133_p2297_B2_11771

лярном фронте. В результате этого в умеренных зонах, особенно северного полушария, преобладает низкое давление и сюда направлены воздушные течения не только со стороны высоких широт, но и из субтропиков, где часто возникают антициклоны (субтропический пояс высокого давления). Из тропиков обоих полушарий ветры направлены в сторону экваториальной зоны. Это пассаты северного и южного полушарий.

Однако отсутствие постоянного лучистого равновесия, трение о подстилающую поверхность, еѐ неоднородность, неравномерное распределение и нагревание суши и моря, циклоническая деятельность и другие факторы вызывают возмущения зональной циркуляции, проявляющиеся в формировании меридиональных слагающих ОЦА. Возмущения зональной циркуляции на ежедневных картах погоды северного полушария проявляются в изменяющихся конфигурации и контрастах в поле температуры и геопотенциала планетарной высотной фронтальной зоны (ПВФЗ).

На циркуляцию атмосферы большое влияние оказывает трансформация воздуха не только при межширотном (меридиональном), но и при западном переносе воздуха над подстилающей поверхностью с различными свойствами, более всего над материками и океанами. Трансформация этого типа формирует сезонные особенности барического рельефа в средней тропосфере и, как следствие, состояние атмосферы у поверхности Земли.

Меридиональный воздухообмен осуществляется посредством фронтальной цикло- и антициклонической деятельности. В северном полушарии подвижные фронтальные циклоны имеют в среднем составляющую движения к северу, а антициклоны – к югу. При этом движение циклонов сопровождается адвекцией тепла к северу, а движение антициклонов – адвекцией холода к югу.

В результате межширотного теплообмена на экваторе фактическая средняя температура воздуха на 13 °С ниже, а на арктических широтах 70–80° на 23° выше, чем температура, рассчитанная с учетом данных о поступлении лучистой энергии [Погосян, 1972].

Межширотный обмен воздушными массами осуществляется постоянно и обычно охватывает всю толщу тропосферы и нижние слои стратосферы. Этот процесс в северном полушарии протекает более локализованно и мощно, чем в южном, и эффект его более всего сказываются в высоких широтах. Объясняется это различием в расположении материков и океанов и обусловленной

31

этим локализацией цикло- и антициклогенетических очагов в северном полушарии. В северном полушарии фронтальные циклоны возникают у восточных побережий Азии и Северной Америки. В результате их проникновения в высокие широты теплый воздух Атлантики достигает даже приполюсного района. Зимой в западном секторе Арктики часто наблюдаются оттепели, а летом, в отдельных случаях, температура может повышаться до 15–20 °С [Погосян, 1972; Погосян, 1976].

Почти аналогичные процессы отмечаются и на севере Тихого океана. Циклоны, возникая и углубляясь, перемещаются от восточного побережья Китая и Японии в район Камчатки и даже севернее. В результате теплый океанический воздух достигает Восточно-Сибирского моря и Аляски. Частым проникновением фронтальных циклонов в восточный сектор Арктики объясняются более высокие температуры здесь по сравнению с Антарктидой.

При усиленном межширотном воздухообмене над Европой и Западной Сибирью зимы над этими территориями бывают более холодными, так как при вторжении холодного и сухого арктического воздуха в нем формируются антициклоны с малооблачной и ясной погодой.

Наоборот, при западном переносе воздуха зимой в Европе, на Урале и даже в Западной Сибири температура воздуха может заметно повыситься. Потепление и даже оттепели обычно бывают связаны с интенсивным выносом воздуха из районов Средиземного моря и Северной Африки, либо с Атлантического океана – мощной теплоцентрали для Европы и Северо-Западной Азии. Установлено, что теплый воздух Атлантики отепляет не только всю Европу, но и значительную часть Северной Азии, нередко и северные районы Якутии. При этом тепло переносится с запада не только над сушей, но и над северными морями, т. е. тепло приходит не с юга или юго-запада, а с запада и северозапада через Норвежское море и распространяется к северу на значительные расстояния, особенно по северу Азиатского континента.

