книги из ГПНТБ / Океанография и морская метеорология учебник

из определения общего количества облаков N как сте­ пени покрытия неба, определения количества нижних облаков Nh, для которых можно определить высоту, и определения формы облаков. Количество облаков опре­ деляется по 1 0 -балльной шкале, в которой 0 баллов — облаков нет, 1 0 баллов — все небо покрыто облаками. Промежуточные баллы показывают десятые части небо­ свода, покрытого облаками. Формы облаков определя­ ются согласно Международной классификации облаков, в основу которой положены высота, на которой встре­ чаются данные формы, и их внешний вид.

В зависимости от высоты облака подразделяются на ярусы.

Облака верхнего яруса — это облака с высотой бо­ лее 6000 м. К верхнему ярусу относятся три характерные формы: перистые (по латыни cirrus), которые обозна­ чаются Сі, перисто-кучевые (cirrocumulus) — Сс и пери­ сто-слоистые (cirrostratus) — Cs. Облака образованы скоплением мельчайших ледяных кристаллов, всегда бе­ лесоватого цвета, Солнце и Луна сквозь них свободно просвечивают. Осадков не дают.

К среднему ярусу относятся облака, встречающиеся на высотах от 2000 до 6000 м. Наиболее характерными облаками этого яруса являются высококучевые облака

(altocumulus) — Ас и высокослоистые (altostratus) — As. Облака типа Ас имеют отчетливо выраженные округ­ лые образования с темной серединой, а облака типа As представляют собой достаточно однородную пелену се­ роватого цвета. Солнце и Луна через облака среднего яруса только угадываются, края размыты. Из этих обла­ ков осадки достигают поверхности океана только в зим­ ний период и в высоких широтах.

Облака нижнего яруса находятся на высотах до 2 0 0 0 м. К этому ярусу относятся облака слоисто-кучевые

чаются облака, у которых нижнее основание расположе­ но в непосредственной близости земли, а вершины мо­ гут достигать облаков верхнего яруса. Такие облака не укладываются в принятые ярусы, поэтому их выделяют

329

дождевые (cumulonimbus) — Cb. Эти облака дают ливне­ вые осадки, имеющие прерывистый характер и часто со­ провождающиеся грозовыми явлениями. Классификация облаков приведена в табл. 26.

3 3 0

ные заряды и др., и установления типа осадков. Разли­ чают три типа осадков: обложные, которые выпадают обычно из облаков слоисто-дождевых (Ns), слоисто-ку­ чевых (Sc), реже из высокослоистых (As) (осадки этого типа отличаются большой продолжительностью, малой интенсивностью, большой монотонностью); ливневые, от­ личающиеся малой продолжительностью, но большой интенсивностью (диаметр капель ливневого дождя всегда больше 1 мм); моросящие осадки (для этого типа осадков характерна очень малая скорость падения, вследствие чего общая сумма выпавшей _воды ничтожно мала).

Т у м а н о м называется помутнение воздуха в при­ земном слое атмосферы, вызванное продуктами конден­ сации (или сублимации) водяного пара, при котором горизонтальная видимость меньше 1 км. При видимо­ сти от 1 до 10 км это явление называется дымкой. Обра­ зование туманов происходит при насыщении воздуха во­ дяным паром и наличии в воздухе ядер конденсации (кристалликов солей, растворенных в воде, продуктов сгорания и др.) под воздействием следующих про­ цессов:

—охлаждения нижнего слоя воздуха путем тепло­ обмена с подстилающей поверхностью;

—испарения с поверхности воды в более холодный воздух;

—поступления в приземный слой воздуха водяного пара с продуктами неполного сгорания топлива в печах промышленных предприятий, двигателях внутреннего сгорайия и др. Туманы, вызванные этим процессом, ча­ сто называют смогом.

Наблюдающиеся в морях и океанах туманы бывают трех типов: адвективные, туманы испарения и фрон­ тальные.

