4. Сила трения. Реальный ветер.
В нижних слоях тропосферы (до 1,5 км) на движение воздуха воздействует еще одна сила – сила трения. Она вызывается прежде всего шероховатостью земной поверхности (рельеф, волны в море и пр.), а также вследствие турбулентности, тем большей, чем больше неустойчивость стратификации атмосферы.
Вследствие трения скорость реального ветра уменьшается у земной поверхности над сушей примерно вдвое, а над морем – на одну треть по сравнению со скоростью геострофического ветра, вычисленной по величине барического градиента.
Сила трения не только замедляет движение, но и изменяет направление этого движения от геострофического, так как установившееся движение воздуха возможно лишь тогда, когда сила горизонтального барического градиента будет уравновешиваться всеми силами, участвующими в движении.
Очевидно, что сила трения будет воздействовать на поток так, что вектор скорости реального ветра (черная стрелка на рис. 13) будет составлять с вектором геострофического ветра некоторый острый угол ά, равный над морем 10–20°, а над сушей 25–30°.
Рис. 13. Реальный ветер в случае прямолинейных изобар
Для циклонических и антициклонических вихрей, где, кроме указанных сил, действует и центробежная сила, сила трения не совпадает по направлению с отклоняющей силой и сила барического градиента не лежит на одной прямой с ней (рис. 14).
Рис. 14. Реальный ветер:
а – при циклонических; б – антициклонических изобарах
Как следует из рис. 14, в нижних слоях циклона ветер направлен против часовой стрелки (в северном полушарии), втекая от периферии к центру. В антициклоне, напротив, составляющая по изобарам будет направлена по часовой стрелке (в северном полушарии) и в целом движение направлено от центра к периферии.
Изменчивость ветра.
Ветер является одной из важнейших характеристик состояния атмосферы, основные элементы которой подвержены годовым, суточным и другим периодическим и непериодическим колебаниям. Все движения воздуха в атмосфере всегда турбулентны, вследствие чего направление и скорости ветра обладают изменчивостью. Резкие колебания направления и скорости ветра называются порывами ветра, а особенно сильные из них – шквалами. При шквале ветер внезапно и кратковременно (несколько минут) резко усиливается (часто до штормового) и затем ослабевает. При этом, как правило, меняется и его направление. В подавляющем большинстве случаев шквалы связаны с атмосферными фронтами (особенно с холодными) и с кучево-дождевой облачностью на них.
Изменяется ветер и с высотой. С ростом высоты величина силы трения уменьшается и скорость ветра растет, а его направление все больше совпадает с направлением геострофического ветра, т. е. с изобарами. Теоретические расчеты показывают, что непосредственно в приводном слое (50 м) атмосферы скорость ветра возрастает пропорционально логарифму высоты, а направление его меняется мало.
Выше этого слоя скорость ветра резко возрастает, приближаясь к скорости градиентного ветра на высоте слоя трения (1000-1500 м).
Колебания интенсивности турбулентного обмена над водной поверхностью в течение суток обычно невелики, поэтому суточные колебания скорости и направления ветра в приводном слое незначительны и не превышают, как правило, 0,5 м/с. Кроме указанных, известно большое число воздушных течений небольшой горизонтальной протяженности, характерных для определенных географических районов. Это так называемые местные ветры. Они могут быть проявлением местных циркуляций либо представлять собой изменения крупномасштабных движений атмосферы под влиянием орографических особенностей местности. О местных ветрах подробно описывается в гидрометеорологических очерках лоций. Здесь мы приведем краткую характеристику наиболее известных периодических и местных ветров.