Общая циркуляция атмосферы

Общая циркуляция атмосферы

"Общая циркуляция атмосферы"

циркуляция атмосфера географический давление

Введение

В связи с сильной зависимостью человеческой деятельности от изменений погоды в течение последнего столетия практически во всех странах возникла национальная служба погоды, которая занимается наблюдением и изучение изменений погоды и составлением синоптических карт, сводок погоды и пр.

Смена дня и ночи, сезонов года вносит в погоду достаточно простые и регулярные изменения в виде суточного и годового хода метеорологических элементов. Но резкие и нерегулярные изменения, гораздо более характерные для погоды, являются результатом смены воздушных масс, прохождения разделяющих их фронтов, перемещения и эволюции циклонов и антициклонов. В отдельных широтах большее значение имеют не междусуточные изменения погоды, а долгосрочные ее проявления, такие как засуха, наводнения и т.д. Непрерывно происходящие изменения в состоянии погоды связаны в первую очередь с процессами общей циркуляции атмосферы.

Вышеизложенные положения обуславливают актуальность данной работы, формируя ее цель, которая состоит в теоретическом исследовании темы: «Общая циркуляция атмосферы» с изложением полученных результатов.

Для наиболее полного достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

-       дать общее понятие о масштабах атмосферных движений и общей циркуляции атмосферы;

-       рассмотреть составляющие общей циркуляции, и географическое распределение давления и ветра, центры действия атмосферы;

-       рассмотреть циркуляцию на различных широтах, типы атмосферных циркуляций;

1. Представление о масштабах атмосферных движений

Если окинуть взглядом Землю, то в каждый данный момент времени нам представится очень сложная система ветров и сложная картина распределения давления. В практике службы погоды картина распределения ветров и давления отражается на географических картах Северного и Южного полушарий, а также тропической зоны. Такие карты называются синоптическими. Они составляются как для атмосферных движений у поверхности Земли, так и в форме топографии изобарических поверхностей и ветра на них. Так как атмосфера находится в непрерывном движении, то системы ветров и распределение давления все время меняются. Эти изменения можно проследить, если рассматривать синоптические карты за последовательные сроки наблюдений, т.е. следить за изменением полей ветра и давления от карты к карте (например, за 00 и 12 ч Гринвичского времени). На них видны различные атмосферные образования. Среди них циклоны и антициклоны, которые непрерывно возникают, двигаются и разрушаются. Анализ атмосферных движений позволяет выделить следующие характерные масштабы движений:

-          Микрометеорологический масштаб;

-          Масштаб конвективных облаков;

-          Мезометеорологический масштаб;

-          Синоптический масштаб;

-          Глобальный масштаб;

В каждый данный момент времени в атмосфере существуют движения всех масштабов, накладывающиеся друг на друга. Именно этим определяется сложность атмосферной циркуляции. Однако, прослеживая из года в год развитие атмосферных процессов, можно отметить определенные устойчивые черты, проявляющиеся в полях ветра и давления. Лучше всего они выявляются с помощью статистического осреднения полей давления и ветра, при котором ежедневные возмущения сглаживаются, а остаются наиболее устойчивые особенности воздушных течений. Именно они и представляют общую циркуляцию атмосферы.

2. Общая циркуляция атмосферы

Общей циркуляцией атмосферы называют систему крупномасштабных воздушных течений на земном шаре, т.е. таких течений, которые по своим размерам сравнимы с материками и океанами.

ОЦА - результат взаимодействия многих факторов, из которых решающими являются:

·        неравномерность притока солнечной энергии на разных широтах и в разное время года;

·        вращение Земли и действие возникающих при этом инерционных сил;

·        неоднородность земной поверхности (например, наличие суши с различно ориентированными горными хребтами, плато, равнинами, морями и т.д.).

Самое первое элементарное представление об общей циркуляции атмосферы получают, рассматривая средние многолетние карты. Для ветра это обычно карты преобладающих направлений либо равнодействующих, для давления карты многолетнего среднего распределения давления за отдельные месяцы, сезоны и за год.

Рассматривая глобальное распределение давления (рис.1 и рис.2), можно заметить, что поля давления в тропиках и вне их сильно отличаются. Вне тропиков отчетливо выделяются следующие зоны:

зона I - область относительно высокого давления над полюсами;

зона II - пояс низкого давления в районе субполярных широт (60-65°);

зона III - умеренные широты, где непрерывно возникают, развиваются и исчезают движущиеся атмосферные возмущения - волны и вихри в форме циклонов и антициклонов;

зона IV - пояс высокого давления в субтропических широтах около 30-35° широты, объединяющий обширные, расположенные над океанами антициклоны; это так называемый пояс субтропических антициклонов.

На обращенной к экватору периферии субтропического пояса высокого давления в тропиках также можно выделить характерные зональные области в поле давления:

зона IV - те же самые крупномасштабные замкнутые области высокого давления в форме субтропических антициклонов, особенно над океанами, периферия которых распространяется до 25° широты;

зона V - где приземное давление уменьшается от субтропиков в направлении экватора;

зона VI - экваториальная ложбина, т.е. пояс низкого давления, который опоясывает весь земной шар и испытывает сезонные смещения, различные на разных долготах.

