Геопотенциал. Абсолютная и относительная высота изобарических поверхностей

В последние десятилетия получил широкое распространение но­вый метод анализа полей давления в свободной атмосфере — метод барической топографии (БТ). В основе этого метода лежит примене­ние карт БТ, составляемых по данным зондирования атмосферы во многих точках Земли. Введем понятие геопотенциала. Геопотенциа­лом Ф* уровня называется работа, которую необходимо совершить, чтобы поднять единицу массы в поле силы тяжести от исходного уровня (за который принимается, как правило, уровень моря) до этого уровня.

Поскольку при подъеме единичной массы на высоту dz затрачи­вается работа dФ* = gdz, формула для Ф*, очевидно, имеет вид

где z — высота точки над уровнем моря. Геопотенциал измеряется в м²/с².

Геопотенциальная высота Ф представляет собой отношение гео­потенциала Ф* к нормальному (стандартному) ускорению свободно­го падения g₀ = 9,80665 м/с², т. е.

Геопотенциальная высота имеет размерность длины. Ее едини­цей служит геопотенциальный метр (сокращенно гп. м). Поскольку g и g₀ близки между собой, значения Ф и z незначительно отлича­ются друг от друга (по крайней мере, до высот порядка 30 км).

Введем геопотенциальную высоту в барометрические формулы (для примера ограничимся формулой реальной атмосферы). Если в формулу (3.3.3) ввести среднюю барометрическую температуру, то с учетом (3.6.1) она примет вид

Преимущество формулы (3.6.2) по сравнению с формулой (3.3.25) состоит в том, что при ее выводе не сделано допущение о не­зависимости g от 2. Это замечание является общим в том смысле, что путем перехода от z к Ф обеспечивается учет зависимости g от высоты во всех уравнениях и формулах.

Абсолютной высотой изобарической поверхности (с давлением р) называется ее геопотенциальная высота Ф_р над уровнем моря. Из формулы (3.6.2) следует, что

Согласно формуле (3.6.3), Ф_р (при р = const) зависит от давления на уровне моря р₀ и средней температуры _υ столба воздуха, заклю­ченного между уровнем моря и изобарической поверхностью.

Географические карты с нанесенными на них значениями абсо­лютной высоты изобарической поверхности называют картами абсо­лютной топографии (AT). На таких картах проводятся (как прави­ло, через 40 гп. м) линии равных значений Ф_p называемые изогипсами (они представляют собой кривые пересечения изобарической поверхности с уровенными поверхностями). Поскольку изобариче­ская поверхность над циклонами имеет вогнутую (по отношению к земной поверхности) форму, а над антициклонами — выпуклую, то циклоны и антициклоны на картах AT представляют собой области с замкнутыми изогипсами соответственно с низкими и высокими значениями Ф_р в центре.

Широкое распространение в службе погоды получили также карты относительной топографии (ОТ), на которые наносятся значе­ния относительных высот. Последние представляют собой превышение одной изобарической поверхности (р₂) над другой (p₁), выра­женное в гп.м. Формула для относительной высоты имеет вид

Из этой формулы следует, что зависит только от средней температуры столба воздуха, заключенного между изобарическими поверхностями. С этой точки зрения карты ОТ эквивалентны кар­там средней температуры. Линии равных значений , проведен­ные на картах ОТ (через 40 гп.м), также называют изогипсами.

В дальнейшем в качестве вертикальной координаты вместо вы­соты иногда будет использовано давление. Поэтому приведем значе­ния высот 2, на которых расположены (при среднем распределении температуры по высоте (см. рис. 2.1) и р₀ = 1013,2 гПа) изобарические поверхности с давлением р:

По сравнению со всеми другими метеорологическими величина­ми (температурой, влажностью, ветром, радиацией и др.) давление имеет слабо выраженный периодический ход. Его удается обнару­жить разложением средних кривых изменения давления на про­стые гармоники. Таким путем обнаружены колебания давления с периодами 24, 12, 8 и 6 ч. Наибольшую амплитуду имеет полусуточ­ная волна (с периодом 12 ч). Наиболее ярко полусуточные колеба­ния выражены в тропических широтах, где амплитуда колебаний давления достигает 3—4 гПа. Максимумы давления наблюдаются в 9—10 и 21—22 ч, минимумы — в 3—4 и 15—16 ч (местного солнеч­ного времени). В умеренных и высоких широтах амплитуда перио­дических колебаний давления не превышает нескольких долей гектопаскаля.

Периодические изменения давления не играют существенной роли в погодообразующих процессах. Периодические колебания полностью перекрываются непериодическими изменениями давле­ния, которые обусловлены движением и эволюцией барических сис­тем. Непериодические изменения давления имеют исключительно большое значение, поскольку с движением барических систем и их эволюцией связано изменение погоды во времени и пространстве. Эти вопросы, имеющие прямое отношение к прогнозу погоды, де­тально рассматриваются в курсе синоптической метеорологии.