4 страница. Распределение радиационного баланса имеет сезонные изменения
Рис. 2.2. Радиационный баланс подстилающей поверхности за год (мДж/м2) |
I. Кпиматообразование 127 |
Распределение радиационного баланса имеет сезонные изменения. В зимние месяцы радиационный баланс имеет отрицательные значения, начиная с широты 40° обоих полушарий. Летом на всем северном полушарии устанавливается положительный радиационный баланс, в южном полушарии, начиная с побережья Антарктиды, имеют место отрицательные значения баланса с минимумом в центральных районах материка, где, несмотря на большой приток солнечной радиации, имеют место большие потери лучистой энергии в результате большого альбедо снежного покрова и интенсивного эффективного излучения при большой сухости воздуха и безоблачной погоде. В летнем полушарии увеличивается разность радиационного баланса между океанами и сушей.
Усвоенная подстилающей поверхностью солнечная радиация при положительном радиационном балансе преобразуется в тепло, которое расходуется на испарение воды, таяние льда и снега, нагрев подстилающей поверхности, а от нее - прилегающих к ней слоев воздуха (см. гл. I). Количество испарившейся воды за единицу времени зависит от ресурсов воды, скорости ветра, шероховатости подстилающей поверхности, от вертикальной стратификации температуры и влажности приземного слоя воздуха.
Затраты тепла на испарение распределяются на поверхности земного шара весьма неравномерно (рис. 2.3). На океанах испарение больше, чем на суше, затраты тепла на испарение с поверхности океанов зависят от количества солнечной энергии и характера океанических течений. Теплые течения способствуют увеличению расхода тепла на испарение, холодные - уменьшению. Наибольшие значения затрат тепла на испарения приходятся на субтропические районы океанов (до 5000 мДж/м2 в год), несколько меньшие - в экваториальной зоне океанов (3000-4000 мДж/м2 в год), что связано с уменьшением притока солнечной радиации под влиянием облачности и высокой влажностью воздуха, препятствующей испарению.
Во внетропических широтах испарение уменьшается от низких широт к высоким, что связано с понижением температуры. В южном полушарии в пределах океанов изолинии затрат тепла на испарение близки к направлениям широтных кругов.
| |||
На материках затраты тепла на испарение определяются не только количеством солнечной энергии, но и запасами влаги. Наибольший годовой расход тепла на испарение на суше наблюдается во влажных тропических лесах (2000-2500 мДж/м2 в год). Сюда относятся тропические леса бассейна р. Амазонки, Экваториальной Африки, Больших островов Тихого океана.
Наименьшие значения затрат тепла на испарение приходятся на субтропические пустыни (600 МДж/м2 год), пустыни Сахара в Северной Африке, Намиб в Южной Африке, Атакама в Южной Америке (500 мДж/м2 год), что обусловлено отсутствием ресурсов влаги.
Во внетропических широтах затраты тепла на испарение уменьшаются к высоким широтам.
Наибольшие значения отдачи тепла земной поверхностью атмосфере наблюдаются в субтропических пустынях до (2500 мДж/м2 в год) - это пустыня Сахара в Северной Африке, пустыни Австралии и др. (рис. 2.4), где при большом приходе солнечной радиации ничтожно малы затраты тепла на испарение из-за дефицита влаги. При LnEn = 0 уравнение теплового баланса приобретает вид В = Р, т.е. вся энергия радиационного баланса затрачивается на нагрев воздуха.
Во влажных тропических лесах, например в бассейне р. Амазонки, Экваториальной Африке, в Юго-Восточной Азии и др., в связи с большими затратами энергии на испарение влаги растительностью затраты тепла на нагревание воздуха снижаются до 1000-500 мДж/м2 в год, поэтому там более низкие температуры воздуха по сравнению с пустынями, хотя и находятся они ближе к экватору.
В экваториальных и тропических водах океанов велики затраты тепла на испарение и, как результат, - небольшие затраты тепла на нагрев воздуха (от 200 до 500 мДж/м2 в год).
