Закономерности внетропической циркуляции.
5.12. Внетропическая циркуляция. Внетропические циклоны и антициклоны.
Во внетропических широтах преобладает западный перенос воздуха, особенно хорошо выраженный в верхней тропосфере. Однако воздушные течения меняются в этих широтах часто и быстро в связи с циклонической деятельностью и преобладающий западный перенос представляет собой только статистический результат совокупного действия возникающих атмосферных возмущений.
Основной особенностью атмосферной циркуляции во внетропической и особенно в средних широтах является интенсивная циклоническая деятельность. Циклонической деятельностью называют постоянное возникновение, развитие и перемещение в атмосфере внетропических широт крупномасштабных атмосферных возмущений с пониженным и повышенным давлением - циклонов и антициклонов.
Все воздушные течения крупного масштаба связаны во внетропических широтах с этими атмосферными возмущениями.
Преобладающий западный воздушный перенос воздуха, о котором говорилось выше, во внетропической зоне является скорее результатом совокупного действия возникающих атмосферных возмущений. Это связано с теми, что под влиянием циклонической деятельности направление воздушных течений в этих широтах часто и быстро меняют свои направления.
В течение года во внетропической зоне каждого полушария возникают многие сотни циклонов. Размеры внетропических циклонов весьма значительны, хорошо развитый циклон имеет в поперечнике 2-3 тыс. км. Вертикальная мощность циклона меняется по мере его развития. В первое время циклон заметно выражен лишь в нижней части тропосферы. Распределение температуры в нем асимметрично относительно центра: в передней части циклона, с притоком воздуха из низких широт, температуры повышены, в тыловой части, с притоком воздуха из высоких широт, напротив понижены. При последующем развитии циклон становится высоким, при этом температура воздуха в нем понижается, а температурный контраст между передней и тыловой частью сглаживается.
Давление в центре циклона (глубина циклона) в начале его развития немного отличается от среднего и составляет 1000-1010 мб. Многие циклоны и не углубляются более, чем до 1000-990 мб, однако наиболее глубоких циклонах давление падает до 960-950 мб. Вместе с углублением циклона растут и скорости ветра в нем. Ветры в глубоких циклонах сильные и иногда достигают штормовых скоростей. Особенно часто это бывает в циклонах южного полушария.
Жизнь циклона продолжается несколько суток, в первой половине своего существования циклон углубляется, во второй - заполняется и затем исчезает вовсе. В некоторых случаях существование циклона оказывается более длительным, особенно когда он объединяется с другими, образуя одну общую и малоподвижную область - центральный циклон. Центральные циклоны чаще всего образуются в северных частях Атлантического и Тихого океанов, в районах исландской и алеутской депрессией.
Циклоны всегда перемещаются: под перемещением циклона подразумевают перемещение циклона как единой системы, независимо от направления дующих в нем ветров. Как правило, циклоны перемещаются в направлении общего переноса воздуха в средней и верхней тропосфере (в направлении ведущего потока). Такой общий перенос воздуха чаще всего происходит с запада на восток, поэтому и циклоны чаще перемещаются с запада на восток. Но бывает и так, что высокие циклоны и антициклоны, простирающиеся на всю толщу тропосферы, отклоняются от зонального направления и перемещаются с большей составляющей к югу или северу. В редких случаях направление ведущего потока бывает даже восточным и тогда циклон перемещается анормально, с востока на запад. Скорость перемещения циклона на 20-30 меньше скорости ведущего потока и составляет 30-40 км/час, достигая в отдельных случаях величин 80 км/час. В поздней стадии жизни циклона скорость его перемещения резко уменьшается.
