Ruch w atmosferze 1
Dział 7: Wiatr
________________________________________________________________________________
Zagadnienia
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:
- 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 i przebieg rozwoju niżu jako zafalowania na
froncie polarnym
- znać pojęcie frontów atmosferycznych
________________________________________________________________________________
Siła gradientu ciśnienia
z
ć� ś�p D�y��
FA =� �� p0 -� �� D�xD�z
Ł� ś�y 2 ł�
ć� ś�p D�y
��
FB =� -��� p0 +� �� D�xD�z
Ł� ś�y 2 ł�
F FA +� FB
=� =�
F F
A B
m m
�, p
ć�
1 ś�p �� 1 ś�p
0
=� �� -� D�xD�yD�z �� =� -�
�� ��
r�V ś�y r� ś�y
Ł� ł�
D� z
y
D� x
D� y
x
Meteorologia A
obocki
Ruch w atmosferze 2
_______________________________________________________________________________
Przyspieszenie i siła Coriolisa
w�
w�
v
v
w� r
w� r
w�
v D�j�
v
w� r
v
w� r
w� r D�j�
D�j�
Meteorologia A
obocki
D�
r
D�
r
r
r
D�
r
r
w�
(
r
+
D�
r
)
w�
r
w�
(
r
+
D�
w�
w�
D�
r
)
r
r
Ruch w atmosferze 3
D�j� =� w�D�t
D�r =� vD�t
D�vd w�rD�j�
ad =� =� =� w�2r
D�t D�t
D�vc w�D�r +� vD�j�
aC =� =� =� 2w�v
D�t D�t
________________________________________________________________________________
Równanie ruchu w układzie inercjalnym
dv
F =� ma =� r�V
dt
F =� -�V grad p +� mg
dv 1
=� -� grad p +� g
dt r�
________________________________________________________________________________
Równanie ruchu w układzie związanym z powierzchnią obracającej się planety
dva dv
ć� ��
=� +� 2W� �� v +� W� �� W� �� r
�� ��
dt
Ł� ł�a dt
dvxy 1
� -� gradxy p -� 2W�z �� vxy
dt r�
W� =� W� �� sin j�
z
f =� 2 W�z =� 2 W� �� sin j�
- parametr Coriolisa
Meteorologia A
obocki
Ruch w atmosferze 4
________________________________________________________________________________
Ruch w atmosferze swobodnej
p
p+ p
D�
p+2 p
D�
p+3 p
D�
p+4 p
D�
Meteorologia A
obocki
Ruch w atmosferze 5
________________________________________________________________________________
Przepływ zrównoważony w atmosferze swobodnej - wiatr geostroficzny
1
2W�z �� v =� -� gradxy p
xy
v
r�
�xy p
-�� p C
v =�
g
2 W� sin j�
________________________________________________________________________________
Przepływ zrównoważony w atmosferze swobodnej - wiatr gradientowy
2
V 1 ś�p
+� fV =�
R r� ś�x
V
ś�p
>� 0
P
ś�x
O
N
2
C
fR f R2 R ś�p
V =� -� +� +�
2 4 r� ś�x
2
V 1 ś�p
-� +� fV =�
R r� ś�x
V
ś�p
>� 0
O ś�x
C
W
P
2
fR f R2 R ś�p
V =� ą� -�
2 4 r� ś�x
2
ś�p r�f R
Ł�
ś�x 4
________________________________________________________________________________
Wpływ tarcia w warstwie granicznej
Meteorologia A
obocki
D�
D�
D�
p
p+
p
p+2
p
p+3
p
Ruch w atmosferze 6
P
p-2 D� p
V
p- D� p
T
C
p
Meteorologia A
obocki
Ruch w atmosferze 7
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
SIODA
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 8
________________________________________________________________________________
Linie prądu
Punkt zbieżności Punkt rozbieżności
(konwergencji) (dywergencji)
Linia zbieżności Linia rozbieżności
Równanie linii prądu
dx dy
=�
u v
________________________________________________________________________________
Trajektorie
dr
=� v(r,t)
dt
Meteorologia A
obocki
Ruch w atmosferze 9
________________________________________________________________________________
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
ć� ��
z
�� ��
U (z) =� U10 �� ��
z0
Ł� ł�
Zależności teoretyczne (teoria podobieństwa Monina-Obuchowa)
ć� ��
u* �� z z
��ł�
U (z) =�
�� ��
ę�ln�� �� +� Y�ć� ś�
��
k� z0 �� Ł� L
ł���
Ł� ł�
��
________________________________________________________________________________
Pomiary prędkości i kierunku wiatru
Wiatromierz Wilda, anemometr czaszowy i ster kierunkowy; pomiary radiosondażowe; metody
akustyczne i radarowe.
Meteorologia A
obocki
Ruch w atmosferze 10
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 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 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 11
________________________________________________________________________________
Oznaczanie wiatru na mapach dolnych
kt m/s
cisza
2 1
5 2
10 5
50 25
________________________________________________________________________________
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 sieciowe
Meteorologia A
obocki
Ruch w atmosferze 12
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 A
obocki
Ruch w atmosferze 13
________________________________________________________________________________
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 A
obocki
Ruch w atmosferze 14
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