Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Учение об атмосфере. Учебное пособие-1
.pdf
1. Общие сведения об атмосфере
Рис. 3. Осредненный вертикальный разрез облачной
системы ХФ I рода (https://wind-sail.ru/weather)
21
бражение). Такие фронты называются ХФ I рода (рис. 3). При этом
происходит похолодание.
При быстром перемещении ХФ теплый воздух с большой верти-
кальной скоростью поднимается по клину холодного воздуха, что
приводит к образованию кучево-дождевых облаков, из которых выпадают ливневые осадки (иногда град), сопровождающиеся нередко
грозами. Такие фронты называются ХФ II рода (рис. 4). Если теплый
воздух недостаточно увлажнен, то при приближении ХФ II рода может наблюдаться лишь сильный ветер и происходит похолодание
после его прохождения.
Атмосферное давление перед ХФ изменяется мало, а за ним начи-
нает интенсивно расти. Ветер при прохождении фронта усиливается
(иногда может доходить до шквала) и поворачивает вправо. Температура воздуха при этом понижается.
ХФ движутся быстрее ТФ, так как большая плотность холодного
воздуха создает большую энергию движения, поэтому ХФ «догоняют»
22
Рис. 4. Осредненный вертикальный разрез облачной системы ХФ
II рода (https://wind-sail.ru/weather)
Учение об атмосфере: учебное пособие
Рис. 5. Осредненный вертикальный разрез облачной системы ФО по типу
теплого (https://wind-sail.ru/weather)
1. Общие сведения об атмосфере
Рис. 6. Осредненный вертикальный разрез облачной системы ФО по типу
холодного (https://wind-sail.ru/weather)
23
теплые и происходит смыкание их облачных систем. В результате
образуется сложный фронт, называемый фронтом окклюзии (ФО).
Фронты окклюзии могут быть теплыми и холодными в зависимости
от того, где воздух холоднее: перед теплым фронтом (рис. 5) или за
холодным (рис. 6). На ФО теплый воздух вытесняется вверх, ахолодный и более холодный находятся у поверхности земли. Погода
на ФО характеризуется сочетанием погоды, типичной для теплого и
холодного фронтов.
Как при теплом, так и при холодном фронте окклюзии при не-
большом контрасте температур в массах холодного воздуха и при
условии, что этот контраст не усиливается, происходит размывание
фронтов окклюзии. Если же контраст температур достаточно большой или он усиливается, то развивается облачность по типу теплого
или холодного фронтов.
24
Учение об атмосфере: учебное пособие
1.4.2. Основные барические образования
Движение ВМ и связанных с ними фронтов зависит от распределения атмосферного давления вдоль земной поверхности. Для
выяснения распределения давления на синоптических картах погоды проводят изобары. Изобара – это линия, соединяющая точки с
одинаковым атмосферным давлением. После проведения изобар на
картах в одних местах выявляются зоны пониженного давления, а в
других – повышенного. Области с замкнутыми изобарами с пониженным атмосферным давлением называются циклонами, а области
с повышенным атмосферным давлением – антициклонами.
500 км
Рис. 7. Основные барические образования (Н – центр циклона,
В – центр антициклона) [8]
Циклоны и антициклоны (рис. 7) – это огромные вихри в атмосфере с диаметрами от нескольких сот километров до одной – двух
тысяч. В северном полушарии у поверхности земли в циклоне воздушные потоки (ветер) направлены по спирали против хода часовой
стрелки к центру, т. е. к месту наименьшего атмосферного давления,
а в антициклоне – по ходу часовой стрелки от центра к периферии.
1. Общие сведения об атмосфере
В циклоне воздух у поверхности земли стекается к центру и под-
нимается вверх, что приводит к образованию облаков, так как в поднимающемся воздухе за счет охлаждения происходит конденсация
(сублимация) водяного пара.
В антициклоне воздух у поверхности земли растекается от цен-
тра, а воздух верхнего слоя опускается. В результате образуются
нисходящие потоки. Воздух верхних слоев, опускаясь, сжимается,
нагревается и создает условия для рассеивания облачности.
