ГЕОСТРОФИЧЕСКИЙ ВЕТЕР

Как только горизонтальные градиенты давления приводят воздух в движение, начинают действовать вторичные силы. В районах, удаленных от экватора, наиболее важной для вполне установившегося движения воздуха является чаще всего сила Кориолиса. Рассмотрим частицу воздуха в северном полушарии, двигающуюся из области высокого давления в область низкого давления благодаря силе градиента давления. Предположим, что изобары представляют собой прямые линии, а трение отсутствует (рис. 1.4.6).

Рис. 1.4.6. Установление геострофического ветра в северном полушарии.

Сила Кориолиса будет поворачивать частицу вправо, а сумма силы градиента давления (СГД) и силы Кориолиса (СК) будет увеличивать скорость. По мере возрастания скорости частицы сила Кориолиса, пропорциональная скорости и, также будет возрастать, а значит, будет возрастать и ее отклоняющее действие. В точке, где частица начинает двигаться перпендикулярно СГД, СК и СГД действуют в противоположных направлениях, и результирующая сила будет зависеть от того, какая из них окажется больше. Если это СГД, ускорение будет направлено влево от движения, возрастет скорость и возрастет и сила Кориолиса, что заставит частицу сместиться в обратном направлении. Если большей окажется сила Кориолиса, она заставит частицу отклониться больше вправо, ее скорость уменьшится, а значит, уменьшится сила Кориолиса, что вынудит частицу вернуться назад. В результате может установиться равновесие, если СГД остается постоянной в течение всего времени, пока частица движется перпендикулярно ей, а СК в точности равна ей по величине и противоположна по направлению. В этом случае частица не испытывает ускорения, и движение называют геострофическим. Соответствующий ветер дует параллельно изобарам так что в северном полушарии область высокого давления остается справа от него. В южном полушарии, наоборот, область высокого давления остается слева.

При рассмотрении понятия “геострофический ветер” основывались на двух важных предположениях: изобары являются прямыми линиями и отсутствует трение. Там, где эти предположения не верны, а также вблизи экватора, где сила Кориолиса мала, ветер отличается от геострофического. Ниже мы рассмотрим примеры таких ситуаций.

ПРИЗЕМНЫЙ ВЕТЕР

Около поверхности Земли трение является существенным фактором, который замедляет скорость ветра. Это замедление порождает вертикальный сдвиг скорости в слое атмосферы толщиной около 500 м. В этом слое трение приводит к значительному отклонению режима движения от геострофического. Вблизи земной поверхности, если пренебречь трением со стороны вышележащего воздуха, стационарное состояние требует равновесия трех сил (рис. 1.4.7). Величина и направление СГД заданы, а величина и направление СК и силы трения изменяются с изменением скорости и направления ветра. Для достижения равновесия направление ветра должно составлять некоторый угол α c изобарами, а величина СК должна быть меньше величины СГД. Скорость поверхностного ветра, таким образом, меньше, чем скорость геострофического ветра.

Рис. 1.4.7. Равновесие сил в приземном ветре (в северном полушарии).

Эта разница, равно как и угол а, зависит от условии на поверхности, над которой дует ветер. Эти условия совместно со скоростью ветра определяют величину силы трения. Поверхностный ветер измеряют, как правило, на стандартной высоте 10м. Над морем скорость ветра на этой высоте составляет обычно 2/3 от геострофической скорости Ug; а угол α равен 10-20°. Над шероховатой поверхностью скорость ветра на высоте 10 м может не достигать и 1/3 скорости геострофического ветра, а угол α будет превышать 40°. Эти поправки должны быть приняты во внимание, когда по изобарическим картам требуется определить приземный ветер.

На высотах трение вызывается различием в скоростях движения выше и нижележащих слоев воздуха, и сила трения уже не обязательно будет направлена строго против скорости ветра. Однако рассуждения, подобные вышеприведенным, остаются в силе: по мере того как трение с высотой уменьшается, направление и скорость ветра приближаются к направлению и скорости геострофического ветра.

Градиентный ветер. Циклострофический ветер.