Описанные особенности в той или иной степени можно видеть на каждой синоптической карте, хотя они в значительной степени замаскированы подвижными циклонами и антициклонами. Даже на многолетних средних картах особенности в распределении давления носят отпечаток различного влияния суши и моря на циклоническую деятельность. Однако по величине и направлению средние градиенты давления между указанными выше зонами близки к меридиональным градиентам. В умеренных широтах они направлены от I и IV зон ко II зоне, а в тропиках - от IV к VI зоне.

Так как реальный ветер близок к геострофическому (градиентному), такие градиенты обусловливают преобладание восточных движений в полярных и тропических широтах и западных - в умеренных широтах.

Сопоставление среднего атмосферного давления на уровне моря зимой (рис.1 январь, рис.2 июль) и летом (рис.2 июль, рис.1 январь) 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 океаном, в то время как в Южном полушарии в полосе широт 40-60° ю.ш. - зональные изобары.

Как видно, такое 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 40-60° 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.

Рис.1. Распределение среднего атмосферного давления на уровне моря в январе (гПа)

Рис.2. Распределение среднего атмосферного давления на уровне моря в июле (гПа)

3. Квазигеострофичность течений общей циркуляции

Крупномасштабные течения общей циркуляции в большей части атмосферы являются квазигеострофическими. Это означает, что ветры, определяющие такие течения, близки к геострофическому ветру и, следовательно, в свободной атмосфере такие течения направлены почти по изобарам (изогипсам) (рис.3, рис.4). Только в слое трения воздушные течения существенно отличаются от геострофического ветра и значительно отклоняются от изобар. Однако приняв известный из опыта средний угол отклонения ветра от изобары, мы и в этом случае можем по полю давления восстановить поле ветра. Употребляя слово «квазигеострофические», мы тем самым подчеркиваем, что и над слоем трения воздушные течения не являются строго геострофическими.

Как правило, реальные крупномасштабные течения и в свободной атмосфере имеют ускорения, связанные с отклонением от геострофического ветра, и направлены не строго по изобарам, что и служит причиной изменения давления.

Рис.3. Средняя абсолютная высота (геопотенциальные декаметры) изобарической поверхности 300 гПа в декабре-феврале

Однако в свободной атмосфере эти отклонения реального ветра от геострофического малы в сравнении с величиной самого ветра.

Допущение о квазигеострофичности справедливо для умеренных широт. В экваториальном поясе условие геострофичности не выполняется ни у земной поверхности, ни в свободной атмосфере: отклоняющая сила вращения Земли на экваторе равна нулю, а в экваториальном поясе мала и не может уравновешивать силу барического градиента. Поэтому в экваториальной зоне ветер не может быть геострофическим.

Рис.4. Средняя абсолютная высота (геопотенциальные декаметры) изобарической поверхности 300 гПа в июне-августе

4. Зональность в распределении давления и ветра

Наиболее устойчивая особенность в распределении, как атмосферного давления, так и ветра над земным шаром - квазизональность этого распределения. Квазизональность циркуляции проявляется в преобладании широтных составляющих ветра (восточной или западной) над меридиональными составляющими (северной или южной) и в больших значениях широтных составляющих по сравнению с меридиональными.

Степень преобладания зональных составляющих над меридиональными может быть различной. Над тропическими океанами преобладание восточных составляющих в переносе воздуха в нижней части тропосферы выражено очень хорошо и легко различимо даже на отдельных синоптических картах, т.е. в отдельные дни. В общем, меридиональные составляющие в тропиках примерно в 10 раз меньше зональных. Хорошо выражено и преобладание западных ветров в умеренных широтах Южного полушария. В то же время во многих районах умеренных широт Северного полушария ветер часто и резко меняется по направлению и преобладание западного переноса можно подметить только из статистического анализа большого материала наблюдений. Есть, наконец, и такие районы (например, восток Азии), где преобладающие направления ветра в нижней тропосфере ближе к меридиональным, чем к зональным.

Причина зональности давления и ветра - зональность в распределении температуры и в динамических особенностях самого механизма общей циркуляции атмосферы.

5. Меридиальные составляющие общей циркуляции

Меридиональные составляющие переноса воздуха в общей циркуляции атмосферы, хотя они и меньше по сравнению с зональными, имеют очень большое значение. Именно они обусловливают обмен воздуха между различными широтами Земли.

Ежедневное распределение меридиональных движений на земном шаре очень сложное, поскольку оно связано с подвижными атмосферными возмущениями - циклонами и антициклонами. В самом деле, в каждом циклоне создается перенос воздуха к высоким широтам в передней части и к низким широтам в тыловой части, в антициклонах наоборот. Отсюда следует, что в каждый данный момент на одном и том же уровне под одним меридианом господствуют направленные на север меридиональные составляющие, а под другим меридианом - направленные на юг.

