Ruch w atmosferze

1

Dział 2: Wiatr

________________________________________________________________________________

Zagadnienia

Charakterystyka wiatru, zmienność przestrzenna i czasowa. Rozkład prawdopodobieństwa dla
prędkości wiatru, wyznaczanie parametrów rozkładu na podstawie danych pomiarowych.
Szacowanie potencjału energetycznego wiatru. Podstawy dynamiki atmosfery. Siła gradientu
ciśnienia, siła Coriolisa. Równanie ruchu, wiatr geostroficzny i gradientowy. Efekty tarcia w
warstwie granicznej, spirala Ekmana. Profil wiatru w warstwie przyziemnej. Róża wiatrów.
Pomiary prędkości i kierunku wiatru dolnego i wiatrów górnych. Ogólna cyrkulacja
atmosfery.

________________________________________________________________________________

Cele

Po zapoznaniu się z materiałem tej części wykładu, powinieneś / powinnaś:
-

scharakteryzować zmienność prędkości wiatru, określić rozkład prawdopodobieństwa i
oszacować potencjał energetyczny na podstawie danych pomiarowych

-

umieć wyjaśnić pojęcie gradientu

-

potrafić określić siły działające w atmosferze i opisać ich podstawowe cechy

-

umieć przedstawić mechanizm powstawania siły gradientu ciśnienia i siły Coriolisa, oraz
szacować wartości owych sił w procesach meteorologicznych oraz w przebiegu innych
zjawisk fizycznych

-

umieć wyjaśnić związki pomiędzy polem ciśnienia, a prędkością wiatru

-

umieć objaśnić ruch powietrza w cyklonach i antycyklonach, z uwzględnieniem siły
odśrodkowej i efektów tarcia w warstwie granicznej

-

orientować się prostych w metodach opisu pionowej zmienności wiatru w przyziemnej
warstwie atmosfery

-

znać metody pomiaru prędkości i kierunku wiatru

-

umieć skonstruować różę wiatrów na podstawie rocznej serii danych

-

umieć odczytywać wiatr z mapy dolnej i określać (nazywać) kierunek wiatru zgodnie z
konwencją przyjętą w meteorologii

-

wiedzieć, jakie informacje o wietrze są dostępne w światowej sieci meteorologicznej

-

umieć opisać ogólną cyrkulację atmosfery

Meteorologia

Łobocki

Ruch w atmosferze

2

Rozkład Weibulla

rozkład prawdopodobieństwa
(rozkład Weibulla):

wartość średnia (oczekiwana)

wariancja:

Potencjał energetyczny:

Meteorologia

Łobocki



2



2

=





1

2
k





2



1

1
k



−

1



2

=

D

2



X =E[ X−E  X ]

2

=

E  X

2

−

E

2



X 

∫

0

∞

x

2

f  x dx−

2

= 



1

2
k



−

2

=

E X =

∫

0

∞

x f  x dx= 



1

1
k



f  X =

k




X





k−1

e

[

−



X /



k

]

F=

1
2

 

v

3

=

1
2

 

3





1

3
k



Ruch w atmosferze

3

_______________________________________________________________________________

Przyspieszenie i siła Coriolisa
Siła gradientu ciśnienia

F

p

p
y

y

x z

A

=

−











0

2

∂
∂

∆

∆ ∆

F

p

p
y

y

x z

B

= −

+











0

2

∂
∂

∆

∆ ∆

y

p

z

y

x

y

p

V

m

F

F

m

F

B

A

∂

∂

ρ

−

=









∆

∆

∆

∂

∂

−

ρ

=

=

+

=

1

1

Meteorologia

Łobocki

y

x

z

F

F

ρ ,

p

∆

x

∆

y

∆

z

B

A

0

Ruch w atmosferze

4

_______________________________________________________________________________

Przyspieszenie i siła Coriolisa

Meteorologia

Łobocki

∆

r

r

ω

r

ω

v

∆

r

r

ω

r

ω

(r+

∆

r)

ω

v

∆

r

r

ω

r

v

∆ ϕ

ω

r

∆ ϕ

ω

(r+

∆

r)

