ОБЩАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ АТМОСФЕРЫ

Общая циркуляция атмосферы — сложная система воздушных течений, охватывающая всю атмосферу. Наиболее важными по их влиянию на процессы, происходящие у земной поверхности, и вместе с тем наиболее изученными являются воздушные течения тропосферы.

Общую циркуляцию атмосферы необходимо изучать для того, чтобы понять причины изменения погоды и условия формирования климата.

Предположим, что Земля имеет однородную поверхность, освещается солнечными лучами со всех сторон и не испытывает отклоняющего действия осевого вращения. При этих условиях схема общей циркуляции атмосферы окажется очень простой (см. термическую циркуляцию воздуха, стр. 149). Над экватором вследствие сильного нагревания воздух будет подниматься, и это приведет к возникновению наверху области высокого давления. Над полюсами (наверху) появляется область пониженного давления (результат охлаждения воздуха от поверхности). Изобарические поверхности в тропосфере получат наклон в сторону полюсов. В этом направлении возникает движение воздуха. Отток воздуха наверху от экватора приведет к образованию у поверхности экваториальной депрессии. Приток добавочного количества воздуха наверху вызовет у полюсов возникновение приземной области повышенного давления. В соответствии с распределением давления в нижнем слое тропосферы воздух начнет двигаться от полюсов к экватору, т. е. возникнет его меридиональный перенос.

Если, сохранив предположение об однородности земной поверхности, учесть отклоняющее действие вращения Земли, общая картина циркуляции усложнится. Поднимающийся над экватором воздух, направляясь к полюсам, с увеличением широты под влиянием отклоняющего действия вращения Земли будет все больше отклоняться от направления меридианов вправо в северном полушарии и влево в южном. Около 30° широты движение воздуха приобретает направление вдоль параллелей с запада на восток. Продолжающий поступать к этим широтам от экватора воздух, накапливаясь, должен создать в нижнем слое тропосферы высокое давление (субтропический пояс). От субтропического пояса высокого давления у поверхности Земли воздух начнет растекаться в сторону экваториальной депрессии и к умеренным широтам. Между экватором и широтами ,30° образуется замкнутое кольцо — тропическая циркуляция.

Приземный поток воздуха в этом кольце, направляясь к экватору, отклонится от направления барического градиента в северном полушарии вправо и образует северо-восточный ветер — пассат (2). В южном полушарии пассат соответственно имеет юго-восточное направление. Предполагаемый верхний поток воздуха в тропическом кольце, противоположный пассатам, получил название антипассатов. Граница между пассатами и антипассатами проводилась на высоте 10 км над экватором и 2—5 км над тропическими широтами.

Приток воздуха наверху к полюсам должен привести, с одной стороны, к повышению давления у поверхности Земли в высоких широтах, с другой — к понижению давления в соседних, умеренных широтах (вследствие оттока воздуха). В результате у поверхности воздух будет перемещаться от полюсов к умеренным широтам (4), а наверху (от 4 до 10/си), наоборот, от умеренных широт к полюсам (5).

В зону пониженного давления в умеренных широтах устремится также воздух из субтропической зоны высокого давления (3). Но под влиянием вращения Земли он отклонится к востоку, создавая западно-восточный перенос между этими широтами. Встречаясь в умеренных широтах с воздухом, идущим от полюсов (4), и этот воздух поднимется и вместе с воздушным течением от умеренных широт (5) направится к полюсам.

Рассмотренная схема циркуляции воздуха в тропосфере с учетом усложнений, вносимых влиянием неоднородной подстилающей поверхности, долгое время была общепринятой. Она хорошо объясняет схему распространения атмосферного давления на поверхность Земли и господствующие в нижних слоях тропосферы ветры (рис. 47 и 48). Исследования атмосферы, проводившиеся в последние десятилетия с помощью новейших методов и техники, внесли существенные изменения в представления о ее циркуляции.

