Циркуляция атмосферы и ветер
Глава 5. Циркуляция атмосферы
Циркуляция атмосферы и ветер
Под циркуляцией атмосферы понимается общая система крупномасштабных воздушных течений над земным шаром, соизмеримых по своим размерам с частями материков и океанов. Проявления общей циркуляции заключаются в постоянном возникновении в атмосфере огромных волн и вихрей, которые по-разному развиваются и перемещаются. Образование атмосферных вихрей – циклонов и антициклонов, – является самой характерной чертой общей циркуляции атмосферы. Движение воздуха в атмосфере (со скоростью более чем 0,5 м/с),
| почти параллельное земной поверхности, называется ветром. Иногда употребляется понятие «вертикальная составляющая ветра», которая в десятки и сотни раз меньше горизонтальной. Она достигает значительной величины только в облаках при сильно развитой конвекции, либо в горах, когда воздух опускается по склону, и в некоторых других особых случаях. Основные характеристики ветра – это направление (откуда он дует, например западный ветер дует с запада на восток) и скорость ветра. Повторяемость (%) различных направлений ветра отображает роза ветров (рис. 5.1). |
| Рис. 5.1. Роза ветров |
Для построения розы ветров из одной точки по направлению основных румбов (С, СВ, В, Ю, ЮВ, ЮЗ, З, СЗ) проводят восемь прямых. На каждой прямой в определенном масштабе (1 мм – 1%) откладывают повторяемость этого румба за данный период. Концы полученных отрезков соединяют прямыми линиями. В центре графика помещается круг, в котором указывается повторяемость штилей.
Скорость ветра можно характеризовать, используя шкалу Бофорта (табл. 5.1). От скорости ветра зависит интенсивность перемешивания загрязнений с объемами воздуха. Чем больше скорость ветра, тем меньше концентрация загрязнений, поскольку эти загрязнения будут распределяться в большем объеме воздуха. Экологическая обстановка в населенном пункте, в котором атмосферный воздух загрязняется промышленными выбросами, ухудшается при уменьшении скорости ветра. Предприятия, загрязняющие атмосферу, следует размещать таким образом, чтобы ветры, направленные в сторону жилых массивов, имели наименьшую повторяемость.
5.2. Давление воздуха и циркуляция в приземной тропосфере
Уже в XVII и XVIII веках первые исследования распределения атмосферного давления на Земном шаре показали, что над холодными районами полюсов давление повышено, а на жарком экваторе – понижено. Известно, и мы на этом остановимся подробнее в дальнейшем, что при отсутствии других причин воздух перемещается под влиянием разности атмосферного давления в ту сторону, куда давление убывает быстрее всего (т.е. в направлении, противоположном градиенту давления). Следовательно, согласно ранним представлениям, тяжелый и холодный воздух должен двигаться в приземном слое атмосферы в направлении от полюсов к экватору. По мере приближения к экватору воздух прогревается, становится более легким, поднимается в верхние слои тропосферы и перемещается уже в сторону полюсов. Таким образом, циркуляция атмосферы в то время представлялась следующей: в приземном слое воздух перемещается от полюсов к экватору, а в верхней тропосфере – от экватора к полюсам.
Таблица 5.1
Шкала Бофорта для глазомерной оценки скорости ветра
| Скорость, м/с | Балл | Название ветра | Характеристика |
| 0–0,5 | штиль | дым поднимается вертикально | |
| 0,6–1,7 | тихий | дым поднимается не вполне вертикально | |
| 1,8–3,3 | легкий | дым поднимается не вполне вертикально | |
| 3,4–5,2 | слабый | колеблются листья и тонкие ветки | |
| 5,3–7,4 | умеренный | колеблются листья и тонкие ветки | |
| 7,5–9,8 | свежий | колеблются большие ветки | |
| 9,9–12,4 | крепкий | слышен в домах | |
| 12,5–15,2 | сильный | колеблются небольшие деревья, и поднимается пенящие волны | |
| 15,3–18,2 | очень сильный | качает большие деревья | |
| 18,3–21,5 | шторм | ломает ветви деревьев | |
| 21,6–25,1 | сильный шторм | ломает деревья | |
| 25,2–29,0 | жесткий шторм | разрушаются не прочные конструкции | |
| более 29 | ураган | вызывает значительные разрушения |
Однако последующие исследования вскрыли более сложную картину распределения атмосферного давления и глобального распределения приземного ветра. Помимо областей высокого давления в районе полюсов Земли и низкого в районе экватора, выделяются две области повышенного давления в районах 30–35° северной и южной широты, и две области низкого давления в районах 60–65° северной и южной широты (рис. 5.2, 5.3).
