Table of Contents

Изучение атмосферного давления и ветровых моделей имеет основополагающее значение для понимания погодных систем, динамики климата и ежедневного прогнозирования. Атмосферное давление - сила, оказываемая весом воздушной колонны над точкой - стимулирует движение воздушных масс и формирует ветры, которые транспортируют тепло и влагу по всему миру. Эта статья глубже раскрывает физику атмосферного давления, механизмы, генерирующие ветер, и влияние как глобальных, так и местных моделей давления на погоду Земли. Изучая эти концепции, мы получаем представление о том, как функционирует наша атмосфера и как она влияет на окружающую среду вокруг нас.

Понимание атмосферного давления

Атмосферное давление — это сила на единицу площади, оказываемая на поверхность весом воздушного столба над ней. Измеряемая с помощью барометров, она обычно выражается в миллибарах (мб), гектопаскалях (hPa), дюймах ртути (inHg) или атмосферах (atm). Признанное на международном уровне среднее давление на уровне моря составляет 1013,25 мб (29,92 inHg), служащее исходным уровнем для метеорологических наблюдений.

Несколько ключевых факторов влияют на изменения атмосферного давления по всей Земле:

  • Высота:] Атмосферное давление уменьшается экспоненциально с увеличением высоты, потому что воздушная колонна выше становится короче и менее плотной. Например, при 5500 метрах (18000 футов) давление составляет примерно половину от уровня моря. Это снижение объясняет, почему высотные местоположения имеют более тонкий воздух и более низкие уровни кислорода.
  • Температура: Более теплый воздух расширяется и становится менее плотным, в результате чего он поднимается и приводит к снижению давления на поверхности.Наоборот, более холодный воздух сжимается и становится плотнее, что приводит к погружению и более высокому давлению на поверхности.
  • Гумидность: Молекулы водяного пара легче (молекулярный вес ~18 г/моль), чем средние молекулы в сухом воздухе (~29 г/моль). Таким образом, влажный воздух имеет более низкую плотность при той же температуре и давлении, что способствует локализованным зонам низкого давления во влажных областях.
  • Динамические атмосферные процессы: Крупномасштабные атмосферные движения, такие как области сходимости и расхождения в воздухе, влияют на модели поверхностного давления путем перераспределения воздушных масс вертикально и горизонтально.

Эти различия давления являются двигателями, приводящими в движение ветер, поскольку воздух естественным образом течет из областей высокого давления в области низкого давления для восстановления равновесия.

Как атмосферное давление порождает ветер

Ветер — это горизонтальное движение воздуха, вызванное, прежде всего, различиями в атмосферном давлении. Существенная сила, ускоряющая воздух из областей более высокого давления до более низкого давления, известна как градиентная сила давления . Величина этой силы зависит от крутизны градиента давления — изменения давления на определенном расстоянии. Чем круче градиент, тем сильнее возникающий ветер.

Градиенты давления и изобары

Метеорологи представляют градиенты давления на картах погоды с использованием изобар , которые являются линиями, соединяющими точки равного атмосферного давления.Разрыв между изобарами указывает на прочность градиента давления:

  • Близко расположенные изобары: Указывают крутой градиент давления и обычно соответствуют сильным ветрам. Такие условия распространены вблизи интенсивных систем низкого давления, таких как ураганы или циклоны средней широты.
  • Широко расставленные изобары: Отражают мягкий градиент давления, в результате чего легкие ветры обычно обнаруживаются под широкими областями высокого давления.

Дополнительные силы, влияющие на направление и скорость ветра

В то время как сила градиента давления инициирует воздушный поток от высокого до низкого давления, другие силы изменяют направление и скорость ветра.

