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 A
obocki
Ruch w atmosferze 2
Rozkład Weibulla
k-1
k X
rozkład prawdopodobieństwa
f śą X źą= e[-śą X /Áąźąk]
śą źą
ÁÄ… ÁÄ…
(rozkład Weibulla):
"
1
ÂÄ…=Eśą X źą= x f śą xźą dx=ÁÄ… Źą 1ƒÄ…
+"
wartość średnia (oczekiwana)
śą źą
k
0
ÈÄ…2=D2 śą X źą=E[ X-E śą X źą]2=E śą X2źą-E2śą X źą
wariancja:
"
2
+"x f śą xźądx-ÂÄ…2=ÁąŹą 1ƒÄ… 2 -ÂÄ…2
śą źą
k
0
2
Źą 1ƒÄ…
śą źą
k
ÈÄ…2
= -1
ÂÄ…2 1
Źą2 1ƒÄ…
śą źą
k
Potencjał energetyczny:
1 3
Ä…
F=1 ÇÄ…v3= ÇÄ…ÁÄ…3 Źą 1ƒÄ…
śą źą
2 2 k
Meteorologia A
obocki
Ruch w atmosferze 3
_______________________________________________________________________________
Przyspieszenie i siła Coriolisa
Siła gradientu ciśnienia
z
ëÅ‚ "p "y
öÅ‚
FA = ìÅ‚ p0 - ÷Å‚ "x"z
íÅ‚ "y 2 Å‚Å‚
ëÅ‚ "p "y
öÅ‚
FB = -ìÅ‚ p0 + ÷Å‚ "x"z
íÅ‚ "y 2 Å‚Å‚
F F
A B
F FA + FB
= =
Á ,p
0
m m
" z
ëÅ‚
1 "p öÅ‚ 1 "p
= ìÅ‚ - "x"y"z÷Å‚ = -
ìÅ‚ ÷Å‚ y
" x
ÁV "y Á "y
íÅ‚ Å‚Å‚
" y
x
Meteorologia A
obocki
Ruch w atmosferze 4
_______________________________________________________________________________
Przyspieszenie i siła Coriolisa
É
É
v
v
É r
É r
É
v " Õ
v
É r
v
É r
É r " Õ
" Õ
Meteorologia A
obocki
"
r
"
r
r
r
"
r
r
É
(
r
+
"
r
)
É
r
É
(
r
+
"
É
É
"
r
)
r
r
Ruch w atmosferze 5
"Õ = É"t
"r = v"t
"vd Ér"Õ
ad = = = É2r
"t "t
"vc É"r + v"Õ
aC = = = 2Év
"t "t
________________________________________________________________________________
Równanie ruchu w układzie inercjalnym
dv
F = ma = ÁV
dt
F = -V grad p + mg
dv 1
= - grad p + g
dt Á
________________________________________________________________________________
Równanie ruchu w układzie związanym z powierzchnią obracającej się planety
dva dv
ëÅ‚ öÅ‚
= + 2&! × v + &! × &! × r
ìÅ‚ ÷Å‚
dt
íÅ‚ Å‚Å‚a dt
dvxy 1
H" - grad p - 2&!z × vxy
xy
dt Á
&!z = &! Å"sin Õ
f = 2 &!z = 2&! Å"sin Õ
- parametr Coriolisa
Meteorologia A
obocki
Ruch w atmosferze 6
________________________________________________________________________________
Ruch w atmosferze swobodnej
p
p + p
"
p + 2 p
"
p + 3 p
"
p + 4 p
"
Meteorologia A
obocki
Ruch w atmosferze 7
________________________________________________________________________________
Przepływ zrównoważony w atmosferze swobodnej - wiatr geostroficzny
1
2&!z × vxy = - grad p
v
xy
Á
- " p C
"xy p
vg =
2 &! sin Õ
________________________________________________________________________________
Przepływ zrównoważony w atmosferze swobodnej - wiatr gradientowy
V2 1 "p
+ fV =
V
R Á "x
"p
P
O
> 0
N
"x
C
2
fR f R2 R "p
V = - + +
2 4 Á "x
V2 1 "p
- + fV =
R Á "x
V
"p
> 0
O
C
"x
W
P
2
fR f R2 R "p
V = Ä… -
2 4 Á "x
2
"p Áf R
d"
"x 4
Meteorologia A
obocki
"
"
"
p
p+
p
p+2
p
p+3
p
Ruch w atmosferze 8
________________________________________________________________________________
Wpływ tarcia w warstwie granicznej
P
p - 2 " p
V
p - " p
T
C
p
Meteorologia A
obocki
Ruch w atmosferze 9
h o d o g r a f
4
2
0
0 4 8 1 2
Spirala Ekmana
________________________________________________________________________________
Formy pola ciśnienia
W
W
N
N
S I O D A
O
N
W
N
W
W
Meteorologia A
obocki
Z
A
T
O
K
A
N
I
L
K
A
K
O
T
A
Z
A

A
W
A
D
Z
U
R
B
Ruch w atmosferze 10
________________________________________________________________________________
Linie prÄ…du
P u n k t z b i e ż n o ś c i P u n k t r o z b i e ż n o ś c i
( k o n w e r g e n c j 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
Równanie linii prądu
dx dy
=
u v
________________________________________________________________________________
Trajektorie
dr
= v(r,t)
dt
Meteorologia A
obocki
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
ëÅ‚ öÅ‚
z
ìÅ‚ ÷Å‚
U (z) = U10 ìÅ‚ ÷Å‚
z0
íÅ‚ Å‚Å‚
Zależności teoretyczne (teoria podobieństwa Monina-Obuchowa)
ëÅ‚ öÅ‚
u* îÅ‚ z z
öÅ‚Å‚Å‚
U (z) =
ìÅ‚ ÷Å‚
