книги из ГПНТБ / Океанография и морская метеорология учебник

дни отрицательна тогда, когда сама функция с возраста­ нием аргумента убывает, то справедливо такое общее правило: если значение метеорологического элемента с высотой убывает, то вертикальный градиент положите-

лен ( ---- а если возрастает, то отрицателен

dF

dz < 0

Линии, образующиеся при пересечении горизонталь­ ной плоскости изоповерхностями метеоэлемента, называ­ ются изолиниями данного элемента (изобары, изотермы и т. д.). Они характеризуются следующими особенно­ стями:

—носят плавный характер;

—замыкаясь, образуют очаги высоких и низких зна­ чений поля метеорологического элемента;

—густота изолиний пропорциональна величине гра­ диента поля;

—никогда не пересекаются.

Если X, у и z представляют собой координаты неко­ торой индивидуальной воздушной частицы, изменяющей свое положение в пространстве, то они сами являются функциями времени, т. е.

Изменение же элемента со временем внутри движущей­ ся частицы можно охарактеризовать полной производ­ ной от F по времени. Тогда, применяя правило диффе­ ренцирования сложных функций, будем иметь

При этом полная производная характеризует скорость изменения метеорологического элемента в движущейся частице и поэтому называется индивидуальной произ-

изменения - метеорологического элемента в данной фик­

сированной точке пространства и называется локальной производной.

Из (8.12) следует, что

Таким образом, в данной точке пространства изменение значений поля происходит под влиянием:

— изменения этих элементов в движущихся индиви-

/ d F '

дуальных частицах I

— адвекции частиц, т. е. горизонтального переноса

При такой замене локальной производной на инди­ видуальную, адвективную и вертикальную осуществляет­ ся переход к изучению физических свойств атмосферы в различных неподвижных точках пространства. Это и со­ ответствует понятию полей метеорологических элементов.

2. Л а п л а с и а н . Этот оператор был введен Лапла сом и представляет собой скаляр, величина которого равна сумме вторых производных:

d*F d*F

(8.14)

дх2 "г" ду2

Лапласианы нашли широкое применение при построе­ нии прогностических синоптических карт, так как поз­ воляют учитывать наличие вихревых движений в атмо­ сфере.

3. Я к о б и а н . Этот оператор был введен русски математиком Якоби и представляет собой новый вектор, величина которого определяется комбинацией горизон­ тальных производных двух функций. Оператор обозна­ чается (Р, Т) и вычисляется из выражения

логии даже непрерывные поля (поле давления, ветра, температуры) всегда представлены дискретными значе­

3 4 0

ниями метеорологических элементов в отдельных пунк­ тах. Поэтому строгое вычисление производных, входя­ щих в значения операторов, вынуждены заменять при­ ближенным путем замены бесконечно малых прираще­ ний значений метеорологического поля его конечными разностями.

Перемещая начало координат из точки О в любую точку расчетной сетки и принимая эту точку за новое начало координат, вычисляются производные для всех интересующих нас точек. При расчетах производных по высоте или по времени действуют аналогично, выбирая

341

при этом соответствующие шаги по вертикали (8 Z) или по времени (В*). Тогда для вычисления градиента ме­ теорологического поля на плоскости имеем

При расчете барического градиента поступают еще более приближенно, определяя его как разность давле­ ния в двух точках, удаленных на 1 ° широты или на 100 км. Если изобары проведены через 5 мбар, то мо­ дуль барического градиента будет равен

где Д —- расстояние между изобарами по нормали, мили. Вычисление лапласиана производится по тем же фор­ мулам для вычисления производных; подставляя зна­ чение вторых производных в формулу лапласиана, по­

лучим

§ 33. ПОЛЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА

Для наглядного представления о распределении поля температуры воздуха строятся специальные карты изо­

Из сопоставления конфигурации изотерм можно сде­ лать вывод, что температура воздуха у земной поверх­ ности уменьшается от экватора к полюсам неравном'ер-

342

но, причем особенно значительное ее изменение проис­ ходит в зимнее время года.

В Северном полушарии изотермы в одних местах от­ клоняются к полюсам, а в других — к экватору. В Юж­ ном полушарии, где водная поверхность по площади

Частые вторжения холодного воздуха из Арктики зи­ мой на северо-восток Азии и Северной Америки и его радиационное выхолаживание приводят к сильному по­ нижению температуры в этих районах. Самые низкие

—48°) и над Гренландией (—40°). Здесь вырисовыва­

В среднем Северное полушарие более теплое, чем Южное. Средняя годовая температура воздуха в при­ земном слое Северного полушария равна +15,2°, а Юж­ ного + 13,2°. Такое распределение температуры объяс­ няется тем, что в Северном полушарии больше суши, которая прогревается значительно интенсивнее и спо­ собствует нагреванию воздуха. Поэтому и термический экватор как линия, соединяющая точки с максимальны­ ми средними годовыми температурами, смещен в Север­ ное полушарие. Абсолютный минимум температуры в Северном полушарии зарегистрирован в Оймяконе (Яку­ тия) и составляет —71°, в Южном полушарии на совет­ ской станции «Восток» (Антарктида) он составляет —88,3°. Самая высокая температура отмечена в Триполи

(Ливан)---- 1-58°.

Географическое распределение температуры и влаж­ ности воздуха по земному шару показано на рис. 6 6 . Из него видно, что абсолютная влажность воздуха в своем распределении приблизительно следует за рас­ пределением температуры воздуха. Наибольшее значе­ ние она имеет в. экваториальной области и убывает к по­ люсам. Изменение относительной влажности с широтой имеет более сложный характер, минимальная ее вели­ чина наблюдается в тропических широтах, а макси­ мальная — в высоких. Наибольшее влагосодержание от­ мечается всегда над океанами и морями.