  • Эффект Кориолиса: Этот видимый эффект, вызванный вращением Земли, отклоняет движущийся воздух вправо в Северном полушарии и влево в Южном полушарии. Отклонение увеличивается с широтой и скоростью ветра, заставляя ветры следовать изогнутым траекториям, а не двигаться прямо от высокого до низкого давления.
  • Трение: Возле поверхности Земли трение от местности, растительности и городских структур замедляет движение ветра. Это трение уменьшает влияние эффекта Кориолиса, заставляя ветер пересекать изобары под углом к более низкому давлению. Над пограничным слоем трения (примерно 1 км высотой) фрикционные эффекты незначительны, позволяя ветрам течь параллельно изобарам в состоянии, называемом геотрофический баланс.

Взаимодействие силы градиента давления, эффекта Кориолиса и фрикционных форм форм ветра, наблюдаемых на разных высотах и местах по всему миру.

Глобальная атмосферная циркуляция и ветровые модели

Глобальные ветровые модели Земли обусловлены неравномерным солнечным нагревом и модулируются вращением планеты. Это приводит к появлению трех первичных циркуляционных клеток в каждом полушарии — Хэдли, Феррел и полярных клеток, которые устанавливают доминирующие поверхностные ветровые пояса.

Хэдли Келл и торговые ветры

Возле экватора интенсивное солнечное нагревание вызывает повышение теплого, влажного воздуха в Межтропической зоне конвергенции (ITCZ) , создавая устойчивый пояс низкого давления. Восходящий воздух распространяется по полюсу на больших высотах, охлаждается и опускается около 30° широты, образуя субтропические зоны высокого давления. Поверхностный воздух течет обратно к экватору, но эффект Кориолиса отклоняет эти ветры на запад, производя устойчивые торговые ветры .

  • Расположение: Между 0° и 30° широты север и юг.
  • Направление: Северо-восточные сделки в Северном полушарии и юго-восточные сделки в Южном полушарии.
  • Значимость: Торговые ветры приводят в движение крупные океанские течения, такие как Северное и Южное экваториальные течения, влияют на формирование и пути тропических циклонов и транспортируют влагу, необходимую для муссонного климата.

Феррелловая клетка и Вестерлис

Между 30° и 60° широты, Феррелевая клетка управляет воздушным потоком. Воздух движется к полюсу от субтропических максимумов и отклоняется на восток эффектом Кориолиса, генерируя преобладающие Вестерли . Эти ветры приходят с юго-запада в Северном полушарии и северо-запада в Южном полушарии, и они более изменчивы и сильнее в зимние месяцы.

  • Расположение: От 30° до 60° широты север и юг.
  • Направление: Преимущественно с запада-юго-запада в Северном полушарии и запад-северо-запада в Южном полушарии.
  • Роль: Вестерлийские острова переносят среднеширотные погодные системы, включая циклоны и антициклоны, по континентам, значительно влияя на умеренные климатические зоны.

Полярная клетка и полярные Пасхи

На высоких широтах (60°-90°) работает Полярная ячейка. Холодный, плотный воздух опускается на полюсах, создавая области высокого давления. Поверхностный воздушный поток движется в экваторе, отклоняясь на запад эффектом Кориолиса, производя полярные восточные линии. Эти холодные ветры сходятся с западными в полярный фронт, где часто развиваются интенсивные штормовые системы.

  • Расположение: Между 60 ° и 90 ° широты север и юг.
  • Направление: С востока на северо-восток в Северном полушарии и с востока на юго-восток в Южном полушарии.
  • Влияние: Полярные восточные линии способствуют холодному полярному климату и помогают поддерживать полярный фронт струйного потока, который влияет на погоду в средних широтах.

Реактивные потоки: высокоскоростные атмосферные реки

На границе между циркуляционными ячейками образуются концентрированные узкие полосы очень быстро движущегося воздуха, называемые струйными потоками в верхней тропосфере (около 9-12 километров над уровнем моря).

  • Полярный струйный поток: Расположенный вблизи полярного фронта, этот струйный поток играет критическую роль в управлении погодными системами и отделении холодного полярного воздуха от более теплого субтропического воздуха.
  • Субтропический струйный поток: Найденный около 30° широты, он связан с клеткой Хэдли и влияет на развитие шторма и субтропические погодные условия.