Ведущий поток – это достаточно сильный, мало искривленный и устойчивый перенос воздуха в средней или верхней тропосфере на уровне 4 – 6 км, направление которого определяет перемещение крупных атмосферных вихрей – циклонов, антициклонов и других барических образований (эти образования будут рассматриваться ниже). Нередко барические образования перемещаются, отклоняясь от ведущего потока, высота которого зависит от распространения вверх этих крупномасштабных вихрей. Барические образования перемещаются со скоростью, пропорциональной скорости ведущего потока и равной 0.5–0.9 этой скорости.
Рис. 5.2. Климатологические центры действия атмосферы
Наиболее мощные и высокие циклоны и антициклоны, развитые до стратосферы, обычно малоподвижны, для них понятие ведущего потока не существует. Они обеспечивают в течение более или менее длительного времени преобладание поля высокого или низкого давления, что отражается на многолетних средних картах давления на уровне моря. Многолетние средние карты атмосферного давления показывают определенное положение областей низкого и высокого давления по месяцам, сезонам и за год. Эти области в тропосфере называются климатологическими центрами действия атмосферы.
Различают сезонные и постоянные центры действия.
Постоянные центры действия атмосферы:
· Экваториальная депрессия (область пониженного давления) – полоса, охватывающая земной шар вблизи экватора. Экваториальная депрессия не совпадает с географическим экватором, смещаясь от него в зависимости от сезона то к северу, то к югу, – в то полушарие, где в данное время лето. В экваториальной депрессии располагается внутритропическая зона конвергенции (сходимости ветров, рис. 5.3).
Рис. 5.3. Схема глобального распределения атмосферного давления и направлений приземного ветра на Земном шаре. «–» давление меньше нормального; «+» давление больше нормального. Ветер направлен от большего давления к меньшему, и поворачивает под влиянием силы Кориолиса в северном полушарии вправо, а в южном – влево (относительно направления меридиана)
По обе стороны от экваториальной депрессии располагаются субтропические зоны повышенного давления, нередко распадающиеся на отдельные области – океанические субтропические антициклоны. В северном полушарии это:
· Азорский максимум (североатлантический антициклон) над субтропическими широтами Атлантического океана;
· Гавайский антициклон (Северо-Тихоокеанский антициклон, Гонолульский максимум) над субтропическими широтами Тихого океана.
Сезонные центры действия атмосферы. Зимой над континентальными районами обнаруживаются антициклоны, которые летом сменяются депрессиями: алеутский зимний минимум в северной части Тихого океана; исландский зимний минимум в северной части Атлантического океана. Эти депрессии очень глубоки и обширны зимой и практически исчезают летом. Некоторые авторы относят их к перманентным (постоянным) центрам. Также выделяют сибирский (азиатский) зимний максимум с центром над Монгольским плато; канадский зимний максимум; азиатский летний минимум (южно-азиатская, cредне-азиатская летняя депрессия) с центром над Афганистаном.
Кроме неравномерного распределения давления на Земном шаре, на глобальное распределение ветров оказывает воздействие сила Кориолиса, известная из курса физики. Французский учёный Кориолис показал в 1838 г, что вследствие вращения Земли, все движущиеся тела отклоняются в северном полушарии вправо, а в южном влево от направления вектора скорости, что представлено на рис. 5.3. К этому вопросу мы вернемся ниже.
В тропосфере широтные составляющих ветра (восточная или западная) преобладают над меридиональными составляющими. При этом составляющая того или другого направления преобладает одновременно в значительных по широте зонах Земного шара.
Так, в тропических широтах северного и южного полушарий (рис. 5.3) расположены пояса пассатов. Это устойчивые воздушные течения умеренной скорости (в среднем 5–8 м/сек у земной поверхности), северо-восточного направления в северном полушарии, и юго-восточного – в южном.
