Как формируются вертикальные токи в атмосфере

Сентябрь 3, 2022

Главная
Алгебра
Как формируются вертикальные токи в атмосфере

Содержание

2. Два достоинства геострофического ветра Он позволяет оценить значения скоростей реального ветра по полю давления, там где
3. Простейшая модель погоды на завтра: Где вертикальные токи? Чтобы понять, как они образуются следует выяснить, почему
4. Два недостатка геострофического ветра Он не может объяснить наличие вертикальных токов в атмосфере Он имеет предпосылки
5. В геострофической атмосфере вертикальных токов быть не может! Докажем это Для территорий примерно 1000Х1000 км горизонтальные
6. Существуют области в атмосфере, где геострофическое соотношение обязательно разрушается Сплошные – изогипсы АТ500 Пунктир–изогипсы ОТ500 (изотермы)
7. К чему это ведет? Ослабление Усиление Разрушается баланс термического, а значит, и геострофического ветра!
8. Док-во: пусть на исходном изобарическом уровне выполняются: Неускоренное (равномерное) геострофическое движение Адиабатический перенос тепла Изменение геострофического
9. Дифференцируем уравнение движения по вертикали
10. Дифференцируем уравнение притока тепла по вертикали
11. Т.О. при принятых условиях одни и те же горизонтальные изменения изотерм или изогипс приводят нарушению баланса
12. Фактор, вызывающий разрушение баланса термического ветра, принято называть Q-вектором
13. Q-вектор в натуральных координатах
14. Q-вектор в дельте струи и деформационном поле
15. 1) Не параллельность изотерм и изогипс (бароклинность) порождает условия для того, чтобы геострофический поток разбалансировался с
16. Ускорения и вертикальные токи
17. Следующее приближение – квазигеострофичность атмосферы Квазигеострофичность: ускорения атмосферного потока считаем, используя геострофический ветер Получим агеострофическую форму
18. Две формы агестрофических уравнений движения: (Уметь переходить от векторной формы к координатной ! )
19. Рассчитаем дивергенцию агеострофического ветра, пренебрегая пока изменениями плотности Агеострофический поток дивергентен ! Т.Е. он уже порождает
20. Уравнение неразрывности при учете ускорений позволяет рассчитать вертикальные скорости! Обратите внимание на то, что это уравнение
21. Первые прогностические рекомендации. Впервые использовал уравнение вихря для вывода прогостических рекомендаций Показал, что комбинация уравнения вихря
22. Концепцуальная модель циклогенеза -1: давление у земли падает только если в столбе воздуха преобладает ДИВЕРГЕНЦИЯ
23. Т.О. основа падения давления у земли – дивергенция потоков в столбе выше уровня
24. Но дивергенция на уровне может генерировать на только отрицательный (антициклонический) вихрь на этом уровне!! Чтобы вихрь
25. Кажущийся парадокс: Для того, чтобы у земли был циклон нужно, чтобы в столбце на пунктом была
26. Решение Сатклифа Парадокс не имеет места: Потому что тенденция давление у земли определяется знаком вергенции на
27. Вертикальные движения вверх (вниз) синоптического масштаба (они являются результатом большей дивергенции (конвергенции) в верхнем слое, чем
28. Для любознательных: как формируется погода на завтра в агеострофическом приближении
29. Выводы о природе вертикальных токов в атмосфере 1: Вертикальные токи возникают в атмосфере вследствие ее инерции
30. Роль вертикальных токов в поддержании геострофического баланса (на базе рассмотрения Q-вектора)
31. Было доказано выше, что Q-вектором -- это Фактор, вызывающий разрушение баланса термического ветра, Покажем, что он
32. Q-вектор и вертикальные скорости 1 Агеострофическая модель атмосферы
33. Q-вектор и вертикальные скорости 2 Пример преобразования Из первого уравнения движения: Из уравнения притока тепла: Складывая
34. Дивергенция Q-вектора Дивергенция Q-вектора является генератором вертикальных токов Она носит диагностический характер и может быть определена
35. Влияние вертикальных токов в областях с возможным нарушением геострофического баланса В т С изогипсы сходятся, поэтому
36. Горизонтальные и вертикальные токи в зоне входа струйного течения
37. Вертикальные токи восстанавливают геострофическое равновесие в областях атмосфере, где оно нарушается при искривлении потока
38. Выводы о природе вертикальных токов в атмосфере 2: Вертикальные токи возникают в атмосфере вследствие ее инерции
39. Но что такое вихрь? И как он возникает?
40. Пример из физики: Воронка в ванной Представьте себе ванну с неглубокой и неподвижной водой. Когда сток
41. Так как основной поток все еще радиален и направлен к центру, воронка непрерывно сдавливается под напором
42. По достижении определенной скорости вращения в игру вступают центробежные силы: они отталкивают воду от стока по
44. Скачать презентацию