Снижение затрат тепла на нагрев воздуха в умеренных и высоких широтах до 200 мДж/м2 и менее связан с уменьшением притока солнечной радиации и уменьшением радиационного баланса.
| |||
В период снеготаяния и таяния льдов в результате затрат тепла на переход воды из твердой фазы в жидкую поддерживаются сравнительно низ кие температуры воздуха, а также задерживается рост температуры весной до исчезновения снега.
3. ПОДСТИЛАЮЩАЯ ПОВЕРХНОСТЬ КАК КЛИМАТООБРАЗУЩИЙ ФАКТОР
Большое влияние на формирование климата оказывает подстилающая поверхность, так как от ее свойств зависят физические свойства находящихся над ней воздушных масс. Важнейшее значение имеют поверхность континентов и мирового океана, занимающего около 71 % поверхности Земли. Однако воды океанов неоднородны: различные глубины, цвет и прозрачность воды, теплые и холодные течения. Еще большие разнообразия свойств подстилающей поверхности наблюдаются на суше: оголенные, покрытые растительностью, сухие и увлажненные почвы, наличие снежного и ледяного покрова, равнины и горный рельеф.
При всем многообразии видов подстилающей поверхности на земном шаре вода и суша оказывают наиболее выраженные различные влияния на климат. Причина этого находится в различных теплофизических свойствах воды и суши, рассмотренных выше (см. п. 1.4). Прежде всего это относится к таким свойствам, как теплоемкость и теплопроводность, определяющим термический режим подстилающей поверхности и всего деятельного слоя.
Важным климатообразующим свойством водной поверхности является иная по сравнению с сушей отражательная способность. Альбедо водной поверхности может изменяться в широких пределах, в зависимости от высоты Солнца; резко уменьшается с уменьшением высоты Солнца. В среднем при одинаковых условиях суточного хода высоты Солнца, альбедо водной поверхности в зависимости от широты на 10-20 % меньше, чем альбедо суши при отсутствии снежного покрова.
С учетом указанных свойств воды Мирового океана при одинаковых условиях поступления солнечной радиации способны поглощать лучистой энергии больше, чем суша. При этом почти вся поглощенная лучистая энергия Солнца расходуется на нагревание водной массы, и лишь ее незначительная часть (доли процента) расходуется на нагревание воздуха. Поэтому мировой океан при большой водной массе и большой теплоемкости является основным приемником и накопителем солнечной энергии на Земле. Он аккумулирует до 90 % всей солнечной энергии, поступающей на нашу планету.
Различия в соотношении компонентов радиационного и теплового, балансов суши и океанов оказывают влияние на формирование воздушных масс с определенными погодными условиями, с определенными метеорологическими величинами и явлениями.
Поскольку в силу большой тепловой инерции суточный ход температуры поверхности океанических вод не превышает 0,1—0,2 С°, то соответственно невелика и суточная амплитуда температуры слоя воздуха над водной поверхностью. При этом суточный ход температуры воздуха определяется не столько теплообменом с поверхностью воды, суточный ход которой слабо выражен, сколько непосредственным нагреванием слоя воздуха потоком солнечной радиации, что и определяет время наступления минимальной и максимальной температур воздуха в суточном ходе.
Над сушей суточный ход температуры приземного слоя воздуха в основном определяется теплообменом с подстилающей поверхностью, имеющей в низких и умеренных широтах четко выраженный суточных ход с амплитудой в летние месяцы до десятков градусов.
Аналогичным образом обстоит дело и с годовым ходом температуры воздуха над водной поверхностью океанов и над сушей.
Суша и океан оказывают различное влияние на режим влажности воздушных масс. Над океанами воздушные массы в основном увлажняются, а над сушей - теряют влагу. Термические различия суши и океана ведут к образованию воздушных циркуляций типа бризов и муссонов.
Влияние суши и океанов сказывается на распределении атмосферного давления. Давления над сушей и океаном имеют противоположный годовой ход. Так, летом над прогретым континентом устанавливается пониженное давление, а над более холодной океанической поверхностью - повышенное, зимой соответственно распределению температуры между сушей и водой будет иметь место обратное распределение давления.
Так как водная поверхность имеет меньшую шероховатость по сравнению с сушей, то соответственно над водными просторами наблюдаются и большие скорости ветра.