343

Суточный ход температуры и влажности воздуха.

Суточным ходом любого метеорологического элемента называется изменение его величины в течение суток.

Рис. 66. Географическое распределение температуры и влажности

Рис. 67. Суточный ход температуры (t) и влаж­ ности:

е , — а б с о л ю т н а я в л а ж н о с т ь I т и п а ; е 2 — а б с о л ю т н а я в л а ж н о с т ь I I т и п а ; г —. о т н о с и т е л ь н а я в л а ж н о с т ь

Характер суточного хода температуры воздуха показан на рис. 67. Максимальная температура над водной по­ верхностью обычно наблюдается спустя 2 —3 ч после

344

полудня, затем она начинает понижаться и достигает минимума перед восходом Солнца. Такое закономерное изменение температуры в течение суток называется пра­ вильным суточным ходом.

Разность между максимальной и минимальной вели­ чинами метеорологического элемента в течение суток называется суточной амплитудой данного элемента. Су­ точная амплитуда температуры воздуха над морями и океанами значительно меньше, чем над сушей.

Суточный ход абсолютной влажности воздуха опре­ деляется величиной испарения и вертикальным обме­ ном, способствующим переносу водяного пара в верхние слои воздуха. Выделяют два типа суточного хода абсо­ лютной влажности. Первый тип аналогичен ходу тем­ пературы. Он наблюдается при незначительном верти­ кальном обмене и при интенсивном испарении, т. е. над водной поверхностью и над континентами зимой. Мини­ мальная влажность наблюдается перед восходом Солн­ ца, максимальная в 14—15 ч. Второй тип суточного хода, имеющий вид двойной волны, наблюдается на континентах летом и на побережье при устойчивом ветре.

Годовой ход температуры и влажности воздуха. Го­ довой ход температуры воздуха обусловлен ходом сол­ нечной радиации и земного излучения. Он определяется прежде всего широтой места. Наименьшая величина го­ довой амплитуды наблюдается в экваториальной зоне, где приток солнечного тепла в течение года меняется мало. С увеличением широты приток солнечного тепла изменяется, вследствие чего годовая амплитуда увели­ чивается, достигая наибольших значений в полярных широтах. На годовой ход температуры воздуха большое влияние оказывает характер подстилающей поверхно­ сти. Над океанами годовые колебания температуры зна­ чительно меньше, чем над сушей. В Северном полу­ шарии самый теплый период на суше — июль, а над океанами и морями — июль, август. Самый холодный месяц на суше — январь, а над океанами — февраль или

март.

Годовой ход как абсолютной, так и относительной влажности имеет простой характер. Абсолютная влаж­ ность повторяет ход температуры воздуха. Минимум наступает в январе, максимум — в июле. Годовой ход

345

относительной влажности обратен годовому ходу тем­ пературы, максимум наступает в самые холодные ме­ сяцы, а минимум приходится на самые теплые, только в областях с муссонным климатом годовой ход относи­ тельной влажности становится противоположным.

Изменения температуры и влажности воздуха с вы­ сотой в нижнем слое атмосферы определяются главным образом его теплообменом с земной поверхностью. Эти

изменение температуры воздуха с высотой графически изображается кривой стратификации (рис. 6 8 ).

Слои инверсии и изотермии играют большую роль в атмосферных процессах, они предопределяют условия распространения электромагнитных и звуковых волн в атмосфере. Над морями и океанами наблюдаются глав­ ным образом инверсии адвективного происхождения, возникающие при перемещении теплой воздушной мас­ сы в район холодных течений или льдов. Они часто сопровождаются туманами, имеющими большую гори­ зонтальную протяженность.

Изменение абсолютной влажности воздуха с высотой зависит от процессов испарения и конденсации, обра­ зования осадков, степени развития конвекции и турбу­ лентного обмена. Относительная влажность с высотой, по данным наблюдений, убывает неравномерно, в верх­ них слоях убывание ее замедляется. Наибольшая отно­ сительная влажность наблюдается на уровне конвекции.

Основы термодинамики атмосферы. Процессы, про­ текающие в атмосфере, связаны с постоянным перехо­

3 4 6

дом энергии из одного вида в другой. Такие переходы наблюдаются при нагревании и охлаждении воздуха, при поглощении и трансформации энергии Солнца, кон­ денсации водяных паров, испарении и т. д. При всех этих превращениях атмосферу можно рассматривать как определенную термодинамическую систему, к кото­ рой применимы основные положения физики, позволяю­ щие получать важные прогностические выводы.

Установим закономерности изменения температуры воздуха под влиянием различных факторов, приводящих к ее изменению. Для этого используем первое начало термодинамики, выражающее закон сохранения энер­ гии. Согласно этому закону можно утверждать, что ко­

Внутренняя энергия газа определяется кинетической энергией движения его молекул и для 1 г газа равна

Работа, совершаемая при расширении газа, когда давление не меняется, определится соотношением

где Р — давление, а V — объем.

Чтобы выразить эту работу в тепловых единицах, необходимо PA.V умножить на термический эквивалент

347

Далее возьмем уравнение Клапейрона — Менделеева, выражающее состояние газа в виде

Если процесс притока тепла происходит при ПОСТОЯН- ном давлении (Р = const), то dP —0, а

dQ = (сР— AP) dT + ARdT — AVdP =

= C p d T — ARdT + ARdT — AVdP = cPdT — AVdP, (8.39)

а так как из уравнения Клапейрона — Менделеева Ѵ=

RT

——р~, то окончательно

Из полученного уравнения следует, что изменение температуры воздуха обусловливается не только при­ током тепла, но и изменением внешнего давления. Дей­ ствительно, из (8.40)

рр

348