Адвективные туманы образуются при надвижении (адвекции) теплого воздуха, имеющего повышенное влагосодержание, на более холодную водную поверхность или льды. Для туманов этого типа характерны большая горизонтальная протяженность и длительность. Густые адвективные туманы особенно часто встречаются при плавании в зоне холодного течения. Характерно, что при движении воздуха поперек изотерм водной поверхности

331

туманы могут сохраняться даже при сильных ветрах (до 6 —7 баллов).

Туманы испарения образуются при надвижении хо­ лодного воздуха на теплую поверхность океана или мо­ ря, когда температура нижнего слоя воздуха на 1 0 ° и более ниже температуры воды. При этом густота тумана испарения пропорциональна величине разности темпера­ тур воздух — вода.

Фронтальные туманы образуются в зоне соприкосно­ вения теплой и холодной воздушных масс, где происхо­ дит сильное увлажнение воздуха выпадающими осад­ ками.

В и д и м о с т ь в кораблевождении при применении оружия имеет огромное значение. Метеорологической дальностью видимости называется предельное расстоя­ ние, дальше которого при данной прозрачности атмосфе­ ры абсолютно черный объект больших угловых разме­ ров сливается с фоном неба, дымки или облаков у гори­ зонта и вследствие этого становится невидимым. На ко­ раблях и судах ВМФ видимость определяется расстоя­ нием до того объекта, который различим на фоне неба хотя бы в виде размытого пятна. При отсутствии види­ мых ориентиров видимость определяется по степени рез­ кости линии горизонта. При видимости менее 2 миль не­ обходимо указывать причину пониженной видимости (дождь, морось, снег и др.). Видимость в тумане обыч­ но не указывается, так как всегда подразумевается, что она меньше 0,5 мили.

Физические параметры, характеризующие состояние атмосферы, меняются как по вертикали, так и по гори­ зонтали. По характеру изменения температуры воздуха с высотой атмосфера подразделяется на пять слоев: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзо­ сферу.

Характерной особенностью т р о п о с ф е р ы являет­ ся 'понижение температуры с высотой, хотя на отдель­ ных высотах можно встретить постоянство температуры (изотермия) и даже ее повышение (инверсия). Среднее значение вертикального градиента температуры в тропо­ сфере составляет 0,65° С на 100 м. Однако в отдельные моменты-времени градиент может быть даже положи­ тельным, обусловливая инверсию, что особенно харак­ терно для нижней части тропосферы. Другой особенно­

3 3 2

стью тропосферы является наличие в большом количе­ стве водяного пара, благодаря которому в тропосфере образуются облака, осадки, туманы.

Характеристики остальных слоев атмосферы приве­ дены в табл. 27.

По принципу взаимодействия атмосферы с земной поверхностью атмосферу делят на пограничный слой (высотой до 1500 м) и свободную атмосферу. В свою очередь в пограничном слое выделяют .приземный или. приводный слой, расположенный до высоты 10 м. Вну­ три приводного слоя значения физических параметров, характеризующих состояние атмосферы, принимаются неизменными вследствие интенсивного перемешивания.

В зависимости от состава воздуха атмосферу подраз­ деляют на гомосферу, гетеросферу и геокорону. В гомо­ сфере газовый состав воздуха остается почти неизмен­ ным, за исключением переменной его части — углекис­ лого газа, водяного пара и других примесей. Считается, что верхняя граница гомосферы достигает 95 км. Выше этой границы располагается гетеросфера, в которой на­ чинает появляться в заметных количествах атомарный кислород и азот наряду с молекулярным видом. Самая верхняя часть атмосферы называется геокороной; она состоит в основном из атомов водорода. Следы геоко­ роны теряются на расстояниях порядка 2 0 0 0 0 км от по­ верхности Земли. Таким образом, атмосфера как воз­ душная оболочка Земли не имеет четко выраженной церхней границы; она, постепенно разрежаясь, переходит в межпланетное пространство.

3 3 3

Сведения о физических свойствах атмосферы и ее строении получены главным образом в последнее время с помощью радиозондов, аэростатов, самолетов, метео­ рологических ракет, искусственных спутников Земли и космических кораблей.