При осреднении составляющие, направленные по данному меридиану в разное время к северу и к югу, будут в некоторой степени взаимно погашаться. Поэтому средние многолетние меридиональные потоки будут меньше, чем в индивидуальных процессах, но зато они отразят преобладающие переносы. В общем, для всего земного шара в нижней тропосфере тропиков в среднем преобладает ветер, направленный к экватору, с максимальной скоростью зимой около 3 м/с. В верхней тропосфере тропиков преобладает направленная к полюсам составляющая с максимальной скоростью зимой около 2,5 м/с. В средней тропосфере, в слое от 750 до 350 гПа, меридиональный ветер очень слабый.

В умеренных широтах Северного полушария в нижней тропосфере преобладают южные составляющие, а в верхней тропосфере - северные, но их скорости весьма невелики. Такое распределение средних меридиональных составляющих ветра породило представление о существовании в каждом полушарии двух замкнутых колец циркуляции воздуха. В тропиках это кольцо циркуляции получило название ячейки Хэдли (Гадлея). Считалось, что существующий в тропиках в нижней части тропосферы перенос воздуха к экватору, его подъем в экваториальной зоне и обратный перенос в субтропические широты в верхней тропосфере, а там опускание воздуха вниз осуществляется в виде замкнутой циркуляции. В умеренных широтах это второе кольцо получило название ячейки Ферреля. Считалось, что существующий здесь в нижних слоях перенос воздуха от субтропических широт к полярным, его подъем в полярных широтах, обратный перенос к субтропическим широтам в верхних слоях и опускание в субтропических также происходят в виде замкнутой циркуляции. Такое представление оказалось слишком упрощенным.

В действительности замкнутых колец циркуляции не существует. Система меридиональных движений значительно более сложная и изменчивая. Во внетропических широтах обоих полушарий с их сильно развитой циклонической деятельностью воздух перемещается из одних широт в другие не в виде замкнутых циркуляций, а в системах меридиональных потоков, направление которых чередуется на каждом меридиане и на одном и том же уровне. Такая же смена потоков наблюдается и в верхней половине тропосферы в тропиках. Существовавшее ранее упрощенное представление о замкнутых меридиональных ячейках циркуляции возникло как результат статистического осреднения за продолжительный промежуток времени ежедневных систем меридиональных движений.

Переносы воздуха в нижних и верхних слоях атмосферы, совпадающие по направлению с ячейками Хэдли и Ферреля, в действительности существуют, но не в виде замкнутых колец циркуляции, а в форме развивающихся в тропосфере волн и вихрей.

6. Географическое распределение давления. Центры действия атмосферы

Чтобы получить представление о глобальном поле давления, рассмотрим карты многолетнего среднего распределения давления на уровне моря в январе и июле (см. рис.1, рис.2).

Зональные особенности в распределении давления можно легко заметить на этих картах. Однако влияние неравномерного распределения суши и моря приводит к тому, что в каждой зоне барическое поле распадается на отдельные ячейки, на отдельные области повышенного и пониженного давления с замкнутыми изобарами. Эти области носят название центров действия атмосферы. Одни из этих центров действия можно найти на климатологических картах всех месяцев года - их называют перманентными. Другие обнаруживаются на картах только зимних или только летних месяцев - их называют сезонными центрами действия.

Январь. На карте (рис.1) хорошо различается экваториальная ложбина с давлением ниже 1015 гПа, охватывающая всю экваториальную зону Земли. Внутри ложбины имеются три отдельные депрессии - области пониженного давления с замкнутыми изобарами: над Южной Америкой, Южной Африкой и Австралией с Индонезией. Давление в центрах депрессий ниже 1010 гПа. Области с наиболее низким давлением в экваториальной ложбине лежат в январе не на самом экваторе, а достаточно далеко от него: примерно под 15° ю.ш. над прогретыми (здесь лето!) материками Южного полушария.

По обе стороны от экваториальной ложбины обнаруживаются субтропические зоны высокого давления, которые состоят из нескольких антициклонов, называемых субтропическими. Особенно хорошо выражены субтропические антициклоны над всеми тремя океанами Южного полушария (с центрами под 30-35° ю.ш. и с давлением в центре выше 1020 гПа); над более теплыми, чем океаны, материками они заменяются пониженным давлением. В Северном полушарии субтропические антициклоны обнаруживаются над Атлантическим и Тихим океанами (замкнутые изобары 1020 гПа), где их центры также располагаются под 30-35° широты. Антициклон над северным Атлантическим океаном носит название Азорского, над северным Тихим океаном - Гонолульского или Гавайского.

Над Азией в субтропических и тропических широтах давление также повышенное. Однако здесь нет самостоятельного субтропического антициклона: Южная Азия занята южной периферией огромного Азиатского (Сибирского) зимнего антициклона с центром в Монголии.

В умеренных и субполярных широтах Южного полушария, к югу от субтропических антициклонов, находится почти сплошная зона низкого давления, в которой можно выделить несколько центров. В соответствующих широтах Северного полушария также обнаруживается низкое давление, однако, только над океанами; это две океанические депрессии: Исландская на севере Атлантического океана и Алеутская на севере Тихого океана с давлением в центре ниже 1000 гПа. Над материками Азии и Северной Америки они заменяются зимними антициклонами: Азиатским, о котором уже говорилось, и Канадским. В Азиатском антициклоне давление в центре выше 1035 гПа, в Канадском - выше 1020 гПа.