ω

r

ω∆

r

∆ ϕ

ω

v

ω

r

v

ω

r

Ruch w atmosferze

5

∆ϕ = ω∆

t

∆

∆

r v t

=

r

t

r

t

v

a

d

d

2

ω

=

∆

ϕ

∆

ω

=

∆

∆

=

a

v

t

r v

t

v

C

c

=

=

+

=

∆

∆

∆ϕ

∆

ω∆

ω

2

________________________________________________________________________________

Równanie ruchu w układzie inercjalnym

dt

d

V

m

v

a

F

ρ

=

=

g

F

m

p

V

+

−

=

grad

g

v

+

ρ

−

=

p

dt

d

grad

1

________________________________________________________________________________

Równanie ruchu w układzie związanym z powierzchnią obracającej się planety

r

v

v

v

×

Ω

×

Ω

+

×

Ω

+

=













2

dt

d

dt

d

a

a

xy

z

xy

xy

p

dt

d

v

v

×

Ω

−

ρ

−

≈

2

grad

1

ϕ

⋅

Ω

=

Ω

sin

z

ϕ

⋅

Ω

=

Ω

=

sin

2

2

z

f

- parametr Coriolisa

Meteorologia

Łobocki

Ruch w atmosferze

6

________________________________________________________________________________

Ruch w atmosferze swobodnej

p +

∆

p

p

p + 2

∆

p

p + 3

∆

p

p + 4

∆

p

Meteorologia

Łobocki

Ruch w atmosferze

7

________________________________________________________________________________

Przepływ zrównoważony w atmosferze swobodnej - wiatr geostroficzny

p

xy

xy

z

grad

1

2

ρ

−

=

×

Ω

v

ϕ

Ω

∇

=

sin

2

p

xy

g

v

________________________________________________________________________________

Przepływ zrównoważony w atmosferze swobodnej - wiatr gradientowy

V

R

fV

p

x

2

1

+

=

ρ

∂

∂

∂

∂

p

x

>

0

x

p

R

R

f

fR

V

∂

∂

ρ

+

+

−

=

4

2

2

2

−

+

=

V

R

fV

p
x

2

1

ρ

∂

∂

∂

∂

p

x

>

0

V

fR

f R

R p

x

=

±

−

2

4

2

2

ρ

∂
∂

∂
∂

ρ

p
x

f R

≤

2

4

Meteorologia

Łobocki

v

C

p

− ∇

p

p+

∆

p

p+3

∆

p

p+2

∆

p

V

P

N

C

O

V

C

P

O

W

Ruch w atmosferze

8

________________________________________________________________________________

Wpływ tarcia w warstwie granicznej

p

p -

∆

p

p - 2

∆

p

V

P

C

T

Meteorologia

Łobocki

Ruch w atmosferze

9

Spirala Ekmana

________________________________________________________________________________

Formy pola ciśnienia

Meteorologia

Łobocki

0

4

8

1 2

0

2

4

h

o d o g r a f

S I O D Ł O

N

ZATOKA

ZAT

OKA

N

W

KLIN

W

N

N

W

WAŁ

W

W

BRU

ZDA

Ruch w atmosferze

10

________________________________________________________________________________

Linie prądu

Równanie linii prądu

v

dy

u

dx

=

________________________________________________________________________________

Trajektorie

)

,

( t

dt

d

r

v

r

=

Meteorologia

Łobocki

P u n k t z b i e ż n o ś c i
( k o n w e r g e n c j i )

P u n k t r o z b i e ż n o ś c i
( d y w e r g e n c j i )

L i n i a z b i e ż n o ś c i

L i n i a r o z b i e ż n o ś c i

Ruch w atmosferze

11

________________________________________________________________________________

Profil pionowy wiatru w warstwie przyziemnej

Warstwa przyziemna (nie mylić z warstwą graniczną!!!): Dolna część warstwy granicznej, w
której zaniedbać można zmienność pionową kierunku wiatru i strumieni turbulencyjnych.

Charakter zmian prędkości wiatru z wysokością (profil wiatru) zależy od stanu równowagi:

Zależności empiryczne:

m

z

z

U

z

U









=

0

10

)

(

Zależności teoretyczne (teoria podobieństwa Monina-Obuchowa)

























Ψ

+









κ

=

L

z

z

z

u

z

U

0

*

ln

)

(

Meteorologia

Łobocki

Ruch w atmosferze

12

________________________________________________________________________________

Pomiary prędkości i kierunku wiatru

Wiatromierz Wilda, anemometr czaszowy i ster kierunkowy; pomiary radiosondażowe;
metody akustyczne i radarowe.