Перемещение циклона приводит к изменениям погоды. При прохождении циклона усиливается ветер, меняется его направление. Если циклон проходит через данное место своей южной частью, ветер меняется с южного на юго-западный. Если циклон проходит своей северной частью, ветер меняется с юго-восточного на восточный, северо-восточный и северный. Таким образом, в передней (восточной) части циклона наблюдаются ветры с южной составляющей, в тыловой (западной) части- с северной составляющей. С этим связаны изменения температуры при прохождении циклона. Циклонические области характеризуются увеличенной облачностью и осадками. В передней части циклона осадки обложные, восходящего скольжения, выпадающие из облаков теплого фронта. В тыловой части осадки ливневые, из кучево-дождевых облаков, свойственных холодному фронту. В южной части циклона иногда наблюдаются моросящие осадки теплой воздушной массы.
Приближение циклона можно заметить по падению давления и по первым облакам, появляющимся на западном горизонте. Это фронтальные перистые облака, движущиеся параллельными полосами. За ними идут перисто-слоистые, затем более плотные высокослоистые и слоисто-дождевые. Потом, в тылу циклона, давление растет и облачность принимает быстро меняющийся характер: кучевые и кучево-дождевые облака часто сменяются прояснениями.
Между циклонами возникают и развиваются подвижные антициклоны. Их размеры и скорости движения примерно такие же, как и у циклонов, но в поздней стадии развития антициклоны часто принимают малоподвижное состояние. Направление движения определяется направлением ведущего потока, но в перемещении антициклонов преобладает составляющая к низким широтам. Поэтому происходит накопление антициклонов в субтропических и тропических широтах (субтропическая зона высокого давления). Зимой также происходит преимущественное развитие, накопление и усиление антициклонов над охлажденными материками умеренных широт, особенно над Азией.
В антициклонах существует общая тенденция к нисходящему движению воздуха и по мере развития антициклона мощные слои воздуха в нем медленно оседают, что приводит к их динамическому нагреванию и возникновению инверсии температуры. В связи с этим воздух удаляется от насыщения и погода в антициклонах преобладает малооблачная и сухая. Только в нижних слоях в холодное время суток и года возможно образование туманов и низких слоистых облаков, связанных с охлаждением от земной поверхности. Возможно также образование волнистых облаков в более высоких слоях, под инверсией. Но мощных облачных толщ с выпадением обложных осадков в антициклонах не бывает. С течением времени температура воздуха в антициклоне становится выше, исключением являются нижние слои антициклона зимой над сушей. При ясной погоде в антициклоне земная поверхность будет сильно выхолаживаться излучением, и от нее сильно будут сильно выхолаживаться и прилегающие слои воздуха. Барические градиенты и ветры во внутренних частях антициклонов слабы, у земной поверхности нередки штили, но на периферии антициклона ветры могут быть достаточно сильными.
Внетропические муссоны. Над материками внетропических широт зимний режим повышенного давления сменяется летним режимом пониженного давления. Это приводит к тому, что в некоторых районах преобладающие барические градиенты резко меняют свое направление от зимы к лету. Это приводит к сходным изменениям в режиме ветра. В одном сезоне преобладают ветры одного направления, в противоположном сезоне преобладающее направление ветра сменится на противоположное или близкое к противоположному. Такой режим ветра называется внетропическим муссонами. Муссонный режим ветра во внетропических широтах, как и тропические муссоны, охватывают значительную толщу тропосферы. Выше господствует западный перенос. Внетропические муссоны особенно хорошо выражены на восточном побережье Тихого океана. Зимой над Восточной Азией держаться устойчивые антициклоны, над морем возникают серии циклонов. Воздушные течения над восточной окраиной Азии имеют в это время преимущественно направление с севера или северо-запада. Это зимний муссон. В ряде районов он создает вынос воздуха через береговую линию с суши на море. Летом над Азией преобладает пониженное давление, а над прилегающими морями давление повышено. Устанавливается преобладание южных и юго-восточных ветров - летний муссон. Если зимний муссон имеет составляющую с суши на море, он связан с холодной и сухой погодой. Если летний муссон направлен с моря на сушу (что тоже строго не обязательно), он связан с понижением температуры и значительными осадками в муссонном районе.