Слайд 2

Два достоинства геострофического ветра
Он позволяет оценить значения скоростей реального ветра по

полю давления, там где нет наблюдений
Он объясняет основные погодообразующие связи в атмосфере

Слайд 3

Простейшая модель погоды на завтра:
Где вертикальные токи?
Чтобы понять, как они образуются

следует выяснить, почему их здесь нет!
Вспомним геострофическое приближение

Слайд 4

Два недостатка геострофического ветра
Он не может объяснить наличие вертикальных токов в

атмосфере
Он имеет предпосылки для самоликвидации при криволинейном движении воздушных частиц в горизонтально неоднородном поле температур

Слайд 5

В геострофической атмосфере вертикальных токов быть не может! Докажем это
Для территорий

примерно 1000Х1000 км горизонтальные изменения плотности и параметра Кориолиса пренебрежимо малы. Поэтому :

Вертикальные токи в атмосфере определяются с помощью
уравнения неразрывности:

Откуда следует:

Вертикальные токи исчезли вследствие предположения о геострофичности ветра!

Слайд 6

Существуют области в атмосфере, где геострофическое соотношение обязательно разрушается
Сплошные – изогипсы

АТ500
Пунктир–изогипсы ОТ500 (изотермы)
Тонкие сплошные–изотахи компоненты vg

В т С изогипсы сходятся, поэтому
А) усиливается ∂ Т/∂х и термический ветер, т.е. с высотой геострофический должен расти НО
Б) усиливается и адвекция слабого Ug из области расходимости (т.е. в точку приходит более слабый Ug и c высотой геострофический ветер должен убывать)
Т.е. ГЕОСТРОФИЧЕСКИЙ ПОТОК НЕ МОЖЕТ СОХРАНЯТЬСЯ – это геострофический парадокс!

Слайд 7

К чему это ведет?
Ослабление
Усиление
Разрушается баланс термического, а значит, и геострофического

ветра!

Слайд 8

Док-во: пусть на исходном изобарическом уровне выполняются:
Неускоренное (равномерное) геострофическое движение
Адиабатический перенос

тепла

Изменение геострофического ветра с высотой происходит по закону термического ветра

Слайд 9

Дифференцируем уравнение движения по вертикали

Слайд 10

Дифференцируем уравнение притока тепла по вертикали

Слайд 11

Т.О. при принятых условиях одни и те же горизонтальные изменения изотерм

или изогипс приводят нарушению баланса термического (т.е. и геострофического) ветра с высотой

Слайд 12

Фактор, вызывающий разрушение баланса термического ветра, принято называть Q-вектором

Слайд 13

Q-вектор в натуральных координатах

Слайд 14

Q-вектор в дельте струи и деформационном поле

Слайд 15

1) Не параллельность изотерм и изогипс (бароклинность) порождает условия для того,

чтобы геострофический поток разбалансировался с высотой.
3) Характеристикой этих условий является Q-вектор
2) Этот вектор описывает условия (конфигурацию изогипс ОТ и АТ), которые порождают появление в потоке ускорений и замедлений

Слайд 16

Ускорения и вертикальные токи

Слайд 17

Следующее приближение – квазигеострофичность атмосферы
Квазигеострофичность: ускорения атмосферного потока считаем, используя геострофический

ветер
Получим агеострофическую форму уравнений движения атмосферы:

Слайд 18

Две формы агестрофических уравнений движения:
(Уметь переходить от векторной формы к координатной

! )

Слайд 19

Рассчитаем дивергенцию агеострофического ветра, пренебрегая пока изменениями плотности
Агеострофический поток дивергентен !
Т.Е.

