Практическая работа 8
Барическое поле и барический градиент. Ветровой режим.
Атмосферный воздух, как и всякий газ, действует на ограничивающие его стенки с какой-то силой, т. е. в каждой точке атмосферы имеется определенная величина давления воздуха или атмосферного давления. На уровне моря атмосферное давление близко к одному килограмму на квадратный сантиметр. В метеорологии давление воздуха выражают в миллиметрах ртутного столба, в миллибарах или гектопаскалях. За нормальное давление атмосферного воздуха принято давление на уровне моря на широте 450 и оно составляет 760 мм рт. ст. или 1013 мб.
Атмосферное давление изменяется как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях и образует поле, которое называют барическим полем. Такое поле наглядно представляют в трехмерном пространстве системой поверхностей равных значений давления - изобарическими поверхностями. Количественной характеристикой барического поля является барический градиент – вектор, направленный перпендикулярно к изобарической поверхности в сторону уменьшения давления и равный изменению давления на единицу расстояния. Вертикальную составляющую барического градиента называют вертикальный барический градиент. Горизонтальную – горизонтальный барический градиент.
Вертикальный барический градиент характеризует величину падения давления на единицу прироста высоты. Вертикальный барический градиент измеряется обычно в гПа/100 м с точностью до десятых.
G = 3,42 p/T,
где р выражается в гПа, Т – в К.
Кроме барического градиента, важную роль для понимания процессов, происходящих в атмосфере, имеет барическая ступень - прирост высоты, при которой атмосферное давление меняется на единицу. Барическая ступень (h) выражается в м/гПа с точностью до десятых и вычисляется по формулам:
h = 100/G, или h = 
(1+ at),
где р – атмосферное давление, выраженное в гПа, a – коэффициент объемного расширения газов (a = 1/273,15 = 3,66*10-3 (Со)-1).
Барическая ступень прямо пропорциональна температуре воздуха, причем при одном и том же давлении барическая ступень больше при более высокой температуре, чем при более низкой. Это определяет более быстрое падение давления в холодном воздухе, чем в теплом. В результате этого на определенной высоте давление в холодном и теплом воздухе становится неодинаковым, и теплые области в атмосфере являются областями высокого давления, а холодные - областями низкого давления.
Изменение атмосферного давления в горизонтальном направлении выражается с помощью горизонтального барического градиента. Горизонтальным градиентом называют вектор, который направлен по нормали к изобаре, в сторону низкого давления и по величине равный производной давления по нормали. Горизонтальный барический градиент представляет собой изменение давления на единицу расстояния в горизонтальной плоскости и обычно выражается в гПа/111 км.
Линии пересечения изобарических поверхностей с горизонтальной плоскостью называют изобарами - линиями равных значений давления. Изобары строятся обычно на уровень моря. Для построения карты изобар на географическую основу наносят точки, соответствующие метеостанциям, со значениями атмосферного давления, измеренными на этих станциях и приведенными на уровень моря, затем через равные интервалы значений давления проводят изолинии. При необходимости производится интерполяция значений давления между станциями. На этих картах замкнутыми изобарами изображаются циклоны области с пониженным давлением в центре, и антициклоны - области с повышенным давлением в центре. Кроме того, выделяют также незамкнутые барические системы – ложбины, седловины и гребни. Ложбинами называют полосы пониженного давления между двумя областями повышенного, гребнями наоборот, полосы относительно повышенного давления между областями пониженного. Между двумя ложбинами или гребнями выделяют седловину.
Изменение атмосферного давления с высотой используют для барометрического нивелирования, т. е. определение превышения одного пункта над другим с помощью измерения давления. Наиболее точной формулой барометрического нивелирования является формула Лапласа. Она получена для влажного воздуха с учетом изменения ускорения свободного падения с широтой и высотой. В метеорологии используют барометрическую формулу реальной атмосферы. Но в практике полевых работ для определения небольшого перепада высот используют формулу Бабине:
h = z2-z1 = 8000 
(1+atm),
где рн - давление на нижнем уровне z1, а рв – давление на верхнем уровне z2, a - коэффициент объемного расширения газов.
