16 Циклоны и антициклоны

Цикло́н — атмосферный вихрь огромного (от сотен до нескольких тысяч километров) диаметра с пониженным давлением воздуха в центре.

Воздух в циклоне циркулирует против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке в южном. Кроме того, в воздушных слоях на высоте от земной поверхности до нескольких сот метров, ветер имеет слагаемое, направленное к центру циклона, по барическому градиенту (в сторону убывания давления). Величина слагаемого уменьшается с высотой.

Циклон — не просто противоположность антициклону, у них различается механизм возникновения. Циклоны постоянно и естественным образом появляются из-за вращения Земли, благодаря силе Кориолиса. Следствием теоремы Брауэра о неподвижной точке является наличие в атмосфере как минимум одного циклона или антициклона.

Антициклон — это атмосферная масса, вихревое движение воздуха с высоким давлением в центре, по часовой стрелке — в Северном полушарии, против часовой стрелки — в Южном. Отличительной особенностью антициклонов является строго определённое направление ветра. Ветер направлен от центра к периферии антициклона, то есть в направлении снижения давления воздуха. Другой составляющей ветров в антициклоне является воздействие силы Кориолиса, обусловленной вращением Земли. В Северном полушарии это приводит к повороту движущегося потока вправо. В Южном полушарии, соответственно, влево. Именно поэтому ветер в антициклонах Северного полушария движется по направлению движения часовой стрелки, а в Южном — наоборот. Для циклонов характерно обратное направление ветров. В низком антициклоне, холодном, изобары остаются замкнутыми только в самых нижних километрах, а в средней тропосфере повышенное давление вообще не обнаруживается; возможно также наличие над таким антициклоном высотного циклона.

17-18 Геострофический и градиентный ветер

Ветер возникает как следствие неравномерного распределения атмосферного давления Количественная мера изменения атмосферного давления в горизонтальном направлении определяется величиной и направлением барического градиента . Воздух двигается из области высокого давления в область низкого по направлению барического градиента, который, в свою очередь, направлен по нормали к изобарам.

Горизонтальный барический градиент является равнодействующей сил давления, действующих на единицу объема воздуха. Для получения силы, действующей на единицу массы, необходимо разделить градиент на плотность воздуха, тогда выражение для горизонтального градиента

давления примет вид .

Сила барического градиента приводит воздух в движение и увеличивает его скорость. Сила, приведенная к единице массы, есть ускорение. Несмотря на незначительное ускорение, масса воздуха под воздействием горизонтального барического градиента могла бы достигать больших скоростей, если бы не вступали в действие другие силы.

Одной из основных сил, воздействующих на воздушную массу, является отклоняющая сила вращения Земли, или Кориолисова сила. В северном полушарии эта сила всегда направлена под прямым углов вправо от направления движения массы воздуха. Кориолисово ускорение, т.е. сила, приведенная к единице массы, определяется из выражения

, где w – угловая скорость вращения Земли, φ – географическая широта, v – скорость ветра.

Кориолисова сила обращается в нуль на экваторе и имеет максимум на полюсе..

Простейший вид движения воздуха теоретически можно представить как равномерное прямолинейное движение без трения. Такое движение воздуха при наличии отклоняющей силы вращения Земли называется геострофическим ветром. В такой модели движения ветра, кроме горизонтального барического градиента , на частицу воздуха действует еще и Кориолисова сила . Поскольку движение равномерное, силы должны быть уравновешены, т.е. равны по модулю и противоположны по направлению. Отклоняющая сила вращения Земли в северном полушарии направлена под прямым углом вправо от направления движения. В этом случае градиент давления должен быть направлен под прямым углом к направлению движения влево. Так как под прямым углом н градиенту располагаются изобары, то ветер будет иметь направление вдоль изобар, при этом область высокого давления будет располагаться справа, а область низкого давления слева (Рис. 5.7).

Рис. 5.7 Геострофический ветер:

G – сила барического градиента; А – отклоняющая сила вращения Земли;

U_g – скорость геострофического ветра.

В южном полушарии, где отклоняющая сила вращения Земли направлена влево от направления движения, геострофический ветер дует в противоположном направлении.

Скорость геострофического ветра определяется из уравнения равновесия сил

, откуда (5.1)

Таким образом, скорость геострофического ветра пропорциональна величине барического градиента.

Подставив в формулу (5.1) численные значения плотности воздуха при стандартных условиях и величину угловой скорости вращения Земли, приняв размерность барического градиента в гПа/100м для скорости ветра в м/с, получим рабочую формулу

, при 1 гПа/100м на широте φ = 55⁰ получим v_g=5,8 м/с.

Ветер у земной поверхности всегда отличается от геострофического, поскольку в приземном слое велика сила трения. В свободной атмосфере, начиная с высоты порядка 1000 м, реальный ветер имеет параметры весьма близкие к параметрам геострофического по направлению и скорости.

Сила трения на большой высоте пренебрежимо мала, кривизна траектории ветра также весьма незначительна. В этих условиях движение массы воздуха нельзя считать равномерным, однако, ускорения в ее движении очень невелики. Строгого совпадения реального и геострофического ветра в высоких слоях атмосферы не наблюдается, но использование понятие геострофического ветра позволяет с достаточной степенью точности определить скорость и направление ветра на различных высотах. В качестве исходных данных при решении этой задачи используются карты барической топографии.

Если движение воздуха происходит без воздействия сил трения по криволинейной траектории, то на массу воздуха действует центробежная сила, определяемая по формуле , где – скорость ветра, - радиус кривизны траектории движущейся частицы воздуха.

Ветер, в структуру которого включено движение по криволинейной территории, называется градиентным ветром.