Реактивные потоки могут достигать скорости, превышающей 200 миль в час, и их извилистые пути значительно влияют на распределение температуры и осадков в средних широтах.

Для получения подробной информации о глобальной циркуляции обратитесь к ресурсу NOAA Global Atmospheric Circulation .

Местные ветровые модели и их причины

Помимо глобального распространения, местные географические особенности, такие как береговые линии, горные хребты, долины и городские районы, создают небольшие различия в давлении, которые генерируют отчетливые и часто предсказуемые местные ветры. Понимание этих ветров имеет решающее значение для регионального прогнозирования погоды и климатических исследований.

Морские бризы и сухопутные бризы: прибрежные ветровые циклы

Эти суточные ветры происходят вдоль береговых линий из-за различной теплоемкости земли и воды.

  • Морской ветер (дневное время):] В течение дня земля нагревается быстрее, чем прилегающая вода. Теплый воздух над сушей поднимается, создавая поверхность области низкого давления. Более холодный, плотный воздух из-за океана движется внутрь страны, чтобы заменить его, создавая освежающий морской бриз. Этот бриз может умеренные температуры на прибрежных районах и, если достаточно влажный, может вызвать дневные грозы.
  • Земельный ветерок (ночь): После захода солнца земля охлаждается быстрее воды. Воздух над более теплым океаном поднимается, создавая область низкого давления на шельфе. Более холодный воздух с суши перемещается в море в виде сухопутного бриза, который обычно слабее дневного морского бриза.

Горные и долинные ветры: ежедневные эффекты подъема

Горные районы испытывают характерные суточные ветры из-за дифференциального нагрева склонов и долин:

  • Долинный ветер (дневное время): Разогретые солнцем горные склоны нагревают прилегающий воздух, заставляя его подниматься вверх по долинам.Эти восходящие ветры часто приносят облака и дневные грозы, распространенные в горных тропических и умеренных зонах.
  • Горный ветер (ночь): Ночью склоны быстро охлаждаются, охлаждая воздух. Более плотный, более прохладный воздух стекает вниз по склону под действием силы тяжести в долины, как катабатические ветры. Эти ветры могут быть сильными и холодными, особенно в полярных и альпийских регионах.

Катабатические и Анабатические ветры: потоки воздуха, управляемые гравитацией

Катабатические ветры возникают, когда холодный, плотный воздух течет вниз по склону под действием силы тяжести, часто спускаясь с плато или ледяных щитов. Примеры включают:

  • Бора: Холодный, сухой катабатический ветер, дующий с северо-востока вдоль побережья Адриатики, известный внезапными порывами и быстрыми перепадами температуры.
  • Ветер Санта-Ана: Теплые, сухие ветры в южной Калифорнии, которые могут усугубить риски лесных пожаров.

Анабатские ветры являются восходящими аналогами, генерируемыми подогретым воздухом, поднимающимся в течение дня вдоль горных склонов, способствуя бризу долины и местной конвекции.

Для дальнейших примеров местных ветров и их метеорологического воздействия см. Ресурс местных ветров Метеорологической службы Великобритании .

Системы высокого и низкого давления: водители погоды

Крупномасштабные синоптические системы давления — антициклоны (области высокого давления) и циклоны (системы низкого давления) — имеют основополагающее значение для ежедневных погодных условий, особенно в средних широтах. Их формирование, движение и взаимодействие формируют погоду, испытываемую в региональных и континентальных масштабах.

Системы высокого давления (антициклоны)

Системы высокого давления образуются там, где воздух опускается (подсверху) из верхней атмосферы. По мере опускания воздух нагревается адиабатически (из-за сжатия), подавляя образование облаков и приводя к ясному небу и стабильным условиям.