В умеренных широтах циклоны образуются на АФ. При развитии
циклона передний участок фронта называется теплым, а тыловой –
холодным. Участок циклона, занятый теплой ВМ, вклинивается в
виде языка в холодный воздух и образует теплый сектор циклона.
Циклон развивается до тех пор, пока ХФ не «догонит» теплый, т. е.
пока не произойдет окклюдирование. По условиям погоды в молодом циклоне выделяют следующие участки: переднюю (перед ТФ),
центральную, тыловую части (за ХФ) и теплый сектор.
В передней части циклона, перед ТФ отмечается обычно паде-
ние атмосферного давления со временем, а в тыловой, за ХФ – рост.
В теплом секторе циклона атмосферное давление изменяется мало,
а условия погоды наблюдаются такие же, как в устойчивой ВМ.
По изменению атмосферного давления можно судить о наступлении
потепления или похолодания, о приближении, как правило, обложных
или ливневых осадков и т. д., т. е. о погоде, связанной с атмосферным
фронтом (теплым или холодным). Изобары в циклонах и антициклонах имеют форму, близкую к кругам или овалам. Их вытянутые части
называются в циклонах ложбинами, в антициклонах – гребнями, а барические области, расположенные между двумя крест-накрест лежащими циклонами и антициклонами, – седловинами (см. рис. 7).
После анализа условий погоды по синоптическим картам и спут-
никовым фотоснимкам облачного покрова (картам нефанализа)
приступают к прогнозу погоды и выработке рекомендаций на предстоящие сутки, учитывая особенности загрязнения атмосферы.
В целом знание строения атмосферы, условий погоды в различ-
ных частях барических образований и на атмосферных фронтах позволит принимать грамотные решения в сложных метеорологических условиях и спрогнозировать возможные уровни загрязнения.
25
26
1.4.3. Метеовеличины и единицы их измерения
Метеорологическими величинами (метеовеличинами) принято
называть количественные характеристики физических параметров
состояния атмосферы. Согласно ГОСТу 16263-70 для свойства, общего в качественном отношении многим физическим объектам, но
в количественном отношении индивидуального для каждого объекта, разрешается употреблять только термин «величина» взамен ранее применявшегося термина «метеоэлемент».
К метеовеличинам относятся температура, давление, плотность
и влажность воздуха; скорость и направление ветра; количество,
высота и толщина облаков; интенсивность осадков; метеорологическая дальность видимости; водность туманов, облаков и осадков;
потоки лучистой энергии и тепла и др.
Температура воздуха. Название температура произошло от лат.
temperatura – надлежащее смешение, нормальное состояние. Это –
физическая величина, примерно характеризующая приходящуюся
на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц
макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.
Из физики известно, что температура – это мера средней кинетической энергии движения молекул. Чем выше температура, тем
быстрее движутся молекулы, тем больше их кинетическая энергия.
Впринципе, температуру следовало бы измерять в единицах энергии. Однако ее измеряют в градусах, поскольку это удобнее и так
сложилось исторически. При абсолютном нуле молекулы будут неподвижны. Для физики атмосферы следует говорить не о движении
молекул, а о движении элементарных частиц, так как на высотах
200–300 км молекулы распадаются на атомы, а выше – на ионы и
протоны. Масса этих частиц неодинакова и на одной и той же высоте ионная и протонная температура будут различны. При этом
первая будет выше, чем вторая, так как масса иона больше массы
протона. Однако температуру там не измеряют, а рассчитывают теоретически (ее не измерить из-за большого свободного пробега элементарных частиц и влияния солнечной радиации на датчик температуры). У земной поверхности и до высоты 100–150 км измеряют
Учение об атмосфере: учебное пособие
1. Общие сведения об атмосфере
молекулярную температуру, т. е. обычную. Измерения проводят
термометром (а не «градусниками») и выражают в градусах Международной практической температурной шкалы, называемых градусами Цельсия (С).
При теоретических расчетах используется термодинамическая
температурная шкала – Кельвина, а единицы измерения называют
кельвинами (К). Обозначают обычно эти температуры соответственно T и t. При этом
T = t + 273 и t = T – 273.