Июль. На карте (рис.2) видно, что экваториальная ложбина смещена к северу и самое низкое давление в ней уже не в Южном, а в Северном полушарии, где лето. Центры низкого давления особенно далеко сместились на север над нагретыми материками Северного полушария: они располагаются примерно на 30-й параллели, как в Азии, так и в Северной Америке. Эти части экваториальной ложбины, вышедшие над нагретыми материками даже за пределы тропиков, называются летними термическими депрессиями: Южноазиатской (Переднеазиатской) и Мексиканской.

Зоны высокого давления в субтропиках также различимы. В Южном полушарии, где в июле зима, субтропические антициклоны захватывают в субтропиках и тропиках не только три океана, но и материки, которые в это время холодные. Но в летнем Северном полушарии антициклоны остаются только над двумя океанами (причем они, как видно из карт, смещаются дальше на север и усиливаются). Над материками субтропических широт давление в противоположность январю, как мы видели, понижено. Оно остается пониженным и в более высоких широтах.

Таким образом, в умеренных и субполярных широтах Северного полушария океанические депрессии (гораздо менее глубокие, чем зимой) и депрессии над материками образуют непрерывную субполярную зону низкого давления вокруг всего полушария. На север от нее давление растет, но очень мало. В Южном полушарии в июле, как и в январе, различают зону низкого давления в субполярных широтах и антициклон над Антарктическим материком.

Зональность в распределении давления нарушается тем, что давление повышается над материками зимой и понижается летом. Зимой над материками высокое давление обнаруживается даже в умеренных и субполярных широтах, где оно вообще понижено. Летом над материками давление понижается в субтропических зонах, где оно вообще повышено.

Наличие центров действия на многолетних средних картах не должно приводить к заключению, что в тех или иных местах Земли круглый год или весь сезон располагается один и тот же устойчивый циклон или антициклон. В действительности циклоны и антициклоны в атмосфере достаточно быстро сменяются. Климатологические карты только позволяют заключить, что в одних местах Земли циклоны преобладают над антициклонами, и потому там, на картах получаются центры действия с пониженным давлением (как, например, на севере Атлантического океана - Исландская депрессия). В других местах антициклоны наблюдаются чаще, чем циклоны, и на картах в таких местах получаются центры действия с повышенным давлением (как Азорский антициклон в субтропиках Атлантического океана). На синоптических картах в тот или иной момент, например, над северным Атлантическим океаном можно одновременно наблюдать не один, а два отдельных субтропических антициклона, а над северным Тихим океаном - даже три.

Прежде полагали, что в полярных областях антициклоны держатся почти постоянно или настолько преобладают над циклонами, что на многолетних средних картах там должны быть достаточно сильные центры действия с высоким давлением - полярные антициклоны. Теперь известно, что в Арктике преобладание антициклонов над циклонами совсем невелико, и потому на многолетних средних картах Арктический антициклон обрисовывается очень слабо. И над Антарктидой антициклоны не обладают таким исключительным постоянством, как думали еще недавно. Но все же Антарктический антициклон в среднем выражен значительно лучше, чем антициклон Арктический. Особую сложность вносит большая высота самого материка Антарктиды над уровнем моря при очень низких приземных температурах воздуха над ледяной поверхностью. Приведение давления к уровню моря дает завышенные результаты, несравнимые со значениями давления на уровне моря для океана и низменности. Для того чтобы видеть, насколько давление над Антарктидой выше, чем над окружающим океаном, нужно составлять карты не для уровня моря, а для уровня 3-4 км, близкого к поверхности материка (для изобарической поверхности 700 гПа). Средние месячные карты для поверхности 700 гПа обнаруживают наличие антициклона над Восточной Антарктидой во все месяцы года.

7. Географическое распределение давления в свободной атмосфере

Для того чтобы получить представление о распределении давления во всей толще атмосферы, строят карты многолетней средней абсолютной топографии стандартных изобарических поверхностей: 900, 850, 700, 500, 300, 200 гПа и т.д. Для этого используют многолетние ряды наблюдений аэрологических станций всего земного шара. На многолетних средних картах барической топографии изобарических поверхностей (700, 500, 300 гПа и т.д.) видно, что с высотой становится все меньше замкнутых изогипс, обрисовывающих отдельные центры действия над материками и океанами, и распределение давления становится все более зональным (см. рис.3, рис.4). Это понятно, так как с высотой влияние суши и моря на температуру, а, следовательно, и на давление, ослабевает. В верхней тропосфере и нижней стратосфере абсолютные изогипсы на средних картах изобарических поверхностей огибают весь земной шар, конечно, не совпадая точно с широтными кругами. Как видно из карт, густота изогипс вдоль каждого меридиана различная.

Учитывая, что в свободной атмосфере ветер близок к геострофическому, карты показывают, что и зимой и летом в тропосфере умеренных и субтропических широт обоих полушарий в общем, господствуют западные воздушные течения. Однако зимой в Северном полушарии отчетливо выделяются три волны с гребнями над востоком Атлантического и Тихого океанов и над Уральским хребтом и с ложбинами у восточных берегов Северной Америки и Азии и над Восточной Европой, наложенные на общий западный поток. В Южном полушарии в тропосфере (см. рис.3, рис.4) изогипсы проходят более зонально, хотя и там можно заметить три волны, правда, с очень маленькой амплитудой. Неодинаковое сгущение изогипс в субтропических широтах и в широтном поясе 50-60° - отражение субтропического струйного течения и планетарной высотной фронтальной зоны полярного фронта.

