Барическое поле

Распределение атмосферного давления в ее толще называется барическим полем. Барическое поле, как и атмосферное давление, относится к скалярным величинам. На плоскости барическое поле изображается линиями равных давлений, называемых изобарами. Всю атмосферу можно представить пронизанной семейством изобарических поверхностей, огибающих земной шар. Эти поверхности пересекаются с поверхностями уровня под очень малыми углами, порядка нескольких минут.

Изобарическая поверхность со значением 1000 гПа проходит вблизи уровня моря. Поверхность 700 гПа располагается на высоте порядка 3000 м, поверхность 500 гПа – на высоте 5000 м, а поверхности 300 и 200 гПа на высоте 9 и 12 км соответственно.

Положение изобарической поверхности по высоте может быть различным в различных местностях, так как оно зависит от распределения давления на уровне моря в каждый момент времени и от средней температуры атмосферного столба. Пространственное распределение атмосферного давления непрерывно изменяется во времени. По результатам измерения барического и термического полей строятся карты барической топографии.

На карту абсолютной барической топографии наносят высоты определенной барической поверхности на конкретную дату, например, высота поверхности 500 гПа на 6 ч. 22 марта 2000 г. Точки с равными высотами соединяются линиями равных высот, называемых изогипсами. По изогипсам можно судить о распределении давления в тех слоях атмосферы, в которых располагается данная изобарическая поверхность.

В атмосфере постоянно существуют области повышенного и пониженного давления, положение которых все время изменяется. В областях пониженного давления, циклонах и депрессиях, давление на каждом уровне имеет самое низкое значение в центре области и возрастает к периферии. Кроме того, давление всегда понижается с высотой, поэтому изобарические поверхности в циклоне всегда прогнуты, понижаясь от периферии к центру (рис. 5.1).

 

Рис. 5.1. Изобарические поверхности в циклоне (H)

и в антициклоне (B) в вертикальном разрезе

 

На карте абсолютной барической топографии циклоны изображаются изогипсами со значениями высоты, уменьшающимися к центру. В антициклонах изобарические поверхности имеют форму куполов и на карте значения изогипс возрастают к центру.

На карты относительной барической топографии наносят высоты определенной барической поверхности, отсчитанные не от уровня моря, а от нижележащей изобарической поверхности. Можно составить карту высот поверхности 500 гПа над поверхностью 1000 гПа и т.д. Такие высоты называются относительными, а проведенные по ним изогипсы – относительными изогипсами.

Относительная высота одной изобарической поверхности над другой зависит от средней температуры воздуха между этими поверхностями. Величина барической ступени зависит от температуры воздуха, однако, по определению, она представляет собой расстояние между двумя уровнями, отстоящими на единицу, т.е. относительную высоту одной изобарической поверхности над другой. По распределению на карте относительных высот можно судить о распределении температуры воздуха в слое между двумя изобарическими поверхностями. Чем больше разность высот, тем выше температура слоя. Таким образом, карты относительной топографии отображают распределение температуры в атмосфере. Карты абсолютной и относительной топографии при совместном рассмотрении представляют собой термобарическое поле атмосферы.

В службе погоды карты абсолютной топографии составляются для изобарических поверхностей 1000, 850, 700, 500, 300, 200, 100, 50 и 25 гПа. Эти карты составляются по осредненным данным за промежуток времени от нескольких дней до месяца. Для использования в климатологии карты составляются по средним многолетним данным.

На карты барической топографии наносятся не высоты изобарической поверхности, а их геопотенциалы. Абсолютным геопотенциалом называется потенциальная энергия единицы массы в поле силы тяжести Земли. Геопотенциал в каждой точке есть работа, которую необходимо затратить, чтобы поднять единицу массы от уровня моря в данную точку.

Геопотенциал в каждой точке определяется из выражения или , где Z – высота точки над уровнем моря, g – ускорение силы тяжести.

Геопотенциал выражается в геопотенциальных метрах, он близок к высоте в метрах и в точности совпадает с ней на широте 45º. Геопотенциал называется геопотенциальной или динамической высотой.

На уровне моря барическое поле изображается при помощи линий равного давления – изобар. Каждая изобара является следом пересечения изобарической поверхности с уровнем моря. Обычно изобары проводятся через 5 гПа.

Карты изобар представляют собой часть синоптической карты, на которую, кроме барического поля, наносятся и другие метеорологические величины. Для использования в климатологии карты изобар составляются по средним многолетним данным.

