МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ОБРАЗОВАНИЯ
“ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ”
Факультет географии, геоэкологии и туризма
Кафедра природопользования
Учебное пособие
КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНАМ
«Учение об атмосфере»
«Климатология с основами метеорологии»
ЧАСТЬ 3
Темы: Барическое поле и поле ветра.
Вода в атмосфере
для бакалавров и магистров
05.03.02 «География»,
05.04.02м «География»,
05.03.06 «Экология и природопользование»,
05.04.06м «Экология и природопользование»
Составитель: Л.М. Акимов
Воронеж 2017
Стр.1
СОДЕРЖАНИЕ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Тема №4 Барическое поле и поле ветра
Лекция № 7 Барическое поле
Тема №4 Барическое поле и поле ветра
Лекция № 8 Поле ветра
Тема №4 Барическое поле и поле ветра
Лекция №9 Общая циркуляция атмосферы
Тема №5 Вода в атмосфере
Лекция № 10 Вода в атмосфере
Лабораторная работа «Измерение давления»
Лабораторная работа «Измерение параметров ветра»
Лабораторная работа «Влажность воздуха и методы ее
измерения»
Фонд оценочных средств (ФОС)
4
26
48
86
104
113
124
135
3
Стр.3
1. КАРТЫ ИЗОБАР И БАРИЧЕСКОЙ ТОПОГРАФИИ.
ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ БАРИЧЕСКИЙ ГРАДИЕНТ
В покоящейся атмосфере давление в любой точке равно весу
вышележащего столба воздуха, простирающегося до внешней периферии
атмосферы и имеющего сечение, равное единице.
В физике давление определяется отношением силы к единице площади.
В международной системе единиц (СИ) давление измеряют в паскалях (Па),
что соответствует давлению силой 1 Ньютон на площадь 1 м кв., т.е
1Па=1Н/м кв. В метеорологии давление выражают в гектопаскалях (гПа) с
точностью до десятых долей. 1 гПа = 100 Па. В России и в ряде других стран
используют такую единицу измерения давления, как миллибар (мб), которая
соответствует гектопаскалю, т.е. 1 мб = 1гПа. Кроме того во многих странах
широко применяют внесистемную единицу измерения давления –
миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.) Это связано с тем, что
атмосферное давление измеряется на метеостанциях ртутно-чашечным
барометром, деления у которого в мм рт. столба. 1 мм рт. ст. = 1,33 гПа;
1гПа = 0,75 мм рт. ст.
Давление, измеренное на метеостанциях ртутным барометром,
приводят к температуре 0 С, ускорению свободного падения на широте 45 и
к уровню моря.
Всемирной метеорологической организацией (ВМО) за эталон воздуха
у поверхности земли на уровне моря принята так называемая
«международная стандартная атмосфера», основные характеристики которой
– температура 15 С, давление 760 мм рт. ст. или 1013,3гПа, (мб).
С высотой атмосферное давление понижается. Изменение давления на
единицу высоты называется вертикальным градиентом атмосферного
давления:
6
Стр.6
Gв = - Δ P / Δ Z
(1)
где Δ P – разность давления на двух уровнях; Δ Z – разность высот.
В метеорологии при определении вертикального градиента давления за
единицу высоты принимают 100 м.
Величина обратная вертикальному градиенту давления, называется
барической ступенью.
Барическая ступень представляет собой высоту h, на которую нужно
подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на единицу давления,
и выражается в м / гПа или м / мм рт. ст.
При одном и том же давлении барическая ступень больше в теплом
воздухе, чем в холодном.
Разность давления па разных высотах можно определить с помощью
барометрической формулы:
Z1 – Z2 = 18400 (1 + at) lg P1/Р2
(2)
где Z1 и Z2 – высоты верхней и нижней точек; a – коэффициент расширения
воздуха, равный 0,004; t – средняя температура в слое, С; Р1 и Р2 – давление
на верхнем и нижнем уровнях.
С помощью барометрической формулы решаются следующие задачи:
- приведение давления к уровню моря;
- вычисление распределения давления по высоте;
- определение превышений по разности давления
- барометрическое нивелирование.