Анализ карт (рис.3, рис.4) показывает, что высота изобарической поверхности 300 гПа (как, впрочем, и всех других изобарических поверхностей в тропосфере) повышается к экватору. Зимой на поверхности 300 гПа пояс высокого давления с отдельными антициклонами вдоль 10°с. и ю.ш. охватывает всю тропическую зону. Летом на поверхности 300 гПа в полосе высокого давления в широтном поясе 5-25° Северного полушария формируются отдельные антициклоны над материками (см. рис.4). Если вспомнить, что у Земли летом над Центральной Америкой, Северной Африкой и Южной Азией находятся термические депрессии, то станет ясно, что эти антициклоны существуют только в верхней половине тропосферы, т.е. они высотные. И хотя в депрессиях существует недостаток массы по сравнению с окружающими районами, в верхней тропосфере изобарические поверхности образуют антициклональные купола благодаря очень высоким средним температурам слоя 1000-300 гПа.

Итак, наиболее высокое давление в свободной атмосфере наблюдается около 10° с. и ю.ш., наиболее низкое - над полярными районами.

Правда, зимой в Северном полушарии самое низкое давление смещено от полюса к особенно холодным северо-восточным частям Азии и Северной Америки.

В слоях выше 20 км летом распределение давления коренным образом меняется в связи с изменением меридионального распределения температуры. Над полюсом давление становится повышенным, т.е. околополюсная депрессия заменяется антициклоном. Поэтому в летнем полушарии в стратосфере выше 20 км господствуют восточные воздушные течения. В зимнем полушарии давление над полюсом самое низкое, и здесь расположен центр околополюсной депрессии. Поэтому западные воздушные течения господствуют и в стратосфере, приобретая особенно большие скорости на границе полярной ночи.

8. Средняя величина давления для земного шара и полушарий

Среднее значение атмосферного давления на уровне моря для всего земного шара, определенное из многолетних средних карт, близко к 1013 гПа, а на уровне местности (учитывая возвышение материков над уровнем моря) - близко к 982 гПа. Из данных рис.5 видно, что среднее значение давления над каждым полушарием понижается от зимнего полугодия к летнему.

Рис.5. Годовой ход среднего давления воздуха в Северном полушарии (1), в экваториальной зоне между 2,5° ю.ш. (2) и в Южном полушарии (3)

От января к июлю оно понижается над Северным полушарием на несколько гектопаскалей и повышается в Южном полушарии. Атмосферное давление равно весу столба воздуха и, следовательно, пропорционально массе воздуха. Это значит, что из летнего полушария какая-то масса воздуха оттекает в зимнее полушарие, т.е. происходит сезонный обмен воздуха между полушариями. За год из Северного полушария в Южное и обратно переносится 1013 т воздуха, что составляет примерно 1/500 часть всей массы атмосферы.

9. Преобладающие направления ветра

Поскольку существуют центры действия, постольку распределение ветра даже на многолетних средних картах отклоняется от зонального. На картах (рис.6, рис.7) представлены по многолетним данным преобладающие направления ветра у земной поверхности в январе и июле. Оперение стрелок указывает на степень повторяемости данного направления в данном месте: каждое перо означает 10% повторяемости. Представленное климатическое распределение ветра дает, конечно, очень упрощенную картину, поскольку число точек, для которых даны направления ветра, невелико. Из рассмотренного ясно, что климатологическое распределение много проще, чем реальные распределения в отдельные дни. Но им можно воспользоваться для первоначальной ориентировки в воздушных течениях общей циркуляции атмосферы.

На картах показано и многолетнее среднее распределение давления на уровне моря, чтобы можно было сопоставить его с распределением ветра. Это распределение давления несколько отличается в деталях от распределения на картах (рис.6, рис.7).

На картах прежде всего хорошо различимы обладающие высокой повторяемостью северо-восточные и юго-восточные ветры в тропиках над Атлантическим, Тихим и южным Индийским океанами. Это пассаты, у земной поверхности отклоняющиеся от восточного направления изобар субтропических антициклонов.

Затем выделяются ветры западной четверти над океанами в сороковых-шестидесятых широтах Южного полушария. Это самая устойчивая часть западного переноса в умеренных широтах. В северном полушарии преобладание ветров западной четверти постоянно выражено в умеренных широтах только над океанами; над материками режим ветра изменчивее и сложнее, хотя ветры западной половины горизонта преобладают над восточными.

Восточные ветры высоких широт отмечены на картах лишь по окраинам Антарктиды; по новейшим данным можно было бы представить их более отчетливо. Наконец, на юге, востоке и севере Азии и в некоторых других районах видно резкое изменение направления преобладающих ветров от января к июлю. Это районы муссонов.

Подробнее о воздушных течениях в разных широтах и областях Земли будет сказано ниже.