Экваториальный штилевой пояс, расположенный в тропосфере вблизи экватора, характеризуется слабыми ветрами, связанными с зоной конвергенции (т.е. схождения потоков воздуха) устойчивых юго-восточных пассатов южного полушария и северо-восточных пассатов северного полушария (рис. 5.3). При сходящихся воздушных потоках в этом районе неизбежно возникают интенсивные восходящие движения воздуха, чему способствует также сильное прогревание воздуха снизу. Поднимающийся воздух остывает, образуется плотная облачность и частые обильные осадки.
Субтропические широты, близкие к 30–35° над океанами обоих полушарий, с очень слабыми ветрами и частыми штилями, получили название «конские широты». Это название восходит к эпохе парусного флота, когда суда, шедшие в Вест-Индию, встречали здесь безветрие (штиль), вынуждавшее мореплавателей делать длительные остановки, во время которых из-за недостатка пресной воды приходилось выбрасывать за борт взятых для перевозки лошадей. Эти области являются зонами дивергенции (т.е. расхождения) ветров в приземном слое, в их пределах преобладают нисходящие движения воздуха, сопровождающееся его прогреванием. Поэтому в этих зонах характерна небольшая облачность и незначительное количество осадков.
В умеренных широтах, между 50–55о и 30–35о, в северном полушарии расположен пояс юго-западного переноса воздушных масс, в южном – северо-западного. Большая часть территории России располагается в области юго-западного переноса. Преобладание ветров западных румбов особенно четко выражено в умеренной зоне южного полушария. В северном полушарии во многих районах умеренных широт ветер часто меняется по направлению, тем не менее, путем статистической обработки материала наблюдений, здесь обнаруживается преобладание западного переноса. В некоторых районах, например, восток Азии, преобладающие направления ветра в нижней тропосфере ближе к меридиональным, чем к зональным (широтным).
Субполярные пояса циклонов расположены на широтах между 55 и 65°в обоих полушариях (рис. 5.3). Они характеризуется штормовыми ветрами переменных направлений, связанными с прохождением циклонов. Это зона конвергенции (т.е. сходимости ветров), с восходящими движениями воздуха, плотной облачностью и выпадением осадков на больших площадях.
В полярных районах господствуют холодные воздушные массы, устремляющиеся в умеренные широты. В Арктике преобладают северо-восточные, а в Антарктиде – юго-западные ветры.
Помимо относительно постоянных ветров, в тропосфере наблюдаются и сезонные ветры, связанные с неодинаковым прогревом суши и моря, например муссоны. Муссоны – это устойчивые сезонные режимы воздушных течений с резким изменением преобладающего направления ветра от зимы к лету и от лета к зиме. Термин «муссон», происходящий от арабского «маусим» (время года), означает «сезонный ветер».
Во время летнего муссона суша теплее океана, и теплый воздух, поднимаясь над ней, в верхних слоях атмосферы растекается в стороны. В результате на суше вблизи поверхности создается низкое давление, что способствует притоку влажного воздуха с океана, следовательно, ветры дуют с моря на сушу.
Во время зимнего муссона суша холоднее океана, здесь господствует высокое атмосферное давление, вызванное опусканием холодного воздуха, поэтому ветер дует с суши в сторону океана.
Особенно резко выраженные и устойчивые муссоны наблюдаются в тропических широтах, в основном в бассейне Индийского океана. Сильное развитие муссонов в указанной области связано со своеобразием ее географических условий, именно с наличием к северу от Индийского океана огромного материка Азии, а также с распространением Африки на оба полушария.
Воздушные массы.Воздушной массой называется большой объём воздуха, имеющий горизонтальные размеры несколько сотен или тысячи километров и вертикальные размеры – порядка 5 км, характеризующийся примерной однородностью температуры и влажности, и перемещающийся как единая система в одном из течений общей циркуляции атмосферы.
Однородность свойств воздушной массы достигается формированием её над однородной подстилающей поверхностью и в сходных радиационных условиях. Воздушные массы выделяются по термическим характеристикам районов их формирования (полярные, умеренные, тропические и экваториальные). Все типы делятся на подтипы, обладающие своими характерными свойствами (морские и континентальные).
