Барическое поле и ветер. Общая циркуляция атмосферы

Цель – знакомство с понятием «барическое поле», рассмотрение причин возникновения и основных характеристик ветра. Изучение основных типов воздушных масс и постоянных ветров, выявление зависимости между направлениями господствующих ветров и поясами атмосферного давления

Оборудование и материалы: климатическая карта Красноярского края и республики Хакассии, Атлас КАТЭК, 2 контурные карты мира, физическая карта мира.

Вопросы для предварительной подготовки

1. Барическое поле, изобарические поверхности, карты барической топографии. Барические системы.

2. Ветер. Причина возникновения ветра и его основные характеристики.

3. Геострофический и градиентный ветер.

4. Атмосферные фронты и струйные течения.

5. Географическое распределение давления. Центры действия атмосферы.

6. Зональность общей циркуляции в связи с зональным распределением давления. Меридиональные составляющие общей циркуляции и междуширотный обмен воздуха.

7. Циркуляция в тропиках. Внутритропическая зона конвергенции. Возникновение, перемещения и характеристика погоды в тропических циклонах.

8. Циркуляция атмосферы в умеренных и полярных широтах. Внетропические циклоны и антициклоны, возникновение, эволюция и характер погоды в циклоне и антициклоне.

Термины и понятия: изобары, изобарическая поверхность, изогипсы, геопотенциал, вертикальный и горизонтальный барический градиент, циклон, антициклон, барические гребни и ложбины, ветер, скорость ветра, штиль, направление ветра, изотахи, линии тока, роза ветров, румбы горизонта, сила Кореолиса, сила трения, орографическое усиление ветра, флюгер, анемометр, анеморумбометр, воздушная масса, теплый и холодный фронт, фронт окклюзии, пассаты, западные ветры, восточный перенос приполярных широт, муссоны, местные ветра, бриз, горно-долинный ветер, ледниковые и стоковые ветры, фён, бора, шквалы, смерчи и тромбы.

Задание 5.1 Изменение атмосферного давления с высотой

5.1.1. В двух пунктах, расположенных на широте 60° в горной местности, отмечались следующие значения метеорологических величин: в первом – давление 1030 гПа, температура 23,3°С, парциальное давление водяного пара 12,7 гПа; во втором – давление 950 гПа, температура 16,7°С, парциальное давление водяного пара – 7,3 гПа. Каково превышение одного пункта над другим (∆z)?

∆z можно рассчитать, используя Барометрическую формулу Лапласа:

∆z = 18400(1 +αt)(1 +0,378е/Р )(1 + 0,0026 cos 2φ)×(1+βz)lg Р₁/Р₂,

где Р₁ и Р₂ – давление на уровнях Z₁ и Z₂; z = (Z₁ + Z₂) /2 – высота над уровнем моря середины рассматриваемого слоя; t, е и Р – средние по высоте значения температуры (°С), парциального давления водяного пара и атмосферного давления в рассматриваемом слое; φ – широта места; β – коэффициент равный 3,14×10^-7 м^-1 для свободной атмосферы и 196×10^-7 м^-1 для горных местностей; множитель (1+0,378е/Р) учитывает влажность воздуха, множители (1+ 0,0026 cos 2φ) и (1+β z) характеризуют зависимость ускорения свободного падения от географической широты и высоты места над уровнем моря.

5.1.2. На станции, высота которой 200 м, давление равно 1000 гПа, а температура 10°С. Вычислить давление на уровне моря.

Для решения этой задачи, в начале необходимо определить барическую ступень h ≈ 8000/ Р (1+ αt) (м/гПа).

5.1.3. Проанализируйте рис.5.37. Какие барические системы можно выделить? Отметьте нахождение барического гребня, ложбины. Схематически изобразите в вертикальном разрезе положение изобарических поверхностей над областями повышенного и пониженного давления, укажите направления движения воздуха в циклоне и антициклоне

Рис. 5.37. Изобары на уровне моря (гПа)

Задание 5.2. Горизонтальный градиент давления

5.2.1. На синоптической карте расстояние между двумя соседними изобарами в направлении нормали к ним составляет 250 км. Определите величину градиента давления.

5.2.2. Каково значение горизонтального градиента давления между двумя станциями, расположенными на одном уровне, если разность давления в направлении нормали к изобарам составляет 5 гПа, а расстояние между станциями по этой нормали составляет 1200 км?

5.2.3. Расстояние по нормали между двумя изобарами, проведенными через 5 гПа на синоптической карте масштаба 1:1000000, составляет 3 см. Вычислите горизонтальный барический градиент.

Горизонтальный градиент давления – величина, характеризующая изменение давления (∆Р) в горизонтальном направлении по нормали (n) к изобарам, определяется по формуле: G_г = , где ∆n – расстояние между изобарами. В системе СИ единицей G_г служит Па/м. На практике G_г выражают в гПа/100 км.

Задание 5.3. Движение воздуха

3.1. Определить кориолисово ускорение на широте 50° при скорости движения воздуха 5 м/с.

Отклоняющая сила вращения Земли (кориолисова сила), действующая на единицу массы, т.е. ускорение движения А, создаваемое этой силой, выражается формулой: A=2ωVsinφ м/с², где ω=7,3×10^-5с^-1 – угловая скорость вращения Земли, V – скорость движения воздуха, φ – широта места.

5.3.2. Определить скорость геострофического ветра широте 50°, если градиент давления равен 5гПа/100 км при нормальной плотности воздуха (р = 1,292 кг/м³), sin 50° = 0,766.

Скорость геострофиче­ского ветра можно определить по формуле:

V_g =

5.3.3. По указанным в табл. 5.2 и 5.3 данным постройте розы ветров.