  • Погодные характеристики: Справедливая погода, сухие условия, легкие ветры и часто температурные инверсии, которые улавливают загрязняющие вещества вблизи поверхности, вызывая туман или туман.
  • Движение: Обычно медленное и может сохраняться в течение нескольких дней или даже недель.Блокирующие максимумы могут вызывать длительные экстремальные погодные явления, такие как жара летом или холодные периоды зимой.
  • Направление вращения: Ветры циркулируют по часовой стрелке (антициклонические) в Северном полушарии и против часовой стрелки в Южном полушарии.

Системы низкого давления (циклоны)

Системы низкого давления развиваются там, где воздух сходится на поверхности и поднимается. Восходящий воздух охлаждает и конденсирует влагу, образуя облака и осадки. Среднеширотные циклоны, распространенные в умеренных зонах, связаны с холодными и теплыми фронтами и часто приносят штормовую погоду и быстрые изменения условий.

  • Характеристики погоды: Пасмурное небо, дождь или снег, сильные ветры и сдвиги в температуре и направлении ветра по мере прохождения фронтальных границ.
  • Движение: Управляемые господствующими Вестерли, эти системы могут перемещаться со скоростью 30–50 км/ч или более, быстро изменяя региональную погоду.
  • Направление вращения: Против часовой стрелки (циклоническая) в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном полушарии.
  • Жизненный цикл: Циклоны средней широты развиваются по мере взаимодействия контрастных воздушных масс, усиливаются и в конечном итоге ослабевают после окклюзии. Тропические циклоны (ураганы, тайфуны) различаются по форме над теплыми океанскими водами и получают энергию от скрытого выделения тепла.

Подробное объяснение развития внетропических циклонов см. в руководстве по внетропическим циклонам NOAA JetStream.

Измерение и прогнозирование атмосферного давления

Точное измерение атмосферного давления жизненно важно для прогнозирования погоды и климатических исследований. Фундаментальным инструментом измерения давления является барометр, изобретенный в 1643 году Евангелистой Торричелли. Современная метеорология использует несколько типов барометров, адаптированных к различным применениям.

  • Барометр ртути: Классический прибор, где атмосферное давление поддерживает столб ртути в стеклянной трубке. Изменения высоты ртути непосредственно указывают на изменения давления. Хотя точные, барометры ртути громоздкие и менее используются сегодня из-за токсичности ртути.
  • Анероидный барометр: Использует герметичную гибкую металлическую капсулу, которая расширяется или сжимается с изменением давления. Механические связи переводят эти движения на циферблат. Анероидные барометры переносимы и обычно используются в метеостанциях и высотомерах.
  • Цифровые барометрические датчики: Современные электронные датчики, часто основанные на микроэлектромеханических системах (MEMS), обнаруживают изменения давления через изменения емкости или сопротивления. Эти датчики широко интегрированы в смартфоны, авиационные приборы и автоматизированные метеостанции.

Постоянный мониторинг тенденций давления позволяет метеорологам идентифицировать приближающиеся погодные системы. Падение давления обычно сигнализирует о приближении систем низкого давления и потенциальных штормов, в то время как повышение давления указывает на укрепление районов высокого давления и справедливую погоду.

Вывод: взаимосвязанный характер атмосферного давления и ветра

Атмосферное давление и ветровые структуры являются сложными компонентами динамической атмосферы Земли. Изменения давления, обусловленные температурой, влажностью, высотой и крупномасштабной циркуляцией, генерируют ветры, которые перераспределяют энергию и влагу вокруг планеты. Эти ветры, сформированные эффектом Кориолиса и поверхностным трением, образуют глобальные циркуляционные клетки и местные ветровые системы, которые влияют на климат и погоду в масштабах от ежедневных бризов до огромных циклонических штормов.

Понимание этих процессов имеет важное значение не только для точного прогнозирования погоды, но и для прогнозирования климатических тенденций и воздействия атмосферных изменений на экосистемы и деятельность человека. По мере развития технологий улучшенные измерения давления и моделирование продолжают повышать нашу способность прогнозировать погоду и готовиться к атмосферным явлениям.