он уже порождает вертикальные движения

Слайд 20

Уравнение неразрывности при учете ускорений позволяет рассчитать вертикальные скорости!
Обратите внимание на

то, что это уравнение в метеорологии известно как «уравнение вихря»!
По смыслу уравнение вихря служит не для прогноза, а для диагноза вертикальных скоростей

Слайд 21

Первые прогностические рекомендации.
Впервые использовал уравнение вихря для вывода прогостических рекомендаций
Показал,

что комбинация уравнения вихря с уравнением притока тепла позволяет получить объяснение вертикальных потоков в атмосфере

Реджинальд Сатклифф (1904-1991)

Слайд 22

Концепцуальная модель циклогенеза -1: давление у земли падает только если в столбе

воздуха преобладает ДИВЕРГЕНЦИЯ

Слайд 23

Т.О. основа падения давления у земли – дивергенция потоков в столбе

выше уровня

Слайд 24

Но дивергенция на уровне может генерировать на только отрицательный (антициклонический) вихрь

на этом уровне!!
Чтобы вихрь был положительный (циклонический) нужно, чтобы на этом уровне имела место конвергенция на этом уровне

Слайд 25

Кажущийся парадокс:
Для того, чтобы у земли был циклон нужно, чтобы
в

столбце на пунктом была дивергенция потока (падение давления)
Но
На уровне земли должна быть конвергенция (положительная циркуляция)
Для антициклона – наоборот, конвергенция в столбе и дивергенция у земли

Слайд 26

Решение Сатклифа
Парадокс не имеет места:
Потому что тенденция давление у земли определяется

знаком вергенции на более высоких уровнях,
А направление вращения потока у земли определяется знаком вергенции на самом уровне
Знак вергенции на высотах определяется знаком адвекции вихря
термическим ветром

Слайд 27

Вертикальные движения вверх (вниз) синоптического масштаба (они являются результатом большей дивергенции

(конвергенции) в верхнем слое, чем вблизи поверхности в любом столбе воздуха),
вынуждаются циклонической (антициклонический) адвекцией вихря термическим ветром

Слайд 28

Для любознательных: как формируется погода на завтра в агеострофическом приближении

Слайд 29

Выводы о природе вертикальных токов в атмосфере 1:
Вертикальные токи возникают в

атмосфере вследствие ее инерции (ускорений)
Но не просто ускорений, а из-за неоднородности поля ускорений
Мерой неоднородности поля ускорений является изменение в частице воздуха величины
Ω = дv/дx-дu/дy
Эта величина называется вертикальной составляющей вектора вихря скорости движения атмосферы
Уравнение
дw/дz=-1/(Ω+l)·dΩ/dt
называется уравнением вихря.
Значит вертикальная скорость в атмосфере возникает вследствие изменения вихря!

Слайд 30

Роль вертикальных токов в поддержании геострофического баланса
(на базе рассмотрения Q-вектора)

Слайд 31

Было доказано выше, что
Q-вектором -- это Фактор, вызывающий разрушение баланса термического

ветра,

Покажем, что он же вызывает возникновение вертикальных токов, которые восстанавливают геострофический баланс!

Слайд 32

Q-вектор и вертикальные скорости 1 Агеострофическая модель атмосферы

Слайд 33

Q-вектор и вертикальные скорости 2 Пример преобразования
Из первого уравнения движения:
Из уравнения

притока тепла:

Складывая получим:

Используя по аналогии второе уравнение движения, получим

где

Слайд 34

Дивергенция Q-вектора
Дивергенция Q-вектора является генератором вертикальных токов
Она носит диагностический характер

и может быть определена по картам текущего состояния атмосфреры

Слайд 35

Влияние вертикальных токов в областях с возможным нарушением геострофического баланса
В т

С изогипсы сходятся, поэтому
А) усиливается ∂ Т/∂х и термический ветер, т.е. с высотой геострофический должен расти НО
Б) усиливается и адвекция слабого Ug из области расходимости (т.е. в точку приходит более слабый Ug и c высотой геострофический ветер должен убывать)
Т.е. ГЕОСТРОФИЧЕСКИЙ ПОТОК НЕ МОЖЕТ СОХРАНЯТЬСЯ – это геострофический парадокс!