Таким образом, наиболее высокие температуры зимой в умеренных широтах северного полушария наблюдаются при перемещении теплого воздуха с Атлантики, Средиземного моря, Средней Азии, а на крайнем востоке и северо-востоке Азии – иногда и с Тихого океана.

32

Влияние Атлантического океана на климат Азии более значительное, чем влияние омывающего Азию Тихого океана. Это объясняется преобладанием западного переноса масс воздуха в тропосфере. Именно вследствие этого средняя температура января в центральной Европе на широте 50° на некотором расстоянии от Атлантического океана равна примерно 1 °С, а в Восточной Азии на той же широте и на таком же расстоянии от Тихого океана –20 °С. По этой же причине теплые воды Северной Атлантики, смягчая зимой климат Европы, мало влияют на климат всей Северной Америки [Погосян, 1972].

Средние условия общей циркуляции атмосферы проявляются в сезонных приземных барических полях. Последние, как известно, формируются под влиянием двух факторов: динамического и муссонного. Под влиянием муссонного фактора зимой фронтальные циклоны и антициклоны над материками формируются на более высоком, а над океанами на более низком фоне давления воздуха. Летом, наоборот, процессы фронтального цикло- и антициклогенеза развиваются на более низком фоне давления над континентами, а над океанами – на более высоком.

Интенсивность же циклонической и антициклонической деятельности в большей степени определяется динамическим фактором, которым и обусловлены во всех слоях тропосферы непериодические изменения давления. Физическая суть динамическо-

го изменения давления воздуха у поверхности Земли заключается в следующем. Неравномерное распределение адвекции температуры воздуха обуславливает перераспределение горизонтальных градиентов в поле температуры воздуха. В зонах с растущим контрастом температуры возникают или усиливаются высотные фронтальные зоны (ВФЗ), возрастают горизонтальные градиенты давления, усиливаются ветры. Развитие (усиление) бароклинности как следствие ведѐт к развитию нестационарности в значительной толще тропосферы. На картах барической топографии изменение горизонтальных градиентов температуры воздуха и геопотенциала проявляются в сгущении изогипс, в их сходимости и расходимости. Изменение кривизны изогипс по потоку в ВФЗ свидетельствует о еѐ волновой деформации, а в конечном итоге об адвекции вихря скорости по потоку. В зонах сходимости (вход) и расходимости (дельта) ВФЗ возрастает агеострофичность движений, развиваются вертикальные движения, обусловленные нестационарностью потока и как следствие происходит измене-

33

ние массы воздуха, т. е. динамическое изменение давления во всей толще тропосферы в пределах возмущенного участка ВФЗ.

При значительной интенсивности и длительности нестационарного состояния атмосферы возникают и развиваются макротурбулентные вихри – фронтальные циклоны и антициклоны. Важную роль в их образовании играют контрасты температуры в ВФЗ, поскольку ими определяются запасы потенциальной энергии. Однако для еѐ реализации необходима агеострофичность, которая развивается только при адвективных изменениях в поле температуры. Например, в субтропических широтах земного шара при контрастах температуры и скорости ветра, значительно превосходящих таковые в умеренных широтах, фронтальные циклоны и антициклоны не образуются.

Объясняется это исключительно быстрой трансформацией вторгающегося в субтропические широты холодного воздуха. При отсутствии интенсивной адвекции холода не происходит быстрой перестройки высотного барического поля и, следовательно, не развивается агеострофичность.

Противоположные условия наблюдаются в арктических и умеренных широтах северного полушария. Для выявления районов преобладания циклонической или антициклонической деятельности необходимо сопоставить распределение контрастов температуры воздуха со структурой термобарического поля тропосферы. При наличии критических контрастов температуры воздуха (8–12 °С/1000 км) в ВФЗ, область дельты ВФЗ на термобарической карте является районом наибольшей вероятности фронтального циклогенеза, а вход ВФЗ – районом антициклогенеза.

Впределах северного полушария зоны значительного динамического изменения давления воздуха формируются под влиянием распределения материков и океанов и различий в их термических свойствах в различные сезоны года.

