземная конденсация и осадки
- •Глава 19
- •19.1. Силы, действующие в атмосфере
- •19.2. Уравнения движения турбулентной атмосферы
- •Глава 21
- •21.1. Ветер в пограничном слое атмосферы
- •21.2. Местные ветры
- •Глава 22
- •22.1. Яркость небесного свода
- •22.3. Оптические явления в облаках, туманах и осадках
- •Глава 23
- •23.1. Ионизация атмосферы
- •23.3. Механизм образования электрических зарядов в грозовых облаках
- •23.4. Структура грозового облака. Рост града
- •23.5.. Полярные сияния
3.6. Геопотенциал. Абсолютная и относительная высота изобарических поверхностей
В последние десятилетия получил широкое распространение новый метод анализа полей давления в свободной атмосфере — метод барической топографии (БТ). В основе этого метода лежит применение карт БТ, составляемых по данным зондирования атмосферы во многих точках Земли. Введем понятие геопотенциала. Геопотенциалом Ф* уровня называется работа, которую необходимо совершить, чтобы поднять единицу массы в поле силы тяжести от исходного уровня (за который принимается, как правило, уровень моря) до этого уровня.
Поскольку при подъеме единичной массы на высоту dz затрачивается работа dФ* = gdz, формула для Ф*, очевидно, имеет вид
где z — высота точки над уровнем моря. Геопотенциал измеряется в м2/с2.
Геопотенциальная высота Ф представляет собой отношение геопотенциала Ф* к нормальному (стандартному) ускорению свободного падения g0 = 9,80665 м/с2, т. е.
Геопотенциальная высота имеет размерность длины. Ее единицей служит геопотенциальный метр (сокращенно гп. м). Поскольку g и g0 близки между собой, значения Ф и z незначительно отличаются друг от друга (по крайней мере, до высот порядка 30 км).
Введем геопотенциальную высоту в барометрические формулы (для примера ограничимся формулой реальной атмосферы). Если в формулу (3.3.3) ввести среднюю барометрическую температуру, то с учетом (3.6.1) она примет вид
Преимущество формулы (3.6.2) по сравнению с формулой (3.3.25) состоит в том, что при ее выводе не сделано допущение о независимости g от 2. Это замечание является общим в том смысле, что путем перехода от z к Ф обеспечивается учет зависимости g от высоты во всех уравнениях и формулах.
Абсолютной высотой изобарической поверхности (с давлением р) называется ее геопотенциальная высота Фр над уровнем моря. Из формулы (3.6.2) следует, что
Согласно формуле (3.6.3), Фр (при р = const) зависит от давления на уровне моря р0 и средней температуры υ столба воздуха, заключенного между уровнем моря и изобарической поверхностью.
Географические карты с нанесенными на них значениями абсолютной высоты изобарической поверхности называют картами абсолютной топографии (AT). На таких картах проводятся (как правило, через 40 гп. м) линии равных значений Фp называемые изогипсами (они представляют собой кривые пересечения изобарической поверхности с уровенными поверхностями). Поскольку изобарическая поверхность над циклонами имеет вогнутую (по отношению к земной поверхности) форму, а над антициклонами — выпуклую, то циклоны и антициклоны на картах AT представляют собой области с замкнутыми изогипсами соответственно с низкими и высокими значениями Фр в центре.
Широкое распространение в службе погоды получили также карты относительной топографии (ОТ), на которые наносятся значения относительных высот. Последние представляют собой превышение одной изобарической поверхности (р2) над другой (p1), выраженное в гп.м. Формула для относительной высоты имеет вид
Из этой формулы следует, что зависит только от средней температуры столба воздуха, заключенного между изобарическими поверхностями. С этой точки зрения карты ОТ эквивалентны картам средней температуры. Линии равных значений , проведенные на картах ОТ (через 40 гп.м), также называют изогипсами.
В дальнейшем в качестве вертикальной координаты вместо высоты иногда будет использовано давление. Поэтому приведем значения высот 2, на которых расположены (при среднем распределении температуры по высоте (см. рис. 2.1) и р0 = 1013,2 гПа) изобарические поверхности с давлением р:
p гПа |
1000 |
900 |
850 |
800 |
700 |
500 |
300 |
z км |
0,11 |
0,98 |
1,45 |
1,94 |
3,02 |
5,58 |
9,18 |
p гПа |
200 |
100 |
50 |
20 |
10 |
5 |
1 |
z км |
11,8 |
16,2 |
20,6 |
26,5 |
31,2 |
36,1 |
48,6 |
По сравнению со всеми другими метеорологическими величинами (температурой, влажностью, ветром, радиацией и др.) давление имеет слабо выраженный периодический ход. Его удается обнаружить разложением средних кривых изменения давления на простые гармоники. Таким путем обнаружены колебания давления с периодами 24, 12, 8 и 6 ч. Наибольшую амплитуду имеет полусуточная волна (с периодом 12 ч). Наиболее ярко полусуточные колебания выражены в тропических широтах, где амплитуда колебаний давления достигает 3—4 гПа. Максимумы давления наблюдаются в 9—10 и 21—22 ч, минимумы — в 3—4 и 15—16 ч (местного солнечного времени). В умеренных и высоких широтах амплитуда периодических колебаний давления не превышает нескольких долей гектопаскаля.
Периодические изменения давления не играют существенной роли в погодообразующих процессах. Периодические колебания полностью перекрываются непериодическими изменениями давления, которые обусловлены движением и эволюцией барических систем. Непериодические изменения давления имеют исключительно большое значение, поскольку с движением барических систем и их эволюцией связано изменение погоды во времени и пространстве. Эти вопросы, имеющие прямое отношение к прогнозу погоды, детально рассматриваются в курсе синоптической метеорологии.