На тех участках карты, где изобары расположены ближе друг к другу, изменение давления по нормали к ним происходит более интенсивно. Степень интенсивности изменения атмосферного давления по каждому направлению определяется горизонтальным барическим градиентом. Направление градиента берется в сторону уменьшения давления по нормали к изобаре. Вектор горизонтального барического обозначается –ÑP, а его модуль равен –dP/dn, где n – расстояние по нормали между изобарами. Барический градиент обозначается на карте стрелкой, длина которой пропорциональна численному значению градиента, а направление нормально к изобаре.

Модуль горизонтального барического градиента обратно пропорционален расстоянию между изобарами. Если в атмосфере имеет место горизонтальный барический градиент, то изобарические поверхности имеют наклон, и пересекаются с поверхностью уровня. Изобарические поверхности всегда наклонены в сторону направления градиента.

Горизонтальный барический градиент является составляющей полного барического градиента, который в каждой точке направлен по нормали к изобарической поверхности. Модуль этого вектора равен –dP/dn, где n – нормаль к изобарической поверхности.

Полный барический градиент можно разложить на вертикальную и горизонтальную составляющие. Атмосферное давление с высотой изменяется значительно быстрее, чем по горизонтали, поэтому вертикальный барический градиент в десятки тысяч раз больше горизонтального. Он уравновешивается в основном силой тяжести и не оказывает влияния на горизонтальный градиент.

На практике для определения среднего горизонтального барического градиента на синоптической карте измеряют расстояние между соседними изобарами по нормали и делят на него разность давлений (обычно 5 гПа). За единицу расстояний при этом берут либо градус меридиана (111 км), либо расстояние в 100 км. Реально у земной поверхности горизонтальный барический градиент составляет 1–3 гПа на градус меридиана.

С высотой изменяются формы изобар и их взаимное расположение, изменяются модули и направления барических градиентов. Если даже на уровне моря горизонтальный барический градиент равен нулю, но существует разность температур в соседних массах воздуха, то существует и горизонтальный температурный градиент – dt/dn, направленный в сторону понижения температуры.

В холодном воздухе барическая ступень меньше, чем в теплом, поэтому атмосферное давление с высотой падает тем быстрее, чем ниже температура воздуха. В этом случае, если даже нижняя барическая поверхность горизонтальна, то все лежащие выше поверхности будут иметь наклон в сторону более холодного воздуха, вследствие чего образуется горизонтальный барический градиент (рис. 5.2).

 

 

Рис. 5.2. Изобарические поверхности в области тепла (Т)

и холода (Х) в вертикальном разрезе.

 

В общем случае, каков бы ни был горизонтальный барический градиент на уровне моря, с высотой он будет приближаться по направлению к температурному градиенту. Барический градиент с ростом высоты получает дополнительную составляющую, пропорциональную температурному градиенту и направленную в ту же сторону. В конечном итоге, на больших высотах направление барического градиента будет совпадать с направлением температурного. По этой причине на определенной высоте в теплых областях атмосферное давление будет повышенным, а в холодных пониженным. Изобарические поверхности в этом случае будут наклонены в сторону температурного градиента, т.е. в сторону низких температур.

Если в нижних слоях атмосферы горизонтальный барический градиент направлен навстречу температурному градиенту, то с высотой он будет убывать до нуля и далее, изменив направление, начнет возрастать.

Горизонтальный барический градиент на верхнем уровне можно вычислить исходя из основного уравнения статики атмосферы для случая, когда градиенты температуры и давления совпадают по направлению.

, где –¶ P₂/¶n горизонтальный барический градиент на верхнем уровне, ¶ P₁/¶n – горизонтальный барический градиент на нижнем уровне, P₁ и P₂ – атмосферное давлениена нижнем и верхнем уровне, T_m и ρ_m – средняя температура и средняя плотность воздуха между слоями, –¶ T_m/¶n – горизонтальный градиент средней температуры слоя.

Если градиент температуры отсутствует, т.е. –¶ T_m/¶n=0, иными словами слой находится в однородном температурном режиме, то второй член в правой части приведенного выше выражения обращается в нуль и остается только первый член. Анализ оставшихся двух членов формулы показывает, что барический градиент на верхнем уровне –¶ P₂/¶n будет совпадать по направлению с градиентом на нижнем уровне –¶ P₁/¶n. По модулю этот градиент будет меньше нижнего в P₂/P₁ раз, т.е. настолько, насколько атмосферное давление на верхнем уровне меньше, чем на нижнем.

