Учение об атмосфере. Учебное пособие
.pdfдля практики точностью определять скорость и направление действительного ветра на высотах по распределению давления.
При криволинейном движении воздуха и отсутствии силы трения кроме силы барического градиента и отклоняющей силы вращения Земли появляется еще центробежная сила выражающаяся как
С = 2⁄
(5)
где - скорость ветра;
r - радиус кривизны траектории движущегося воздуха.
Если считать движение равномерным, то в этом случае должны уравновешиваться уже три силы, действующие на воздух: барического градиента,
отклоняющая и центробежная.
Теоретический случай равномерного движения воздуха по круговым траекториям без влияния трения называют градиентным, а ветер - градиентным ветром. Траектории в случае градиентного ветра совпадают с изобарами.
Градиентный ветер, так же как и геострофический, направлен по изобарам, но не прямолинейным, а круговым.
6.6 Суточный ход ветра
Ветер имеет суточный ход. С восходом солнца скорость ветра увеличивается и около 13 - 14 часов достигает наибольшего значения, после чего убывает.
Вечером и ночью наблюдается слабый ветер или штиль. Суточные колебания скорости ветра особенно заметны летом над сушей. Над морской поверхностью,
температура которой в течение суток изменяется незначительно, колебания скорости ветра небольшие, но по мере приближения к берегам они увеличиваются.
Ясно выраженный суточный ход ветра наблюдается при установившейся антициклональной погоде, особенно летом, когда суточные колебания
81
температуры хорошо выражены. С суточным ходом скорости ветра связано несколько надежных признаков предсказания погоды. Правильный суточный ход скорости ветра - признак сохранения ясной и маловетреной погоды. Хорошая погода летом более устойчива, если она сопровождается в полуденные часы слабыми или умеренными ветрами. Постепенное восстановление нарушенного или исчезнувшего суточного хода скорости ветра предвещает наступление хорошей погоды. Если ветер к вечеру не стихает, а усиливается, то возможно ухудшение погоды, следует ожидать сильного ветра ночью и на следующий день.
82
7 Атмосферная циркуляция
7.1 Масштабы атмосферных движений, средняя величина давления для
земного шара и полушарий
Существуют три основных цикла атмосферных процессов, участвующих в формировании погоды и определяющих климат. Это так называемые климатообразующие процессы - теплооборот, влагооборот и атмосферная циркуляция.
Термин «теплооборот» описывает сложные процессы получения, передачи,
переноса и потери тепла в системе «земля-атмосфера». Поток солнечной радиации,
идущий от Солнца к Земле, частично отражается воздухом, облаками и примесями назад в мировое пространство. Эта энергия безвозвратно теряется для Земли.
Другая часть проходит сквозь атмосферу. Атмосфера частично и в сравнительно небольшой степени поглощает солнечную радиацию, преобразуя ее в теплоту,
частично рассеивает ее, изменяя спектральный состав.
Прямая солнечная радиация, прошедшая сквозь атмосферу, и рассеянная радиация, падая на земную поверхность, частично от нее отражаются, но в большей части поглощаются ею и нагревают верхние слои почвы и водоемов. Земная поверхность сама испускает невидимую инфракрасную радиацию, которую в большей части поглощает атмосфера, и нагревается. Атмосфера в свою очередь излучает инфракрасную радиацию, большую часть которой поглощает земная поверхность. В то же время земная и атмосферная радиации непрерывно излучаются в мировое пространство и вместе с отраженной солнечной радиацией уравновешивают приток солнечной радиации к Земле.
С другой частью лучистой энергии, попавшей в атмосферу, происходит целый ряд превращений, результатом которых является нагревание земной поверхности и атмосферы.
Кроме обмена тепла путем излучения между земной поверхностью и атмосферой происходит обмен тепла за счет теплопроводности, причем особенно
83
важную роль играет конвективное перемешивание воздуха в вертикальном направлении.
Значительная часть солнечного тепла, поступающего на земную поверхность, затрачивается на испарение воды, то есть переходит в скрытую форму. Потом, при конденсации водяного пара в атмосфере и, как правило, в
районе, удаленном от места испарения, это тепло, выделяясь, нагревает воздух.