Кроме ветров общей циркуляции атмосферы, выделяют местные ветры. Под местными ветрами понимают ветры, характерные для определенных географических районов. Такими ветрами являются бриз, бора, горно-долинный ветер, фён.
Контрольные вопросы.
1. Что такое давление воздуха, каковы единицы его измерения?
2. Как изменяется давление воздуха с высотой. Что такое барическая ступень и барический градиент?
3. Что такое барическое поле, как графически представляют барическое поле? Какие барические системы бывают?
4. Что такое геострофический ветер, градиентный ветер?
5. Какие изменения происходят с ветром в планетарном пограничном слое?
6. Что представляет собой циклоническая система ветров?
7. Что представляет собой антициклоническая система ветров?
8. Сформулируйте барический закон ветра (закон Бейс-Балло).
9. Объясните, как влияет препятствие на ветер.
10. Что понимают под общей циркуляцией атмосферы?
11. Что понимают под зональностью в распределении давления и ветра?
12. Что такое пассаты? Укажите области их распространения. Что такое пассатная инверсия?
13. Какая система воздушных течений называется муссоном? Какие особенности распределения давления и осадков связаны с муссоном?
14. Что такое внутритропическая зона конвергенции (ВЗК)? Каков характер линий тока и погоды в ВЗК?
15. Что такое тропический циклон? Как образуется и какие погодные особенности с ним связаны? Какие районы мира наиболее подвержены влиянию тропических циклонов?
16. Чем отличается внетропическая циркуляция от тропической? Что такое главные фронты и какие воздушные массы они разделяют? Какие воздушные течения преобладают в тропосфере умеренных широт?
17. Дайте характеристику погоды в циклоне и антициклоне.
18. Что такое местные ветры? Какие причины приводят к их образованию?
19. Бриз и механизм его образования.
20. Горно-долинный ветер и механизм его образования.
21. Фён и механизм его образования.
Выполните следующие задания.
1. Вычислить вертикальный градиент давления на высоте, на которой атмосферное давление равно 1000 гПа и температура 0,0С.
2. В двух пунктах, первый из которых находится на экваторе, а второй в Арктике, на уровне моря были получены одновременно одинаковые значения давления – 990,0 гПа. Температура в первом пункте равна 27,0С, во втором - -23,0С. условно считая, что вертикальный градиент давления не меняется с высотой, приближенно определить в этих пунктах давление на высоте 5 км. В холодном или теплом воздухе при остальных одинаковых условиях давление быстрее уменьшается с высотой? В каком направлении перемещается воздух на высоте 5 км?
3. Вычислить барическую ступень у поверхности Земли при давлении 1000 гПа и температурах –40,0Со, 0,0Со, 40,0Со. На сколько метров надо перемеситься по вертикали вблизи земной поверхности при обычных условиях, чтобы давление изменилось на 4 гПа? Летом или зимой, днем или ночью давление быстрее уменьшается с высотой?
4. Определить высоту террасы реки, если давление у уреза реки равно 1012,5 гПа, а у бровки террасы – 1011,6 гПа?
5. Схематически изобразить в вертикальном разрезе положение изобарических поверхностей над областями повышенного и пониженного давления.
6. Представить вертикальный разрез изобарических поверхностей над расположенными рядом теплой и холодной областями земной поверхности.
7. Расстояние по нормали между двумя изобарами, проведенными через 5 гПа на синоптической карте масштаба 1:10000000, составляет 2 см. Вычислить горизонтальную составляющую барического градиента.
8. Нарисовать схематический рисунок действующих сил и направления движения воздуха в циклоне северного полушария и антициклоне южного полушария с учетом силы трения. Каков общий характер движения воздуха в этих случаях?
10. На картах давления в июле и январе выделить сезонные и перманентные центры действия атмосферы (рис.8.1 и 8..2).