Следует помнить, что и в случае с внетропическими муссонами речь идет о преобладающем направлении ветров, что не исключает наличие барических систем, определяющих возникновение ветров других направлений.
Пассаты и муссоны. Отметить на карте линии тока муссонной и пассатной циркуляции. Описать механизм образования индийских (тропических) м5.10.Основные типы ветров.
Пассаты - это устойчивые восточные ветры умеренной скорости (в среднем 5-8 м/с у земной поверхности), дующие в каждом полушарии на обращенной к экватору стороне субтропической зоны высокого давления. Но субтропические зоны в обоих полушариях распадаются на отдельные антициклоны, поэтому пассаты - это ветры в обращенных к экватору частях субтропических антициклонов. Над уровнем трения пассаты должны иметь восточное направление, однако на востоке каждого антициклона к восточной составляющей присоединяется еще направление к экватору, а на западе - антициклональная составляющая, направленная от экватора. В слоях, где действует трение, ветер отклоняется от изобар на некоторый угол в сторону низкого давления. И в северном полушарии вместо восточных ветров дуют северо-восточные, а в южном - юго-восточные . При этом следует также помнить, что антициклоны постоянно перемещаются и при их перемещении с запада на восток происходит некоторая смена направления пассат- сначала он имеет северо-восточное направление, потом восточное, юго-восточное и вновь северо-восточное.
Зоне действия пассат свойственны очень характерные погодные условия. Двигаясь к экватору, на более теплую поверхность, пассатное течение в нижних слоях тропосферы приобретает неустойчивую стратификацию, когда устанавливаются очень большие вертикальные градиенты температуры. Возникает оживленная конвекция со скоростями восходящих потоков порядка 2.5-4 м/с и образование кучевых облаков. Но конвективные потоки не достигают больших высот. Уже на высотах порядка 1200-2000 м в области пассатов располагается задерживающий слой с инверсией температур. Эти значительные по мощности инверсии связаны с оседанием воздуха в антициклонах и отличаются устойчивостью и продолжительностью. Облака не получают большого вертикального развития, не достигают уровня оледенения, который в тропиках лежит выше 5 км. Поэтому из облаков или вовсе не выпадает осадков, или выпадают незначительные кратковременные мелкокапельные дожди из слоисто-кучевых облаков.
Пассаты обоих полушарий разделены переходной зоной с неравномерными, часто слабыми, но иногда и довольно сильными ветрами. В этой зоне наблюдается сходимость воздушных течений, поэтому она получила название внутритропической зоны конвергенции. Вследствие сходимости ветра конвекция здесь усилена и развивается до больших высот. Сильные восходящие движения прорывают пассатную инверсию, облака превращаются в мощные кучево-дождевые, и из них выпадают обильные осадки ливневого типа.
В некоторых областях Земли перенос воздуха в нижней части тропосферы носит название муссонов. Муссоны - это устойчивые сезонные режимы воздушных течений с резким изменением преобладающего направления ветра от зимы к лету и от лета к зиме. В каждой муссонной области есть летний муссон и противоположный ему по направлению зимний. Кроме ветров основных направлений есть ветры и других направлений, особенно в переходные сезоны, но их повторяемость невысокая. Устойчивость муссонов связана с устойчивым распределением атмосферного давления в течение каждого сезона, а их сезонная смена - с коренными изменениями в распределении давления от сезона к сезону.
Муссонная циркуляция преобладает в бассейне Индийского океана: почти над всем северным Индийским океаном, над Индостаном, Индокитаем, Южным Китаем, Индонезией, над низкими широтами южного Индийского океана вплоть до Мадагаскара и северной Австралии, а также над большими площадями в Экваториальной Африке. Сильное развитие муссонов в этой области связано со своеобразием географических условий: с наличием к северу от Индийского океана огромного материка Азии и распространением материка Африки на оба полушария.
