Температурные градиенты и стратификация атмосферы

Все метеорологические элементы изменяются в пространстве и во времени, т. е. являются функциями координат точки и времени. Пространственное распределение метеорологических элементов называют полями этих элементов. Изменчивость метеорологического элемента в пространстве удобно характеризовать градиентом этого поля. Градиентом метеорологического поля называется падение данной величины по нормали к поверхности равного значения этой величины, рассчитанное на единицу расстояния.

Для практических целей нецелесообразно оперировать пространственными градиентами метеорологических элементов, а находят их проекции на горизонтальную (уровенную) поверхность — горизонтальный градиент и вертикальную ось — вертикальный градиент. Вертикальный температурный градиент — — обозначается г и единицей измерения для него является градус температуры на 100 м высоты. Горизонтальный температурный градиент — измеряется в градусах на градус меридиана (примерно 100 км).

Падение температуры с высотой в среднем составляет 0,65°С на 100 м высоты. Уменьшение температуры с высотой объясняется наличием снежных шапок на вершинах гор даже в экваториальных широтах. Это является основной причиной того, что абсолютный минимум температуры на поверхности Земли (-89°С) наблюдается именно в южном полушарии, в центре Антарктиды, где высота над уровнем моря составляет более 4000 м. В северном полушарии абсолютный минимум темпертуры составляет -69°С. Наблюдается он в Якутии, примерно на уровне моря.

Стратификация атмосферы и погода.

При условии, если подстилающая поверхность теплая, а воздух холодный, температура с высотой быстро падает (более 1 °C на 100 м высоты) в атмосфере развиваются вертикальные движения. Такая стратификация (распределение температуры с высотой) называется неустойчивой (рис.5).

Теплый воздух поднимается вверх, возникает термическая конвекция. Возможно образование и развитие конвективной облачности со всеми сопутствующими явлениями (ливневыми осадками, градом и т. д.).

Неустойчиво стратифицирован воздух в экваториальных широтах. В умеренных широтах неустойчивая стратификация наблюдается в тыловых частях циклонов и граничащих с ними антициклонов. Видимость там хорошая за исключением зоны выпадающих осадков.

При инверсионном распределении температуры с высотой стратификация воздуха устойчивая. Инверсия может образовываться непосредственно у поверхности Земли в результате радиационного охлаждения самого нижнего слоя воздуха, либо в некотором удаленном от поверхности Земли слое (рис.4). Причиной устойчивой стратификации может быть адвекция (горизонтальный перенос) теплой воздушной массы над слоем холодного воздуха или же результат опускания и нагревания воздуха. Такой устойчивый слой в атмосфере образует как бы потолок для конвекции, через который она пробиться не может. Под инверсией скапливаются примеси, ядра конденсации, водяные пары, принесенными сюда конвективными токами из нижних слоев атмосферы. Инверсия является верхним пределом, ниже которого образуется слоистая или слоисто-кучевая облачность.

Стратификация атмосферы будет устойчивой и при изотермии, то есть при постоянстве температуры с высотой, и даже при падении температуры с высотой, если это падение меньше, чем 1 °C на 100 м высоты. Устойчивая стратификация препятствует развитию вертикальных движений. В таких условиях невозможно образование и развитие конвективной облачности. В холодное время года при устойчивой стратификации образуются туманы. Во все времена года с такой стратификацией связано ухудшение видимости, увеличение концентрации примесей в атмосфере.