Общая циркуляция атмосферы

Общая циркуляция атмосферы — сложная система воздушных течений, охватываю­щая всю атмосферу. Наиболее важными по их влиянию на процессы, происходящие у зем­ной поверхности, и вместе с тем наиболее изученными являются воздушные течения тро­посферы.

Общую циркуляцию атмосферы необходимо изучать для того, чтобы понять причи­ны изменения погоды и условия формирования климата.

Предположим, что Земля имеет однородную поверхность, освещается солнечными лучами со всех сторон и не испытывает отклоняющего действия осевого вращения. При этих условиях схема общей циркуляции атмосферы окажется очень простой (см. термиче­скую циркуляцию воздуха). Над экватором вследствие сильного нагревания воздух будет подниматься, и это приведет к возникновению наверху области высокого давления. Над полюсами (наверху) появляется область пониженного давления (результат охлаждения воздуха от поверхности). Изобарические поверхности в тропосфере получат наклон в сто­рону полюсов. В этом направлении возникает движение воздуха. Отток воздуха наверху от экватора приведет к образованию у поверхности экваториальной депрессии. Приток до­бавочного количества воздуха наверхувызовет у полюсов возникновение приземной обла­сти повышенного давления. В соответствии с распределением давления в нижнем слое тро-посферы воздух начнет двигаться ох полюсов к экватору, т. е. возникнет его меридио­нальный перенос.

Если, сохранив предположение об однородности земной поверхности, учесть откло­няющее действие вращения Земли, общая картина циркуляции усложнится. Поднимаю­щийся над экватором воздух, направляясь к полюсам, с увеличением широты под влияни­ем отклоняющего действия вращения Земли будет всё больше отклоняться от направления меридианов вправо в северном полушарии и влево в южном. Около 30° широты движение воздуха приобретает направление вдоль параллелей с запада на восток. Продолжающий поступать к этим широтам от экватора воздух, накапливаясь, должен создать в нижнем слое тропосферы высокое давление (субтропический пояс). От субтропического пояса высокого давления у поверхности Земли воздух начнет растекаться в сторону экваториальной депрессии и к умеренным широтам. Между экватором и широтами 30° образуется замкнутое кольцо — тропическая циркуляция.

Приземный поток воздуха в этом кольце, направляясь к экватору, отклонится от направления барического градиента в северном полушарии вправо и образует северо-вос­точный ветер — пассат (2). В южном полушарии пассат соответственно имеет юго-вос­точное направление. Предполагаемый верхний поток воздуха в тропическом кольце, про­тивоположный пассатам, получил название антипассатов. Граница между пассатами и ан­типассатами проводилась на высоте 10 кмнад экватором и 2 - 5 кмнад тропическими ши­ротами.

Приток воздуха наверху к полюсам должен привести, с одной стороны, к повыше­нию давления у поверхности Земли в высоких широтах, с другой — к понижению давле­ния в соседних, умеренных широтах (вследствие оттока воздуха). В результате у поверх­ности воздух будет перемещаться от полюсов к умеренным широтам (4), а наверху (от 4 до 10 км), наоборот, от умеренных широт к полюсам (5).

В зону пониженного давления в умеренных широтах устремится также воздух из субтропической зоны высокого давления (3). Но под влиянием вращения Земли он откло­нится к востоку, создавая западно - восточный перенос между этими широтами. Встреча­ясь в умеренных широтах с воздухом, идущим от полюсов (4), и этот воздух поднимется и вместе с воздушным течением от умеренных широт (5) направится к полюсам.

Рассмотренная схема циркуляции воздуха в тропосфере с учетом усложнений, вносимых влиянием неоднородной подстилающей поверхности, долгое время была общепринятой. Она хо­рошо объясняет схему распространения атмосферного давления на поверхность Земли и гос­подствующие в нижних слоях тропосферы ветры. Исследования атмосферы, прово­дившиеся в последние десятилетия с помощью новейших методов и техники, внесли существен­ные изменения в представления о её циркуляции.

Постепенное падение давления от экватора к полюсам в среднем для длительного периода времени действительно обнаруживается в слоях атмосферы выше 10 кмнад экватором и выше 2 - 4 км на пространстве между тропиками и полюсами. Такое распределение давления, выражающееся в совпадении направления изобар с параллелями, вызывает движение воздуха вдоль изобар с запада на восток (см. геострофический ветер) — западный (широтный) пере­нос воздуха в тропосфере, охватывающий всю Землю.