В более высоких слоях тропосферы и нижней стратосфере распределение ветра ближе к зональному, чем у земной поверхности. Климатологические карты ветра на высотах не приводятся, однако судить о распределении ветра в тропосфере можно по картам барической топографии (см. рис.6, рис.7).

Как мы уже говорили, ветры в свободной атмосфере дуют почти по изобарам или по изогипсам абсолютной барической топографии, оставляя низкое давление в Северном полушарии слева, а в Южном - справа.

Рис.6. Преобладающие направления ветра в январе: каждое перо на стрелке означает 10% повторяемости ветра данного направления

Рис.7. Преобладающие направления ветра в июле: каждое перо на стрелке означает 10% повторяемости ветра данного направления

10. Циркуляция в тропиках

Метеорологическая граница тропической зоны. 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 (см. рис.1, рис.2).

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 тропической тропопаузы и тропопаузы умеренных широт на каждом меридиане в соответствующем месяце или сезоне. Определенная таким образом граница зимой лежит около 28±3° с.ш. в Северном полушарии и около 32±3° ю.ш. в Южном полушарии, а летом - около 35+5° с.ш. и 35±3° 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.

11. Внетропическая циркуляция

Когда речь идет о внетропической циркуляции, имеется в виду главным образом циркуляция в умеренных широтах. Если взять в целом области земного шара вне тропиков, то обнаружим, что здесь всегда имеются районы, занятые арктическим (в Южном полушарии антарктическим) воздухом, образующим арктическую (антарктическую) воздушную массу (АВ). Очагом ее формирования является Арктика (Антарктика). Естественно, большая часть средних широт занята воздушной массой умеренных широт (так называемая умеренная или полярная воздушная масса - УВ). Как это видно из названия, умеренная воздушная масса формируется именно в умеренных широтах. На юге, в субтропических широтах, всегда присутствуют тропические воздушные массы (ТВ), либо здесь формирующиеся, либо принесенные из тропиков. Все воздушные массы существуют круглый год, хотя границы очагов их формирования испытывают сезонные смещения: летом к полюсам, зимой в направлении к тропикам.

Воздушные массы различаются по температуре, влажности и другим свойствам не только у земли, но и в свободной атмосфере, включая, как мы видели, высоту и температуру тропопаузы. Воздушные массы отделяются друг от друга узкими зонами перехода, называемыми главными фронтами: арктический воздух отделяется от воздуха умеренных широт арктическим фронтом (АФ), воздух умеренных широт отделяется от тропического воздуха полярным фронтом (ПФ), иногда называемым фронтом умеренных широт. Наиболее резко контраст метеорологических величин на АФ и ПФ заметен у Земли. Здесь же ширина зоны перехода от одной воздушной массы к другой составляет 10-20 км. Поэтому у земли фронты изображаются фронтальными линиями. С высотой в свободной атмосфере области перехода от одной воздушной массы к другой расширяются и превращаются во фронтальные зоны.

Существующий всегда в свободной атмосфере меридиональный контраст температуры (меридиональный градиент температуры) между экватором и полюсами складывается в основном именно из температурных градиентов во фронтальных зонах главных атмосферных фронтов. Поскольку границы между воздушными массами охватывают все полушарие, то и фронтальные зоны главных атмосферных фронтов имеют планетарный характер. Поэтому такие фронтальные зоны называются планетарными высотными фронтальными зонами (ПВФЗ). Большие величины температурных градиентов на главных фронтах и, следовательно, во фронтальных зонах определяют большие значения термического ветра. Поэтому в области главных фронтов скорость ветра очень сильно растет с высотой, и к ним приурочены струйные течения, являющиеся составной частью ПВФЗ. Барический градиент в умеренных широтах в общем направлен к полюсам, так же направлен и температурный градиент. Следовательно, в силу квазигеострофичности воздушных течений в зоне умеренных широт преобладают западные воздушные течения или, как часто говорят, западный перенос воздушных масс. Скорость западного переноса возрастает с высотой до тропопаузы, и только после изменения направления температурного градиента в стратосфере на обратное (от полюсов к экватору) скорость ветра с высотой убывает.

Западный перенос в тропосфере умеренных широт неустойчив; в нем постоянно образуются волнообразные движения, так называемые волны Росби, длина которых порядка 5000 км.

Воздушные массы, разделяющие их фронты и, следовательно, фронтальные зоны в свободной атмосфере не остаются неподвижными: различия в температурах воздушных масс являются причиной существования горизонтальных градиентов давления, под действием которых воздушные массы и разделяющие их фронты непрерывно перемещаются.

При определенных контрастах температур и разности скоростей ветра по обе стороны от фронта на нем возникают неустойчивые фронтальные волны, амплитуда которых растет со временем. Такие неустойчивые волны дают начало циклонам и антициклонам. Основной особенностью атмосферной циркуляции во внетропических широтах и является постоянное возникновение, развитие, перемещение, а затем разрушение крупномасштабных атмосферных возмущений - циклонов и антициклонов, называемое циклонической деятельностью. Таким образом, все воздушные течения синоптического масштаба связаны во внетропических широтах с циклонической деятельностью.

