Поле ветра. Поле ветра определения
 Скачать 0.51 Mb.
|
|
ПОЛЕ ВЕТРА Определения Скорость ветра - это трехмерная векторная величина со случайными мелкомасштабными колебаниями в пространстве и времени, наложенными на крупномасштабный организованный поток. Такое определение ветра используется, например, применительно к анализу загрязнения воздуха и при обеспечении посадки самолетов. Однако, в Руководстве приземный ветер рассматривается в основном как двумерная векторная величина, заданная двумя числовыми значениями, характеризующими направление и скорость. Короткопериодные пульсации ветра характеризуют его порывистость, а индивидуальные пульсации называются порывами. Во все большем количестве областей применения данных о ветре требуется информация об изменчивости или порывистости ветра. С этой целью используются три параметра, а именно: максимальный порыв и средние квадратические отклонения скорости и направления ветра. Средние значения - это значения (например, горизонтальной скорости ветра), которые осредняются за период времени от 10 до 60 мин. В этой главе мы имеем дело преимущественно с осреднением за период времени 10 мин, что необходимо для целей прогноза. Климатические обобщения обычно требуют осреднения за полный час или сутки. Периоды осреднения менее нескольких минут не в достаточной мере сглаживают естественные турбулентные пульсации ветра, поэтому значения ветра, осредненного за 1 мин, следует рассматривать как длительный порыв ветра. Максимальный порыв - это максимальная наблюденная скорость ветра за определенный период времени. При ежечасных наблюдениях максимальный порыв представляет собой предельное значение скорости ветра за последний полный час. Среднее квадратическое отклонение используется для характеристики колебаний конкретной величины. Постоянная времени (системы первого порядка) - это время, необходимое для того, чтобы прибор обнаружил и выдал информацию примерно о 63 % ступенчатого изменения сигнала Длина пути воздушной частицы до момента срабатывания датчика - это приблизительное расстояние (метрах), которое проходит воздушный поток до того, как на выходе датчик ветра покажет примерно 63 % ступенчатого изменения входной скорости ветра. Критическое затухание (для датчика, такого, как флюгарка, чувствительность которого наилучшим образом описывается дифференциальным уравнением второго порядка) - это то значение затухания, при котором датчик наиболее быстро воспроизводит ступенчатое изменение характеристики при отсутствии выброса в показании. Степень затухания - это отношение истинного затухания к критическому затуханию. Продолжительность порыва - это мера длительности максимального наблюдаемого порыва. Продолжительность порыва определяется чувствительностью измерительного устройства. Медленно срабатывающие устройства сглаживают экстремальные значения и измеряют продолжительные сглаженные порывы; быстро срабатывающие устройства могут регистрировать резкие порывы малой продолжительности на фронте волны. Для определения продолжительности порыва используется идеализированная измерительная цепочка, а именно, единичный фильтр скользящего осреднения колебаний ветра на интервале t 0 секунд. Максимальные значения ветра, полученные на выходе такого фильтра, считаются максимальными порывами продолжительностью t 0 Считается, что другие измерительные системы с различными фильтрующими элементами пригодны для измерения порывов продолжительностью t 0 в том случае, если фильтр скользящего осреднения на интервале t 0 выдает такое же экстремальное значение. Скорость ветра должна указываться в метрах в секунду и округлением до ближайшей единицы измерения, и, в случае включения в синоптические сводки, осредняться за 10 минут. Направление ветра следует указывать в градусах с точностью до 10° в цифрах кода от 01 до 36 (например, код 02 означает, что направление ветра находится между 15 и 25°) и осреднять за 10 минут. Направление ветра определяется как направление, откуда дует ветер, и измеряется по часовой стрелке от географического севера, точнее, истинного севера. Термин «штиль» должен применяться в том случае, когда средняя скорость ветра меньше 0,5 м/с. В этом случае направление ветра кодируется 00. Направление ветра на станциях, лежащих в пределах 1° от