Барическое поле

Барическое поле– этопространственное распределение атмосферного давления.Область в атмосфере, в которой давление понижено вблизи центра, называют циклоном, а область с повышенным давлением вблизи центра – антициклоном. Обширные области с определенным типом атмосферного давления – пониженного или повышенного, – называют барическими системами. Барические системы формируются циклонами и антициклонами, в совокупности с обширными ложбинами низкого давления и гребнями высокого.

Атмосферное давление в некоторой точке в определенный момент времени рассматривается как скалярная величина, поскольку характеризуется одним числовым значением, выраженным в миллибарах или в миллиметрах ртутного столба. Распределение атмосферного давления в пространстве можно представить набором поверхностей с заданными его значениями, т.е. в виде изобарических поверхностей, окружающих Земной шар.

Рис. 5.6. Вертикальный разрез изобарических поверхностей над циклоном (Н) и антициклоном (В). Поверхности проведены с одинаковым шагом давления, выраженного в мб [84].

Высота каждой из этих поверхностей над уровнем моря в каждой ее точке может быть неодинаковой (рис. 5.6). Иными словами, поверхность может быть изогнутой. Тем не менее высоты изобарических поверхностей подчиняются определенным закономерностям: чем больше давление, тем поверхность в среднем располагается ближе к уровню моря. Например, изобарическая поверхность со значением давления 1000 мб проходит вблизи уровня моря. Изобарические поверхности 700 мб, 500 мб, 300 мб, 200 мб и 100 мб располагается соответственно на высотах, близких к 3 км, 5 км, 9 км, 12 км и 16 км.

Карты абсолютной барической топографии. Введем в рассмотрение поверхности другого вида – поверхности уровня. Каждая такая поверхность окружает Земной шар, проходя на одной и той же высоте над уровнем моря. Таких поверхности можно представить сколько угодно, например, с интервалом 40 м по высоте (т.е. в этом случае смежные поверхности уровня различаются по высоте на 40 м).

Любая изобарическая поверхность в данный момент времени в различных своих точках пересекается несколькими поверхностями уровня, причем число пересечений зависит, в частности, от интервала по высоте между поверхностями уровня. В каждой точке пересечения ее высота равна высоте соответствующей поверхности уровня. Соединив точки пересечения плавными линиями (изолиниями высот), получим карту распределения высот заданной изобарической поверхности, или карту абсолютной барической топографии. Например, на рис. 5.7 приводится карта абсолютной барической топографии 500 мб(сокращенное обозначение АТ₅₀₀), на которой высоты показаны в десятках метров. Изолинии проведены через 40 м (или через 4 декаметра).

Пересекаясь с поверхностями уровня, рассматриваемая изобарическая поверхность 500 мб в разных своих точках в каждый момент находится на различных высотах над уровнем моря. На представленной карте набольшая высота рассматриваемой изобарической поверхности составляет 568 декаметров (5680 м), а минимальная 536 декаметров (5360 м).

Рис. 5.7. Циклон (H) и антициклон (В) на карте абсолютной топографии изобарической поверхности 500 мб (АТ₅₀₀) [84].

Высота изобарической поверхности в данной точке и в данный момент определяется следующими факторами:

· величиной атмосферного давления на уровне моря;

· величиной средней температуры атмосферного столба воздуха.

Чем ниже температура воздуха, тем он более плотный, и тем быстрее давление падает с высотой. Поэтому вышележащие изобарические поверхности будут снижены в холодных участках атмосферы и, напротив, приподняты в теплых.

Выше указывалось, что в атмосфере существуют области, в которых давление повышено или понижено по сравнению с окружающими областями. Расположение их все время меняется. При этом в циклонах давление на каждом уровне самое низкое в центре и растет к периферии. Давление, кроме того, всегда понижается с высотой (см. гл. 1). В результате изобарические поверхности в циклоне снижаются от периферии к центру (рис. 5.6). Таким образом, на карте абсолютной топографии в центре циклона располагаются изогипсы с меньшими значениями высоты, а с удалением от центра изогипсы с большими значениями (рис. 5.7). По форме изобарическая поверхность в области циклона напоминает воронку (рис. 5.6).

В области повышенного давления (антициклон), на каждом высотном уровне в центре будет наивысшее давление, следовательно, в антициклоне изобарические поверхности будут иметь форму куполов. На карте абсолютной барической топографии в центре антициклона мы найдем изогипсы с наибольшими значениями высоты (рис. 5.6, 5.7).

В циклоне изобарическая поверхность лежит ближе к уровню моря, чем в антициклоне.