В шкале Цельсия могут быть температуры положительные и от-
рицательные, так как за 0 оС принята температура таяния льда, а в
шкале Кельвина все температуры положительные. Существуют и
другие температурные шкалы. Например, шкала Реомюра (оR). В ней
0 оR совпадает с 0 оС, а за температуру кипения воды принимают не
100 оС, как в шкале Цельсия, а 80 оR. Поэтому 1 оС = 4/5 оR, 1 оС =
1К. Чаще будем использовать последнее соотношение. Подробнее о
температурных шкалах можно узнать в Задачнике по общей метеорологии [13].
Температура воздуха в атмосфере изменяется от минус 88 °С
(185 К) в Антарктиде и до 60 °С (333 К) в пустынях Азии, Африки и
Америки, а подстилающей поверхности – в еще больших пределах.
Температура и особенно ее распределение по вертикали в воздухе
оказывают противоречивое влияние на формирование уровня загрязнения и будут рассмотрены отдельно. Днем обычно температура воздуха выше, чем ночью. Это изменение температуры в течение суток называется ее суточным ходом, а ее изменение в течение
года– годовым ходом температуры. По аналогии существует суточный и годовой ход всех метеорологических величин (метеовеличин). Годовой ход температуры в континентальном климате достигает 60–70К, а в морском составляет до 40 К. Суточная амплитуда
летом – 15–20К, а зимой меньше (около 10К).
Атмосферное давление – это масса столба воздуха поперечным
сечением в 1 см2 и высотой от данного уровня до верхней границы атмосферы. Измеряется в гПа (миллибарах, мб) или мм высоты
27
28
ртутного столба электронными барометрами, барометрами-анероидами и ртутно-чашечными барометрами.
Для перевода давления воздуха, выраженного в гПа, в мм ртутного столба следует помнить, что 1000 гПа = 750 мм рт. столба. Далее,
сокращая на 250, получаем, что 3 гПа = 4 мм рт. столба, а 1 гПа =
4/3мм рт. столба, и наоборот ¾ гПа = 1 мм рт. столба. В авиации и
повседневном общении в основном используют мм ртутного столба,
а при теоретических расчетах – Па (1 гПа = 100 Па) [9, 33].
На приземные карты погоды наносят значения атмосферного
давления в десятках и единицах гектопаскалей с десятыми долями,
не разделяя их запятой, но отбрасывая тысячи и сотни. Например,
805 читается, как 980,5 гПа, а 287 читается как 1028,7 гПа. Таким образом, если на приземной карте нанесено более 500, то приписывается впереди 9, а если менее 500, то 10.
Минимальное атмосферное давление на уровне моря отмечено
в тайфуне Ненси в Тихом океане в сентябре 1958 года и составило
856гПа. Максимальное давление у Земли достигало 1084 гПа в декабре 1968 года в Якутии (станция Агата). На распределение загрязняющих ингредиентов и формирование уровней загрязнения оказывает
влияние не само значение атмосферного давления, а его распределение по горизонтали через циркуляционные системы атмосферы (циклоны и антициклоны). Так, давление воздуха, например, в 1010 гПа
может отмечаться и в циклоне, и в антициклоне. Однако восходящие
движения воздуха в первом и нисходящие во втором, а также другие их различия будут формировать различные уровни загрязнения.
Обычно в антициклоне у земли он выше, чем в циклоне.
Плотность воздуха. Из физики известно, что плотность – это
отношение массы к объему. Применить данное определение к атмосфере, то есть воздушной оболочке Земли весьма сложно. Плотность
воздуха при температуре 0ºС и стандартном атмосферном давлении
у поверхности Земли равна 1,293 кг/м3.