Важнейшим процессом в теплообороте является горизонтальный перенос тепла воздушными течениями, направленными из одних мест земли в другие.
Между земной поверхностью и атмосферой происходит постоянный оборот воды, или влагооборот. С поверхности океанов и морей, а также других водоемов,
с влажной почвы и растительности в атмосферу испаряется вода. На испарение затрачивается большое количество тепла из почвы и верхних слоев воды. Водяной пар, вода в газообразном состоянии, важная составная часть атмосферного воздуха.
При существующих в атмосфере условиях водяной пар может испытывать и обратное преобразование, он конденсируется (сгущается) и превращается в капельки воды или кристаллики льда, вследствие чего возникают облака и туманы.
В процессе конденсации атмосфера получает большие количества скрытого тепла.
Из облаков при определенных условиях выпадают осадки. Возвращающиеся на земную поверхность осадки в целом уравновешивают испарение.
Количество выпадающих осадков и их распределение по сезонам влияют на растительный покров и земледелие. От распределения и колебания количества осадков зависят также условия стока, режим рек, уровень озер и другие гидрологические явления. Большая или меньшая высота снежного покрова определяет промерзание почвы и режим многолетней мерзлоты.
Неравномерное распределение тепла в атмосфере приводит к неравномерному распределению атмосферного давления, от распределения давления зависит движение воздуха, то есть воздушные течения.
Движение воздуха относительно земной поверхности ощущается нами как ветер. Следовательно, причиной появления ветров является неравномерное распределение давления. На характер движения воздуха относительно земной
84
поверхности большое влияние оказывает суточное вращение Земли. В нижних слоях атмосферы на движение воздуха влияет также трение. Масштабы горизонтальных атмосферных движений меняются в очень широких пределах, от мельчайших вихорьков, которые можно наблюдать, например, во время метели, и
до волн, сравнимых с размерами материков и океанов.
Систему крупномасштабных воздушных течений на Земле называют общей циркуляцией атмосферы. Основными элементами общей циркуляции атмосферы являются циклоны и антициклоны - волны и вихри размером в несколько тысяч километров, постоянно возникающие и разрушающиеся в атмосфере.
С воздушными течениями в системе общей циркуляции атмосферы связаны основные изменения погоды. Воздушные массы, перемещаясь из одних областей Земли в другие, приносят с собой свойственные им характеристики. Системы воздушных течений общей циркуляции атмосферы, определяющие преобладание тех или иных воздушных масс в том или ином районе, являются также важнейшим фактором климатообразования.
Кроме воздушных течений общей циркуляции атмосферы климатообразующее значение имеют и циркуляции значительно меньшего масштаба (бризы, горно-долинные ветры и т.д.), носящие название местных циркуляций. Катастрофические погодные явления связаны с вихрями малого масштаба, такими как смерчи, тромбы, торнадо, а в тропиках с вихрями более крупного масштаба - тропическими циклонами.
Ветер вызывает волнение водных поверхностей, многие океанические течения, дрейф льдов; он является важным фактором эрозии и рельефообразования.
Самое первое элементарное представление об общей циркуляции атмосферы получают, рассматривая средние многолетние карты. Сопоставление среднего атмосферного давления на уровне моря зимой и летом показывает существенную асимметрию между Северным и Южным полушариями. В северном континентальном полушарии поле давления значительно менее зонально, чем в Южном океаническом. Например, зимой в Северном полушарии существуют две огромные области низкого давления: над Северной Атлантикой и Северным Тихим
85
океаном, в то время как в Южном полушарии в полосе широт 40º - 60º ю.ш. -
зональные изобары. Среднее поле давления в Северном полушарии складывается из-за преобладания циклонов над антициклонами на севере Атлантического и Тихого океанов. В Южном полушарии в этих широтах никаких материков нет,
циклоны и антициклоны развиваются над океаном на любых меридианах и при движении циклонов на юго-восток, а антициклонов - на северо-восток в полосе широт 40º - 60º ю.ш. области низкого и высокого давления взаимно погашаются.
Но конечные стадии развития циклонов дают кольцо областей низкого давления вокруг Антарктиды, а антициклонов - кольцо субтропического пояса высокого давления.