А) Восходящие вертикальные токи охлаждают атмосферу и УМЕНЬШАЮТ
Т/∂х , ликвидируя первую причину нарушения геострофического равновесия!
Б) Вертикальные токи порождают ячейку циркуляции, т.е. ведут к появлению горизонтальных агеострофических ветров, которые усиливают геострофический ветер, ликвиди руя вторую причину нарушения геострфического равновесия!

Слайд 36

Горизонтальные и вертикальные токи в зоне входа струйного течения

Слайд 37

Вертикальные токи восстанавливают геострофическое равновесие в областях атмосфере, где оно нарушается

при искривлении потока

Слайд 38

Выводы о природе вертикальных токов в атмосфере 2:
Вертикальные токи возникают в

атмосфере вследствие ее инерции (ускорений), но не просто ускорений, а из-за неоднородности поля ускорений. Мерой неоднородности поля ускорений является изменение вихря
Причиной ускорений является бароклинность атмосферы, вызываемая горизонтальной неоднородностью поля температур и искривляющим поток действием рельефа
Бароклинность проявляется через формирование Q-вектора
Под влиянием Q-вектора на горизонтальный поток геострофическое равновесие нарушается с высотой
Но одновременно Дивергенция Q-вектора ведет к возникновению вертикальных токов, которые возвращают атмосферу к состоянию геострофического равновесия
Т.О. геострофическое движение сохраняется и при искривленных изогипсах!

Слайд 39

Но что такое вихрь? И как он возникает?

Слайд 40

Пример из физики: Воронка в ванной
Представьте себе ванну с неглубокой и

неподвижной водой.
Когда сток открывается, вода начинает вытекать, образуя радиальный поток в направлении стока и, ускоряясь под влиянием гравитационной силы, по мере приближения к сливному отверстию.
Таким образом, сначала устанавливается плавный, единый вертикальный поток без заметного вращения.

Однако это состояние потока удерживается недолго. Мелкие нерегулярности в движении воды, движении воздуха над поверхностью воды и возмущения в трубе стока приведут к тому, что с одной стороны стока окажется немного больше воды, чем с другой,
и тогда в потоке появляется заметный вихревой, круговой компонент движения.

Слайд 41

Так как основной поток все еще радиален и направлен к центру,

воронка непрерывно сдавливается под напором воды со всех сторон. Это давление уменьшает ее радиус и еще больше ускоряет вращение.
Сила тяготения, давление воды и постоянно уменьшающийся радиус воронки - все это, вместе взятое, непрерывно ускоряет вихревое движение жидкости.

По мере того как частицы воды движутся вниз в направлении стока, их радиальная и круговая скорости нарастают.
Радиально они ускоряются под действием силы гравитации,
а скорость вращения возрастает оттого, что уменьшается радиус вращения:
так фигуристка ускоряет обороты, прижимая руки к телу при выполнении пируэта.
В результате частицы воды движутся вниз по спиральным траекториям, образуя сужающуюся трубку линий потока, известную как воронка.

Слайд 42

По достижении определенной скорости вращения в игру вступают центробежные силы: они

отталкивают воду от стока по радиусу. Как результат, на изначально плоской поверхности воды над стоком образуется углубление, которое быстро превращается в воронку.
В конце концов внутри водоворота формируется миниатюрный воздушный торнадо, а на водной поверхности воронки возникают достаточно сложные нелинейные структуры - барашки, волны и завихрения.

Как формируются вертикальные токи в атмосфере

Содержание

Два достоинства геострофического ветраОн позволяет оценить значения скоростей реального ветра по

Простейшая модель погоды на завтра:Где вертикальные токи?Чтобы понять, как они образуются

Два недостатка геострофического ветраОн не может объяснить наличие вертикальных токов в

В геострофической атмосфере вертикальных токов быть не может! Докажем этоДля территорий

Существуют области в атмосфере, где геострофическое соотношение обязательно разрушаетсяСплошные – изогипсы

К чему это ведет?ОслаблениеУсилениеРазрушается баланс термического, а значит, и геострофического

Док-во: пусть на исходном изобарическом уровне выполняются:Неускоренное (равномерное) геострофическое движениеАдиабатический перенос