12. Типы атмосферной циркуляции во внетропических широтах

В зависимости от непериодически меняющихся особенностей циклонической деятельности в каждом сезоне года можно различать во внетропических широтах разные типы атмосферной циркуляции, которые можно выделить как для определенных секторов земного шара, так и для целого полушария. Не останавливаясь на многочисленных работах в этом направлении, укажем здесь только на самое основное разделение: на зональный (широтный) и меридиональный типы циркуляции.

При зональном типе циркуляции (рис. 8) над значительной частью полушария или даже над всем полушарием господствует хорошо выраженный западный перенос воздуха. Это значит, что в крупномасштабном распределении давления высокое давление занимает низкие широты, а низкое - высокие широты. Общий перенос воздуха происходит с запада на восток; в этом же направлении достаточно быстро перемещаются и подвижные циклоны и антициклоны. На высотных картах барической топографии изогипсы в этом типе циркуляции в общем имеют зональное направление. Они обнаруживают волнообразные колебания соответственно прохождению подвижных циклонов и антициклонов у земной поверхности. Волны давления также перемещаются с запада на восток, и амплитуды их сравнительно невелики. Вторжения холодного воздуха в низкие широты в тыловых частях циклонов непродолжительные и не проникают далеко, поэтому междуширотный обмен теплом ослаблен.

При меридиональном типе циркуляции (рис. 9) во внетропических широтах имеются интенсивные высокие и малоподвижные циклоны и антициклоны, расположенные бок о бок. Это описанные выше холодные центральные циклоны и теплые блокирующие антициклоны. Они захватывают всю тропосферу и часто нижнюю стратосферу, поэтому западный перенос воздуха в тропосфере нарушается.

В верхней тропосфере на картах барической топографии в этом типе циркуляции видны малоподвижные волны давления с большой амплитудой; изогипсы образуют хорошо выраженные обширные ложбины, простирающиеся в низкие широты, и гребни, простирающиеся в высокие широты. Поэтому даже в высоких слоях тропосферы воздушные течения приобретают большие меридиональные составляющие.

В передних частях центральных циклонов и в тыловых частях блокирующих антициклонов устанавливаются мощные воздушные течения, направленные из низких широт в высокие, а в тыловых частях центральных циклонов и в передних частях блокирующих антициклонов - из высоких широт в низкие. Обмен воздухом и теплом между высокими и низкими широтами Земли происходит в этом типе интенсивнее, чем в зональном.

Зональный тип циркуляции в Европе связан с адвекцией воздуха с Атлантического океана и, следовательно, с теплой погодой зимой и прохладным летом и с циклоническими осадками в северной половине Европы. Меридиональный тип связан с глубокими проникновениями холодных масс арктического воздуха к югу и теплых масс воздуха из субтропиков в высокие широты.

Рис. 8. Пример зонального типа циркуляции на карте абсолютной топографии поверхности 500 гПа

Рис. 9. Пример меридионального типа циркуляции на карте абсолютной топографии поверхности 500 гПа

Каждый из описанных типов циркуляции обычно господствует над более или менее значительной частью полушария, иногда почти над всем полушарием. Вследствие особенностей механизма циклонической деятельности оба типа могут переходить один в другой, т.е. в течение года несколько раз сменяться.

В Южном полушарии широтный тип циркуляции наблюдается чаще и в большей степени преобладает над меридиональным типом, чем в Северном полушарии. Это объясняется более однородной океанической подстилающей поверхностью Южного полушария.

Как зональный, так и меридиональный типы циркуляции проявляются с разной степенью интенсивности в разных секторах Земли. Для числового выражения зональности или меридиональности циркуляции применяются различные цифровые показатели, так называемые индексы циркуляции. Простейший из них - это разность значений давления между двумя широтами, например 30-й и 60-й (осредненных по отрезкам широтных кругов). Чем больше разность, тем больше средний меридиональный барический градиент между указанными широтами и тем больше интенсивность зонального переноса воздуха. Можно взять в качестве зонального индекса непосредственно среднее значение зональной составляющей геострофического ветра.

13. Местные ветры

Под местными ветрами понимают ветры, характерные только для определенных географических районов. Происхождение их различно.

Во-первых, местные ветры могут быть проявлением местных циркуляций, возникающих в системе общей циркуляции атмосферы при слабых крупномасштабных воздушных течениях. Таковы, например, бризы по берегам морей и больших озер. Различия в нагревании суши и воды днем и ночью создают вдоль береговой линии при слабых воздушных течениях общей циркуляции местную циркуляцию. При этом в приземных слоях атмосферы ветер дует днем с моря на более нагретую сушу, а ночью - с охлажденной суши на море.

Во-вторых, местные ветры могут представлять собой местные изменения (возмущения) течений общей циркуляции атмосферы под влиянием орографии или топографии местности. Таков, например, фён - теплый ветер, дующий по горным склонам в долины и возникающий, когда течение общей циркуляции переваливает через горный хребет. Повышение температуры воздуха при фёне, связанное с нисходящим движением, является следствием именно влияния хребта на общециркуляционное течение. Влиянием орографии объясняется и бора с различными ее разновидностями.

