Материал: Океанография и морская метеорология учебник.

Сведения о физических свойствах атмосферы и ее строении получены главным образом в последнее время с помощью радиозондов, аэростатов, самолетов, метео­ рологических ракет, искусственных спутников Земли и космических кораблей.

Запуск искусственного спутника Земли, осуществлен­

Ю. А. Гагариным, и последующие полеты летчиков-кос- монавтов открыли новую эру в исследовании верхних слоев атмосферы. Теперь с достаточной точностью стало возможным не только качественно, но и количе­ ственно оценить параметры, характеризующие верхние слои земной атмосферы.

§ 31. СТАНДАРТНАЯ АТМОСФЕРА

Эксплуатация, испытание, конструирование лета­ тельных аппаратов и различных технических средств требуют сведений о значениях метеорологических эле­ ментов и их изменениях с высотой. Между тем фактиче­ ские значения плотности воздуха, его температуры, дав­ ления, влажности и других геофизических параметров, меняются в широком диапазоне. Поэтому для сравнения результатов испытаний и учета влияния метеорологиче­ ских элементов их значения приводятся к нормальным (осредненным) условиям. Атмосферу с таким нормаль­ ным распределением основных метеорологических эле­ ментов и параметров называют стандартной атмосферой. Влияние же их фактических значений учитывается путем расчета поправок, учитывающих отклонение реальных значений от принятых в стандартной атмосфере. Это значительно упрощает расчеты и

торая содержит значения температуры, давления, плот­ ности, молекулярной массы воздуха, скорости звука и др. В таблице даны интервалы высот от 20 м до 5 км. За нулевую поверхность принят уровень океана со зна­

334

Г Л А В А 8

АНАЛИЗ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

ВПРИВОДНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ

§32. ПРИЕМЫ АНАЛИЗА МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

Метеорологические элементы изменяются как в про­ странстве, так и во времени, т. е. являются функциями координат точки' и времени

Совокупность значений метеорологических элементов во всем пространстве или в ограниченной области про­ странства называют полем метеорологического эле­ мента.

Пространственное распределение любого метеороло­ гического элемента в фиксированный момент времени характеризуется с помощью эквискалярных поверхно­ стей, под которыми подразумевают такие поверхности, в каждой точке которых элемент сохраняет постоянную величину. Эквискалярные поверхности описываются уравнением

правление которого совпадает с нормалью N к эквиска-

336

лярной поверхности в сторону низких значений, а мо­ дуль равен пределу отношения приращения AF к рас­ стоянию между эквискалярными поверхностями AN:

В формуле знак минус поставлен для того, чтобы мо­

Рис. 64. Эквискалярные поверхности в атмосфере

Так как на практике удобнее оперировать не вектор­ ными величинами, а скалярными, то найдем проекции вектора градиента на стандартные оси координат. Для этого возьмем две близко расположенные эквискалярные поверхности F и F + AF. Пусть AF<0, это означает, что величина элемента на поверхности F + AF меньше, чем на поверхности F (рис. 64).

Сначала найдем проекцию градиента эквискалярной

Таким образом, проекция градиента любого метеоро­ логического элемента на какое-либо направление равна частной производной от этого элемента по направле­ нию / с обратным знаком.

Для наших целей наибольший интерес представляют проекции на оси х, у и г. Поэтому, если горизонтальное направление выбрать таким образом, чтобы оно совпало с направлением нормали п к кривым, образованным пе­ ресечением эквискалярных поверхностей горизонталь­ ной плоскостью, то горизонтальная проекция градиента будет равна

Под составляющими градиента понимают векторы, величины которых равны модулю проекций и направле­ ны в сторону убывания значений самого элемента. По­ скольку нормаль п направлена всегда в сторону убыва­ ния, то горизонтальный градиент всегда положителен

( - ^ - > 0 ^, вертикальный же может быть как поло­

жительным, так и отрицательным. Из рис. 64 следует, что

Ж - ~ 1 ш 51па и — ST = ± ( — ж ) С0Эа’ (8 -9)

где a — угол наклона эквискалярной поверхности к го­ ризонтальной плоскости. Так как производная от функ-

3 3 8

дни отрицательна тогда, когда сама функция с возраста­ нием аргумента убывает, то справедливо такое общее правило: если значение метеорологического элемента с высотой убывает, то вертикальный градиент положите-

лен ( ---- а если возрастает, то отрицателен

dF

dz < 0

Линии, образующиеся при пересечении горизонталь­ ной плоскости изоповерхностями метеоэлемента, называ­ ются изолиниями данного элемента (изобары, изотермы и т. д.). Они характеризуются следующими особенно­ стями:

—носят плавный характер;

—замыкаясь, образуют очаги высоких и низких зна­ чений поля метеорологического элемента;

—густота изолиний пропорциональна величине гра­ диента поля;

—никогда не пересекаются.

Если X, у и z представляют собой координаты неко­ торой индивидуальной воздушной частицы, изменяющей свое положение в пространстве, то они сами являются функциями времени, т. е.

Изменение же элемента со временем внутри движущей­ ся частицы можно охарактеризовать полной производ­ ной от F по времени. Тогда, применяя правило диффе­ ренцирования сложных функций, будем иметь

При этом полная производная характеризует скорость изменения метеорологического элемента в движущейся частице и поэтому называется индивидуальной произ-

изменения - метеорологического элемента в данной фик­