7.2 Циркуляция в тропиках
В атмосфере не существует твердых границ, воздушные массы из тропиков могут проникать в полярные широты, а арктический воздух достигает тропических широт, правда, сильно трансформировавшись по пути. Проникновение умеренного воздуха в тропики и тропического воздуха в умеренные широты происходит систематически и представляет основной элемент междуширотного обмена теплом и влагой. Поэтому любая граница в атмосфере является условной, т.е. некоторой переходной зоной, разделяющей районы с преобладанием определенных циркуляционных процессов. Главное, что отличает циркуляцию в умеренных широтах, - это циклоническая деятельность, развивающаяся в воздушных течениях преобладающего западного переноса. Циркуляция в тропиках существенным образом отличается от циркуляции в умеренных широтах.
Переходная зона, которая отделяет циркуляцию в тропиках от циркуляции умеренных широт над океанами, может быть условно представлена широтными осями субтропических, антициклонов. Однако для циркуляции над материками этот критерий не годится, поскольку там нет субтропических антициклонов. Более строго границу, выделяющую тропическую зону, можно определить как широту,
представляющую среднеарифметическое из широт среднего положения
86
тропической тропопаузы и тропопаузы умеренных широт на каждом меридиане в соответствующем месяце или сезоне. Определенная таким образом граница зимой лежит около (28+3)º с.ш. в Северном полушарии и около (32+3)º ю.ш. в Южном полушарии, а летом - около (35+5)º с.ш. и (35+3)º ю.ш., соответственно. Таким образом, от зимы к лету граница тропической зоны смещается к полюсам, причем наибольшее смещение наблюдается в Северном полушарии над материками.
В отличие от умеренных широт циркуляционные системы (но не погода) в
тропиках отличаются значительной устойчивостью.
Тропические циклоны возникают только над морем, между 10 - 15º с.ш. и
ю.ш. При переходе на сушу они быстро затухают. Это, как правило, небольшие циклоны, их диаметр около 250 км, но с очень низким давлением в центре.
Тропические циклоны перемещаются со скоростью 10 - 20 км/ч в основном с востока на запад, но их траектория отклоняется в сторону высоких широт
(например, в Северном полушарии они движутся к северо-западу). Это очень мощные вихри с исключительно сильными ветрами (20 - 30 м/с, в порывах до 100
м/с и более), которые вызывают сильнейшее волнение на море и большие разрушения на суше. На земном шаре в среднем за год отмечается более 70 случаев тропических циклонов. Циклоны особенно характерны для территории Европы, где они перемещаются с Атлантики на восток и существуют до 5-7 суток, пока не выровняется атмосферное давление.
7.3 Пассаты и антипассаты
Устойчивые ветры восточной четверти, дующие в течение всего года над океанами на обращенной к экватору периферии субтропических антициклонов в каждом полушарии, называют пассатами.
Скорость пассатных ветров у земной поверхности составляет в среднем от 5
до 8 м/с. На земном шаре эти системы ветров наиболее устойчивы, с вероятностью
80 - 90 % их можно встретить в любой момент года. Субтропические антициклоны вытянуты по широте. Поэтому на их обращенной к экватору периферии изобары
87
проходят почти параллельно широтным кругам и, следовательно, пассаты над уровнем трения (т.е. близких к земной поверхности слоев, где действует сила трения) должны иметь восточное направление.
В слоях, близких к земной поверхности, где действует сила трения, ветер отклоняется от изобар на некоторый угол в сторону низкого давления. Это значит,
что на южной периферии субтропического антициклона в Северном полушарии у земной поверхности вместо восточных ветров наблюдаются северо-восточные.
Аналогично на северной периферии субтропического антициклона в Южном полушарии у земной поверхности наблюдаются юго-восточные ветры. Иначе говоря, вследствие трения пассаты получают дополнительные составляющие,
направленные к экватору. Поэтому пассаты Северного полушария часто называют северо-восточными, а пассаты Южного полушария - юго-восточными. Однако эти направления пассатов характерны только вблизи земной поверхности, и не для всей области пассатов, а для тех ее частей, где изобары субтропического антициклона вытянуты по широте [9].