Отклонение воздушных потоков от направления изобар приводит к образованию воздуш­ных волн и к формированию приземных и высотных циклонов и антициклонов. В этом про­цессе большую роль играет меридиональный перенос тепла и холода в соответствующих частях волн. Гребни высокого давления, очерчиваемые изобарами и обтекаемые воздушным потоком, обращены к полюсам (к низкому давлению), ложбины— к экватору (к высокому давлению). Поток воздуха, двигаясь волнообразно, приносит к оси гребня тепло из более низких широт, а к оси ложбины — холод из более высоких широт. Приток тепла к гребню способствует его развитию[2]и образованию высотного тёплого антициклона. Приток холода к ложбине способ­ствует формированию высотного холодного циклона. В то же время приземные циклоны, под областью расходимости потока воздуха, пришедшего со стороны экватора (к западу от оси греб­ня), оказываются тёплыми, приземные антициклоны, под областью сходимости потоков возду­ха, идущего от полюсов (к западу от оси ложбины), — холодными. Перемещаясь в общем западном переносе на восток, высотные циклоны и антициклоны смыкаются с приземными цик­лонами и антициклонами, и атмосфера оказывается разделенной на ряд огромных мощных ви­хрей, в одних местах постепенно исчезающих, в других — снова формирующихся.

Перемещаясь на восток, циклоны отклоняются к полюсам, антициклоны — к экватору. Причина такого отклонения — действие осевого вращения Земли, возрастающее с увеличени­ем широты. И в циклонах и в антициклонах отклоняющая сила больше в той части вихря, кото­рая ближе к полюсу. Но так как при этом в циклонах она направлена от центра (противопо­ложна барическому градиенту), циклоны одновременно с перемещением на восток постепен­но смещаются к северу. Около 65° широты в северном и южном полушариях циклоны задержива­ются под влиянием повышенного давления в полярных районах и образуют зону пониженно­го давления.

В антициклонах, при направлении барического градиента от центра, отклоняющая сила вращения Земли направлена, наоборот, к центру, и поэтому антициклоны смещаются к эква­тору.В результате ослабления отклоняющей силы в низких широтах (около 25° - 30°) север­ного и южного полушария антициклоны скапливаются, создавая почти непрерыв-ные зоны высокого давления. Они особенно концентрируются над Океаном, образуя так называемые субтропические максимумы, сильно вытянутые тю широте (см., например, Азорский макси­мум) [3].

Между областью скопления высотных холодных циклонов близ полярного круга и областью скопления высотных теплых антициклонов около субтропиков в умеренных широтах образуется зона резких изменений температуры и давления — высотная фронтальная зона. Скорости ветра в этой зоне очень велики, здесь возникают струйные течения[4], формируются атмосферные фронты. Под фронтальной зоной образуется большинство приземных циклонов и антициклонов.

Роль циклонов и антициклонов в общей циркуляции атмосферы очень велика. От­клоняющая сила вращения Земли, препятствуя меридиональному переносу, превращает меридиональные воздушные потоки в широтные. Перенос воздуха, обмен теплом между низкими и высокими широтами осуществляют прежде всего циклоны и антициклоны. В общей циркуляции тропосферы преобладает западный перенос (рис. 64). Однако в ниж­нём её слое вследствие существования зональных областей высокого и низкого давления[5] возникают зоны господствующих ветров, направление которых не совпадает с западным переносом. Западные ветры у поверхности преобладают лишь в умеренных (средних) ши­ротах (между 65° и 25° - 30°). В полярных (высоких) широтах (выше 65°) господствуют ветры с восточной составляющей (В, СВ). В тропических широтах (от 25°—30° до эквато­ра) устойчивые северо-восточные (в северном полушарии) и юго-восточные (в южном по­лушарии) ветры умеренной скорости — пассаты.

44.Меридиональный перенос. Пассаты. Западный перенос воздушных масс.

Меридиональный перенос воздушных масс - обмен воздуха между низкими и высокими широтами Земли. Обмен осуществляется южными или северными составляющими общей циркуляции атмосферы.

Пассаты — самое сильное нарушение западного переноса втропосфере. Нанаправление пассатов влияют субтропические максимумы, вызывая их отклонения (рис. 47 и 48). Так как пассаты, перемещаясь к экватору, двигаются над Океаном с менее нагре­той на более нагретую поверхность, в них возникает сильная конвекция, развивающаяся лишь в нижнем слое. На высоте 1200 - 2000мв пассатах лежит слой инверсии толщиной несколько сотен метров. Причина пассатной инверсии — оседание воздуха, характерное для антициклонов. Инверсия мешает развитию конвекции, и поэтому в области пассатов осадков мало (или совсем нет). Пассаты противоположных полушарий, направляясь на­встречу друг другу, встречаются у экватора. В области сходимости пассатов возникают сильные восходящие токи воздуха, образуются мощные кучевые и кучево-дождевые обла­ка, выпадают обильные ливневые осадки.

