3. Температурные градиенты и стратификации атмосферы.

Все метеорологические элементы (МЭ) изменяются в пространстве и времени. Пространственное распределение МЭ называют полями этих элементов, которые проще характеризовать эквискалярными поверхностями (в каждой точке поверхности метеоэлемент сохраняет свою величину).

Поле давления характеризуется изобарическими поверхностями, поле температур – изотермическими поверхностями и т.д. Линии равных давлений называют изобарами, равных температур – изотермами, равных скоростей - изотахами.

Изменчивость МЭ в пространстве удобно характеризовать градиентом этого поля, под которым понимается падение данной величины, по нормали к поверхности равного значения этой величины, рассчитанного на единицу расстояния.

На практике оперируют не пространственными градиентами МЭ, а их проекциями на вертикальную и горизонтальную ось.

Вертикальный температурный градиент обозначается

γ = - ,

а горизонтальный Г = - ,

где - изменение температуры на 100м высоты

– изменение температуры по горизонтали на градус меридиана (примерно 100км).

Все процессы в атмосферном воздухе происходят без теплообмена с окружающей средой, т.е.– адиабатически, т.к. теплопроводность воздуха мала. Установлено, что значение вертикального сухоадиабатического градиента (влажного ненасыщенного воздуха) составляет

γ_а= - 0,98^оС/100м. ~1^оС/100м

а вертикального влажноадиабатического температурного градиента (насыщенного воздуха) γ = - .

Следовательно, в насыщенном влагой воздухе температура падает с высотой медленнее, чем в сухом (ненасыщенном) воздухе. Это происходит за счет выделения скрытой теплоты парообразования при конденсации водяного пара, которая дополнительно нагревает поднимающийся объем воздуха.

В реальной атмосфере могут наблюдаться вертикальные градиенты как меньше γ, так и больше γ_а. на определенный момент времени эти градиенты температур определяют состояние (стратификацию) атмосферы. График изменения температуры воздуха по высоте называется стратификацией атмосферы.

Стратификация атмосферы может быть :

- устойчивой.

- неустойчивой.

- безразличной.

Устойчивой называют такое состояние атмосферы, при котором перемещенный со своего места объем воздуха вверх или вниз, стремится восстановить свое первоначальное положение под действием сил плавучести.

Неустойчивым называют такое состояние, когда объем воздуха, получив импульс движения, стремится продолжать движение от своего первоначального положения.

Критерием для определения устойчивости стратификации атмосферы являются соотношения:

γ > γ_а - неустойчивая,

γ < γ_а - устойчивая,

γ = γ_а - безразличная.

- при γ > γ_а (поднимающийся объем воздуха теплее окружающего на всех уровнях) развиваются конвективные движения (образуются кучевые облака).

- при γ < γ_а условия для конвекции неблагоприятны атмосфера устойчива.

- при γ = γ_а разность температур в понимающемся и окружающем воздухе одинаковы, стратификация безразличная (равновесие).

Наиболее характерное изменение температуры с высотой это ее падение около 0,7⁰ С на 100м. Однако в реальных условиях нередко встречаются слои воздуха где температура с высотой постоянна (γ = 0) или растет (γ > 0). В первом случае имеет место изотермия, во втором - инверсия – предельная устойчивость.

Инверсионные слои задерживают поток водяного пара вверх, гасят вертикальные движения, влияют на распространение электромагнитных и звуковых волн. По причине образования инверсии делятся на: радиационные и адвективные. Первые чаще образуются на суше и над ледяными полями в море и связаны с антициклонами и тыловыми частями циклонов, вторые встречаются в районах холодных океанских течений и обусловлены теплыми фронтами циклонов.

Годовой ход температуры воздуха зависит от широты, места. Над океанами выделяют 4 типа годового хода температуры:

1. Экваториальный тип. Амплитуды здесь минимальны и составляют 1-2⁰С.

2. Тропический тип. Амплитуда 5-10⁰С.

3. Тип умеренного пояса. Максимум в июле, минимум в январе. Амплитуда 10-15⁰С, на побережьях море и океанов 20-25⁰С.

5. Полярный тип. Амплитуда уменьшена. Максимум температуры в августе, минимум в марте.