8 Билет

1. Барическое поле, распределение давления воздуха в атмосфере. Б. п. в каждый данный момент времени и в среднем характеризуется поверхностями, соединяющими места с равными давлениями — изобарическими поверхностями. При пересечении с поверхностями равного уровня, в том числе с уровнем моря, изобарические поверхности образуют линии равного давления — изобары (изолинии равного атмосферного давления на приземных синоптических картах). По густоте изобар на карте распределения давления можно судить о степени изменения давления в горизонтальном направлении или о горизонтальном барическом градиенте, который является важной характеристикой Б. п.

Б. п. Земли состоит из многочисленных областей пониженного и повышенного давления — барических систем. Неоднородность давления на поверхностях уровня является причиной возникновения воздушных течений. Б. п. непрерывно меняется во времени, что приводит к соответствующим изменениям в воздушных течениях. Карты барического поля показывают распределение давления воздуха в атмосфере и характеризуют поверхности соединяющие места с равным давлением – изобарические поверхности.

Формы барического рельефа

Формы барического рельефа. Изолинии равного атмосферного давления на приземных синоптических картах — изобары — имеют весьма разнообразную конфигурацию: от прямолинейных и параллельных одна по отношению к другой на отдельных участках до замкнутых концентрических систем округлой или овальной форм с низким или высоким давлением в центре. Эти барические системы основных типов называют циклонами и антициклонами.

Горизонтальные барические градиенты в циклонах направлены от периферии к центру, а в антициклоне — от центра к периферии.

Помимо циклонов и антициклонов, в синоптической практике различают вытянутые периферийные части их: ложбины, гребни и седловины (рис. 1.4.2).

Рис. 1.4.2. Формы барического рельефа: I — циклон; II — антициклон; III — ложбина; IV — гребень; V — седловина

 

Горизонтальные размеры циклонов и антициклонов очень велики. Большие оси (поперечники) циклонов нередко достигают 1200—2000 км, а антициклонов—3000—4000 км.

Вертикальная протяженность мезомасштабных вихрей в значительной степени зависит от того, какая температура наблюдается в данных барических системах. Если циклоны зарождаются в холодном воздухе и температура самая низкая в его центральной части, то с высотой барические градиенты мало меняют направление и замкнутые изобары с низким давлением в центре обнаруживаются до больших высот (5—7 км). Такой холодный циклон является высоким.

Если циклон зарождается в теплой воздушной массе и температура в его центре наивысшая, то такой циклон быстро исчезает с высотой, так как в нем дополнительный барический градиент, связанный с градиентом температуры, противоположен приземному градиенту и такой циклон является низким. Наоборот, холодные антициклоны являются низкими, а теплые антициклоны — высокими.

Под влиянием асимметрического распределения температуры барические системы с замкнутыми изобарами, как правило, с высотой превращаются в системы с разомкнутыми изобарами. В зависимости от высоты, на которой происходит это превращение, различают высокие, средние и низкие барические системы.

Изобары на синоптических картах в России и подавляющем большинстве стран мира проводят через 5 гПа.

Зональность в распределении атмосферного давления. Анализ синоптических карт за отдельные сроки показывает, что распределение атмосферного давления все время меняется. Эти изменения обусловливаются в основном изменением температуры и циркуляционными факторами — перемещением и эволюцией циклонов и антициклонов. Даже на среднемесячных или сезонных картах барическое поле Земли может значительно отличаться от аналогичного распределения в другие годы. Тем не менее, построение средних многолетних месячных, сезонных или годовых карт обнаруживает определенные закономерности, типичные для каждого месяца или сезона. Одной из самых устойчивых особенностей многолетних барических карт является зональность в распределении давления, хотя и несколько замаскированная различием влияний суши и моря.

По обе стороны от экватора (в зоне от 15 ° с. ш. и 25 ° ю. ш. в январе и между 35° с. ш. и 5° ю. ш. в июле) формируется область пониженного давления. Это область экваториальной депрессии, смещающаяся в то полушарие, в котором в данном месяце лето.

В субтропических широтах (30—32° с. ш. и ю. ш. в январе и 33—37° с. ш. и 26—30° ю. ш. в июле) формируются две субтропические зоны повышенного давления, смещающаяся от января к июлю к северу, а от июля к январю к югу.

От субтропиков к умеренным широтам (55—65° с. ш. и ю. ш.) давление падает, особенно сильно в южном полушарии, и достигает минимума в субарктических и субантарктических зонах. К полюсам обоих полушарий давление опять растет.

Вследствие зональности в распределении атмосферного давления меридиональный барический градиент между широтными зонами обоих полушарий направлен то к низким, то к высоким.