Влажность воздуха. Влажность воздуха имеет несколько ха-
рактеристик. В СМИ нам сообщают относительную влажность
воздуха в процентах (%). Она стремится к 100 % в дымках, тумане
и при осадках и только в пустынях в летний день приближается к
0 %, а обычно составляет 50–70%. На метеорологических станциях
Учение об атмосфере: учебное пособие
1. Общие сведения об атмосфере
влажность воздуха при температуре выше –5оС (–10оС) измеря-
ется психрометрами, а ниже – гигрометрами. При использовании
психрометров измеряют температуру сухого и смоченного термометров, а при использовании гигрометра – относительную влажность
вместо температуры смоченного термометра. Последнюю при низких отрицательных температурах невозможно измерить. Используя
эти данные, ряд характеристик влажности определяют по Психрометрическим таблицам в диапазоне температур от –70 до +40оС, а
другие рассчитывают по формулам, приведенным в Задачнике по
общей метеорологии (на с. 7–13). Научиться пользоваться Психрометрическими таблицами довольно просто на примерах, приведенных в них в разделе «Правила пользования» на с. 5–7 [26].
В вышеупомянутом задачнике на с. 237–239 [13] приведены со-
кращенные таблицы, позволяющие по температуре воздуха в диапазоне от –40 до +40оС над чистой водой и от –40оC до 0оС над
плоской поверхностью чистого льда определить давление насыщенного водяного пара Е в гектопаскалях (гПа). Это можно сделать и по
информации, приведенной в Приложении 3 только для целых градусов температуры. Например, для t = –13°C давление насыщенного
водяного пара Е = 2,25 гПа над плоской поверхностью чистой воды
и Е = 1,98 гПа над плоской поверхностью чистого льда. Зная относительную влажность f, следует рассчитать парциальное давление
водяного пара «е» по формуле:
e = E.f , (1)
29
где e – давление водяного пара;
E – давление насыщенного водяного пара;
f – относительная влажность.
Следует помнить, что f следует подставлять в долях единицы для
соблюдения размерности, а не в процентах. Далее, найдя значение
«e» внутри этих таблиц, можно определить температуру точки росы
(td) на краях таблицы, т. е. в левом столбце целые градусы, а в верхней
строчке – десятые доли градуса. Затем следует рассчитать остальные
характеристики влажности, используя формулы на с. 7–12 из Задачника по общей метеорологии [13].
30
Точка росы – это температура, до которой необходимо понизить
температуру воздуха при постоянном давлении, чтобы началась
конденсация водяного пара. Обозначают td или τ.
Виртуальная температура Tv – температура, которую должен
иметь сухой воздух, чтобы при том же самом давлении его плотность стала равной плотности влажного воздуха:
Tv = T(1 + 0,608q), (2)
где Tv – виртуальная температура;
T – температура воздуха;
q – массовая доля водяного пара, г/кг.
Ветер – это горизонтальное движение воздуха. При его измерении определяют скорость и направление воздушного потока. Ско-
рость ветра измеряется в м/с, узлах, км/ч. Последняя единица используется обычно для характеристики скорости ветра на высотах.
За направление ветра в метеорологии принимается та часть горизонта, откуда движется воздух. Измеряется направление ветра в градусах от 0 до 360 или в румбах. Соответствие здесь для основных румбов следующее: 0о – северный ветер; 90о – восточный; 180о – южный;
270о– западный, а для промежуточных румбов: 45о – северо-восточный,
135о – юго-восточный, 225о – юго-западный и 315о – северо-западный.
Количество облаков – это величина части небесного свода, покрытой облаками. В России небо делят на 10 частей, используя термин «баллы», в ряде других стран – на 8 частей или октантов.
Высота облаков. Различают нижнюю и верхнюю границы облачности. Высоты нижней и верхней границы облаков весьма непостоянны и довольно быстро изменяются в пространстве и времени. Высота облаков характеризуется географической, сезонной и суточной
изменчивостью. Измеряются высоты и толщина облаков в метрах,
а при величине более 2000 – в километрах.
Интенсивность осадков измеряется в миллиметрах в минуту
(мм/мин) и представляет собой толщину слоя воды, покрывающего
единицу площади поверхности в единицу времени.
Метеорологическая дальность видимости (характеризующая
прозрачность атмосферы) измеряется инструментально или ви-
Учение об атмосфере: учебное пособие
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]