Таблица 5.2

Среднегодовая повторяемость направления ветра и штилей (%) на некоторых метеостанциях Среднесибирского УГМС

Метеостанция	С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	З	СЗ	ШТИЛЬ
Красноярск Опытное поле	2	3	6	2	13	53	7	4	24
Минусинск Опытное поле	13	15	4	4	4	36	15	9	38
Оленья речка	23	6	7	39	13	4	3	5	38

Таблица 5.3

Повторяемость направлений ветра (%) в январе и июле на некоторых метеостанциях Среднесибирского УГМС

Метеостанция	Месяц	С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	З	СЗ	ШТИЛЬ
Красноярск Опытное поле	Январь Июль	1 4	1 9	2 10	1 3	15 11	64 41	15 16	1 6	35 24
Минусинск Опытное поле	Январь Июль	15 15	13 19	1 5	2 6	2 4	44 23	13 17	10 11	60 31

Для построения розы ветров из одной точки по направлению основных румбов – С, СВ, В, Ю, ЮВ, ЮЗ, З, СЗ проводят восемь прямых (рис. 5.38).

	На каждой прямой в масштабе (в 1 мм - 1%) откладывают повторяемость этого румба за данный период. Концы полученных отрезков соединяют прямыми линиями. В центре графика помещается круг, в котором указывается число штилей.
Рис. 5.38. Роза ветров

1) Ветры, какого направления преобладают в каждом пункте? Какие ветры наблюдаются крайне редко?

2) Меняется ли направление ветров по сезонам? Как?

3) Как, на Ваш взгляд, при планировании градостроительства следует расположить жилые дома, промышленные и селитебные зоны относительно сторон горизонта и почему?

Задание 5.4. Географическое распределение давления. Проанализируйте карты распределение среднего атмосферного давления на уровне моря в январе и июле.

Определите на карте «Распределение среднего атмосферного давления на уровне моря в январе» (рис.5.39) и нанесите на контурную карту мира № 1: 1) экваториальную ложбину (с давлением ниже 1015 гПа) внутри которой имеются три области пониженного давления с замкнутыми изобарами: над Южной Аме­рикой, Южной Африкой и Австралией и Индонезией с давлением ниже 1010 гПа; 2) субтропические зоны высокого давления под 30–35° северной и южной широты с давлением выше 1020 мб, над сушей давление несколько ниже; 3) зону низкого давления в умеренных и субполярных широтах южного полушария; океанические барические депрессии с давлением в центре ниже 1000 гПа (исландская и алеутская); азиатский и канадский зимний антициклон с давлением в центре соответственно выше 1035 гПа и выше 1020 гПа; 4) области высокого давления в полярных широтах: над Гренландией и Антарктический антициклон.

Определите на карте «Распределение среднего атмосферного давления на уровне моря в июле» (рис.5.40) и нанесите на контурную карту мира №2: 1) летние депрессии: Южноазиатскую и Мексиканскую, расположенные примерно под 30-й параллелью с.ш.; 2) зоны высокого давления в субтропиках; 3) субполярную зону низкого давления; 4) антициклон над Антарктическим материком.

Каковы особенности географического распределения среднего давления на уровне моря в январе и июле? В северном и южном полушарии? Чем обусловлено фрагментарность зон высокого или низкого давления? Какие бывают центры действия атмосферы, где они расположены и ка­кие процессы приводят к образованию центров действия?

Рис. 5.39. Распределение среднего атмосферного давления на уровне моря в январе, гПа [83]

Рис. 5.40. Распределение среднего атмосферного давления на уровне моря в июле, гПа [83]

Рис. 5.41. Преобладающие направления ветра в январе [83]

Рис. 5.42. Преобладающие направления ветра в июле. Оперение стрелок указывает степень повторяемости данного направления ветра у земной поверхности: каждое перо на стрелке означает 10 % повторяемости данного преобладающего направления [83]

Задание 5.5 Познакомьтесь с представленными на рис. 5.41. и 5.42. преобладающими направлениями ветра у земной поверхности в январе и июле, и нанесите их на контурные карты мира соответственно № 1 и № 2. Укажите области распространения пассатов, ветров западной четверти над океанами в 40–60 широтах Южного полушария, восточные ветры высоких широт, муссонов, тропических циклонов. Ответьте на вопросы: 1) Какие направления ветра преобладают в январе, в июле? 2) Что является первопричиной возникновения тропических и внетропических муссонов? Какое направление имеет летний муссон и зимний муссон в тропиках? 3) В каких широтных зонах обра­зуется и как перемещается тропический циклон? Какой погодой характеризуется и каковы экономические последствия, вызываемые тропическим циклоном?

Темы презентаций-сообщений

1. Погода в тропическом и внетропическом циклоне и антициклоне. Роль циклонов и антициклонов в перераспределении тепла и влаги в географической оболочке.

2. Маломасштабные вихри. Тромбы (торнадо), смерчи, характеристика, условия формирования, распространения.

3. Местные ветры, основные виды и причины их образования. Новороссийская бора: основные характеристики и условия формирования.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие факторы влияют на изменение с высотой величины и направления барического градиента.

2. Силы, влияющие на скорость и направление ветра. От чего зависит скорость геострофического ветра и как он направлен в Северном и Южном полушариях?

3. Какую роль в общей циркуляции атмосферы играет подстилающая поверхность, форма и вращение Земли?

4. Чем обусловлено преобладание зональной составляющей над меридиональной в общей циркуляции атмосферы?

5. Расскажите в чем заключаются основные отличия внетропической циркуляции от циркуляции в тропиках.

Литература: [21; 68; 69; 79; 83; 84].