Таким образом, в результате различных климатообразующих свойств воды и суши формируются континентальный и морской (океанический) климаты с определенными свойствами. Континентальный климат наблюдается в районах материков, где преобладают воздушные массы континентального происхождения. К морскому относится климат океанов и больших внутренних морей, а также частей материков, которые находятся под преобладающим влияниям воздушных масс морского происхождения. Сюда относятся западные части материков в умеренных широтах, где под воздействием преобладающих потоков воздуха с запада на восток воздушные массы с океана перемещаются в глубь материка. По мере удаления от побережья воздушная масса теряет свойства морского воздуха и в результате трансформации приобретает свойства континентального воздуха.
Основные различия между морским и континентальным климатами сводятся к следующему.
Для морского климата характерны прохладная весна и теплая осень, для континентального - теплая весна и более прохладная осень. Суточная и годовая амплитуды температуры воздуха в морском климате меньше, чем в континентальном. В суточном ходе на суше минимальная температура воздуха наблюдается перед восходом Солнца, на море - после восхода, максимальная температура на суше - в 14-15 ч, на море - в 12 ч 30 мин. В годовом ходе на суше минимальная температура - в январе, максимальная - в июле, на море: минимальная - в феврале-марте, максимальная - в августе.
В условиях морского климата больше относительная влажность воздуха и облачность, больше осадков, летом часто наблюдаются адвективные туманы над морем, образующиеся при движении воздуха с теплой суши на более холодное море. На суше преобладают радиационные туманы в ночное время.
Для оценки континентальности климата используется индекс континентальности, в котором учитываются годовая амплитуда температуры воздуха А и географическая широта (р. Для примера представлены формулы: по Хромову:
rr _^-5,4sin(p А ’
по Конраду:
к . UA
к sin((p +10)
На режим метеорологических элементов в приземном слое воздуха над сушей, особенно в теплую половину года, оказывает влияние растительность: усложняет тепло- и вла- гообмен в приземном слое. Значительная часть солнечной радиации поглощается растениями, и к почве проникает лишь небольшая ее часть. Велико испарение травянистой растительностью при достаточной влажности почвы, что приводит к повышенной влажности воздуха среди растений.
Большое влияние на климат оказывают снежный и ледовый покровы, при этом они сами является продуктом климата. Снежный покров, обладая низкой теплопроводностью, существенно влияет на суточный и годовой ход температуры почвы, резко уменьшая ее колебания и предохраняя почву от глубокого промерзания.
Снежный покров, обладая большой отражательной способностью солнечных лучей и излучая длинноволновую радиацию как абсолютно черное тело, способствует охлаждению воздуха и образованию температурных инверсий. При адвекции воздуха с положительной температурой на снежный покров весной часто образуются температурные инверсии (снежные или весенние инверсии). В весеннее время таяние снега требует больших затрат тепла, что задерживает нагревание почвы, воздуха и наступление весны.
Ледяной покров, подобно снежному, имеет большое альбедо. Поглощенное льдом тепло расходуется нашего плавление, вследствие чего температура на поверхности льда не может быть выше точки плавления. В летний период ледяной покров сильно понижает температуру воздуха.
Лед, по сравнению со снегом, имеет более высокую теплопроводность, поэтому водоемы, покрытые льдом, могут повышать температуру воздуха.
Особенно большое влияние на климат оказывают ледники, занимающие огромные площади, например, ледники Гренландии и Антарктиды.
Продуктом климата являются многолетнемерзлые грунты, которые также оказывают влияние на климат.
Зимой, когда температура почвы становится отрицательной, содержащаяся в почве вода замерзает, и почва становится твердой. Глубина промерзания зависит от климатических условий, от теплопроводности почвы, ее влажности, от характера растительного покрова, высоты снежного покрова.
Слой почвы, промерзший зимой, весной оттаивает. В высоких и умеренных широтах встречаются области, где слои почвы остаются мерзлыми в течение многих лет, т.е не оттаивают летом.
Многолетнемерзлые грунты занимают огромные пространства. Только в России их площадь составляет более 3 000 000 км2. Толщина этих слоев от 1-2 до сотен метров (в Якутии).
