Геострофический и градиентный ветер

 

Ветер возникает как следствие неравномерного распределения атмосферного давления. Воздух перемещается из области высокого давления в область более низкого. Количественная мера изменения атмосферного давления в горизонтальном направлении определяется величиной и направлением барического градиента . Воздух двигается из области высокого давления в область низкого по направлению барического градиента, который, в свою очередь, направлен по нормали к изобарам.

Горизонтальный барический градиент является равнодействующей сил давления, действующих на единицу объема воздуха. Для получения силы, действующей на единицу массы, необходимо разделить градиент на плотность воздуха, тогда выражение для горизонтального градиента

давления примет вид .

Сила барического градиента приводит воздух в движение и увеличивает его скорость. Сила, приведенная к единице массы, есть ускорение. Величину этого ускорения можно оценить. Если для простоты и наглядности принять, что при температуре воздуха 0ºС и атмосферном давлении 1000 гПа плотность воздуха равна 1,00 кг/м³, а не 1,273 кг/м³, то при горизонтальном барическом градиенте 1 гПа/100 км, получим ускорение 1,0 м/с². Значение ускорения очень невелико, однако, и все другие горизонтальные воздействия имеют тот же порядок.

Несмотря на незначительное ускорение, масса воздуха под воздействием горизонтального барического градиента могла бы достигать больших скоростей, если бы не вступали в действие другие силы.

Одной из основных сил, воздействующих на воздушную массу, является отклоняющая сила вращения Земли, или Кориолисова сила. В северном полушарии эта сила всегда направлена под прямым углов вправо от направления движения массы воздуха. Кориолисово ускорение, т.е. сила, приведенная к единице массы, определяется из выражения A=2×w×sinj×V, где w – угловая скорость вращения Земли, φ – географическая широта, v – скорость ветра.

Кориолисова сила обращается в нуль на экваторе и имеет максимум 2×w×V на полюсе. При скорости ветра, равной нулю, Кориолисова сила также равна нулю.

Простейший вид движения воздуха теоретически можно представить как равномерное прямолинейное движение без трения. Такое движение воздуха при наличии отклоняющей силы вращения Земли называется геострофическим ветром. В такой модели движения ветра, кроме горизонтального барического градиента , на частицу воздуха действует еще и Кориолисова сила A=2×w×sinj×n_g. Поскольку движение равномерное, силы должны быть уравновешены, т.е. равны по модулю и противоположны по направлению. Отклоняющая сила вращения Земли в северном полушарии направлена под прямым углом вправо от направления движения. В этом случае градиент давления должен быть направлен под прямым углом к направлению движения влево. Так как под прямым углом к градиенту располагаются изобары, то ветер будет иметь направление вдоль изобар, при этом область высокого давления будет располагаться справа, а область низкого давления слева.

В южном полушарии, где отклоняющая сила вращения Земли направлена влево от направления движения, геострофический ветер дует в противоположном направлении (рис. 5.7).

Скорость геострофического ветра определяется из уравнения равновесия сил

, откуда (5.1)

 

Рис. 5.7. Геострофический ветер:

G – сила барического градиента; А – отклоняющая сила вращения Земли;

u_g – скорость геострофического ветра

 

Таким образом, скорость геострофического ветра пропорциональна величине барического градиента.

Подставив в формулу (5.1) численные значения плотности воздуха при стандартных условиях и величину угловой скорости вращения Земли, приняв размерность барического градиента в гПа/100м для скорости ветра в м/с, получим рабочую формулу , при 1 гПа/100 м на широте φ = 55º получим v _g=5,8 м/с.

Ветер у земной поверхности всегда отличается от геострофического, поскольку в приземном слое велика сила трения. В свободной атмосфере, начиная с высоты порядка 1000 м, реальный ветер имеет параметры весьма близкие к параметрам геострофического по направлению и скорости.

Сила трения на большой высоте пренебрежимо мала, кривизна траектории ветра также весьма незначительна. В этих условиях движение массы воздуха нельзя считать равномерным, однако, ускорения в ее движении очень невелики. Строгого совпадения реального и геострофического ветра в высоких слоях атмосферы не наблюдается, но использование понятие геострофического ветра позволяет с достаточной степенью точности определить скорость и направление ветра на различных высотах. В качестве исходных данных при решении этой задачи используются карты барической топографии.

Если движение воздуха происходит без воздействия сил трения по криволинейной траектории, то на массу воздуха действует центробежная сила, определяемая по формуле , где n – скорость ветра, r – радиус кривизны траектории движущейся частицы воздуха.

Ветер, в структуру которого включено движение по криволинейной территории, называется градиентным ветром.

Эта сила направлена по радиусу в сторону выпуклости траектории. Если предположить, что траектория частицы воздуха есть окружность (рис. 5.8), то вектор скорости в любой точке должен быть направлен по касательной. В этой схеме отклоняющая сила вращения Земли должна быть направлена вправо под прямым углом к направлению движения частицы, а центробежная сила всегда направлена в сторону выпуклости. Сила горизонтального градиента давления должна уравновесить сумму этих сил. Барический градиент всегда направлен по нормали к направлению изобары. Отсюда следует, что направление ветра совпадает с касательной к изобаре.

 

Рис. 5.8. Градиентный ветер в циклоне (а) и в антициклоне (б):

G – сила барического градиента; А – отклоняющая сила вращения Земли

С – центробежная сила; u_gr – скорость градиентного ветра

В понятие градиентного ветра как частный случай входит и геострофический ветер, в том случае, когда радиус кривизны изобар равен бесконечности, т.е. они представляют собой прямые линии.

В циклоне центробежная сила всегда направлена наружу, в сторону выпуклости изобар, т.е. против градиента давления. Центробежная сила всегда меньше градиента давления. По этой причине, для сохранения равновесия сил, отклоняющая сила вращения Земли должна быть направлена в сторону периферии для того, чтобы совместно с действием центробежной силы, уравновесить силу барического градиента. Ветер, при этом будет дуть против часовой стрелки, отклоняясь от барического градиента вправо (рис. 5.8а).

В антициклоне, где вектор центробежной силы и барический градиент направлены к его периферии, (рис. 5.8б), эти векторы уравновешиваются отклоняющей силой вращения Земли. В этом случае ветер дует по направлению часовой стрелки.

В южном полушарии движение воздуха в циклоне происходит по направлению часовой стрелки, а в антициклоне – против нее.

Скорость градиентного ветра определяется из выражения

 

(5.2)

 

знак плюс в последнем члене формулы (5.2) соответствует распределению сил в циклоне, а минус – в антициклоне. Соответственно, скорость движения ветра в циклоне меньше, чем в геострофическом ветре, а в антициклоне больше.

Градиентный ветер направлен вдоль изобар, но с высотой очертания изобар приближаются к очертанию изотерм. Вследствие этого по мере увеличения высоты, градиентный ветер получает дополнительную составляющую скорости, направленную по касательной к изотерме. В восточной (передней) части циклона, в которой барические градиенты направлены в основном к западу, а термические в основном к северу направление ветра смещается вправо, а в тыловой части циклона влево. В антициклоне все силы действуют в противоположном направлении. Это явление называется термическим ветром.