Вхолодный период года зонами активного фронтального циклогенеза являются восточные побережья Северной Америки и Азиатского континента, где в холодное время года преобладает интенсивная адвекция холода, являющаяся энергетической основой формирования контрастов температуры и геопотенциала в ВФЗ. Такой же процесс, лишь несколько севернее, наблюдается и

34

H T

летом. Наибольшие значения n и n отмечаются у восточ-

ных побережий охлажденных материков Северной Америки и Азии. В направлении океанов градиенты уменьшаются, и над океанами уже отмечается расходимость изотерм и изогипс, т. е. формируется дельта ВФЗ. Над материками Евразии и Северной Америки, наоборот, изогипсы и изотермы сходятся. Вызвано это тем, что по мере продвижения с запада в глубь этих материков воздух над их северными районами зимой сильно охлаждается, в то время как в южных районах он остается достаточно прогретым. Разность геопотенциала в средней тропосфере между 70° и 30° с. ш. над Западной Европой составляет 56 геопотенциальных декаметров (г. п. дкм). Такая же разность геопотенциала отмечается у восточных берегов Азии в зоне 48–30° с. ш. [Руководство по краткосрочным …, 1965, вып. 4].

Таким образом, в холодное время года над северными районами Атлантического и Тихого океанов формируются и существуют длительное время адвективно-динамические условия для фронтального циклогенеза. В то же время над внутриконтинентальными районами Северной Америки и Азиатского континента подобные сезонные условия создаются для радиационного и ад- вективно-динамического антициклогенеза. При необходимых контрастах температуры и геопотенциала области дельты ВФЗ над океанами являются районами фронтального циклогенеза, а области входа в ВФЗ над материками – районами антициклогенеза.

В южном полушарии, где преобладает водная поверхность и, следовательно, необходимые контрасты температуры и геопотенциала не формируются, то и барические фронтальные вихри не локализуются в пространстве как в северном полушарии.

Заполнение фронтальных циклонов обычно происходит по мере их перемещения на восток над западными районами Европы и Северной Америки, так как при перемещении над океаном холодный воздух в тылу циклонов прогревается, а теплый воздух в передней части циклона и теплом секторе, наоборот, охлаждается над континентом, что уменьшает контрасты в циклоне.

Для объяснения существующих закономерностей в повторяемости циклонов и антициклонов рассмотрим структурные особенности в термобарическом поле средней тропосферы [Пальмен, Ньютон, 1973; Погосян, 1972]

35

Область сходимости изогипс на картах АТ и ОТ в Европей- ско-Азиатской ВФЗ начинается вдоль линии Новая Земля – Скандинавия – Британские острова. Область расходимости изотерм (изогипс) заканчивается примерно вдоль меридиана 150° з. д. Область сходимости в Американской ВФЗ начинается в тех же районах, где оканчивается расходимость первой ВФЗ, а последняя совпадает с областью сходимости первой фронтальной зоны.

Взимнее время максимальные контрасты температуры воздуха находятся в средних частях ВФЗ у восточных побережий материков. Максимальные значения градиентов температуры воздуха здесь превышают критические значения и половина их зоны совмещается с областью сходимости, а другая половина – с областью расходимости ВФЗ.

Впределах Американской ВФЗ область наибольших контрастов температуры воздуха является более локальной. Над Азией подобная зона сосредоточена лишь на востоке Азии, тогда как над Европой локализуются две области относительно увеличенных контрастов температуры воздуха. Одна из них находится на севере Атлантического океана, другая над Средиземным морем и

квостоку от него [Педь, 1973].

Всвязи с рассмотренными особенностями термобарического поля в северном полушарии выделяются две главные зоны фронтального циклогенеза: Атлантическая (вблизи берегов Северной Америки) и Тихоокеанская (вблизи Японских островов).

Частота возникновения фронтальных циклонов, как показывает структура термобарического поля [Погосян, 1972], должна убывать в отмеченных районах адвективно-динамического циклогенеза медленнее всего в северо-восточном направлении, т. е. по направлениям Ньюфаундленд – Исландия – Баренцево море и Японские острова – Алеутские острова. В остальных районах фронтальный циклогенез происходит сравнительно реже.