Постепенное падение давления от экватора к полюсам в среднем для длительного периода времени действительно обнаруживается в слоях атмосферы выше 10 км над экватором и выше 2—4 км на пространстве между тропиками и полюсами. Такое распределение давления, выражающееся в совпадении направления изобар с параллелями, вызывает движение воздуха вдоль изобар с запада на восток (см. геострофический ветер, стр. 143) — западный (широтный) перенос воздуха в тропосфере, охватывающий всю Землю.

Отклонение воздушных потоков от направления изобар приводит к образованию воздушных волн и к формированию приземных и высотных циклонов и антициклонов (см. стр. 152). В этом процессе большую роль играет меридиональный перенос тепла и холода в соответствующих частях волн. Гребни высокого давления, очерчиваемые изобарами и обтекаемые воздушным потоком, обращены к полюсам (к низкому давлению), ложбины— к экватору (к высокому давлению). Поток воздуха, двигаясь волнообразно, приносит к оси гребня тепло из более низких * широт, а к оси ложбины — холод из более высоких широт. Приток тепла к гребню способствует его развитию и образованию высотного теплого антициклона. Приток холода к ложбине способствует формированию высотного холодного циклона. В то же время приземные циклоны, под областью расходимости потока воздуха, пришедшего со стороны экватора (к западу от оси гребня), оказываются теплыми, приземные антициклоны, под областью сходимости потоков воздуха, идущего от полюсов (к западу от оси ложбины),— холодными. Перемещаясь в общем западном переносе на восток, высотные циклоны и антициклоны смыкаются с приземными циклонами и антициклонами, и атмосфера оказывается разделенной па ряд огромных мощных вихрей, в одних местах постепенно исчезающих, в других — снова формирующихся.

Перемещаясь на восток, циклоны отклоняются к полюсам, антициклоны — к экватору. Причина такого отклонения — действие осевого вращения Земли, возрастающее с увеличением широты. И в циклонах и в антициклонах отклоняющая сила больше в той части вихря, которая ближе к полюсу. Но так как при этом в циклонах она направлена от центра (противоположна барическому градиенту), циклоны одновременно с перемещением на восток постепенно смещаются к северу. Около 65° широты в северном и южном полушариях циклоны задерживаются под влиянием повышенного давления в полярных районах и образуют зону пониженного давления.

В антициклонах, при направлении барического градиента от центра, отклоняющая сила вращения Земли направлена, наоборот, к центру, и поэтому антициклоны смещаются к экватору. В результате ослабления отклоняющей силы в низких широтах (около 25—30°) северного и южного полушария антициклоны скапливаются, создавая почти непрерывные зоны высокого давления. Они особенно концентрируются над Океаном, образуя так называемые субтропические максимумы, сильно вытянутые по широте (см., например, Азорский максимум).

Между областью скопления высотных холодных циклонов близ полярного круга и областью скопления высотных теплых антициклонов около субтропиков в умеренных широтах образуется зона резких изменений температуры и давления — высотная фронтальная зона. Скорости ветра в этой зоне очень велики, здесь возникают струйные течения, формируются атмосферные фронты. Под фронтальной зоной образуется большинство приземных циклонов и антициклонов.

Струйные течения — воздушные потоки со скоростью движения примерно 150 — 300 км в час. Протяженность струйных потоков — тысячи километров, ширина — несколько сотен (300—400), высота — несколько (2—4) километров. Образуются струйные течения в зонах сближения холодных и теплых масс воздуха, в верхней тропосфере (9—12 км) и в нижней стратосфере (25—30 км). Летом струйные течения чаще проявляются в умеренных и высоких широтах, зимой они ослабевают. В этот период струйные течения лучше выражены в широтах ниже 40°.