4. ЦИРКУЛЯЦИЯ АТМОСФЕРЫ
Общая циркуляция атмосферы. Общей циркуляцией атмосферы называют систему крупномасштабных воздушных течений, по размерам соизмеримых с большими частями материков и океанов. Общая циркуляция атмосферы является важным климатообразующим фактором: только она обеспечивает обмен воздушными массами между низкими и высокими широтами, между континентами и океанами, перенос влаги с океанов на материки.
Главная причина возникновения воздушных течений - неравномерное распределение атмосферного давления, которое, в свою очередь, обусловлено неравномерным распределением по поверхности Земли тепла, получаемого от Солнца. При этом большое значение имеет распределение суши и океанов.
Воздушные течения, преобладающие в различных частях земного шара, не являются изолированными, а входят в систему общей циркуляции атмосферы. В реальных условиях распределение свойств подстилающей поверхности и связанное с этим неравномерное распределение атмосферного давления на земном шаре и воздушных потоков, образующих общую циркуляции атмосферы, представляют сложную картину. Для понимания сущности этого явления уместно сначала ограничиться рассмотрением однородной подстилающей поверхности всего земного шара. При таком допущении температура воздуха и связанное с ней давление будут изменяться только в меридиа- нальном направлении, а вдоль параллелей будут одинаковы, т.е. иметь поясной (зональный) характер, при котором области высокого и низкого давления в каждом полушарии чередуются. Такая упрощенная схема представлена на рис. 2.5.
На полюсах обоих полушарий располагаются области высокого давления, на широте 65° с. и ю. ш. - субполярные пояса низкого давления; на широте 35° - субтропические пояса высокого давления, на экваторе - пояс низкого давления (экваториальная депрессия). При этом градиенты давления имеют строго меридиональное направление от областей высокого давления в сторону низкого давления.
Соответственно поясному распределению давления, под действием градиентной силы, силы Кориолиса, а в слое трения также силы трения воздуха о подстилающую поверхность, возникает система воздушных течений, опоя
сывающих земной шар. При этом следует иметь в виду, что под влиянием силы Кориолиса ветер отклоняется относительно градиента давления на угол а (в северном полушарии - вправо, а в южном полушарии - влево). В результате образуется поясное распределение ветров. В слое трения в северном полушарии от полюса до 65° с. ш. ветры имеют северо-восточное направление, а в южном полушарии в соответствующем поясе - юго-восточное; в поясе от 65 до 35° северного полушария имеют место юго-западные ветры, а в южном полушарии аналогичного пояса - северо- западные; в северном полушарии от 35° до экватора - ветры северо-восточного направления, а в южном полушарии - юго-восточные.
Эти ветры в тропической зоне, сходящиеся на экваторе, называются пассатами.
Выше слоя трения в нижней и средней тропосфере направление ветров приближается к геострофическому, т.е. становится квазигеострофическим, имеющим направление, близкое к направлению изобар (в данной случае - параллелей). Отсюда зональность воздушных потоков на этих высотах.
В северном и южном полушариях от полюсов до 65° преобладают ветры с востока на запад (зона восточного переноса); в поясе 65-35° обоих полушарий ветры имеют направление с запада на восток (зона западного переноса); в тропическом поясе образуется зона восточного переноса (рис. 2.6, а).
В верхней тропосфере выше 4—5 км и нижней стратосфере до 12-14 км (указанные высоты относятся к умеренным широтам) согласно распределению температуры в этом слое воздуха градиенты давления имеют меридиа- нальное направление от низких широт к полюсам. Соответственно образуется планетарный циклонический вихрь с западным переносом, охватывающий оба полушария, за исключением сравнительно узкой полосы вблизи экватора с преобладающим восточным переносом (рис. 2.6, б). Этот восточный перенос связан с разностью давления между субтропическими поясами высокого давления и низким экваториальным давлением, влияние которых распространяется до рассматриваемых высот. При этом субтропические пояса высокого давления на указанных высотах смещаются в сторону экватора.