Средние условия общей циркуляции атмосферы (ОЦА) про-

являются в так называемых центрах действия атмосферы

(ЦДА) – устойчивые во времени и пространстве области низкого и высокого давления. Они подразделяются на постоянно действующие (климатологические) и сезонные центры действия и представляют собой результат преобладания в данном районе барических систем одного и того же знака.

К климатологическим центрам действия относятся:

36

1.Экваториальная депрессия.

2.Субтропическая зона повышенного давления с макси-

мальным давлением воздуха на 30–40° (1020–1025 гПа).

Субтропическая зона высокого давления в северном полушарии расчленяется на субтропические антициклоны:

Азорский (Северо-Атлантический);

Гонолульский (Северо-Тихоокеанский).

«Прорывы» в зонах повышенного давления наблюдаются, таким образом, над Северной Африкой, Азией и Австралией.

Зимой в северном полушарии давление воздуха над указанными районами повышается. Летом эти области высокого давления сменяются областями низкого давления.

Летом океанические антициклоны в северном полушарии развиты сильнее и смещены от экватора к умеренным широтам. Отрог Азорского антициклона летом распространяется на Европу.

В верхней половине тропосферы области высокого давления смещаются к экватору и располагаются преимущественно над материками.

Причиной возникновения и сохранения субтропической зоны высокого давления воздуха является накопление и опускание здесь воздушных масс, оттекающих от экватора. Это является следствием уравновешивания силы барического градиента и слагающей силы Кориолиса, направленной к экватору. Именно в субтропических широтах прекращается дальнейший перенос тропического воздуха к полюсу.

Однако «перманентность» субтропических антициклонов является лишь кажущейся. В действительности наблюдается их квазипериодическое возобновление. Чаще всего субтропические антициклоны усиливаются новым антициклоном, заключающим циклоническую серию. Заключительный антициклон, вторгаясь с северо-запада в тропики, усиливает существующий антициклон, а новый центр его смещается севернее. Ослабление субтропического антициклона и его отступление к югу наблюдается при развитии циклонических серий на полярном фронте. Регенерация субтропического максимума возможна и при развитии подвижного антициклона непосредственно в тропиках несколько западнее от основного центра. Последнее возможно в связи с развитием внутритропической зоны полярной ложбины.

На севере Тихого океана нередко наблюдаются два, изредка и три субтропических антициклона. Как было установлено П. И. Бро-

37

уновым и Б. П. Мультановским [Руководство по месячным …, 1972], Азорские антициклоны, особенно летом, дают выходы «ядер» к востоку – на Южную Европу, Средиземноморье или Северную Африку. Такое ядро можно рассматривать как смещение к востоку антициклона в целом, причем над океаном формируется новый антициклон; либо как отделение и перемещение восточной части антициклона.

Зона пониженного давления в умеренных широтах северного полушария летом разделяется на две океанические депрессии

(ЦДА):

1.Исландская в Атлантическом океане.

2.Алеутская в Тихом океане.

Эти депрессии очень глубоки и обширны зимой

( Ρ ~1000 гПа) и ослаблены летом. Алеутская депрессия летом часто превращается в малоподвижный выступ летней Централь- но-Азиатской депрессии.

К сезонным центрам действия атмосферы относятся:

1.Азиатский антициклон с центром над Монголией. Давление в его центре в январе максимальное и нередко может превышать 1035 гПа.

2.Канадский антициклон с давлением в центре в среднем около 1020 гПа.

Летом они сменяются летними депрессиями:

1.Центрально-Азиатской, с центром над юго-западными

районами Азии ( Р в июле равно 995 гПа).

2. Северо-Американской ( P в июле 1011 гПа).

Эти депрессии развиваются до тропических широт, нарушая единство субтропической зоны высокого давления.

ВАрктике во все сезоны года на климатологических картах

уповерхности Земли проявляется арктический антициклон, слабо выраженный из-за интенсивной циклонической деятельности в этих широтах, особенно зимой.

Существуют и другие, менее значительные сезонные центры действия атмосферы – средиземноморская депрессия, среднеазиатская депрессия, экваториальная депрессия. В большинстве своем они являются частями более значительных центров действия атмосферы.