Рельеф местности может создавать также усиление ветров в некоторых районах до скоростей, значительно превышающих скорости в соседних районах. Примером служат ветры горных проходов, ущелий и горловинные ветры, возникающие при орографических сужениях в устье долин. Такие локально усиленные ветры того или иного направления известны в разных районах под разными названиями как местные ветры. Иногда особые свойства придает местному ветру прохождение воздуха над сильно нагретой и сухой поверхностью, например над пустыней или над сильно испаряющей (водной) поверхностью.

В-третьих, местными ветрами называют и такие сильные или обладающие особыми свойствами ветры в некотором районе, которые, по существу, являются течениями общей циркуляции. Интенсивность их проявления и их характерность для данного географического района являются следствием самого механизма общей циркуляции, самого географического распределения синоптических процессов. В этом значении называют местным ветром, например, сирокко на Средиземном море.

Кроме сирокко известны многочисленные местные ветры в различных местах Земли, носящие особые названия, такие как самум, хамсин, афганец и пр. Упоминания о таких ветрах можно найти в физико-географических или климатических характеристиках отдельных местностей.

14. Роль серии циклонов в междуширотном обмене воздуха

Как указывалось выше, циклоны на главных фронтах (полярном или арктическом) обычно возникают сериями; вслед за первым циклоном на его холодном фронте возникает второй циклон, а на холодном фронте второго циклона в свою очередь возникает следующий. Таким образом, на главном фронте обычно развиваются три циклона, а иногда и больше. Каждый циклон серии перемещается в высокие широты, и одновременно вся серия смещается в более низкие широты, обычно на юго-восток, так что траектория каждого следующего центра проходит южнее траектории предыдущего. При этом воздушные массы и разделяющий их фронт далеко уходят от первоначального положения и больше к нему не возвращаются. В тылу каждого циклона серии холодный умеренный воздух проникает все дальше в низкие широты. А заключительный антициклон дает уже мощное вторжение умеренного воздуха в субтропики. По мере продвижения умеренного воздуха в более низкие широты он прогревается от земной поверхности, а в свободной атмосфере - благодаря нисходящим движениям в антициклоне. Эти два процесса - нагревание от земной поверхности и адиабатическое нагревание в антициклоне - приводят к тому, что умеренный воздух постепенно трансформируется и в конце концов приобретает свойства тропического воздуха, т.е. становится тропической воздушной массой. Сам же заключительный антициклон становится высоким и теплым субтропическим антициклоном.

В то же время тропический воздух, составляющий теплые сектора циклонов циклонической серии, продвигается в высокие широты. Правда, у земной поверхности он в теплых секторах не проникает далеко к полюсу, так как каждый циклон серии окклюдируется. В процессе окклюзии циклонов теплый воздух оттесняется от земной поверхности в верхнюю тропосферу и уже там продолжает движение к высоким широтам. Особенно далеко он проникает в передней части центрального циклона. При этом теплый воздух за счет адиабатического подъема и излучения в конце концов трансформируется в умеренный воздух.

Таким образом, в результате развития циклонической серии при посредстве циклонов и антициклонов происходит обмен воздухом между низкими и высокими широтами Земли.

Заключение

В результате мы можем сделать следующие выводы:

Общей циркуляцией атмосферы называют систему крупномасштабных воздушных течений на земном шаре, т.е. таких течений, которые по своим размерам сравнимы с материками и океанами. В каждый данный момент времени в атмосфере существуют движения всех масштабов, накладывающиеся друг на друга. Наиболее устойчивые особенности воздушных течений и представляют общую циркуляцию атмосферы.

Эти воздушные течения возникает вследствие неравномерного нагревания атмосферы, что приводит к обмену воздуха между различными широтами и областями Земли. ОЦА осуществляется в форме циклонической деятельности, т.е. с помощью атмосферных возмущений - циклонов и антициклонов. Под влиянием радиационных условий и циклонической деятельности происходит расчленение атмосферы (тропосферы) в горизонтальном направлении на отдельные воздушные массы с резко разграничивающими их переходными зонами - фронтами. Образование последних в свою очередь поддерживает циклоническую деятельность.

Список используемой литературы

1.       Авиационная метеорология: Учеб. пособие/П.Д. Астапенко, А.М. Баранов, И.М. Шварев и др. - М.: Транспорт, 1979, 263с.

2.       Авиационная метеорология. Яковлев А.М. Изд-во «Транспорт», 1971г.-248с.

3.       Метеорология и климатология: учебник.- 7-е изд./ Хромов С. П., Петросянц М. А. - М.: Изд-во Моск. ун-та: Наука, 2006.-582с.

4.       Курс лекций по синоптической метеорологии Ч.1. Дашко Н.А., 2005, 38с.

5.       Конспект лекций по дисциплине «Авиационная метеорология». И.А.Кислицына, Некоммерческое образовательное учреждение «Корпоративный центр подготовки персонала - Институт аэронавигации», 2008, 49с.

6.       Воробьев В.И. Синоптическая метеорология.-Л.:Гидрометеоиздат, 1994.- 716 с.

7. Погосян Х. П., «Общая циркуляция атмосферы», Л., 1972, 394 с.;