На картах средних многолетних значений давления воздуха для летних и зимних месяцев можно отметить некоторые характерные черты определении давления и ветров на уровне моря (рис. 1.4.3-1.4.4). Из этих карт видно, что в приэкватольной области наблюдается относительно пониженное давление вследствие мощного конвективного подъема прогретого воздуха. В верхних слоях поток воздуха устремляется к высоким широтам, постепенно отклоняясь под влиянием силы Кориолиса. На широте около 30° северный и южный потоки принимают широтные направления, здесь создаются субтропические пояса повышенного давления, расчлененные на отдельные антициклоны. В результате у поверхности Земли создается ж воздуха от пояса высокого давления к экватору — пассаты. Расчлененность субтропического пояса высокого давления в северном полушарии больше, чем в южном, из-за большей неоднородности подстилающей поверхности. В северном полушарии летом в субтропической зоне образуются два мощных антициклона—Азорский и Тихоокеанский, зимою в эту зону распространяется еще и Азиатский антициклон.

Далее к северу расположены обширные пояса пониженного давления. В северном полушарии постоянными составляющими этого пояса являются Исландский и Алеутский минимумы. При этом пояс пониженного давления хорошо выражен на океанах в течение всего года, а на суше — только летом; в зимнее же время над континентами формируются обширные антициклоны (Азиатский, Канадский). В южном полушарии пояс пониженного давления более устойчив. В полярных районах снова наблюдается повышенное давление. Причем в зимнее время область повышенного давления здесь выражена более четко, чем летом.

2. Температура наибольшей плотности пресной воды равняется 4⁰С, поэтому в пресных водоемах вода с температурой, превышающей это значение, занимает верхние слои, а при более низкой - также поднимается при термической конвекции вверх. Таким образом, зимой в покрытых льдом озерах и прудах сохраняется глубинная вода с температурой 4⁰, что обеспечивает существование в них живых организмов.

С увеличением солености точка замерзания воды понижается и достигает примерно -2⁰. Далее точка наибольшей плотности становится ниже точки замерзания и поэтому вода с температурой ниже -2⁰ в море не встречается. Кривые этих двух зависимостей пересекаются в точке с температурой -1,332⁰ и соленостью 24,695⁰/₀₀

Вода с соленостью меньше этой величины имеет температуру наибольшей плотности выше температуры замерзания и в этом смысле сходна с пресной водой. При солености выше 24,695⁰/₀₀ соотношение температур обратное. По предложению Н.М. Книповича, два типа вод называются соответственно солоноватыми и морскими.

Поэтому различаются и процессы льдообразования. В пресной воде тепловая конвекция кончается при 4⁰, после чего выхоложенные и более легкие воды на поверхности замерзают при 0⁰. В морской воде конвективное перемешивание не прекращается вплоть до достижения температуры замерзания. Понятно, что температура наибольшей плотности в этом случае не может быть достигнута, так как вода не охлаждается ниже температуры замерзания. При весеннем таянии плотность поверхностного слоя сразу же понижается, что затрудняет его перемешивание со слоями, лежащими глубже. Значительная толща промежуточных вод в бореальных морях (Охотское, Черное и др.) сохраняет летом низкие температуры.

Образование первичных форм льда в море начинается с появления тонких ледяных игл-кристаллов. Рост их первоначально происходит по горизонтали, увеличивая площадь первичного льда, затем начинается рост кристаллов в вертикальном направлении. Соли, растворенные в морской воде, располагаются в промежутках между кристаллами. Постепенно солевой рассол стекает вниз, благодаря чему лед уменьшает свою соленость и может стать совсем пресным. В море лед может образовываться в глубинных слоях или у дна, а затем всплывать.

Наиболее благоприятными условиями для начала льдообразования являются: спокойное море, тонкий поверхностный распресненный слой воды, большая отдача тепла водой в атмосферу и, наконец, выпадение на поверхность моря твердых осадков в виде снега или снежной крупы. При начале ледообразования у берегов возникает неподвижный лед-припай, который в первые дни существования взламывается течениями, сгонно-нагонными ветрами и сильным волнением. С увеличением его толщины случаи взлома становятся реже.

3. . На судне измеряются: значение атмосферного давления в гектопаскалях, приведенное к уровню моря и температуре воздуха 0 °С; значение барической тенденции за 3 ч, предшествующие сроку наблюдений (гПа/3 ч); определяется характеристика барической тенденции за 3 ч (в цифрах действующего кода KH-01c).

На судне атмосферное давление измеряется барометрами, барометрами-анероидами (далее анероиды) 8 раз в сутки (в 00, 03, ..., 21 ч UTC; измерение атмосферного давления в сроки 03, 09, 15, 21 ч UTC производится с целью определения значения и характеристики барической тенденции) и непрерывно регистрируется с помощью барографов специальными чернилами на диаграммных лентах.