С высотой распределение давления приобретает более зональный характер. Отдельные климатические центры действия с

38

высотой исчезают. По существу в верхней тропосфере в каждом полушарии остается зона высокого давления у экватора и депрессия в умеренных и высоких широтах с центром вблизи полюса (циркумполярный вихрь). Приземные центры действия атмосферы представляются на картах средней тропосферы преимущественно волнообразными искривлениями в общем зональном ходе изогипс.

Таким образом, наличие ЦДА в атмосфере Земли достаточно определенно связано с неоднородными температурными условиями подстилающей поверхности. Разрывы в субтропических зонах высокого давления наблюдаются над нагретыми летом материками. Океанические депрессии умеренных широт особенно глубоки зимой и почти исчезают летом. Зимние, континентальные циклоны летом уступают место депрессиям. Конечно, не следует полностью отождествлять процессы фронтального цикло- и антициклогенеза с температурой подстилающей поверхности. Температурные условия ее скорее лишь способствуют усилению или стабилизации барических систем определенного знака в данном районе. Кроме того, поверхность Земли, влияя на формирование воздушных масс, влияет на положение главных атмосферных фронтов и на географическую локализацию циклонической деятельности.

Климатологические фронты (КФ) представляют собой среднее положение главных фронтов определенного географического типа. Они подразделяются на: 1) арктический фронт; 2)

полярный фронт; 3) тропический фронт.

Среднее положение климатологических фронтов определяется географическим положением климатологических центров действия атмосферы. Эти фронты возникают в деформационных полях, создаваемых устойчивыми во времени и пространстве барическими системами.

Арктические фронты (АФ) наиболее часто возникают в зоне 70–75° с. ш. и отделяют арктический воздух от воздуха умеренных широт. На них происходит образование фронтальных циклонов и антициклонов. Благодаря циклонической деятельности на арктических фронтах арктический воздух вторгается в умеренные широты, а воздух умеренных широт проникает в Арктику.

В январе в северном полушарии наблюдается три арктических фронта.

АФ над Атлантикой формируется в деформационном поле, образованном Гренландским антициклоном, Исландской депрес-

39

сией, пониженным давлением над Баренцевым морем и антициклоном над Восточной Европой.

Деформационное поле Северо-Американского АФ образовано отрогом антициклона над морем Бофорта, Алеутской депрессией и антициклоном над Северной Америкой.

Арктический фронт над северной частью Охотского моря (Азиатский АФ) имеет топографический характер и разделяет арктический воздух над Колымой и Чукоткой и морской полярный воздух.

Таким образом, над Атлантикой арктический фронт располагается в зоне 65–75° с. ш. Над Америкой и Азией фронты снижаются до 60-й параллели, так как северные части этих материков по своему влиянию на формирование воздушных масс аналогичны Арктике.

Устойчивые разрывы в цепи АФ в тылу океанических депрессий имеются над Сибирью и к юго-западу от Гренландии. Здесь наблюдаются наиболее частые и интенсивные вторжения из Арктики в низкие широты.

В летний период зоны арктических фронтов простираются от северных побережий арктических материков в более глубокие центральные районы арктического бассейна, а вблизи 70–75° с. ш. располагаются их южные периферийные части.

Полярные фронты (ПФ) (тихоокеанская, атлантическая и азиатская ветви) располагаются в более южных широтах. Атлантический ПФ возникает в деформационном поле, образованном Северо-Американским (Канадским) зимним антициклоном, зоной незначительного понижения давления над Мексикой, Исландской депрессией и Азорским антициклоном. Фронт пересекает Атлантику в направлении на восток – северо-восток от п-ва Флорида к Ламаншу между 30-й и 50-й параллелями. Особенно циклогенетической является его восточная часть, где течения по обе стороны от фронта имеют западное направление. На западных частях полярных фронтов возникают лишь малоподвижные и устойчивые волны, не имеющие существенного значения.

Атлантический полярный фронт является южной границей холодных воздушных масс, проникающих к юго-востоку между Канадским антициклоном и Исландской депрессией.

Тихоокеанский полярный фронт образуется в деформацион-

ном поле, образованным Азиатским антициклоном, пониженным давлением во внутритропической зоне, Алеутской депрессией и

40