Основные теоретические положения. Цель лабораторной работы

Цель лабораторной работы

Научиться определять скорость и направление ветра в приводном слое по факсимильным картам погоды.

Основные теоретические положения

На судне можно по факсимильной карте погоды, а лучше по прогностической карте погоды, определить скорость и направление ветра в том районе, в котором судно будет через определенное время. Можно определить скорость и направление ветра в любом месте, представленном на факсимильной карте.

Известно, что поля ветра и давления тесно связаны, так как единственно активной силой, приводящей к возникновению движения воздуха (ветра), является горизонтальная составляющая градиента давления. Наибольшее практическое применение в настоящее время находит геострофическая модель связи этих двух полей. Возникающее в этом случае установившееся (без ускорения, то есть ) горизонтальное прямолинейное движение воздуха, обусловленное балансом сил барического градиента и Кориолиса, называется геострофическим ветром. Скорость геострофического ветра по приземным синоптическим (факсимильным) картам рассчитывается по формуле

 

 

(1)

 

где l - параметр Кориолиса

 

(2)

- угловая скорость вращения Земли, - широта места, - плотность воздуха.

В отличие от силы барического градиента как непосредственной причины возникновения ветра, отклоняющая сила вращения Земли является инерционной силой. С ней связано лишь отклонение всякого свободно движущегося в горизонтальной плоскости тела в северном полушарии вправо, в южном - влево от начального направления движения.

Ни возникновение движения, ни изменение его скорости не связано с отклоняющей силой. Это означает, что вектор силы всегда направлен к вектору скорости под прямым углом в северном полушарии вправо, в южном - влево. Таким образом, геострофический ветер направлен вдоль изобар так, что низкое давление остается слева в северном полушарии, В южном полушарии - справа. Это правило носит название барического закона ветра.

На рисунке показано взаимное расположение действующих сил относительно вектора скорости в случае геострофического ветра.

 

а) б)

G G

___995_ _______ _________995__

C C

1000_ _________________1000___

K K

Рис. Взаимное расположение действующих сил в случае геострофического ветра,

а - северное полушарие, б - южное полушарие.

Скорость геострофического ветра C является функцией барического градиента, который тем больше, чем гуще проведены изобары. При одинаковых барических градиентах, скорость геострофического ветра различна в теплом и холодном воздухе, в воздухе с большей и меньшей плотностью, в районах с большим или меньшим давлением. При прочих равных условиях геострофический ветер будет различным на разных широтах.

Подставляя в (1) значение плотности воздуха при нормальных условия ( ), значение угловой скорости вращения Земли.

 

(3)

 

и, приводя значения разности давлений и расстояния между изобарами к основным единицам системы СИ, получим

 

 

Рабочая формула будет иметь вид

м/с, (4)

 

где - в гПа, а - в сотнях километров.

 

В тех случаях, когда значение градиента давления оценивается по расстоянию между соседними изобарами, которые проведены через 5 гПа (5.4·5=27), можно воспользоваться формулой

 

м/с, (5)

 

 

м/с, (6)

 

Из (5) видно, что геострофический ветер зависит от расстояния между изобарами и от широты места. Для определения геострофического ветра по приземным картам погоды используются номограммы с входными параметрами: широта места ( и расстояние между соседними изобарами. Такие номограммы называются градиентными линейками. Они строятся с учетом масштаба карты. Многие страны помещают градиентную линейку на приземную карту погоды. Вычисление геострофического ветра с помощью градиентных линеек не отличается большой точностью.

Действительный ветер отличается по значению и направлению от геострофического ветра. Скорость действительного ветра в приводном слое (море) может быть приближенно рассчитана по формуле

C = 0.7C_g, (7)

 

на уровне флюгера (суша) —

 

C = 0.4C_g. (8)

Влияние трения в приземном слое сказывается и в том, что ветер отклоняется от касательной к изобаре в среднем на 35 - 40° над сушей и на 15° над морем.

 

Содержание задания

1. Рассмотреть факсимильную карту погоды, определить район, для которого дана карта, дату и время.

2. Выбрать в разных участках барического поля три точки с разной густотой изобар. Одну из них взять такую, в которой известно направление и скорость ветра - на карте есть стрелка, указывающая направление ветра и на ней оперение, показывающее скорость ветра.

3. Записать координаты точек, скорость и направление ветра в третьей точке.

4. Нанести на карту векторы сил, вызывающих геострофический ветер и вектор геострофического ветра в каждой точке.

5. Рассчитать скорость геострофического ветра в каждой точке по формуле (4) или по (5) или (6).

6. Рассчитать скорость действительного ветра в приводном слое по (7) в каждой точке.

7. Нанести на карту вектор действительного ветра в приводном слое.

8. Сравнить рассчитанные скорость и направление ветра с имеющимися значениями на факсимильной карте.

9. Проанализировать полученные значения геострофического ветра и
действительного ветра в приводном слое и связь их с барическим полем.
Выделить на карте районы с сильными и слабыми ветрами.

 

Исходные материалы. Факсимильные карты погоды.

 

Рекомендации по выполнению задания. Необходимо измерителем (линейкой) снять расстояние по нормали между изобарами и, приложив измеритель (линейку) к меридиану, определить скольким градусам меридиана это расстояние соответствует. Известно, что один градус меридиана равен 60 милям или 111км. Умножив 111 на количество градусов меридиана, получаем расстояние между изобарами в километрах. Далее переводим километры м в сотни километров. Например, расстояние в километрах равно 240. В сотнях километров это будет 2.4. Это значение подставляем в формулу (4) или (5), (6).

Если использовать градиентную линейку, то с расстоянием ,снятым измерителем (линейкой) заходим в номограмму на нужной широте и снимаем значение геострофического ветра в м/с.

Отчетные материалы. Описание поля ветра в соответствии с пунктами задания. Результаты расчетов геострофического и действительного ветра и их анализ.

Скорость ветра (м/с) в зонах холодных фронтов
при различных градиентах давления вдоль фронта

 

Градиент, hPa/1° меридиана	25-35°	35-45°	45-50°	55-65°	65-75°