36. Горизонтальний баричний градієнт
Розглядаючи ізобари на синоптичної карті, ми помічаємо, що в одних місцях ізобари проходять густіше, в інших - рідше.
Очевидно, що в перших місцях атмосферний тиск змінюється в горизонтальному напрямку сильніше, по-друге - слабше. Кажуть ще: «швидше» і «повільніше», але не слід змішувати зміни в просторі, про які йде мова, зі змінами в часі.
Точно виразити, як міняється атмосферний тиск в горизонтальному напрямку, можна за допомогою так званого горизонтального баричного градієнта, або горизонтального градієнта тиску. У розділі четвертої говорилося про горизонтальному градієнті температури. Подібно до цього горизонтальним градієнтом тиску називають зміну тиску на одиницю відстані в горизонтальній площині (точніше, на поверхні рівня); при цьому відстань береться по тому напрямку, в якому тиск убуває усього сильніше. А таким напрямком найбільш сильного зміни тиску є в кожній точці напрямок по нормалі до ізобар в цій точці.
Таким чином, горизонтальний баричний градієнт є вектор, напрям якого збігається з напрямком нормалі до ізобар в бік зменшення тиску, а числове значення дорівнює похідною від тиску за цим напрямком. Позначимо цей вектор символом - # 209; р, а числову його величину -dp / dn, де п - напрямок нормалі до ізобар.
Як всякий вектор, горизонтальний баричний градієнт можна графічно представити стрілкою; в даному випадку стрілкою, спрямованої по нормалі до ізобар в бік зменшення тиску. При цьому довжина стрілки повинна бути пропорційна числової величиною градієнта.
У різних точках баричного поля напрямок і величина баричного градієнта будуть, звичайно, різними. Там, де ізобари згущені, зміна тиску на одиницю відстані по нормалі до ізобар більше; там, де ізобари розсунуті, воно менше. Інакше кажучи, величина горизонтального баричного градієнта обернено пропорційна відстані між изобарами.
Якщо в атмосфері є горизонтальний баричний градієнт, це означає, що ізобаричної поверхні в даній ділянці атмосфери нахилені до поверхні рівня і, отже, перетинаються з нею, утворюючи ізобари. Ізобаричної поверхні нахилені завжди в напрямку градієнта, т. Е. Туди, куди тиск убуває.
Горизонтальний баричний градієнт є горизонтальною складовою повного баричного градієнта. Останній видається просторовим вектором, який в кожній точці ізобаричної поверхні спрямований по нормалі до цієї поверхні в бік поверхні з меншим значенням тиску. Числова величина цього вектора дорівнює -dp / dn; але тут n - напрямок нормалі до ізобаричної поверхні. Повний баричний градієнт можна розкласти на вертикальну і горизонтальну складові, або на вертикальний і горизонтальний градієнти. Можна розкласти його і на три складові по осях прямокутних координат X, Y, Z. Тиск змінюється з висотою набагато сильніше, ніж в горизонтальному напрямку. Тому вертикальний баричний градієнт в десятки тисяч разів більше горизонтального. Він врівноважується або майже врівноважується спрямованої протилежно йому силою тяжіння, як це випливає з основного рівняння статики атмосфери. На горизонтальне рух повітря вертикальний баричний градієнт не впливає. Далі в цій главі ми будемо говорити тільки про горизонтальному баричному градієнті, називаючи його просто баричним градієнтом.
38. Швидкість вітру
Як нам вже відомо з глави другий, вітром називають рух повітря відносно земної поверхні, причому, як правило, мається на увазі горизонтальна складова цього руху. Однак іноді говорять про висхідному або про низхідному вітрі, враховуючи також і вертикальну складову. Вітер характеризується вектором швидкості. На практиці під швидкістю вітру мається на увазі тільки числова величина швидкості; саме її ми будемо надалі називати швидкістю вітру, а напрямок вектора швидкості - напрямком вітру.
Швидкість вітру виражається в метрах в секунду, в кілометрах в годину (особливо при обслуговуванні авіації) і в вузлах (в морських милях на годину). Щоб перевести швидкість з метрів в секунду в вузли, досить помножити число метрів в секунду на 2.
Існує ще оцінка швидкості (або, як прийнято говорити в цьому випадку, сили) вітру в балах, так звана шкала Бофорта, за якою весь інтервал можливих швидкостей вітру ділиться на 12 градацій. Ця шкала пов'язує силу вітру з різними його ефектами, такими, як ступінь хвилювання на морі, хитання гілок і дерев, поширення диму з труб і т. П. Кожна градація за шкалою Бофорта носить певну назву. Так, нулю шкали Бофорта відповідає штиль, т. Е. Повна відсутність вітру. Вітер в 4 бали, по Бофорту називається помірним і відповідає швидкості 5-7 м / сек; в 7 балів - сильним, зі швидкістю 12-15 м / сек; в 9 балів - штормом, зі швидкістю 18-21 м / сек; нарешті, вітер в 12 балів за Бофорту- це вже ураган, зі швидкістю понад 29 м / сек.