Субтропические антициклоны над океанами очень хорошо выражены на многолетних средних картах. На ежедневных картах видно, что это не постоянно существующие антициклоны. На самом деле антициклоны здесь возникают,
перемещаются и исчезают. Но антициклоны в субтропиках абсолютно преобладают над циклонами. Поэтому на многолетних средних картах и создаются субтропические центры действия с высоким давлением.
Заметим еще, что на климатологических картах над каждым океаном в каждом полушарии расположено по одному антициклону. На ежедневных картах их бывает больше - часто два, иногда три над каждым океаном, над южным Тихим океаном - до четырех.
Распределение давления в тропиках день ото дня меняется мало. Поэтому направление пассатов отличается большой устойчивостью.
88
7.4 Тропические муссоны
Муссоны - это устойчивые сезонные режимы воздушных течений с резким изменением преобладающего направления ветра от зимы к лету и от лета к зиме. В
каждом месте области муссонов в течение летнего и зимнего сезонов существует режим ветра с резко выраженным преобладанием одного направления над другими,
причем в другом сезоне преобладающее направление ветра будет противоположным или близким к противоположному. Таким образом, в каждой муссонной области есть зимний муссон и летний муссон с взаимно противоположными или, по крайней мере, с резко различными преобладающими направлениями.
Конечно, кроме ветров преобладающего направления в каждом сезоне наблюдаются и ветры других направлений, тогда муссон испытывает перебои. В
переходные сезоны, весной и осенью, когда происходит смена муссонов,
устойчивость режима ветра нарушается.
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. Преобладающие барические градиенты резко меняют свое направление от сезона к сезону, а вместе с этим меняется и направление ветра.
Муссоны наблюдаются в тех районах, где циклоны и антициклоны обладают достаточной устойчивостью и резким сезонным преобладанием одних над другими.
В тех областях Земли, где циклоны и антициклоны быстро сменяют друг друга и одни незначительно преобладают над другими, режим ветра изменчив и не похож на муссонный. Так обстоит дело в большей части Европы. На американском материке тропические муссоны развиты слабо.
Наиболее резко выраженные и устойчивые муссоны наблюдаются в тропических широтах, где соседствуют широтно простирающиеся материки и океаны. Непосредственной причиной тропических муссонов является сезонное
89
изменение положения субтропических антициклонов и экваториальной ложбины.
Напомним, что экваториальная ложбина в июле смещается в более высокие широты Северного полушария, особенно на материках, а в январе отодвигается в Южное полушарие. Вместе с экваториальной ложбиной субтропические антициклоны смешаются к северу в июле и к югу в январе. Вследствие такого сезонного перемещения в областях развития муссонов по обе стороны от экватора происходит резкое сезонное изменение направления преобладающих барических градиентов и, следовательно, преобладающих ветров. Сезонное преобразование среднего поля давления связано с перераспределением масс воздуха между материками и океанами. Зимой преобладает перенос воздуха с охлажденного материка на океан, а летом - со сравнительно холодного океана на теплый материк.
Таким образом, первоначальной причиной возникновения муссонов,
сезонных режимов ветра, является различие в нагревании материков и океанов в течение года. В зимнем муссоне осуществляется отток воздуха с материка, в летнем муссоне - приток его на материк.
7.5 Преобладающие направления ветра
Над Атлантическим и Тихим океанами в тропиках в течение всего года преобладают пассаты. Скорость ветра в пассатах и площадь, занятая ими, также испытывают сезонные изменения в связи с сезонным смещением субтропических антициклонов. Однако направление ветра в пассатах, в целом восточное,
сохраняется в течение всего года. В муссонах преобладающее направление меняется при смене сезона на противоположное. Таким образом, общее различие в нагревании летнего и зимнего полушарий приводит к разным следствиям. Там, где и в Северном и Южном полушариях соседствуют водные массы океанов
(Атлантический и Тихий океаны), там круглый год господствуют пассаты и направление ветра не меняется. Там, где в Южном полушарии находится океан
(Индийский), а в Северном полушарии - материк (Азия и Африка), возникают зимний и летний муссоны с взаимно противоположными направлениями ветра.
90