ЗАПАДНЫЙ ПЕРЕНОС

— преобладание западных ветров в тропосфере и стратосфере умеренных широт

ПРЕОБЛАДАЮЩИЕ ЗАПАДНЫЕ ВЕТРЫ

западники, пояс западных ветров, вестерлиз, бравые весты — западные ветры, господствующие в умеренных широтах (35—65°) обоих полушарий Земли. С высотой зона П. з. в. расширяется, повторяемость их увеличивается. В верхней тропосфере и нижней стратосфере П. з. в. отмечаются на всех широтах, кроме узкой экваториальной зоны. Экваториальная часть зоны П. з. в. ограничена субтропическими антициклонами. Зона П. з. в.— это зона активной циклонической деятельности.

В открытом океане в южном полушарии севернее 60° ю. ш. западные ветры господствуют в течение всего года при средней скорости 7—13 м/с, нередко они достигают силы урагана, особенно в мае — октябре. Западные шквалы, обрушиваются на океан с подветренных берегов островов и образуют на поверхности океана широкие полосы пены. Устойчивость и частота западных ветров большой скорости послужила основанием для того, чтобы назвать эти широты ревущими сороковыми и воющими пятидесятыми..

45.. Центры действия атмосферы и муссоны. Тропические муссоны и муссо­ны умеренных широт.

Центры действия атмосферы - обширные области атмосферы с преобладанием антициклонов или циклонов; области высокого и низкого давления над океанами и материками, выявляемые на картах среднего многолетнего атмосферного давления в виде участков с повышенным или пониженным давлением воздуха.

Центры действия атмосферы определяют преобладающее направление ветров в системе общей циркуляции атмосферы. Центры действия атмосферы оказывают заметное влияние на распределение воздушных течений, а также на погоду и климат обширных регионов Земли. Различают постоянные и сезонные центры действия атмосферы.

В результате неравномерного нагревания и охлаждения материков и океанов возникают муссоны — устойчивые воздушные течения сезонного характера, меняющие своё направление от зимы к лету и от лета к зиме почти на противоположное[6]. В переходные сезоны — весной и осенью — устойчивость режима ветра нарушается. Муссоны возникают в пограничной зоне между материками и океанами. Зимой над восточной частью материков в умеренных широтах устанавливается высокое давление; над океанами в это время оно более низкое. Ветер (зимний муссон) дует с материка на Океан. Он приносит сухую, малооблачную погоду. Летом давление над материком ниже, чем над соседними частями океанов, и ветер (летний муссон) направляется с Океана на материк. С этим ветром на материке связана влажная, дождливая погода.

Направление муссона, как и всякого ветра, определяется барическим градиентом, от­клоняющей силой вращения Земли и трением. Зимой в умеренных широтах направление его в общем западное, летом — восточное.

Муссонное течение охватывает лишь самый нижний слой тропосферы. Воздушного противотечения («антимуссона») над муссонами нет.

Муссоны — проявление циклонической и антициклонической деятельности в атмосфере. Они н аблюдаются там, где циклоны и антициклоны обладают устойчивостью и резким сезонным преобладанием одних; над другими. Благодаря тому что зимние устойчивые антициклоны ж летние циклоны устанавливаются над восточными частями больших, участков суши, в умеренных широтах муссоны развиты по восточным окраинам материков. Область распределения муссонов не ограничена умеренными широтами. Они отчетливо выражены и в тропических широтах, особенно там, где сказывается влияние суши, расположенной по-соседству, но в более высоких широтах.

Причина возникновения тропических муссонов — сезонное смещение экваториаль­ной депрессии и субтропической области высокого давления (субтропических антицикло­нов) к северу — в июле и к югу — в январе. В июле экваториальная депрессия и субтро­пические антициклоны занимают крайнее северное положение. Область распространения-пассатов сдвигается к северу. В это время в полосе, примыкающей с юга к депрессии, ме­сто пассатов занимают ветры, близкие по направлению к противоположным: воздух направляется от экватора к сместившейся на север экваториальной депрессии. К январю, постепенно смещаясь на юг, экваториальная депрессия и субтропические антициклоны, занимают крайнее южное положение (при этом депрессия только местами заметно смеща­ется к югу от экватора). Пассаты в северном полушарии доходят до экватора, сменяя господствовавшие в приэкваториальной полосе в июле противоположные ветры. Таким образом возникает область смены ветров по сезонам на противоположные — области тро­пических (экваториальных) муссонов. Летний муссон дует от экватора и приносит влаж­ную, с осадками погоду. Зимний муссон — это пассат соответствующего полушария, и погода, связанная с ним, отличается отсутствием (или малым количеством) осадков. Там, где встречаются пассаты и противоположные им ветры, дующие от экватора, располагается-тропический фронт, непрерывно перемещающийся то к северу, то к югу (в зависимости от сезона).