ïÅ‚lnìÅ‚ ÷Å‚ + ¨ëÅ‚ śł
ìÅ‚ ÷Å‚
º z0 L
íÅ‚ Å‚Å‚ûÅ‚
íÅ‚ Å‚Å‚
ðÅ‚
Meteorologia A
obocki
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 Zakres Prędkość Określenie Charakterystyka
skali prędkości średnia słowne obserwacyjna
0 0 - 0,5 0 cisza dym unosi siÄ™ 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 łamie gałęzie, chodzenie pod wiatr
(wicher) b. utrudnione
9 21,1  25,0 23 wichura przenosi niewielkie przedmioty,
(sztormowy) zrywa dachówki
10 25,1  28,0 26 silna wichura wyrywa mniejsze drzewa z
(sztorm) korzeniami
11 28,1  33,0 31 gwałtowna powoduje rozległe zniszczenia
wichura
12 > 33 35 huragan wyrywa duże drzewa lub łamie je,
uszkadza budynki
Meteorologia A
obocki
Ruch w atmosferze 13
________________________________________________________________________________
Oznaczanie wiatru na mapach dolnych
kt m/s
cisza
2 1
5 2
10 5
50 25
________________________________________________________________________________
Ogólna cyrkulacja atmosfery
Øð Cyrkulacja na nieruchomej planecie o jednorodnej powierzchni
Øð WpÅ‚yw obrotu Ziemi
Øð Komórki cyrkulacyjne Hadleya, Ferrela i polarna
Øð MiÄ™dzyzwrotnikowa strefa zbieżnoÅ›ci, pas wyżów podzwrotnikowych
Øð Front polarny
Øð Rozwój niżu w umiarkowanych szerokoÅ›ciach geograficznych
Øð Struktura frontów atmosferycznych
________________________________________________________________________________
Zasoby internetowe do samodzielnej eksploracji
Øð 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
Øð http://www.brookscole.com/cgi-brookscole/course_products_bc.pl
?fid=M20b&discipline_number=30&product_isbn_issn=0534372007 - strony
Meteorologia A
obocki
Ruch w atmosferze 14
sieciowe wspierające studiowanie (konspekt, problemy, quiz) z użyciem podręcznika
D. Ahrensa  Meteorology Today
Øð 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
Øð
Øð http://ww2010.atmos.uiuc.edu/(Gh)/guides/mtr/fw/home.rxml  projekt
WW2010: siły i wiatr
Øð 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
Øð http://www.nhc.noaa.gov/HAW2/english/intro.shtml
Hurricane Awareness Site, U.S. National Hurricane Center, NOAA
Øð http://ww2010.atmos.uiuc.edu/(Gh)/wwhlpr/hurr_graphic.rxml
projekt WW2010: huragany
Øð http://www.ncdc.noaa.gov/oa/climate/severeweather/hurricanes.html 
informacje o huraganach, U.S. National Climatic Data Center
Øð http://www.howstuffworks.com/hurricane.htm  jak  dziaÅ‚ajÄ… huragany?
Øð http://hurricanes.noaa.gov/ - serwer informacyjny o huraganach, NOAA
Øð http://www.nnvl.noaa.gov/ - wizualizacja huraganów na podstawie zdjęć
satelitarnych, NOAA/NESDIS
Øð http://earthobservatory.nasa.gov/Study/HurricaneHeart/heart.html  spojrzenie
w serce huraganu, NASA Earth Observatory
Øð http://earthobservatory.nasa.gov/Study/HurricaneFieldStudy/ - obserwacje
huraganów, NASA Earth Observatory
Øð http://www.noaa.gov/tornadoes.html  strony informacyjne NOAA nt. tornado
Øð http://ww2010.atmos.uiuc.edu/(Gh)/wwhlpr/tornado.rxml
projekt WW2010: tornado
Øð http://cimss.ssec.wisc.edu/tropic/tropic.htm  cyklony tropikalne, Univ.
Wisconsin - Madison
Øð http://www.atmos.umd.edu/~stevenb/hurr/ - tory huraganów i zdjÄ™cia
satelitarne, University of Maryland
Øð http://science.howstuffworks.com/tornado.htm  jak  dziaÅ‚ajÄ… tornada?
Øð http://www.awea.org/ - American Wind Energy Association
Øð http://www.windpower.org/en/tour/index.htm - Danish Wind Industry
Association
Meteorologia A
obocki
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 poczÄ…tkowÄ… przyczynÄ… 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 sÄ… bardziej zgodne z wiatrem geostroficznym nad powierzchniÄ…
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 A
obocki
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 A
obocki