Розрізняють згладжену швидкість вітру за деякий невеликий проміжок часу, протягом якого виробляються спостереження, і миттєву швидкість вітру, яка взагалі сильно коливається і часом може бути значно нижче або вище згладженої швидкості. Анемометри зазвичай дають значення згладженої швидкості вітру, і надалі мова буде йти саме про неї.
У земної поверхні найчастіше доводиться мати справу з вітрами, швидкості яких близько 4-8 м / сек і рідко перевищують 12-15 м / сек. Але все ж в штормах і ураганах помірних широт швидкості можуть перевищувати 30 м / сек, а в окремих поривах досягати 60 м / сек. У тропічних ураганах швидкості вітру доходять до 65 м / сек, а окремі пориви - до 100 м / сек. У маломасштабних вихорах (смерчі, тромби) можливі швидкості і більш 100 м / сек. У так званих струменевих течіях у верхній тропосфері і в нижній стратосфері середня швидкість вітру за тривалий час і на великій площі може доходити до 70-100 м / сек.
Швидкість вітру в земної поверхні вимірюється анемометрами різної конструкції. Найчастіше вони засновані на тому, що тиск вітру приводить в обертання прийомну частину приладу (чашковий анемометр, млиновий анемометр і ін.) Або відхиляє її від положення рівноваги (дошка Вільда). За швидкістю обертання або величиною відхилення можна визначити швидкість вітру. Є конструкції, засновані на манометричному принципі (трубка Піто). Є ряд конструкцій самописних приладів - анемографов і (якщо вимірюється також і напрямок вітру) анеморумбограф. Прилади для вимірювання вітру на наземних станціях встановлюються на висоті 10-15 м над земною поверхнею. Виміряний ними вітер і називається вітром у земної поверхні.
Потрібно добре запам'ятати, що, кажучи про направлення вітру, мають на увазі напрям, звідки він дме. Вказати цей напрям можна, назвавши або точку горизонту, звідки дме вітер, або кут, утворений напрямом вітру з меридіаном місця, т. Е. Його азимут. У першому випадку розрізняють 8 основних румбів горизонту: північ, північний схід, схід, південний схід, південь, південний захід, захід, північний захід - і 8 проміжних румбів між ними: північ-північний схід, схід-північно схід, схід-південний схід, південь-південний схід, південь-південний захід, захід-південно-захід, захід-північний захід, північ-північний захід (рис. 68). 16 румбів, вказують напрямок, звідки дме вітер, мають такі скорочені позначення, українські та міжнародні:
Якщо напрямок вітру характеризується кутом його з меридіаном, то відлік ведеться від півночі за годинниковою стрілкою. Таким чином, північ буде відповідати 0 ° (360 °), північно-схід 45 °, схід 90 °, південь 180 °, захід 270 °. При спостереженнях над вітром у високих шарах атмосфери напрямок його, як правило, вказується в градусах, а при спостереженнях на наземних метеорологічних станціях - в румбах горизонту.
Напрямок вітру визначається за допомогою флюгера, що обертається навколо вертикальної осі. Під дією вітру флюгер приймає положення по напрямку вітру. Флюгер зазвичай з'єднується з дошкою Вільда.
Так само як і для швидкості, розрізняють миттєве і згладжене напрямок вітру. Миттєві напрямку вітру значно коливаються біля деякого середнього (згладженого) напрямку, який визначається при спостереженнях за флюгеру.
Однак і згладжене напрямок вітру в кожному даному місці Землі безперервно змінюється, а в різних місцях в один і той же час воно також по-різному. В одних місцях вітри різних напрямків мають за тривалий час майже рівну повторюваність, в інших - добре виражене переважання одних напрямків вітру над іншими протягом усього сезону або року. Це залежить від умов загальної циркуляції атмосфери і почасти від місцевих топографічних умов.
При кліматологічної обробці спостережень над вітром можна для кожного даного пункту побудувати діаграму, що представляє собою розподіл повторюваності напрямків вітру по основних румбам, у вигляді так званої троянди вітрів (рис. 69). Від початку полярних координат відкладаються напрямки по румбам горизонту (8 або 16) відрізками, довжини яких пропорційні повторюваності вітрів даного напрямку. Кінці відрізків можна з'єднати ламаною лінією. Повторюваність штилів вказується числом в центрі діаграми (на початку координат). При побудові рози вітрів можна врахувати ще й середню швидкість вітру за кожним напрямом, помноживши на неї повторюваність даного напрямку. Тоді графік покаже в умовних одиницях кількість повітря, що переноситься вітрами кожного напряму.