Если же горизонтальный градиент температуры существует, то градиент давления получает с высотой дополнительную составляющую, пропорциональную градиенту температуры. Эта составляющая, в свою очередь, пропорциональна разности высот (Z₂–Z₁) и, таким образом, по мере возрастания высоты барический градиент будет приближаться к температурному по направлению.

Области пониженного и повышенного давления, на которые постоянно разделяется барическое поле атмосферы, называются барическими системами. Основные барические системы, к которым относятся циклоны и антициклоны, на синоптических картах обрисовываются замкнутыми изобарами, имеющими в основном овальную форму. Горизонтальные барические градиенты направлены в циклонах от периферии к центру, а в антициклонах от центра к периферии. Поперечники циклонов и антициклонов достигают тысячи километров (рис. 5.3)

Кроме циклонов и антициклонов, существуют системы с незамкнутыми изобарами: ложбины и гребни.

Ложбина представляет собой полосу пониженного давления между двумя областями повышенного давления. По оси ложбины атмосферное давление минимально и барические градиенты в ней направлены от периферии к оси.

Гребень является полосой повышенного давления между двумя областями пониженного давления. По оси гребня давление максимально, а горизонтальные барические градиенты направлены от оси гребня к периферии.

Седловина образуется между двумя циклонами и двумя антициклонами, расположенными крест-накрест. Точка в центре седловины называется точкой седловины.

Поскольку барические градиенты с высотой сближаются по направлению с температурными градиентами, то и изобары по своим очертаниям

 

Рис. 5.3. Циклон (Н) и антициклон (В) на карте

 

сближаются с изотермами. Изотермы в циклонах и антициклонах, как правило, распределяются несимметрично. Учитывая, что в умеренных широтах преобладает перенос воздушных масс с Запада на Восток, в передней части циклона воздушные массы поступают из низких широт, где температура воздуха выше. В тыловой, западной части циклона, его наполнение происходит за счет воздушных масс, располагающихся в более высоких широтах, которые имеют более низкую температуру. В антициклонах все процессы происходят в обратном порядке: во фронтальной части антициклона в его зону втягиваются холодные массы воздуха, а в тыловой – холодные.

Если рассматривать череду циклонов и антициклонов, движущихся с Запада на Восток, то изотермы в поле циклонов приобретают волнообразный характер: в передней части они продвинуты в сторону высоких широт, а в тыловой части в сторону низких. В ходе продвижения антициклона наблюдается обратная картина.

Изобары на некоторой высоте размыкаются и становятся такими же волнистыми, как изотермы. При этом над передней (восточной) частью циклона в его приземной части на высоте тропосферы располагается гребень, совпадающий с языком теплого воздуха, а над его тыловой частью – ложбина, совпадающая с языком холодного воздуха. Над передней частью антициклона в его приземной части располагается ложбина, связанная с проникновением в эту зону теплых масс воздуха, а над тыловой его частью гребень, сформировавшийся в ходе проникновения в эту зону холодного воздуха (рис. 5.4).

 

 

Рис. 5.4. Изобары в циклоне (Н) и антициклоне (В)

на уровне моря (1) и на более высоком уровне (2)

 

Если горизонтальные градиенты температуры достаточно малы, то изобары остаются замкнутыми до больших высот. Характер изменения барического поля с высотой в этом случае зависит от того, какая температура воздуха имеет место в рассматриваемой барической системе по отношению к окружающей массе воздуха. В этой ситуации могут быть только два варианта, либо циклон находится в окружении холодной по отношению к нему воздушной массы, либо в окружении более теплой.

Если циклон существует в холодном воздухе и самая низкая температура имеет место в его центральной части, то с изменением высоты барические градиенты в очень малой степени изменяют свое направление. В таком случае замкнутые изобары с низким давлением в центре циклона обнаруживаются на больших высотах в тропосфере. Такие циклоны называются высокими (рис. 5.5а).

 

 

Рис. 5.5. Высокий (холодный) (а) и низкий (теплый) (б) циклоны.

 

Если циклон находится в окружении теплой воздушной массы и температура в его центре наиболее высока, то в таком циклоне барический градиент направлен навстречу температурному. В этом случае циклон быстро затухает по мере увеличения высоты и над ним развивается антициклон (рис. 5.5б). Такой циклон называется низким.

Антициклоны считаются холодными, если они низкие и теплыми, если они высокие (рис. 5.6).

 

 

Рис. 5.6. Низкий (холодный) (а) и высокий (теплый) (б) антициклоны