7.АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ И ВЕТЕР
1.7.1.АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ
Атмосфера,окружающая земной шар,оказывает дав
ление на поверхность земли и на все предметы,находящие
ся над землей.В покоящейся атмосфере давление в любой
точке равно весу вышележащего столба воздуха,прости
рающегося до внешней периферии атмосферы и имеющего
сечение,равное единице.
В метеорологии давление выражают в гектопаскалях
(гПа)с точностью до десятых долей.Но так как атмосфер
ное давление измеряется высотой ртутного столба,уравно
вешивающего это давление,то применяется еще и внесис
темная единица -миллиметр ртутного столба (мм рт.ст.):
1 мм рт.ст.=1,33 гПа;1 гПа =0,75'мм рт.ст.
Давление,измеренное на метеорологических станциях
ртутным барометром,приводят к температуре 0 °С,уско
рению свободного падения на широте 45 ° и к уровню моря.
С высотой атмосферное давление понижается.Измене
ние давления на единицу высоты называется вертикальным
градиентом атмосферного давления:
G B --AP/AZ,
где ДР -разность давления на двух уровнях;AZ -разность
высот.
В метеорологии при определении вертикального гради
ента давления за единицу высоты принимают 100 м..56 Глава 1.ОСНОВЫ МЕТЕОРОЛОГИИ
Величина градиента зависит от давления и температуры
воздуха.Поэтому наибольшие вертикальные градиенты
давления наблюдаются в нижнем слое атмосферы,особен
но при низких температурах,а с высотой они быстро
уменьшаются.
Величина,обратная вертикальному градиенту давления,
называется барической ступенью.Барическая ступень
представляет собой высоту h,на которую нужно подняться
или опуститься,чтобы давление изменилось на единицу
давления,и выражается в м/гПа или м/мм рт.ст.:
h =-(&Z/AP).
При одном и том же давлении барическая ступень
больше в теплом воздухе,чем в холодном.
Разность давления на разных высотах можно определить
с помощью барометрической формулы.На практике при
меняется упрощенный вариант формулы Лапласа:
z 2 -z x -№щ \+т%Р \/р 2 ,
здесь Z \ и Z 2 -высоты верхней и нижней точек;а -коэф
фициент расширения воздуха,равный 0,004;t -средняя по
высоте слоя температура воздуха,°С;Р [ и Р 2 -давление на
верхнем и нижнем уровнях.
С помощью барометрической формулы решаются сле
дующие задачи:
• приведение давления к уровню моря;
• вычисление распределения давления по высоте;
• определение превышений по разности давления (ба
рометрическое нивелирование).
Распределение давления в пространстве представляют с
помощью изобарических поверхностей.
Изобарическая поверхность -это поверхность,давле
ние всех точек которой одинаково.Вследствие изменения
температуры и давления в горизонтальном направлении
изобарические поверхности не параллельны друг другу и
земной поверхности и по своей форме очень разнообразны.
В одних местах изобарические поверхности прогибаются
вниз,образуя «котловины »,в других -они выгибаются
вверх,образуя «холмы » (рис.1.9).
Р
1.7.Атмосферное давление и ветер 57
В Н
Рис.1.9.Вертикальный разрез изобарических поверхностей
в циклоне(Н)и антициклоне (В)
Изобары -это линии пересечения изобарических по
верхностей с уровенной поверхностью,т.е.это линии,со
единяющие точки с одинаковым давлением.На синоптиче
ских картах изобары проводят через равные интервалы
давления,обычно через 5 гПа.
В зависимости от формы изобар и распределения давле
ния различают следующие виды барических образований
(рис ЫО).
Рис.1.10.Барические системы
'&..58 Глава 1.ОСНОВЫ МЕТЕОРОЛОГИИ
Области замкнутых изобар с минимальным давлением в
центре называются барическими минимумами или циклона
ми.В области барического минимума давление возрастает
от центра к периферии.Области замкнутых изобар с повы
шенным давлением в центре называются барическими мак
симумами или антициклонами.В области барического мак
симума давление от центра к периферии убывает.
Ложбиной называется связанная с циклоном и вытяну
тая от его центра полоса пониженного давления,вклини
вающаяся между двумя областями повышенного давления.