Jednostki: m/s, węzły (kt).

Skala Beauforta

Stopień

skali

Zakres

prędkości

Prędkość

średnia

Określenie

słowne

Charakterystyka

obserwacyjna

0

0 - 0,5

0

cisza

dym unosi się pionowo

1

0,6 – 1,5

1

powiew

widoczne znoszenie smugi dymu

2

1,6 – 3,0

2

słaby

drżenie liści, wiatr odczuwalny na

twarzy

3

3,1 – 5,5

4

łagodny

poruszanie się liści

i małych gałązek

4

5,6 – 8,0

7

umiarko-wany

lekkie ruchy gałęzi, unoszenie

pyłu

5

8,1 – 10,5

9

dość silny

ruchy gałęzi, chwianie się

krzewów

6

10,6 – 14,0

12

silny

ruchy dużych gałęzi, świst

7

14,1 – 17,0

15

b. silny

kołysanie drzew, chodzenie pod

wiatr utrudnione

8

17,1 – 21,0

19

gwałtowny

(wicher)

łamie gałęzie, chodzenie pod wiatr

b. utrudnione

9

21,1 – 25,0

23

wichura

(sztormowy)

przenosi niewielkie przedmioty,

zrywa dachówki

10

25,1 – 28,0

26

silna wichura

(sztorm)

wyrywa mniejsze drzewa z

korzeniami

11

28,1 – 33,0

31

gwałtowna

wichura

powoduje rozległe zniszczenia

12

> 33

35

huragan

wyrywa duże drzewa lub łamie je,

uszkadza budynki

Meteorologia

Łobocki

Ruch w atmosferze

13

________________________________________________________________________________

Oznaczanie wiatru na mapach dolnych

________________________________________________________________________________

Ogólna cyrkulacja atmosfery



Cyrkulacja na nieruchomej planecie o jednorodnej powierzchni



Wpływ obrotu Ziemi



Komórki cyrkulacyjne Hadleya, Ferrela i polarna



Międzyzwrotnikowa strefa zbieżności, pas wyżów podzwrotnikowych



Front polarny



Rozwój niżu w umiarkowanych szerokościach geograficznych



Struktura frontów atmosferycznych

________________________________________________________________________________

Zasoby internetowe do samodzielnej eksploracji



http://cwx.prenhall.com/bookbind/pubbooks/lutgens3/chapter6/deluxe.html

http://cwx.prenhall.com/bookbind/pubbooks/lutgens3/chapter7/deluxe.html – strony
sieciowe wspierające studiowanie (konspekt, problemy, quiz) z użyciem podręcznika
Lutgensa-Tarbucka „The Atmosphere”


http://www.brookscole.com/cgi-brookscole/course_products_bc.pl

?fid=M20b&discipline_number=30&product_isbn_issn=0534372007 - strony

Meteorologia

Łobocki

kt m/s

cisza

2 1

5 2

10 5

50 25

Ruch w atmosferze

14

sieciowe wspierające studiowanie (konspekt, problemy, quiz) z użyciem podręcznika
D. Ahrensa „Meteorology Today”


http://www.brookscole.com/cgi-brookscole/course_products_bc.pl?fid=M20b

&discipline_number=30&product_isbn_issn=053437199X - strony sieciowe
wspierające studiowanie (konspekt, problemy, quiz) z użyciem podręcznika
Ackermana i Knoxa „Meteorology”



http://ww2010.atmos.uiuc.edu/(Gh)/guides/mtr/fw/home.rxml – projekt

WW2010: siły i wiatr


http://www.ems.psu.edu/~fraser/Bad/BadCoriolis.html

Siła Coriolisa nie ma wpływu na ruch wiru powstałego po wyjęciu korka w zlewie lub
wannie


http://www.nhc.noaa.gov/HAW2/english/intro.shtml

Hurricane Awareness Site, U.S. National Hurricane Center, NOAA


http://ww2010.atmos.uiuc.edu/(Gh)/wwhlpr/hurr_graphic.rxml

projekt WW2010: huragany


http://www.ncdc.noaa.gov/oa/climate/severeweather/hurricanes.html –

informacje o huraganach, U.S. National Climatic Data Center


http://www.howstuffworks.com/hurricane.htm – jak „działają” huragany?