Для характеристики поля давления у поверхности земли на
синоптических приземных картах погоды проводят изобары – линии
пересечения изобарических поверхностей с уровнем z = 0. Угол наклона
изобарических поверхностей с уровенной поверхностью измеряется
7
Стр.7
угловыми секундами и иногда (при больших барических градиентах)
минутами.
На высотах поле давления представляется с помощью метода
барической топографии. В этом случае переходят от описания распределения
давления к описанию распределения высоты соответствующей
изобарической поверхности, т.е. на картах абсолютной топографии (АТ)
проводят изогипсы - линии равных высот какой-либо изобарической
поверхности.
Среднее значение высот основных изобарических поверхностей, для
которых строятся карты АТ, примерно следующее:
p, гПа 1000
z, км
0
850
1,5
700
3,0
500
5,5
400
7,0
300
9,0
200
150
100
12,0 13,5 16,0
50
20,0
Важной характеристикой барического поля является горизонтальный
градиент давления, который характеризует изменение давления в
горизонтальном направлении. Так как линии пересечения изобарических
поверхностей с горизонтальной поверхностью являются изобарами, то
можно сказать, что горизонтальный градиент давления на определенном
уровне представляет собой вектор, направленный по нормали к изобаре в
сторону низкого давления, а по величине равный изменению давления на
единицу расстояния:
Gn = - ( ΔP / Δ n ),
(3)
где Δ Р – разность давления между двумя точками, находящимися по
нормали к изобаре; Δ n – расстояние между ними.
Знак минус показывает, что горизонтальный градиент направлен от
высокого в сторону низкого давления. Чем меньше расстояние между
изобарами, тем больше горизонтальный градиент давления.
8
Стр.8
При анализе поля давления на картах погоды также используются:
Лапласиан давления
2
2
p
или геопотенциала
Н
2
Н
x
2
Н
2
2
у
2
(5)
Он характеризует степень кривизны изобар (изогипс) и изменение
густоты изобар (изогипс) в направлении осей координат.
Изобары на картах погоды дают наглядное представление о
пространственном распределении поля давления.
Распределение давления в пространстве представляют с помощью
изобарических поверхностей.
Изобарическая поверхность – это поверхность, это поверхность
давление всех точек которой одинаково. В одних местах изобарические
поверхности прогибаются вниз, образуя «котловины», в других – они
выгибаются вверх, образуя «холмы».
x
p
2
2
y
p
2
(4)
Вертикальный
разрез изобарических поверхностей в антициклоне ( В ) и в циклоне ( Н )
9
Стр.9
Изобары – это линии пересечения изобарических поверхностей
с уровенной поверхностью, т.е. это линии, соединяющие точки с одинаковым
давлением. С помощью изобар на картах погоды изображаются барические
системы.
Существуют следующие карты погоды:
- приземные: синоптические и кольцевые;
- высотные: карты абсолютной и относительной топографии.
Синоптические карты имеют масштаб в 1 см 100 км. На них
наносится погода на метеостанциях, в том числе и атмосферное давление в
миллибарах, проводятся изобары через 5 мб.
Кольцевые карты имеют масштаб в 1 см 50 км. На них проводятся
изобары через 2,5 мб.
Для более детального анализа используются также микрокольцевые
карты с масштабом в 1 см 25 км.
К высотным картам относятся карты абсолютной топографии, на
которых наносится абсолютный геопотенциал и карты относительной
топографии, на которых наносится относительный геопотенциал,
характеризующий превышение одной изобарической поверхности над
другой. Высота изобарической поверхности измеряется в геопотенциальных
декаметрах (гп. дам). Линии соединяющие равные значения геопотенциала
на высотных картах называются изогипсами. Они проводятся через 4 гп.
дам.
Составляются следующие карты абсолютного геопотенциала для
основных изобарических поверхностей: АТ – 850 мб для высоты 1,5 км; АТ –
700 мб ( 3,0 км); АТ –500 мб ( 5, 5 км ); АТ – 400 мб ( 7,0 км ); АТ – 300 мб (
9 км); АТ – 200 мб ( 12 км ); АТ – 100 мб ( 16 км ) и др.
10
Стр.10