Над Океаном, вне влияния суши, сезонные смещения экваториальной депрессии и субтропических об­ластей высокого давления невелики. Изменения давления в течение года над сушей значительно увеличивают масштабы этих смещений, и в результате область распространения тропических муссонов охватывает большие пространства. Классический пример — влияние Евразии и Африки на смещение областей давления в бассейне Индийского океана. Таким образом, распространение тропических муссонов непосредственно связано с рас­пределением материков-и океанов и их влиянием на циркуляцию атмосферы.

46. Климат и погода. Воздушные массы. Атмосферные и климатологические фронты.

В атмосфере происходят многообразные физические процессы, непрерывно изменяющие ее состояние. Физическое состояние атмосферы у земной поверхности и в нижних 30–40 км в данный момент времени называется погодой. Погода характеризуется метеорологическими величинами (температура, давление, влажность воздуха, ветер, облачность, атмосферные осадки) и атмосферными явлениями (гроза, туман, пыльная буря, метель и др.). Изменения погоды у земной поверхности влияют на очень многие области хозяйственной деятельности человека и особенно на сельское хозяйство. Погода в более высоких слоях влияет на работу авиации. Атмосферные процессы на разных высотах связаны между собой, поэтому для понимания причин изменения погоды у земной поверхности необходимо изучать всю толщу атмосферы, по крайней мере до 30–40 км.

В любом месте земли погода в разные годы меняется по-разному. Однако при всех различиях отдельных дней, месяцев и лет каждую местность можно характеризовать вполне определенным климатом. Как уже было сказано, локальным климатом называют совокупность атмосферных условий за многолетний период, присущую данной местности в зависимости от ее географической обстановки. Под географической обстановкой подразумевается не только положение местности, т.е. широта, долгота и высота над уровнем моря, но и характер земной поверхности, орография, почвенный покров и др. Атмосферные условия, определяющие климат каждого места, испытывают периодические изменения в годовом ходе – от зимы к лету и от лета к зиме. Кроме периодических изменений совокупность атмосферных условий несколько изменяется от года к году. Это так называемая межгодовая изменчивость атмосферных условий.

Фактические данные показывают, что до XX в. чередование атмосферных условий в конкретных районах в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен лет меняется лишь в самых ограниченных пределах, причем изменения часто носят характер колебаний. Величина многолетних колебаний оказывается значительно меньше межгодовой изменчивости атмосферных условий.

Таким образом, в естественных условиях в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен лет локальный климат обладает определенной устойчивостью. Поэтому он и является одной из физико-географических характеристик местности, одной из составляющих географического ландшафта. Климат связан с другими составляющими географического ландшафта благодаря существованию тесных зависимостей между атмосферными процессами и состоянием земной поверхности, включая и Мировой океан. Однако локальный климат устойчив, если географическое распределение климатов на земном шаре, определяемое состоянием глобальной климатической системы, сравнительно мало меняется. Главными задачами климатологии являются изучение глобальной климатической системы и прогноз возможных изменений глобального и локального климатов на ближайшее время и на далекую перспективу.

КЛИМАТ

Как ни изменчива погода, многолетние наблюдения позволяют установить в смене погод закономерную последовательность — определённый режим, типичный для данного места.

Состояние атмосферы, типичное для данного места и выражающееся в определенном режиме погоды, называется климатом.

Понятие «климат» не всегда трактовалось одинаково и не всеми одинаково трактуется в настоящее время.

Слово «климат» греческое и в переводе на русский язык означает «наклонение» (klima —наклон). Древние греки делили поверхность Земли в зависимости от угла падения на нее сол­нечных лучей (от наклона поверхности по отношению к лучам) и от продолжительности освещения (длины дня) на широтные пояса — «климаты» — климатические пояса. Позднее кли­матом называли температуру, свойственную различным климатическим поясам.