Для подання на кліматичних картах напрямок вітру узагальнюють різними способами. Можна нанести на карту в різних місцях рози вітрів. Можна визначити рівнодіючу всіх швидкостей вітру (розглянутих як вектори) в даному місці за той чи інший календарний місяць протягом багаторічного періоду і потім взяти направлення цієї рівнодіючої як середнього напрямку вітру. Але частіше визначається переважний напрямок вітру. Саме, визначається квадрант з найбільшою повторюваністю. Середня лінія цього квадранта приймається за переважний напрямок.
Вітер постійно і швидко змінюється по швидкості і напрямку, коливаючись близько якихось середніх величин. Причиною цих коливань (пульсацій, або флуктуації) вітру є турбулентність, про яку говорилося в розділі другому. Коливання ці можна реєструвати чутливими самописними приладами. Вітер, що володіє різко вираженими коливаннями швидкості і напряму, називають поривчастим. При особливо сильною поривчастої говорять про шквалистим вітром.
При звичайних станційних спостереженнях над вітром визначають середнє (згладжене) напрямок і середню його швидкість за проміжок часу порядку декількох хвилин. При спостереженнях за флюгеру Вільда спостерігач повинен протягом двох хвилин стежити за коливаннями флюгарки і протягом двох хвилин за коливаннями дошки Вільда, а в результаті визначити середнє (згладжене) напрямок і середню (згладжену) швидкість за цей час. Чашковий анемометр дає можливість визначити середню швидкість вітру за будь-який кінцевий проміжок часу.
Однак представляє інтерес також і вивчення поривчастої вітру. Поривчастість можна характеризувати відношенням амплітуди коливань швидкості вітру за деякий проміжок часу до середньої швидкості за той же час; при цьому береться або середня, або найбільш часто зустрічається амплітуда. Під амплітудою мається на увазі різниця між послідовними максимумом і мінімумом миттєвої швидкості. Є й інші характеристики мінливості, в тому числі і напрямку вітру.
Поривчастість тим більше, чим більше турбулентність. Отже, вона сильніше виражена над сушею, ніж над морем; особливо велика в районах зі складним рельєфом місцевості; більше влітку, ніж взимку; має післяполудневий максимум в добовому ході.
У вільній атмосфері турбулентність може призводити до бовтанки літаків. Бовтанка особливо велика в сильно розвинених хмарах конвекції. Але вона різко зростає і при відсутності хмар в зонах так званих струменевих течій.
Вплив перешкод на вітер
Будь-яка перешкода, що стоїть на шляху вітру, буде якось на нього впливати, обурювати поле вітру. Такі перешкоди можуть бути і великомасштабними, як гірські хребти, і дрібномасштабними, як будівлі, дерева, лісосмуги і т. Д. Перш за все перешкода відхиляє повітряний плин: воно повинно або обтікати перешкоду з боків, або перетікати через нього зверху. При цьому горизонтальне обтікання відбувається в більшій мірі. Перетікання відбувається тим легше, ніж нестійкіше стратифікація повітря, т. Е. Чим більше вертикальні градієнти температури в атмосфері. Перетікання повітря через перешкоди призводить до дуже важливим наслідків, таким, як збільшення хмар і опадів на навітряних схилах гори при висхідному русі повітря і, навпаки, розсіювання хмарності на подветренном схилі при низхідному русі.
Обтікаючи перешкоду, вітер перед ним слабшає, але з бічних сторін підсилюється, особливо у виступів перешкод (кути будівель, миси берегової лінії та ін.). Лінії струму в таких місцях згущаються. За перешкодою швидкість вітру зменшується, там є вітрова тінь.
Дуже істотно посилюється вітер, потрапляючи в суживающееся орографічне ложе, наприклад між двома гірськими хребтами. При просуванні повітряного потоку його поперечний переріз зменшується; а так як крізь зменшуване переріз повинен пройти стільки ж повітря, то швидкість зростає (рис. 74). Цим пояснюються сильні вітри в деяких районах; наприклад, північні вітри у Кременчуці сильніше, ніж в районах, розташованих на північ від його. Тим же пояснюється і посилення вітру в протоках між високими островами і навіть на міських вулицях.
Перед перешкодою і за ним іноді створюються так звані навітряні і підвітряні вихори.
Вплив полезахисних лісових смуг на мікрокліматичні умови полів зв'язано в першу чергу з тим ослабленням вітру в приземних шарах повітря, яке створюють лісові смуги. Повітря перетікає поверх лісосмуги, і, крім того, швидкість його слабшає при просочуванні його крізь просвіти в смузі. Тому безпосередньо за смугою швидкість вітру різко ослаблена. На більш далекій відстані за смугою швидкість вітру збільшується. Однак первісна, неослабленим швидкість вітру відновлюється тільки на відстані, рівному 40-50-кратній висоті дерев смуги, якщо смуга ажурна (несплошном). Вплив суцільної смуги поширюється на відстань, рівну 20-30-кратній висоті дерев і менше.
Інформація про роботу «Фізична географія»