Вертикальний баричний градієнт

Вертикальний баричний градієнт – це зменшення атмосферного тиску на кожні 100 м висоти.

G_в = - d_р /d_z ·100 м.

Приклад: Атмосферний тиск біля земної поверхні 1000 гПа при температурі 11⁰. На деякій висоті тиск на 50 гПа менший і температура становить 9⁰. Визначити величину G_в. Середня температура шару повітря буде (11+9) / 2 = 10⁰. За формулою Лапласа визначаємо товщину шару повітря

h = 18400 lq 1000/950 (1 + 0,004 · 10) = 426,7 м. Звідси

G_в = - 50·100 / 426,7 = -11,7 гПа/100 м.

Баричний ступінь

Баричний ступінь – це висота, на яку потрібно піднятись чи опуститись щоб атмосферний тиск змінився на одиницю. Баричний ступінь обернено пропорційний вертикальному баричному градієнту

h = - d_z / d_р м/гПа

Приклад: Атмосферний тиск біля земної поверхні 1000 гПа. Температура повітря 0⁰. Визначити баричний ступінь. Використаємо скорочену формулу Бабіне

h = 8000 / р (1 + αt) = 8000 / 1000 (1 + 0,004 · 0) = 8 м / гПа

Виходить, що коли піднімемось на 8 м від земної поверхні, то атмосферний тиск зменшиться на 1 гПа. На висоті 5 км, де тиск близько 500 гПа, баричний ступінь уже буде становити близько 16 м / гПа (при температурі 0⁰). При підвищенні температури за незмінного тиску баричний ступінь збільшується на 0,4 % на кожен градус.

Якщо в наведеній формулі замість dр підставити його значення, а потім значення ρ, то

h = - d_z / d_р = - d_z / -qρdz = 1 / qρ = R _сT_в / qр м/гПа

Звідси видно, що величина баричного ступеня прямо пропорційна температурі та обернено пропорційна атмосферному тиску. Отже, в теплому повітрі баричний ступінь більший, ніж в холодному. Тому теплі області у високих шарах атмосфери стають областями високого тиску, а холодні – областями низького тиску. Взагалі атмосферний тиск в середньому закономірно змінюється: коли висота збільшується в арифметичній прогресії то тиск зменшується майже в геометричній прогресії. Так в Європі середній тиск на рівні моря 1014 гПа, на висоті 5 км – 538 гПа, 10 км – 262 гПа, 15 км – 120 гПа, 20 км – 56 гПа, 30 км – 10 гПа, 50 км – 1,3 гПа. На висоті 5 км тиск майже вдвічі нижчий, ніж на рівні моря, на 15 км – майже у 8 разів, а на висоті 20 км – у 18 разів нижчий, ніж на рівні моря.

Баричне поле

Баричним полем називають розподіл атмосферного тиску на площині. Для виявлення розподілу атмосферного тиску здавна складають синоптичні карти. Це географічні карти, на які наносять значення основних метеорологічних величин (у тому числі й атмосферного тиску), виміряних в один і той же момент, при цьому атмосферний тиск приведений до рівня моря. Точки з однаковим атмосферним тиском з’єднуються плавними лініями, які й називаються ізобарами. Їх проводять через 5 гПа, ізобари завжди кратні 5 гПа, наприклад 990, 995, 1000 гПа тощо.

В баричному полі виділяються у першу чергу основні баричні системи – це циклони та антициклони. На приземних картах вони виділяються замкненими концентричними ізобарами неправильної округлої або овальної форми. Циклони, це вихори з низьким тиском у центрі (Н), антициклони – з високим (В) (мал. 6.2). Крім того в баричному полі помітні ще баричні системи з незамкненими ізобарами. Це улоговини та гребені.

Улоговина – це смуга зниженого атмосферного тиску між двома областями підвищеного тиску. Найчастіше вона є витягнутою периферією циклону. Найнижчий тиск спостерігається на осі улоговини. Ізобари в улоговині мають вигляд латинської буквиV, тобто на її осі ізобари різко змінюють напрям.

Гребінь – це смуга підвищеного атмосферного тиску між двома областями зниженого тиску. Він також буває у вигляді периферійної частини антициклону. Найвищий тиск спостерігається на осі гребеня. Ізобари в ньому мають вигляд латинської букви U і змінюють свій напрям не так різко як в улоговині.

Виділяють також особливу баричну систему – сідловина. Це ділянка баричного поля між двома циклонами та двома антициклонами, розташованими навхрест. Замість циклонів та антициклонів іноді сідловини утворюють відповідно улоговини та гребені.

Карти баричної топографії

Синоптичні карти можна побудувати не тільки на рівні моря, а й на будь-якому іншому вищерозташованому рівні. Але в практику синоптичної служби увійшли так звані карти баричної топографії.