Длительное время под климатом понимали среднее состояние атмосферы. Климат характеризовался средними величинами значений метеорологических элементов, выве­денными на основании многолетних наблюдений за погодой. Вычислялись средние суточ­ные, средние месячные, средние годовые и средние многолетние значения температуры, количества осадков и т. д. Средние многолетние величины считались климатическими показателями (нормами климата). Кроме средних, вычислялись также крайние значения метеорологических элементов (наибольшие и наименьшие), определяющие пределы, в ко­торых возможны отклонения от среднего состояния. Все климатические показатели полу­чались путем подсчёта — статистическим методом. Этот метод долго оставался единственным в так называемой классической климатологии. Его применение позволило обработать очень большой материал метеорологических наблюдений, создать климатиче­ские справочники, атласы, сделало возможными сравнительные характеристики и класси­фикацию климатов. Статистический метод в климатологии не потерял практического зна­чения и в настоящее время. Статистический метод в климатологии не потерял практиче­ского значения и в настоящее время.

Однако механическое деление погоды на ряд метеорологических элементов мешало изу­чению реального состояния атмосферы. Сочетания отдельно вычисленных значений метеоро­логических элементов оказывались искусственными, крайне редко встречающимися в природе. Развитию климатологии способствовало применение нового, комплексного метода, предло­женного впервые Е. Е. Фёдоровым, основателем комплексной климатологии. Комплексная климатология рассматривает климат как многолетний режим погоды, проявляющийся в зако­номерной последовательности всех наблюдаемых в данной местности погод.

Сущность комплексного метода заключается в том, что климат характеризуется не отдель­но взятыми осредненными метеорологическими элементами, а комплексами этих элементов, от­ражающими реальную погоду в конкретный период времени, — комплексными типами погоды. Каждый комплексный тип характеризует погоду отдельных суток. Один и тот же тип погоды может повторяться в одном месте и может встречаться в разных районах.

Комплексных типов погоды очень много. Все они группируются в 16 классов и в 3 большие группы: 1) безморозные, 2) с переходом температуры воздуха через 0°С и 3) морозные. На каждые сутки заполняется специальная карточка погоды. Из таких карточек составляется каталог погод. Чем длиннее ряд лет, для которого составлен каталог, тем точнее характеристи­ка климата.

В комплексной климатологии применяется графическое изображение структуры климата в погодах. Графики хорошо передают особенности климата того или иного района. На рис. 69 по горизонтальной оси отложены месяцы, по вертикальной — повторяемость классов погоды. Графики структуры климата в погодах дополняются кривыми хода средних месячных темпера­тур и крайних температур воздуха, а также диаграммами годового хода осадков. Используются данные по радиационному и тепловому балансу. Для больших территорий составляются карты повторяемости различных классов погод. Комплексный метод имеет недостатки: типы погод выделяются по внешним признакам, графики структуры климата в погодах не отражают ди­намики процесса.

Одновременно с комплексной климатологией развивалась динамическая климатология, определяющая климат как закономерную последовательность метеорологических процессов. Синоптико-динамическийметод — метод динамической климатологии — позволяет с помо­щью синоптических карт раскрыть конкретные процессы, обусловливающие климат дан­ной местности.

Первостепенное значение в формировании климата придается движению воздушных масс, их трансформации, процессам, связанным с фронтами, с циклонами и антициклона­ми. Но синоптико-динамический метод не дает возможности получить числовые показате­ли, особенно важные для специалистов-практиков.

В настоящее время успешно разрабатывается комплексно-динамический метод, соче­тающий методы комплексной и динамической климатологии.

Атмосфе́ рный фронт (от. др.-греч. α τ μ ό ς — пар, σ φ α ῖ ρ α — шар и лат. frontis — лоб, передняя сторона), фронты тропосферные — переходная зона в тропосфере между смежными воздушными массами с разными физическими свойствами.

Атмосферный фронт возникает при сближении и встрече масс холодного и тёплого воздуха в нижних слоях атмосферы или во всей тропосфере, охватывая слой мощностью до нескольких километров, с образованием между ними наклонной поверхности раздела.

Различают:

· тёплые фронты,

· холодные фронты,

· фронты окклюзии,

· стационарные фронты.

Основными атмосферными фронтами являются:

· арктические,

· полярные,

· тропические.

· Климатологи́ ческие фронты́ — многолетние средние положения главных фронтов в разные сезоны. Их можно выявить на многолетних средних картах, подобно центрам действияатмосферы.

· Постоянное расчленение барического поля Земли на циклоны и антициклоны приводит к тому, что и воздух тропосферы всегда расчленяется на воздушные массы, разделённые фронтами.

· В действительности (а значит, на синоптических картах) положение и число фронтов могут резко отличаться от многолетнего среднего распределения. Фронты возникают, перемещаются и размываются в связи с циклонической деятельностью.