Роль циклонов и антициклонов в общей циркуляции атмосферы очень велика. Отклоняющая сила вращения Земли, препятствуя меридиональному переносу, превращает меридиональные воздушные потоки в широтные. Перенос воздуха, обмен теплом между низкими и высокими широтами осуществляют прежде всего циклоны и антициклоны. В общей циркуляции тропосферы преобладает западный перенос (рис. 64). Однако в нижнем ее слое вследствие существования зональных областей высокого и низкого давления 3 возникают зоны господствующих ветров, направление которых не совпадает с западным переносом. Зональные области высокого давления: Экватор — зона низкого давления, причина — поднятие и растекание воздуха: субтропические широты — зоны высокого давления, причина — скопление антициклонов; умеренные широты — зоны низкого давления, причина — скопление циклонов; полярные широты — зоны высокого давления, причины — охлаждение воздуха, приток его наверху. Западные ветры у поверхности преобладают лишь в умеренных (средних) широтах (между 65 и 25—30°). В полярных (высоких) широтах (выше 65°) господствуют ветры с восточной составляющей (В, СВ). В тропических широтах (от 25—30° до экватора) устойчивые северо-восточные (в северном полушарии) и юго-восточные (в южном полушарии) ветры умеренной скорости — пассаты. Пассаты — самое сильное нарушение западного переноса в тропосфере. На направление пассатов влияют субтропические максимумы, вызывая их отклонения (рис. 47 и 48). Так как пассаты, перемещаясь к экватору, двигаются над Океаном с менее нагретой на более нагретую поверхность, в них возникает сильная конвекция, развивающаяся лишь в нижнем слое. На высоте 1200—2000 ж в пассатах лежит слой инверсии толшиной несколько сотен метров. Причина пассатной инверсии — оседание воздуха, характерное для антициклонов. Инверсия мешает развитию конвекции, и поэтому в области пассатов осадков мало (или совсем нет). Пассаты противоположных полушарий, направляясь навстречу друг другу, встречаются у экватора. В области сходимости пассатов возникают сильные восходящие токи воздуха, образуются мощные кучевые и кучево-дождевые облака, выпадают обильные ливневые осадки.

Общую циркуляцию тропосферы можно представить как несколько взаимосвязанных зональных звеньев:

Высокоширотное звено (полярное), ограниченное широтой 65°. До высоты 2—3 км преобладают восточные ветры, выше — западный перенос с некоторым (непостоянным) отклонением в сторону низкого давления над полюсом.

Среднеширотное звено (умеренное), расположенное между 65 и 25— 30° широты. Отличается западным переносом, усиливающимся с высотой. Межширотный перенос тепла и холода в этом поясе осуществляют циклоны и антициклоны.

Низкоширотное (тропическое) звено, находящееся между 25—30е и экватором. Здесь господствуют пассаты. Общее направление движения воздуха до высоты 1—2 км у тропиков и до верхней границы тропосферы у экватора — с востока на запад. Особого, противоположного пассатам — антипассатного — воздушного течения выше границы пассатов не обнаружено. Над пассатами дуют западные ветры, такие же, как и в более высоких широтах; меридиональные составляющие в них очень невелики и различны по направлению. Некоторый отток воздуха от экватора эти ветры все же обеспечивают.

Все звенья общей циркуляции тропосферы тесно взаимосвязаны и. вместе охватывают всю тропосферу. В стратосфере температура над экватором ниже, чем над полюсом, соответственно распределяется и давление: оно падает от полюсов к экватору. Западный перенос, господствующий в тропосфере, постепенно сменяется восточным.

До сих пор мы рассматривали схему общей циркуляции атмосферы без учета влияния подстилающей поверхности. Значительное усложнение в циркуляцию атмосферы вносит распределение материков и океанов. Летом материки теплее, чем океаны. Перемещающийся над ними с запада на восток поток воздуха постепенно нагревается, расширяется, давление наверху повышается, и изобары изгибаются к полюсам, очерчивая над восточной частью материка гребни высокого давления. Внизу, под зоной расходимости (к западу от оси гребня), возникают циклоны. Переходя на Океан, воздух начинает охлаждаться, сжимается, давление наверху понижается, изобары очерчивают ложбины над восточной частью Океана, а внизу, под зоной сходимости (к западу от оси ложбины), формируется антициклон.