Карты относительной барической топографии. В синоптическом анализе применяют карты, на которых показано превышение высоты одной изобарической поверхности над другой, лежащей ниже, например превышение поверхности 500 мб над поверхностью 1000 мб. Изогипсы, показывающие относительную высоту одной изобарической поверхности над другой называются относительными изогипсами, а сами карты – карты относительной барической топографии. На рис. 5.8 показана карта относительной барической топографии поверхности 500 мб над поверхностью 1000 мб, которая обозначается .

Вспомним, что барическая ступень есть вертикальное расстояние, в пределах которого давление различается на единицу (1 мб). Следовательно, барическая ступень равна относительной высоте одной изобарической поверхности с давлением р над другой с давлением р+1. Как показано в главе 1, барическая ступень зависит от температуры воздуха. Таким образом, относительная высота между смежными изобарическими поверхностями зависит от средней температуры воздуха между ними.

Рис. 5.8. Области тепла (T) и холода (X) на карте относительной топографии изобарической поверхности 500 мбнад поверхностью 1000 мб[84].

На картах относительной барической топографии, характеризующих среднее поле температуры между двумя изобарическими поверхностями, области холода и тепла очерчиваются также изогипсами, при этом местоположение очагов холода чаще всего совпадает с циклонами и ложбинами, а очагов тепла – с антициклонами и гребнями (рис. 5.8).

В областях тепла толщина атмосферного слоя между двумя поверхностями увеличена, в областях холода – уменьшена [84; 83]. В области тепла давление падает с высотой медленнее, чем в области холода. Поэтому в области тепла относительная высота увеличивается, и изобарические поверхности раздвигаются, а в области холода относительная высота уменьшается, и изобарические поверхности сжимаются(рис. 5.9).

Рис. 5.9. Изобарические поверхности в областях тепла (T) и холода (X) в вертикальном разрезе [84].

Таким образом, на картах относительной топографии можно судить о распределении средних температур в слое воздухамежду рассматриваемыми изобарическими поверхностями.

Геопотенциал. Следует отметить, что на картах барической топографии наносят на самом деле не высоты изобарических поверхностей, а их геопотенциалы, численно близкие к высоте, выраженной в метрах. За единицу геопотенциала принят динамический метр, представляющий собой работу, которую необходимо затратить для подъёма единицы массы воздуха от уровня моря на 1 м на широте 45°. Для любой широты, до высоты 30 км, значение ускорения силы тяжести g принимают в расчётах равным 9.8 м/сек; Для того чтобы выразить положение изобарической поверхности в единицах работы таким же числом, что и её геометрическая высота z, было введено понятие геопотенциальной высоты Н. Геопотенциальные высоты вычисляют по барометрической формуле геопотенциала:

Н₂ – Н₁ = 67,44T_vmlg (p₁/p₂),

где H₁ и H₂ – геопотенциальные высоты на нижнем и верхнем уровне, a p₁ и p₂ – соответственно давление на этих уровнях, T_v – средняя виртуальная температура слоя воздуха, заключенного между уровнями H₁ и H₂.

Итак, любой точке изобарической поверхности соответствует определенный геопотенциал, пропорциональный высоте этой точки над уровнем моря. При этом геопотенциал выражают в геопотенциальных (динамических) метрах, при которых он численно близок к высоте, выраженной в метрах (и в точности равен ей на уровне моря на широте 45°). Относительный геопотенциал соответственно равен разности абсолютных геопотенциалов двух точек, лежащих на одной вертикали.

Приземные карты атмосферного давления. Принято изображать барическое поле на уровне моря с помощью линий равного давления – изобар.Для этого наносят на географическую карту величины атмосферного давления (р, мб) в пунктах метеорологических наблюдений, измеренные в один и тот же момент и приведенные к уровню моря, и плавно соединяют точки с одинаковым давлением линиями – изобарами (рис. 5.10). Проводят изобары обычно с интервалом 5 мб. Таким образом, изобары могут принимать значения 990, 995, 1000, 1005, 1010 мб и т.д.

Рис. 5.10. Изобары на уровне моря (мб). H – циклон, В – антициклон

На карте изобар обнаруживаются рассмотренные выше области пониженного и повышенного давления – циклоны и антициклоны. Области замкнутых изобар пониженного давления в их центре – циклоны, области замкнутых изобар с повышенным давлением в центре – антициклоны.

Рис. 5.11. Типы барических систем: сплошные линии – изобары; прерывистые линии – оси ложбин и гребней; Н – центры циклонов; В – центры антициклонов; стрелками показаны направления ветра у земной поверхности в Северном полушарии

Кроме циклонов и антициклонов в барическом поле могут выделяться промежуточные барические системы – барический гребень (связанная с антициклоном и вытянутая от его центра полоса повышенного давления) и ложбина (связанная с циклоном область пониженного давления) (рис. 5.11).