http://hurricanes.noaa.gov/ - serwer informacyjny o huraganach, NOAA



http://www.nnvl.noaa.gov/ - wizualizacja huraganów na podstawie zdjęć

satelitarnych, NOAA/NESDIS


http://earthobservatory.nasa.gov/Study/HurricaneHeart/heart.html – spojrzenie

w serce huraganu, NASA Earth Observatory


http://earthobservatory.nasa.gov/Study/HurricaneFieldStudy/ - obserwacje

huraganów, NASA Earth Observatory


http://www.noaa.gov/tornadoes.html – strony informacyjne NOAA nt. tornado



http://ww2010.atmos.uiuc.edu/(Gh)/wwhlpr/tornado.rxml

projekt WW2010: tornado


http://cimss.ssec.wisc.edu/tropic/tropic.htm – cyklony tropikalne, Univ.

Wisconsin - Madison


http://www.atmos.umd.edu/~stevenb/hurr/ - tory huraganów i zdjęcia

satelitarne, University of Maryland


http://science.howstuffworks.com/tornado.htm – jak „działają” tornada?



http://www.awea.org/ - American Wind Energy Association



http://www.windpower.org/en/tour/index.htm - Danish Wind Industry

Association

Meteorologia

Łobocki

Ruch w atmosferze

15

________________________________________________________________________________

Zadania do samodzielnej pracy i pytania kontrolne

1. Wyjaśnij, dlaczego na półkuli północnej:

a) górne powierzchnie izobaryczne (np. 500 hPa) obniżają się zwykle ku północy?
b) wiatry górne wieją generalnie z zachodu?

2. Co jest początkową przyczyną ruchu powietrza w atmosferze?

3. Wytłumacz, w jaki sposób każdy z poniższych czynników wpływa na wartość poziomej

składowej siły Coriolisa: a) obrotowy ruch Ziemi b) prędkość wiatru c) szerokość
geograficzna.

4. Co oznacza termin: wiatr geostroficzny?

5. Co oznacza termin: wiatr gradientowy?

6. Wyjaśnij, w jaki sposób siła tarcia w dolnej atmosferze (warstwie granicznej) wpływa na

kierunek wiatru i jego zmiany z wysokością.

7.

Oszacuj wartość siły Coriolisa, działającej na wieżowiec o wysokości 100 m i masie
30 000 ton, usytuowany na 45

°

N.

8. Czy w okolicach równika możemy zaobserwować w atmosferze przepływ geostroficzny?

Dlaczego?

9. Czym różni się wiatr geostroficzny od gradientowego?

10. Jakie siły określają poziomy ruch powietrza - wiatr?

11. Jakie czynniki określają kąt pomiędzy izobarami na mapie dolnej, a kierunkiem wiatru?

12. Pionowy gradient ciśnienia przyjmuje wartości 4 rzędy wielkości wyższe od poziomego.

Jednak powietrze rzadko podlega przyspieszeniom w kierunku pionowym. Wyjaśnij,
dlaczego.

13. Gdyby Ziemia się nie obracała, jak przebiegałby ruch powietrza w stosunku do centrów

wysokiego i niskiego ciśnienia?

14. Dlaczego wiatry dolne są bardziej zgodne z wiatrem geostroficznym nad powierzchnią

oceanu, niż nad lądem?

15. Opisz ogólną cyrkulację atmosfery Ziemi.

16. Czym różni się komórka Ferrela od komórki Hadleya?

17. Dlaczego w strefie okołorównikowej występuje pas obniżonego ciśnienia?

18. Co jest powodem powstania strefy wyżów podzwrotnikowych?

Meteorologia

Łobocki

Ruch w atmosferze

16

19. W jaki sposób powstają pasaty? Dlaczego wieją one w pobliżu równika z kierunku

wschodniego?

20. W jaki sposób powstaje front polarny?

21. Co to jest „prąd strumieniowy” (jet-stream)? Gdzie on występuje?

22. Omów rozwój niżu w umiarkowanych szerokościach geograficznych.

23. Jakimi cechami rożni się front ciepły od frontu chłodnego?

24. Co to jest front zokludowany (okluzji)?

Meteorologia

Łobocki