Северного полюса или 1° от Южного полюса, должно измеряться таким образом, чтобы ноль азимутного круга совпадал с 0° по Гринвичскому меридиану. Так, на всех метеорологических станциях направление ветра должно измеряться по азимуту, отсчитываемому от истинного севера. Особенности анализа поля ветра Синоптический анализ поля ветра производится с помощью приземных карт погоды, карт AT, вертикальных разрезов, аэрологических диаграмм, поскольку на эти графические формы представления метеорологической информации наносятся данные наблюдений за скоростью и направлением ветра. Анализ поля ветра сложнее, чем анализ поля давления, по двум причинам. Во-первых, ветер представляет собой векторную величину, поэтому приходится анализировать скорость ветра и его направление отдельно. В одних случаях строят карты изотах (линий равных значений скорости ветра), примером которых являются карты максимального ветра, и реже карты изогон (линий равных направлений ветра). В других случаях анализируются составляющие вектора ветра. В метеорологии под ветром понимается горизонтальное движение воздуха, в прямоугольной системе координат, рассматриваются отдельно составляющие по оси ОХ (и) и по оси OY (v). Ось ОХ направляют по кругу широты с запада на восток, а OY — по меридиану с юга на север, и тогда и представляет собой зональную, a v — меридиональную составляющую вектора ветра. Во-вторых, структура поля ветра более мелкомасштабна, чем поля давления, особенно в приземном слое, где влияет подстилающая поверхность. Это затрудняет выделение в поле ветра структурных особенностей синоптического масштаба, поэтому проводится сглаживание, убирающее мелкомасштабные возмущения и уменьшающее влияние случайных ошибок измерений. Частично такое сглаживание производится при выполнении и обработке результатов измерений. Например, при выполнении наблюдений за ветром у земной поверхности производится осреднение по времени, а при вертикальном ветровом зондировании — по высоте (слоям). Для выделения систем ветра синоптического масштаба этого оказывается недостаточно и применяется сглаживание на основе согласования результатов анализа свободного от мелкомасштабных возмущений поля давления и поля ветра, для чего используют различные модели связи этих полей. Физической основой построения моделей служит представление о том, что градиент давления является единственной силой, действующей на объем воздуха и способной вызвать его горизонтальное движение. Все остальные силы, поверхностные и массовые, возникают после начала движения воздуха и в состоянии только изменить его характер. Расчеты по моделям связи между полями давления и ветра широко используются, кроме того, для пополнения недостающей фактической информации о ветре. Связь поля давления и ветра На единичный объем воздуха, имеющего массу р, действуют сила барического градиента G, отклоняющая сила вращения Земли (сила Кориолиса) А, результирующая всех напряжений трения R и сила тяжести П. По второму закону Ньютона произведение массы тела р на ускорение его движения dV/dt равно сумме действующих на это тело сил: P = G + A + n + R. Уравнение представляет собой уравнение движения в векторной форме. Запишем его в проекциях на оси прямоугольной системы координат, построенной таким образом, чтобы плоскость XOY была горизонтальной, а ось OZ была направлена вертикально вверх: Простейшую модель связи полей давления и ветра получим, если представить, что движение воздуха происходит без ускорения, без влияния на движение силы трения и центробежной (инерционной) силы. Отсутствие центробежной силы показывает, что движение происходит в прямолинейных равноотстоящих изобарах, (изогипсах). Такое установившееся горизонтальное движение воздуха в прямолинейных и равноотстоящих изобарах при отсутствии силы трения называют геострофическим ветром, а скорость, движения воздуха — скоростью геострофического ветра. Геострофический ветер направлен вдоль изобар (изогипс) так, что низкое давление остается слева. Это правило носит название барического закона ветра. Скорость геострофического ветра пропорциональна горизонтальному градиенту давления, который, в свою очередь, пропорционален углу наклона изобарической поверхности р к горизонтальной поверхности. Поэтому существует связь между наклоном