В случае, когда изобары искривлены, геострофическое движение будет направлено по кривой и, следовательно, подвергаться воздействию центробежной силы в дополнение к силам, рассмотренным выше. Здесь возможны два случая: циклоническое движение, когда давление падает по направлению к центру кривизны (рис. 1.4.8а), и антициклоническое - когда давление возрастает по направлению к центру кривизны (рис. 1.4.86). В обоих случаях, когда ветер дует вдоль изобар, ЦС направлена от центра кривизны. Следовательно, при циклоническом движении (направление ветра против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке в южном полушарии) ЦС действует в том же направлении, что и СК. Отсюда следует, что для достижения равновесия СК с СГД требуется меньшая СК, а значит, и меньшая скорость ветра. Этот ветер известен под названием градиентного ветра, а его величина U_gr может быть определена из уравнения:

то есть

Рис. 1.4.8. Равновесие сил и установление градиентного ветра (а) в циклоне и (б) в антициклоне.

В каждом из полушарий направление ветра при антициклоническом движении противоположно направлению ветра при циклоническом движении, и ЦС и СК направлены в разные стороны. Поэтому увеличение СК требует, чтобы скорость была больше чем в геострофическом случае.

Возьмем для примера условия, принятые нами выше для вычисления геострофической скорости (широта 30°, др/дх = 1/100 мб/км). Если изобары имеют кривизну, соответствующую циклоническому движению с радиусом кривизны 1000 км, то скорость градиентного ветра составит 10,0 м/сек. Однако для антициклонического движения с тем же радиусом кривизны эта скорость равна 14,2 м/с. В последнем случае существует верхний предел величины градиентной скорости, за которым не может быть достигнуто равновесие между СГД, СК и ЦС. Причиной является тот факт, что ЦС пропорциональна квадрату скорости ветра. Этот верхний предел равен Ωrsin φ. Если скорость ветра превышает этот предел, возникает результирующая сила, направленная из центра кривизны, ветер получает составляющую поперек изобар, что приводит к уменьшению величины СГД.

Таким образом, направления градиентного ветра и геострофического ветра совпадают, а величины скоростей различны. Около поверхности, конечно, на градиентный ветер, как и на геострофический, действует сила трения, поэтому он уменьшает свою скорость и оказывается ориентированным под углом к изобарам.

Циклострофический ветер.

В вихре малого радиуса, где СГД велика, сила Кориолиса становится очень небольшой по сравнению с другими силами, и в предельном случае баланс устанавливается между СГД иЦС.Можно написать тогда

то есть скорость циклострофического движения равна

Эта формула дает хорошее приближение для скорости ветра в торнадо и в аналогичном, хотя и менее сильном вихре, возникающем над океаном, - водяном смерче. Эти вихри имеют диаметр порядка 100-200 м. Благодаря трению на поверхности воздух в них движется по спирали к центру вихря, а затем поднимается в центре низкого давления, неся с собой пыль и водяные брызги. Образование этих вихрей связано с условиями крайней неустойчивости и сопровождается развитием воронки, выходящей из кучево-дождевого облака и суживающейся к поверхности Земли. Обычно такие вихри живут очень недолго, около 15 минут, но циклострофический ветер в них достигает скорости 100 м/сек и более, что в сочетании с пониженным (скажем, на 25 мб и более) давлением в центре вихря приводит к значительным разрушительным воздействиям вихрей.

При выводе соотношения для циклострофической скорости мы предположили, что СК является несущественной, в этом случае ветер может вращаться в любом направлении. Как правило, однако, влияние СК достаточно (по крайней мере, в ранней стадии образования торнадо), чтобы сделать предпочтительным циклоническое вращение, при котором СК направлена от центра вихря.

Барический закон ветра. И в прямолинейных изобарах и в циклонах и антициклонах с круговыми изобарами ветер в нижних слоях атмосферы отклоняется от барического градиента на некоторый угол в северном полушарии вправо, а в южном влево. Подобное отклонение бывает и в действительных условиях атмосферы, при изобарах произвольной формы. Отсюда следует такое положение: если встать спиной к ветру, то наиболее низкое давление окажется слева и несколько впереди, а наиболее высокое давление — справа и несколько сзади. Это положение было найдено эмпирически еще в первой половине XIX в. и носит название барического закона ветра, или закона Бейс-Балло.

В действительных условиях изобары в циклонах и антициклонах имеют неправильную форму; барические градиенты, трение и углы отклонения ветра от градиента в разных частях циклона и антициклона различны; движение происходит с ускорением и т. д. Поэтому в действительности движения воздуха сложнее, чем в упрощенных случаях равномерного движения в барических системах с круговыми изобарами, представленных на приведенных схемах.