Рис. 2.6. Схема зонального распределения давления и переноса воздуха: |
а - выше слоя трения; б - в верхней тропосфере и нижней стратосфере; в - выше 20 км северным летом. Справа от кайсдого рисунка стрелками показано направление барических градиентов в меридиональном направлении
В связи с сезонными Изменениями температуры в стратосфере на высотах более 20 км меняется и направление градиента давления между полюсами на обратное. Градиент давления имеет направление от полюса летнего полушария к полюсу зимнего полушария. Соответственно этому над летним полушарием устанавливается полярный антициклон с восточным переносом, охватывающий все летнее полушарие. В зимнем полушарии образуется полярный циклон с охватом всего зимнего полушария с западным переносом. Это явление называется стратосферным обращением ветра (рис. 2.6, в) и оказывает влияние на сезонное распределение давления над полушариями. Средняя величина давления над каждым полушарием понижается от зимнего полугодия к летнему, происходит сезонный обмен воздуха между полушариями. За год из северного полушария в южное и обратно переносится 1013 т воздуха, что составляет 1/500 всей массы атмосферы.
В действительности рассмотренная упрощенная схема зональных воздушных течений усложняется неравномерностью свойств подстилающей поверхности планеты Земля, влиянием суши, вод океанов и морей. Особенно сильно эти влияния сказываются в приземном слое атмосферы.
Циклоны и антициклоны существенно нарушают зональность общей циркуляции, создавая движения воздуха, направленные в северном полушарии в циклоне против часовой стрелки, в антициклоне - по часовой стрелке. На западной периферии циклонов и на восточной периферии антициклонов развиваются холодные воздушные течения, направленные из высоких широт в низкие, а на восточной периферии циклонов и на западе антициклонов - теплые течения, направленные из низких широт в высокие. Так осуществляется обмен воздушными массами в меридиа- нальном направлении. В циклонах образуются фронты, по поверхности которых теплый воздух поднимается, а холодный, подтекая под теплый, опускается. Так осуществляется обмен теплым и холодным воздухом по вертикали.
В реальности широтные зоны давления сохраняются, но они образованы не в виде сплошных поясов, охватывающих земной шар, а представлены в виде отдельных больших циклонов (минимумы давления) и антициклонов (максимумы давления), называемых центрами действия атмосферы. Эти области низкого и высокого давления обнаруживаются статистически при сопоставлении ежедневных синоптических карт за многолетний период.
Различают постоянные (перманентные) центры действия атмосферы и временные (сезонные). На рис. 2.7 и 2.8 представлены карты распределения атмосферного давлении в январе и июле, на которых центры действия атмосферы очерчены замкнутыми изобарами.
Из рассмотрения карт можно установить, что в экваториальной зоне находится пояс пониженного давления (экваториальная депрессия), который располагается не на географическом экваторе, а несколько смещен в сторону летнего полушария, соответственно смещению полосы наибольшего нагревания (термического экватора). К северу и к Югу от экваториальной зоны, на широтах 30-35°, располагаются субтропические пояса высокого давления, образуемые в северном полушарии: в Атлантическом океане - азорским максимумом (в районе Азорских островов), в Тихом океане - гавайским максимумом (в районе Гавайских островов). Северные их части заходят в умеренную зону. Так, отрог азорского антициклона летом распространяется далеко на восток, достигая юга европейской части России.
В южном полушарии, на широтах 30-35°, субтропический пояс высокого давления образуется южнотихоокеанским, южно-индийским и южно-атлантическим максимумами. Из сопоставления карт за январь и июль видно, что антициклоны, расположенные над океанами, усиливаются летом и несколько ослабляются зимой
Во внетропических широтах на материках, которые зимой охлаждаются сильнее, чем океаны, образуются области высокого давления.
Особенно высокое давление в январе отмечается в Азии с центром над Монголией (азиатский или сибирский антициклон). Его влияние в виде отрогов распространяется далеко на север Сибири и на запад, иногда за Урал. Известен также канадский зимний антициклон. Летом из-за сильного прогревания материков там образуются области пониженного давления.
| |||
На широтах 60-65° обоих полушарий находятся субполярные пояса пониженного давления. В северном полушарии этот пояс представлен исландским минимумом на севере Атлантического океана (в районе Исландии) и алеутским минимумом на севере Тихого океана (в районе Алеутских островов). Оба циклона сильно проявляются зимой. В это время влияние исландского циклона распространяется далеко на восток - до северных районов Сибири. Летом исландский циклон ослабевает, а алеутский на июльской карте даже не обнаруживается.