Зимой картина обратная. Гребни высокого давления и зоны расходимости возникают наверху над теплым Океаном в его восточной части, создавая условия для образования приземных циклонов. Над материками формируются глубокие ложбины и зоны сходимости, что приводит к появлению приземных антициклонов (рис. 67).

В результате в умеренных широтах над восточной частью материков формируются зимние барические максимумы (антициклоны), например Азиатский, Канадский, и летние минимумы (циклоны), например Азиатский. Над океанами зимой усиливаются или возникают барические минимумы (циклоны), например Исландский, ослабевающие или сливающиеся в одну зону пониженного давления летом (рис. 47 и 48).

Сохранение антициклонального режима над тем или иным районом не означает сохранения в течение всего сезона одного и того же антициклона. Ряд антициклонов, последовательно сменяя друг друга, преобладают над циклонами, появление которых не исключается. То же относится и к областям с циклональным режимом.

Над Арктикой влияние Океана приводит к значительному ослаблению давления, и, в результате туда проникают циклоны, особенно летом. Над материком Антарктиды барический максимум резко выражен.

В субтропических широтах, над нагретыми материками, давление всегда несколько ослаблено, и приходящие из более высоких широт антициклоны сосредоточиваются главным образом над океанами (например, Азорский максимум). При этом в летний период давление в субтропических антициклонах увеличивается.

В результате неравномерного нагревания и охлаждения материков и океанов возникают муссоны — устойчивые воздушные течения сезонного характера, меняющие свое направление от зимы к лету и от лета к зиме почти па противоположное (В Китае и Индии муссоном называют только летнее перемещение воздуха на материк). В переходные сезоны — весной и осенью — устойчивость режима ветра нарушается. Муссоны возникают в пограничной зоне между материками и океанами. Зимой над восточной частью материков в умеренных широтах устанавливается высокое давление; над океанами в это время оно более низкое. Ветер (зимний муссон) дует с материка на Океан. Он приносит сухую, малооблачную погоду. Летом давление над материком ниже, чем над соседними частями океанов, и ветер (летний муссон) направляется с Океана на материк. С этим ветром на материке связана влажная, дождливая погода.

Направление муссона, как и всякого ветра, определяется барическим градиентом, отклоняющей силой вращения Земли и трением. Зимой в умеренных широтах направление его в общем западное, летом — восточное.

Муссонное течение охватывает лишь самый нижний слой тропосферы. Воздушного противотечения («антимуссона») над муссонами нет.

Муссоны — проявление циклонической и антициклонической деятельности в атмосфере. Они наблюдаются там, где циклоны и антициклоны обладают устойчивостью и резким сезонным преобладанием одних над другими. Благодаря тому, что зимние устойчивые антициклоны и летние циклоны устанавливаются над восточными частями больших участков суши, в умеренных широтах муссоны развиты по восточным окраинам материков. Область распределения муссонов не ограничена умеренными широтами. Они отчетливо выражены и в тропических широтах, особенно там, где сказывается влияние суши, расположенной по соседству, но в более высоких широтах.

Причина возникновения тропических муссонов — сезонное смещение экваториальной депрессии и субтропической области высокого давления (субтропических антициклонов) к северу — в июле и к югу — в январе. В июле экваториальная депрессия и субтропические антициклоны занимают крайнее северное положение. Область распространения пассатов сдвигается к северу. В это время в полосе, примыкающей с юга к депрессии, место пассатов занимают ветры, близкие по направлению к противоположным: воздух направляется от экватора к сместившейся на север экваториальной депрессии. К январю, постепенно смещаясь на юг, экваториальная депрессия и субтропические антициклоны занимают крайнее южное положение (при этом депрессия только местами заметно смещается к югу от экватора). Пассаты в северном полушарии доходят до экватора, сменяя господствовавшие в приэкваториальной полосе в июле противоположные ветры. Таким образом возникает область смены ветров по сезонам на противоположные — области тропических (экваториальных) муссонов. Летний муссон дует от экватора и приносит влажную, с осадками погоду. Зимний муссон — это пассат соответствующего полушария, и погода, связанная с ним, отличается отсутствием (или малым количеством) осадков. Там, где встречаются пассаты и противоположные им ветры, дующие от экватора, располагается тропический фронт, непрерывно перемещающийся то к северу, то к югу (в зависимости от сезона).