Воздушная масса как единое целое смещается из очага своего формирования в соседние районы, взаимодействует с другими воздушными массами, и начинает изменять свои свойства – они уже будут зависеть не только от свойств очага формирования, но и от свойств соседних воздушных масс, от свойств подстилающей поверхности, над которой проходит воздушная масса. Таким образом, при перемещении из одних областей в другие воздушные массы постепенно трансформируются, рассеиваются и, в конце концов, приобретают однородность с окружающим воздухом.
Фронты. Бóльшую часть времени своего существования воздушные массы разделены более или менее четко выраженными переходными зонами, где резко изменяются температура, влажность и скорость ветра. Переходные зоны между движущимися воздушными массами называются фронтами.
Зона фронта имеет относительно небольшую ширину и толщину в сравнении с размерами разделяемых им воздушных масс, её можно представить как поверхность раздела между воздушными массами. Фронты в атмосфере не существуют постоянно, они возникают, обостряются, размываются, исчезают. Но условия для их образования всегда существуют в тех или иных частях атмосферы, и потому фронты являются постоянной особенностью атмосферы.
При пересечении фронта направление ветра обычно резко меняется. Самая плохая погода с осадками, порывами ветра устанавливается вдоль линии фронта.
Если в приземном слое холодный воздух отступает, а теплый надвигается, образуется теплый фронт (рис. 5.4, а). Обычно перед приближающимся теплым фронтом в широкой полосе небо закрыто сплошной облачностью, идут дожди или падает снег, а температура постепенно повышается. Когда фронт проходит, дождь прекращается, а температура остается высокой.
Если холодный воздух надвигается, а теплый отступает, то переходная зона называется холодным фронтом (рис. 5.4, б). В узкой полосе вдоль холодного фронта наблюдается ветреная погода, выпадают осадки, увеличивается неустойчивость атмосферы и часто образуются опасные конвективные явления – ливни, грозы, град.
Существует еще один тип атмосферного фронта – фронт окклюзии. Такой фронт может существовать до 48 часов. В его формировании принимают участие три воздушных массы. Холодный фронт, перемещаясь быстрее теплого, догоняет его. Теплый воздух, оказавшийся в пространстве между двумя фронтами, вытесняется вверх, а холодные воздушные массы двух фронтов соединяются. Теплая воздушная масса отрывается от земной поверхности и больше не оказывает влияния на погоду. Вдоль линии фронта, который теперь называется фронтом окклюзии, возможен небольшой дождь (рис. 5.4, в).
 
| ||
| ||
|
Рис. 5.4. Типы атмосферных фронтов
Расположение климатологических фронтов тесно связано с расположением центров действия атмосферы. Они разделяют смежные области Земли с преобладанием различных воздушных масс рис. 5.5. Выделяют несколько арктических и антарктических фронтов (между 60° и 80° с. ш. и ю. ш.), ряд полярных (между 40° и 60°с. ш. и ю. ш.), пассатные фронты (между разными по своим свойствам массами тропического воздуха в пределах одного полушария); к фронтам относится также внутритропическая зона конвергенции в её среднем положении. Обычно фронты перемещаются: летом в Северном полушарии – к северу; летом в Южном полушарии – к югу.
Существует четыре типа климатологических фронтов (рис. 5.5).
Арктический фронт – пограничная зона между арктическими воздушными массами и воздушными массами умеренных широт. Представляет поверхность раздела, наклоненную в сторону арктического воздуха. В атмосфере различается несколько арктических фронтов чаще всего к северу от Европы и на севере Северной Америки, широты порядка 60–70°. На арктическом фронте наблюдается образование циклонов (об этом – ниже).
Полярный фронт – атмосферный фронт, разделяющий воздух умеренных широт (полярный воздух) и тропический воздух. Полярный фронт испытывает значительные сезонные перемещения и деформируется циклонами.
а)
б)
Рис. 5.5. Типы атмосферных фронтов. Климатологические фронты по С.П. Хромову [84] в январе (а) и в июле (б). 1 – арктический, 2 – полярный, 3 – пассатный, 4 – тропический (внутритропическая зона конвергенции)
Пассатный фронт– разделяет две разные массы тропического воздуха, одна из которых – трансформированный умеренный воздух, является продолжением полярного фронта.
Тропический фронт образуется там, где встречаются тропический и экваториальный воздух, отличающиеся по влажности (а не по температуре).
На стабильной границе между полярными и тропическими воздушными массами формируется стационарный фронт.
Дата добавления: 2015-09-07; просмотров: 4842;