В южном полушарии субполярный пояс низкого давления состоит из циклонов, окаймляющих побережье Антарктиды.
В районах северного и южного полюсов располагаются области повышенного давления. Особенно мощный антициклон образуется во внутренней Антарктиде.
В соответствии с распределением атмосферного давления у земной поверхности возникает система воздушных течений. При определении направлений этих течений следует иметь в виду, что при поясном распределен™ давления горизонтальные градиенты и давления имеют меридиа- нальное направление, а под действием силы Кориолиса в северном полушарии ветер отклоняется вправо, в южном полушарии - влево от градиента давления.
Распределение ветров на земной поверхности показано на рис. 2.7 и 2.8. В полярных районах градиенты давления направлены от полюсов к субполярным поясам низкого давления. Образующиеся при этом воздушные потоки имеют направление с востока на запад.
В умеренных широтах обоих полушарий циркуляция воздуха происходит под влиянием субтропических поясов высокого давления и субполярных ноясов низкого давления. При этом воздушные потоки получают направление с запада на восток (зона западного переноса воздуха), а у земной поверхности (под влиянием силы трения), в северном полушарии - юго-западное, в южном - северо- западное. В этой зоне постоянно возникают крупномасштабные атмосферные возмущения - циклоны и антициклоны. Обычно они перемещаются в направлении общего переноса и способствуют интенсивному межширотному обмену воздушных масс.
Особенно сильными ветрами с большой повторяемостью отличается зона западного переноса южного полушария. Часто эти ветры достигают сильного шторма (отсюда название «ревущие сороковые»). Причина таких ветров - большие градиенты температуры и давления между океаном и Антарктидой и небольшая сила трения на поверхности океана.
В тропических широтах на экваториальной периферии субтропических антициклонов образуются пассаты. Это постоянные в течение года ветры со скоростью 5-6 м/с, имеющие северо-восточное направление в северном полушарии, и юго-восточное - в южном. Наиболее четко пассаты выражены в Атлантическом и Тихом океанах. Над восточными побережьями материков зона пассатов прерывается. В области пассатов господствует ясная сухая погода.
В полосе экватора* являющейся зоной сходимости (конвергенции) пассатов, находится пояс пониженного давления (экваториальная депрессия). Здесь наблюдаются слабые ветры переменных направлений или даже отсутствие ветра - штиль. Эта зона характеризуется мощной конвективной облачностью, обильными осадками и частыми грозами,
В некоторых районах Земли создаются условия для образования муссонов (от арабского «маусим» - время года) - устойчивые воздушные течения, дважды в год меняющие свое направление на противоположное или близкое к противоположному (летний и зимний муссоны). Различают тропические и внетропические муссоны.
Тропические муссоны возникают в результате сезонного смещения экваториальной депрессии и субтропических поясов высокого давления в более высокие широты летнего полушария и, следовательно, проникновения пассатов из зимнего полушария в летнее. Смещение же поясов давлений происходит из-за того, что летнее полушарие в целом сильнее прогревается солнечными лучами, чем зимнее.
Тропические муссоны хорошо выражены в Южной ц Юго-Восточной Азии. В зимнее время из-за охлаждения на материке Азии создается область высокого давления, над Индийским же океаном располагается область относительно пониженного давления. Эго вызывает поток воздуха с азиатского материка в виде континентального муссона, имеющего северо-восточное направление. Этот воздух зимой проникает далеко на юг и заходит в южное полушарие. Таким образом, зимний северо-восточный муссон в Южной Азии представляет собой северо-восточный пассат. Летом же над Азией устанавливается пониженное давление и туда проникает юго-западный океанический муссон, являющийся продолжением пассата южного полушария, вовлеченного в сферу низкого давления над Южной Азией.
На возникновение и развитие муссонов оказывает влияние не только взаимодействие материков и океанов, но и процессы общей циркуляции атмосферы.
Тропические муссоны создают особый тип погоды. При летнем муссоне, дующем с океана, устанавливается пасмурная, с большим количеством осадков погода, при зимнем муссоне - ясная сухая.
Дата добавления: 2015-12-22; просмотров: 56519;