Над Океаном, вне влияния суши, сезонные смещения экваториальной депрессии и субтропических областей высокого давления невелики. Изменения давления в течение года над сушей значительно увеличивают масштабы этих смещений, и в результате область распространения тропических муссонов охватывает большие пространства. Классический пример — влияние Евразии и Африки на смещение областей давления в бассейне Индийского океана. Таким образом, распространение тропических муссонов непосредственно связано с распределением материков и океанов и их влиянием на циркуляцию атмосферы.

ПОГОДА

Физическое состояние атмосферы в данной местности в определенный момент или за небольшой отрезок времени называют погодой. Погода представляет собой внешнее проявление процессов, происходящих в атмосфере при ее взаимодействии с подстилающей поверхностью, и характеризуется комплексом метеорологических элементов и явлений: температурой, влажностью, давлением, ветром, облачностью, осадками и т. д.

Типы погоды. Факторы, определяющие погоду, очень многочисленны и изменчивы, поэтому погода очень разнообразна и в деталях редко повторяется, но сходных погод много; их можно объединить в несколько типов: ясная или малооблачная погода без осадков; облачная с прояснениями погода с кратковременными ливневыми осадками; пасмурная погода с низкой облачностью; ненастная погода с обложными осадками.

Формирование разных типов погоды зависит от развития атмосферных процессов, от состояния и перемещения воздушных масс, фронтов, циклонов и антициклонов.

Ясная или малооблачная погода без осадков характерна для антициклонов. Зимой ее установлению предшествуют резкое похолодание и постепенное ослабление ветра. Летом такой тип погоды наблюдается в условиях сильного прогревания воздуха при малом испарении. В антициклоне этому способствуют адиабатическое нагревание опускающегося воздуха и связанная с этим инверсия температуры. При очень малом влагосодержании воздуха ясная или малооблачная погода может быть и в циклонах: например, зимой — в Восточной Сибири при очень низких температурах, летом — в Средней Азии при очень малой относительной влажности воздуха.

Наступление ясной или малооблачной погоды без осадков отмечается ослаблением ветра, уменьшением облачности и прекращением осадков. Температура зимой понижается, летом повышается. Атмосферное давление обычно медленно возрастает. Чем медленнее происходит смена погоды, тем больше вероятность сохранения наступившей погоды. Объясняется это тем, что малоразвитые циклоны и антициклоны быстро сменяют друг друга, при этом быстро изменяется и погода. Глубокий же мощный циклон сменяется мощным, часто малоподвижным антициклоном.

При сохранении ясной погоды хорошо выражен суточный ход температуры, влажности, ветра. Особенно резко проявляется это летом и значительно слабее — зимой. Большие суточные амплитуды колебания температуры вызывают образование ночью росы (летом) и инея (зимой). Весной и осенью возможны заморозки. В низинах часто возникают ночные туманы. После восхода Солнца развивается конвекция, ночью устанавливается инверсия. Конвекция сопровождается образованием кучевых облаков, растекающихся и постепенно исчезающих к вечеру. Днем при неравномерном нагревании поверхности появляется слабопорывистый ветер, ночью — тихо. Хорошо выражены местные ветры, вызванные термической циркуляцией (бриз, горно-долинный).

При ясной, сухой погоде, установившейся после вторжения малозапыленных воздушных масс из более высоких широт, небо утром голубое, днем белесоватое, вечерняя заря золотистая или оранжевая, переходящая в зеленовато-желтую.

Облачная с прояснениями погода с кратковременными ливневыми осадками связана с неустойчивым состоянием воздуха. Холодный воздух, перемещаясь на теплую поверхность, нагревается и теряет устойчивость. В нем возникают конвективные вертикальные токи, образуются кучевые и кучево-дождевые облака, достигающие большой мощности, выпадают ливневые дожди (летом) и снег (зимой).