Можна уявити, що всю атмосферу пронизує ряд ізобаричних поверхонь, які огинають земну кулю. В різних місцях ізобаричні поверхні розташовані на різній висоті і всі вони перетинають поверхні рівня під дуже малими кутами, рівними кутовим мінутам. Так, ізобарична поверхня 1000 гПа проходить поблизу рівня моря, 850 гПа – на висоті близько 1,5 км, 700 гПа – на висоті близько 3 км, 200 гПа – на висоті 12 км, 100 гПа – поблизу 16 км. Точка перетину ізобаричної поверхні з рівнем моря є ізобарою, а точки перетину ізобаричних поверхонь з іншими рівнями є ізогіпсами, які й наносять на карти баричної топографії.

Точки перетину ізобаричної поверхні з поверхнями рівня в даний момент розташовані на різній висоті над рівнем моря. Так, ізобарична поверхня 700 гПа над одним районом може бути на висоті близько 2800 м, а над іншим – на висоті 3200 м. Це залежить від розподілу атмосферного тиску на рівні моря в даний час. Крім того висота ізобаричних поверхонь залежить від середньої температури шару повітря в різних місцях. Раніше ми бачили, що чим вища температура повітря, тим більший баричний ступінь, тобто тим повільніше зменшується тиск при піднятті угору. Тому якщо навіть на рівні моря тиск скрізь однаковий то вищерозташовані ізобаричні поверхні будуть опущені над холодними ділянками атмосфери та припідняті над теплими.

Просторовий розподіл атмосферного тиску постійно змінюється, тому для потреб служби погоди за аерологічними спостереженнями щоденно складають карти топографії ізобаричних поверхонь або карти баричної топографії. Є карти абсолютної та відносної баричної топографії.

На карти абсолютної баричної топографії наносять висоти певної ізобаричної поверхні над рівнем моря на всіх станціях у чітко встановлений час. Як правило, у службі погоди складають карти для ізобаричних поверхонь 850, 700, 500, 300, 200, 100, 50 та 25 гПа. Точки із рівними висотами поверхні з’єднують плавними лініями, які називаються ізогіпсами. Насправді, на карту наносять не висоту ізобаричної поверхні, а її геопотенціал. Геопотенціалом називається потенційна енергія одиниці маси у полі сили тяжіння, тобто це робота, яку необхідно витратити проти сили тяжіння, щоб підняти одиницю маси повітря від рівня моря на задану висоту. Геопотенціал дорівнює F=gz, де g – сила земного тяжіння, а z – висота точки над рівнем моря, м. Геопотенціал виражають в геопотенціальних метрах, а частіше в геопотенціальних декаметрах. Геопотенціальні метри за чисельною величиною близькі до висоти в метрах. Геопотенціал ще називають динамічною або геопотенціальною висотою. Ізогіпси проводять через кожні 4 декометри, кратні 4.

Атмосферний тиск постійно змінюється. В циклонах атмосферний тиск найнижчий у його центрі. Тому ізобаричні поверхні в циклонах прогинаються від периферії до центру (мал. 6.3). Це означає, що на картах абсолютної топографії навколо центру циклону будують замкнені ізогіпси (мал. 6.4). В антициклонах, навпаки ізобаричні поверхні над центром припідняті і нахилені на його периферію. Тому на картах абсолютної баричної топографії ізогіпси так само замкнені, але найбільша висота буде в центрі.

На карти відносної баричної топографії наносять висоти певної визначеної ізобаричної поверхні, але відраховані не від рівня моря, а від нижчерозташованої ізобаричної поверхні. В практиці служби погоди складають карту відносної баричної топографії 500 гПа над поверхнею 1000 гПа. Ці висоти називають

відносними, а проведені ізогіпси – відносними ізогіпсами. Це записують у вигляді дробу 500 / 1000 гПа.

Відносна висота однієї ізобаричної поверхні над іншою залежить від середньої температури повітря між двома поверхнями (мал. 6.5). Ми вже бачили, що величина баричного ступеня залежить від температури. То баричний ступінь, тобто відстань між двома рівнями з тиском, який відрізняється на одиницю, по суті і є відносна висота однієї ізобаричної поверхні над іншою. Це значить, що за розподілом відносних висот на карті можна мати уяву про середні температури в шарі між двома ізобаричними поверхнями. Чим більша відносна висота, тим вища температура шару повітря. Значить карти відносної баричної топографії дають нам уяву про розподіл температури в атмосфері (мал. 6.6).

У центрі замкнених ізогіпс з найбільшими значеннями геопотенціалу ставлять літеру Т, тобто це центр області тепла, а з найменшими значеннями – Х, тобто це область холоду. Таким чином, карти абсолютної і відносної баричної топографії разом характеризують термобаричне поле атмосфери.