Барометры, анероиды и барографы на судне размещаются в штурманской рубке горизонтально на поролоне (размещение приборов на поролоне „смягчает" влияние вибрации судна на колебание стрелки анероида и на результаты регистрации атмосферного давления на ленте барографа) толщиной не менее 0,5 см в местах, удаленных от кондиционерной установки, иллюминаторов, входных дверей, т. е. там, где нет резких изменений температуры воздуха и возможности попадания на приборы прямых солнечных лучей. При установке барометры, анероиды и барографы должны быть надежно закреплены таким образом, чтобы удобно было делать отсчеты по ним, открывать крышку футляра барографа при смене его лент и при заводе часового механизма.

Ежедневно, если барограф суточный, или в конце недели, если барограф недельный, необходимо после 12-часового срока наблюдений по UTC проводить смену ленты барографа.

Если при барометре или в анероиде отсутствует термометр, последний размещается в непосредственной близости к анероиду или барометру (термометр должен быть надежно защищен с целью предотвращения любой возможности его разбить).

В штурманской рубке атмосферное давление измеряется на высоте установки прибора Н при температуре окружающего воздуха Т_а.

Результаты измерений атмосферного давления принято „приводить" к температуре воздуха 0 °С и к единому уровню (к одной высоте) путем введения соответствующих поправок к отсчетам по барометру, анероиду. В качестве единого уровня Н₀ во всем мире принят уровень Мирового океана (уровень моря).

Измерение атмосферного давления на судах производится по анероиду М-67 (МД-49-2); при его отсутствии можно использовать барометр БРС-1 или анероиды БАММ-1, М-98 (МД-49-А).

Для произведения измерений по анероиду необходимо: — приоткрыть дверь в штурманской рубке, если она закрыта; — перекрыть систему кондиционирования (для исключения влияния на показание анероида подпора воздуха в рубке за счет работы этой системы); — отсчитать показание термометра с точностью до 0,2 °С; — постучать пальцем по стеклу анероида (для предотвращения возможного „застревания" его стрелки); — визуально совместить стрелку анероида с ее отражением в зеркале шкалы, если в анероиде зеркальная шкала; — в течение 10—15 с проследить за колебаниями стрелки (если таковые наблюдаются), определить ее среднее положение и сделать отсчет показаний анероида с округлением до 0,1 гПа или до 0,1 мм рт. ст. (в зависимости от того, в каких единицах проградуирована его шкала).

Обработка результатов измерений сводится к получению значения атмосферного давления, приведенного к уровню моря и температуре воздуха 0 °С (Р₀). С этой целью необходимо к отсчету по анероиду ввести три поправки (или их сумму) по формуле

где:

Р_изм — отсчет по анероиду; ΔР_ш — поправка шкалы к отсчету по анероиду, определяемая по показаниям анероида (по значению Р_изм ) и соответствующей таблице из свидетельства о поверке путем интерполяции; ΔР_Т — температурная поправка для приведения атмосферного давления к температуре 0 °С, рассчитываемая по формуле, указанной в свидетельстве о поверке, и по температуре воздуха Г. измеренной вблизи анероида; ΔР_У — поправка на приведение атмосферного давления к уровню моря: ΔР_У = ΔР_Н Н_У (здесь ΔР_Н = 0,133 гПа/м или 0,1 мм рт. ст./м и соответствует изменению атмосферного давления на 1 м высоты; Н — высота установки анероида на судне, в метрах над уровнем моря).

При плавании в открытых морях и океанах высота установки анероида над уровнем моря Н отсчитывается от положения максимальной грузовой ватерлинии, в этих случаях Н = Н_У ; при плавании в закрытых морях (например, в Каспийском), уровни которых не совпадают с уровнем Мирового океана, высота установки анероида над уровнем моря рассчитывается по формуле Н_У = Н + ΔН , где ΔН — разность уровней „закрытого" моря и Мирового океана, м; она берется со знаком „плюс", если уровень моря выше, и со знаком „минус", если уровень моря ниже уровня Мирового океана.

При расчете значений Р₀ по формуле (1) следует помнить, что: — все поправки рассчитываются с точностью до 0,1 гПа или до 0,1 мм рт. ст. и берутся для расчетов со своим знаком; — все слагаемые формулы должны быть выражены в одних единицах (гПа или мм рт. ст.); если шкала анероида проградуирована в миллиметрах ртутного столба, то результат расчета должен быть переведен по формуле: Р (гПа) = 1,3332 Р (мм рт. ст.).