Чем больше вертикальная мощность облаков, тем сильнее может быть ливень и тем больше вероятность выпадения града. О возможности ливней и гроз свидетельствует также высокое влагосодержание в воздухе. Неустойчивая погода — погода холодного фронта, прохождение которого обычно сопровождается понижением температуры и резким переходом от ясной погоды к облачной с ливнями и с быстрым прояснением.

Неустойчивая погода наблюдается над материком в средних широтах летом, а весной и осенью иногда и в более высоких широтах. Зимой неустойчивая погода над материком может быть на широтах 30—40°, где в это время воздух интенсивно нагревается. Ливневые осадки зимой выпадают чаще всего над Океаном, куда приходит холодный воздух с материка.

Пасмурная погода с низкой облачностью и частыми, но слабыми, моросящими осадками вызывается охлаждением теплого и влажного воздуха, приходящего на холодную поверхность. Она может быть связана также с размытыми, слабо выраженными атмосферными фронтами. Высота и мощность облаков невелики, так как формирование их происходит при слабом вертикальном подъеме воздуха, охватывающем только нижний слой тропосферы, облака слоистые. Такая погода наблюдается обычно зимой.

При сохранении пасмурной погоды температура отличается небольшим суточным ходом. Направление и скорость ветра изменяются очень мало. Давление воздуха остается почти постоянным. Слоистые облака иногда снижаются до земной поверхности и образуют туман, который может продержаться несколько суток.

Ненастная погода с обложными осадками типична для циклонов и связана с системой атмосферных фронтов в развивающемся циклоне. В таких циклонах происходят интенсивное поднятие воздуха, облакообразование и выпадение осадков. Характерные порывистые ветры, сильные и умеренные, зимой — метели.

Ненастная погода с обложными осадками сохраняется весь период прохождения циклона через данный пункт. О наступлении ненастной погоды свидетельствует нарушение хода метеорологических элементов. Летом температура снижается, зимой повышается. Увеличивается влажность воздуха, падает давление. В связи с приближением теплого фронта сменяются формы облаков (см. стр. 126). Прежде всего появляются перистые облака, хорошо различимые при заходе Солнца. Они движутся с одной стороны горизонта. Чем больше скорость их движения, тем быстрее ухудшается погода. Постепенно перистые облака уплотняются и сменяются перисто-слоистыми. Вокруг Солнца и Луны возникают гало. При появлении высокослоистых облаков среднего яруса гало исчезают, а более плотные слоисто-дождевые облака приносят осадки. Появление фронтальных перистых облаков может не сопровождаться ухудшением погоды, если циклон изменил направление движения или если фронт оказался размытым.

Приближение холодного фронта отличается медленным понижением давления. При прохождении холодного фронта давление резко повышается, а температура падает. Облака всех ярусов появляются почти одновременно, ветер усиливается. Обычно ненастная погода, наступившая при прохождении холодного фронта, продолжается сравнительно недолго.

В районе прохождения циклона наблюдается усиление ветра и последовательная смена его направления. Если циклон проходит через пункт наблюдения южной частью, ветер меняется от южного на юго-западный и северо-западный. Если же циклон проходит северной частью, ветер изменяется от юго-восточного на восточный, северо-восточный и северный (рис. 61).

Преобладание в том или ином месте одного из типов погоды, быстрота их смены и последовательность зависят от количества и режима поступления солнечного тепла, от условий циркуляции атмосферы, от характера подстилающей поверхности. Погода изменчива во времени и может значительно различаться в одно и то же время на сравнительно небольшом пространстве. Наибольшим постоянством отличаются условия погоды в экваториальной зоне, где смена ее в течение года вообще не выражена, а в течение суток происходит с удивительной правильностью. Наименее устойчива погода в средних и высоких широтах, она зависит от размещения и состояния циклонов и антициклонов, сменяющих друг друга.