Непосредственное условие режима тропических муссонов заключается в сезонном изменении положения субтропических антициклонов и экваториальной депрессии. Экваториальная депрессия, как было сказано выше, в июле смещается в более высокие широты северного полушария, особенно на материках, а в январе отодвигается в южное полушарие. Субтропические антициклоны также смещаются то к северу (в июле), то к югу (в январе). Вследствие этого, в некоторых областях по обе стороны экватора происходит резкое сезонное изменение преобладающих барических градиентов, и, следовательно, преобладающих ветров. При этом зимний муссон совпадает по своему направлению с пассатом: он дует по обращенной к экватору периферии субтропического антициклона данного полушарий. Летний муссон противоположен пассату, он имеет западное направление и дует по обращенной к экватору периферии экваториальной депрессии. Таким образом, смена тропических муссонов есть смена преобладающих восточных ветров в тропиках на преобладающие западные ветры и обратно.
Следует отметить, что резкое сезонное изменение барических градиентов наблюдается не повсеместно. Если по обе стороны экватора находится океан, то указанные сезонные смещений зон давления невелики и муссоны не получают особого развития. Над материками, особенно над Африкой, распределение давления меняется от января к июлю сильно, что и приводит к возникновению в широкой полосе приэкваториальной Африки тропических муссонов. Мощные тропические муссоны в бассейне Индийского океана объясняются тем , что сезонные изменения температуры полушарий здесь усилены огромным материком Азией, прогретым летом и охлажденным зимой. Над южной Азией происходит резкая смена низкого давления на высокое и обратно с соответствующей муссонной циркуляцией. В южной части Индийского океана муссоны распространены меньше, за исключением Австралии, где сезонные изменения температуры материка также сильно влияют на распределение давления.
Пассаты и муссоны. Отметить на карте линии тока муссонной и пассатной циркуляции. Описать механизм образования индийских (тропических) муссонов.
Карта географического распространения муссонов составленная С. П. Хромовым. Карта построена на основании разности преобладающих направлении
Тропические муссоны
Режимы атмосферной циркуляции типа муссона в некоторых регионах внутри тропиков и отчасти за их пределами. В таких областях характерный для тропиков режим пассатов заменяется зимним муссоном, в общем совпадающим по направлению с пассатом, и летним муссоном, более или менее противоположным по направлению (обычно с западной составляющей). В странах Южной Азии название муссона в обыденной жизни дается только летнему муссону.
Общей причиной Т. М. является сезонное перемещение зон давления — экваториальной депрессии и субтропических антициклонов — к северу летом северного полушария и к югу летом южного полушария. В связи с этим сезонное изменение преобладающего направления ветра в приэкваториальных широтах происходит и над Атлантическим и Тихим океанами. Но особенно типичны и устойчивы Т. М. в бассейне северного Индийского океана, включая Индию и сопредельные с нею тропические районы. Развитие Т. М. здесь усиливается вследствие сезонной смены режима атмосферного давления над Азиатским материком. С южноазиатскими муссонами связаны коренные особенности климата этого региона. В менее характерном виде Т. М. наблюдаются также в тропической Африке, в северной Австралии и в приэкваториальных районах Южной Америки. Некоторые авторы предлагают называть муссонами лишь азиатские Т. М., квалифицируя муссоны в остальных тропических и внетропических районах, как псевдомуссоны; но для этого нет достаточных оснований.
Зимний тропический муссон в бассейне северного Индийского океана принято называть северно-восточным, а летний юго-западным. Эти преобладающие направления ветров у земной поверхности связаны в основном с влиянием трения. На востоке Китая изобары ближе к меридиональному распределению, чем к зональному, поэтому зимний муссон здесь - северный или северно-западный, летний- южный или юго-восточный.
Преобладание переноса воздуха зимой с материка на океан, а летом с океана на материк приводит к важным особенностям погоды и климата районов тропических муссонов: с летним муссоном совпадает дождливый сезон, а резко выраженный сухой сезон - с зимним муссоном.