Запуск искусственного спутника Земли, осуществлен­

Ю. А. Гагариным, и последующие полеты летчиков-кос- монавтов открыли новую эру в исследовании верхних слоев атмосферы. Теперь с достаточной точностью стало возможным не только качественно, но и количе­ ственно оценить параметры, характеризующие верхние слои земной атмосферы.

§ 31. СТАНДАРТНАЯ АТМОСФЕРА

Эксплуатация, испытание, конструирование лета­ тельных аппаратов и различных технических средств требуют сведений о значениях метеорологических эле­ ментов и их изменениях с высотой. Между тем фактиче­ ские значения плотности воздуха, его температуры, дав­ ления, влажности и других геофизических параметров, меняются в широком диапазоне. Поэтому для сравнения результатов испытаний и учета влияния метеорологиче­ ских элементов их значения приводятся к нормальным (осредненным) условиям. Атмосферу с таким нормаль­ ным распределением основных метеорологических эле­ ментов и параметров называют стандартной атмосферой. Влияние же их фактических значений учитывается путем расчета поправок, учитывающих отклонение реальных значений от принятых в стандартной атмосфере. Это значительно упрощает расчеты и

торая содержит значения температуры, давления, плот­ ности, молекулярной массы воздуха, скорости звука и др. В таблице даны интервалы высот от 20 м до 5 км. За нулевую поверхность принят уровень океана со зна­

334

Г Л А В А 8

АНАЛИЗ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

ВПРИВОДНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ

§32. ПРИЕМЫ АНАЛИЗА МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

Метеорологические элементы изменяются как в про­ странстве, так и во времени, т. е. являются функциями координат точки' и времени

Совокупность значений метеорологических элементов во всем пространстве или в ограниченной области про­ странства называют полем метеорологического эле­ мента.

Пространственное распределение любого метеороло­ гического элемента в фиксированный момент времени характеризуется с помощью эквискалярных поверхно­ стей, под которыми подразумевают такие поверхности, в каждой точке которых элемент сохраняет постоянную величину. Эквискалярные поверхности описываются уравнением

правление которого совпадает с нормалью N к эквиска-

336

лярной поверхности в сторону низких значений, а мо­ дуль равен пределу отношения приращения AF к рас­ стоянию между эквискалярными поверхностями AN:

В формуле знак минус поставлен для того, чтобы мо­

Рис. 64. Эквискалярные поверхности в атмосфере

Так как на практике удобнее оперировать не вектор­ ными величинами, а скалярными, то найдем проекции вектора градиента на стандартные оси координат. Для этого возьмем две близко расположенные эквискалярные поверхности F и F + AF. Пусть AF<0, это означает, что величина элемента на поверхности F + AF меньше, чем на поверхности F (рис. 64).

Сначала найдем проекцию градиента эквискалярной

Таким образом, проекция градиента любого метеоро­ логического элемента на какое-либо направление равна частной производной от этого элемента по направле­ нию / с обратным знаком.

Для наших целей наибольший интерес представляют проекции на оси х, у и г. Поэтому, если горизонтальное направление выбрать таким образом, чтобы оно совпало с направлением нормали п к кривым, образованным пе­ ресечением эквискалярных поверхностей горизонталь­ ной плоскостью, то горизонтальная проекция градиента будет равна

Под составляющими градиента понимают векторы, величины которых равны модулю проекций и направле­ ны в сторону убывания значений самого элемента. По­ скольку нормаль п направлена всегда в сторону убыва­ ния, то горизонтальный градиент всегда положителен

( - ^ - > 0 ^, вертикальный же может быть как поло­

жительным, так и отрицательным. Из рис. 64 следует, что

Ж - ~ 1 ш 51па и — ST = ± ( — ж ) С0Эа’ (8 -9)

где a — угол наклона эквискалярной поверхности к го­ ризонтальной плоскости. Так как производная от функ-

3 3 8