изобарической поверхности и скоростью геострофического ветра. Для определения скорости геострофического ветра по приземным картам погоды и картам AT используются номограммы с входными параметрами: широта места и расстояние между соседними изобарами (изогипсами). Такие номограммы называются градиентными линейками. Они строятся с учетом масштаба карты. Скорость геострофического ветра в свободной атмосфере близка к скорости действительного ветра. Различия редко превышают 10-15 %. Примерно такие же результаты дает сравнение среднего направления действительного ветра в свободной атмосфере с направлением геострофического ветра. Слагающая действительного ветра, направленная по нормали к изогипсам, составляет не более 10-15 % от значения скорости ветра. Однако в конкретных ситуациях отклонения геострофического ветра от действительного как по скорости, так и по направлению могут быть значительно больше средних. Например, по направлению отклонения могут достигать десятков градусов, наибольшие отклонения в сторону низкого давления отмечаются в области сходящихся изогипс, а в сторону высокого давления — области расходящихся изогипс. Это происходит потому, что при движении частицы в поле сходящихся или расходящихся изогипс нарушается баланс сил, действующих, на нее (рис. 1). Рис. 1. Силы, действующие на частицу воздуха при сходимости и расходимости изогипс (Сев. полушарие) При сходящихся изогипсах воздушная частица, перемещаясь, вдоль потока, попадает в область больших горизонтальных градиентов геопотенциала, еще сохраняя свою скорость, которая была в предыдущем положении. Следовательно, сохранилась сила Кориолиса, а горизонтальный градиент геопотенциала уже стал больше. Таким образом, появляется равнодействующая сила, направленная в сторону низкого значения геопотенциала, что приводит к повороту вектора скорости в сторону низкого давления. Такое отклонение ветра от геострофического приводит к нарастанию скорости воздушной частицы, так как это отклонение совпадает с направлением действующей силы. Аналогичный процесс происходит при движении воздушной частицы в области расходящихся изогипс, когда вектор скорости поворачивает в сторону высокого давления. Поскольку движение будет сопровождаться затратой энергии, скорость движения воздушной частицы будет уменьшаться. Расчеты отклонений ветра от геострофического (агеострофических составляющих) используются в некоторых численных схемах прогноза поля давления. В синоптической практике учет таких отклонений производится на основе качественных соображений. Различие в значениях модуля скорости действительного и геострофического ветра в некоторых случаях может составлять 20-30%. Например, при сильных ветрах в верхней тропосфере (более 30 м/с) различие между скоростью геострофического и действительного ветра в одном случае из пяти превышает 30% от скорости действительного ветра. Большие отклонения результатов расчетов по геострофической модели от скорости действительного ветра отмечаются при значительной кривизне изогипс. При этом чаще всего геострофическая модель дает завышенные результаты при циклонической кривизне изогипс и заниженные — при антициклонической. При хорошо выраженной кривизне изогипс вероятность крупных различий между действительным и восстановленным по полю давления ветром может быть уменьшена, если применить градиентную модель связи полей давления и ветра. Градиентная модель строится в предположении, что на воздушную частицу, которая двигается с постоянной скоростью без трения по криволинейной траектории, совпадающей с изогипсой (изобарой), кроме силы барического градиента и силы Кориолиса, действует центробежная сила. Такое установившееся горизонтальное движение при отсутствии трения называется градиентным ветром. Иногда используется термин «геоциклострофический ветер». Таким образом, при градиентном ветре существует равновесие между силами барического градиента, Кориолиса и центробежной: G + А+ С = 0, где G — сила барического градиента (горизонтального градиента давления), А — сила Кориолиса,С — центробежная сила. Для депрессии (циклона) с круговыми изобарами (изогипсами) барический градиент направлен от периферии к центру (рис. 2). Рис. 2. Действующие силы при градиентном ветре в циклоне (а) и в антициклоне (б) |