Гребнем называется связанная с антициклоном и вытя
нутая от его центра полоса повышенного давления,распо
ложенная между двумя областями пониженного давления.
Седловиной называется барическая область,заключен
ная между двумя циклонами и двумя антициклонами,рас
положенными в шахматном порядке.
Горизонтальные размеры барических образований со
ставляют от нескольких сотен до нескольких тысяч кило
метров.Их вертикальная протяженность достигает не
скольких километров.
В циклоне изобарические поверхности прогнуты вниз
в виде воронок,а в антициклоне -выгнуты вверх в виде
куполов.
На расположение изобарических поверхностей в про
странстве большое влияние оказывает температура воздуха
При одинаковом давлении у земной поверхности одни и те
же изобарические поверхности в теплом воздухе лежат
выше,чем в холодном и,следовательно,имеют наклон в
сторону холодного воздуха (рис.1.11).Это объясняется
тем,что в холодном воздухе,как более плотном,давление с
высотой уменьшается быстрее,чем в теплом.
Количественное изменение давления в пространстве ха
рактеризуется полным градиентом давления G,который
представляет собой вектор,направленный по нормали к
изобарической поверхности в сторону убывания давления.
а по величине равный изменению давления на единицу рас
стояния (рис.1.12).Полный градиент давления можно раз
ложить на вертикальную и горизонтальную составляющие
1.?.Атмосферное давление и ветер 59
р ^^"^^---~-™rZZIlIILf
Рис.1.11.Вертикальный разрез изобарических поверхностей
в области тепла (Т)и холода (X)
Рис.1.12.Полный градиент давления,
его горизонтальная и вертикальная составляющие
В атмосфере давление в вертикальном направлении из
меняется во много раз быстрее,чем в горизонтальном.По
тому изобарические поверхности наклонены к горизонту
под углом,составляющим всего несколько секунд и лишь
иногда минут.
Горизонтальный градиент давления характеризует из
менение давления в горизонтальном направлении.Так как
линии пересечения изобарических поверхностей с горизон
тальной поверхностью являются изобарами,то можно ска
зать,что горизонтальный градиент давления на определен
ном уровне представляет собой вектор,направленный по.60 Глава 1.ОСНОВЬШЕТЕОРОПОГИИ
нормали к изобаре в сторону низкого давления,а по вели
чине равный изменению давления на единицу расстояния:
<?Г =-(ДР/Дл),
где АР -разность давления между двумя точками,находя
щимися на нормали к изобаре;An -расстояние между
ними.
Знак минус показывает,что в горизонтальном направле
нии давление убывает.
Чем меньше расстояние между изобарами,тем больше
горизонтальный градиент давления.
В метеорологии за единицу горизонтального расстояния
при определении градиентов принимается расстояние на
уровне моря,соответствующее 1 ° по меридиану,т.е.111 км,
или в практических расчетах берут 100 км.И тогда
горизонтальный градиент давления имеет размерность
гПа/ЮОкм.
Атмосферное давление в каждой точке земной поверх
ности не остается постоянным.Наиболее явно наблюдают
ся непериодические изменения давления,причиной кото
рых являются перемещения барических образований,а
также адвекция тепла или холода.Эти изменения могут
быть плавными и небольшими или большими и резкими.
За сутки давление может меняться на 20-30 гПа.
Осреднением многолетних наблюдений на фоне непе
риодических изменений давления можно выявить также и
периодические суточные,и годовые его колебания.
Дневной минимум обусловливается нагреванием возду
ха,а утренний максимум -его охлаждением.Происхожде
ние вторых максимума и минимума объясняется упругими
колебаниям атмосферы,возникающими вследствие перио
дического ее нагревания солнечными лучами и усиливаю
щимися вследствие резонанса.
В суточном ходе давления обнаруживаются два макси
мума и два минимума.Максимумы отмечаются около 10 и
22 ч,а минимумы -около 4 и 16 ч.Суточный ход давления
наиболее четко выражен в тропических широтах,где его
амплитуда составляет 3-4 гПа.В умеренных широтах ам
плитуда равна лишь 0,3-0,6 гПа.В умеренных широтах су
точный ход давления сильно перекрывается непериодиче-