Факторы, влияющие на циркуляцию атмосферы

• мелкомасштабные.

Воздушные движения и их взаимодействие вносят вклад в общую циркуляцию атмосферы. На движения планетарного масштаба накладываются воздушные течения (ветра). Вихревые движения – циклоны и антициклоны, постоянно возникающие в атмосфере Земли, делают эту систему особенно сложной. Атмосфера является чрезвычайно подвижной системой, в которой постоянно формируются и разрушаются вихри различных пространственно-временных масштабов. Некоторые из них сравнительно устойчивы, а другие постоянно изменяются в пространстве и во времени.

 

 

 

1.2. Циркуляция атмосферы: причины, виды, основные пояса ветров в атмосфере.

Циркуляция атмосферы - система замкнутых течений воздушных масс, проявляющихся в масштабах полушарий или всего земного шара. Подобные течения приводят к переносу вещества и энергии в атмосфере, как в широтном, так и в меридиональном направлениях, из-за чего являются важнейшим климатообразующим процессом, влияя на погоду в любом месте планеты.

Простейшая схема глобальной циркуляции атмосферы была составлена более 200 лет. Ее основные положения не потеряли своего значения до сих пор.

«Машина планеты» описывается в одной старинной книге так: «Экватор, словно горячий паровой котел. Белые шапки полюсов – там холодильники. А топка – это Солнце. Лучистое солнечное тепло нагревает котел – воздух экватора. Нагретый воздух поднимается и течет к холодильникам, там остывает и, опускаясь, течет понизу к экватору. Так над Землей вращается огромное воздушное колесо, которое приводит в ход Солнце». Это первое кольцо планетарной циркуляции.

Но вращение земли отклоняет эти движущиеся массы в северном полушарии вправо, и влево – в южном. Вот воздух уже стремится не на север, а на северо-восток и где-то на расстоянии 30 градусов от экватора идет уже не по меридиану, а по широте с запада на восток. Накопление воздуха в районе 30 градуса широты приводит к образованию пояса повышенного давления над поверхностью Земли. От этого пояса воздух растекается в обе стороны, подвергаясь действию отклоняющей силы вращения Земли (силы Кориолиса). Одни воздушные массы, охлаждаясь, поворачивают назад – к экватору и имеют северо-восточное направление (их называют пассатами) и замыкают второе кольцо циркуляции атмосферы – кольцо пассатов.

Другие массы идут дальше на север, но сила Кориолиса отклоняет их вправо, здесь образуется система юго-западных ветров, преобладающих в умеренных широтах. А у полюса воздух, охлаждаясь, опускается вниз и растекается к югу. Причем ветер приобретает направление с востока на запад. При встрече с воздухом умеренных широт происходит подъем этих воздушных масс. Так замыкается третье кольцо.

 
Рис. 3 СХЕМА ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ. (http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_colier/1052/МЕТЕОРОЛОГИЯ)

А на Земле есть еще различная подстилающая поверхность - материки и океаны. Каждый материк летом очень быстро нагревается, а зимой выхолаживается. Значит в "машине планеты" есть и другие котлы и холодильники, которые работают по-разному в каждом сезоне. Зимой материк - холодильник, а океан - котел, летом наоборот. Так в сложный круговорот воздуха вливается еще и колесо муссонов, которое летом вращается в одну сторону, а зимой в другую. 

Воздух, поднимающийся вблизи экватора и направляющийся к полюсам, отклоняется под воздействием силы Кориолиса. Рассмотрим этот процесс на примере Северного полушария (то же самое происходит и в Южном). При движении к полюсу воздух отклоняется к востоку, и оказывается, что он поступает с запада. Таким образом, формируются западные ветры. Часть этого воздуха охлаждается при расширении и излучении тепла, опускается и течет в обратном направлении, к экватору, отклоняясь вправо и образуя северо-восточный пассат. Часть воздуха, которая движется к полюсу, в умеренных широтах формирует западный перенос. Воздух, опускающийся в полярной области, движется к экватору и, отклоняясь к западу, в полярных областях формирует восточный перенос. Это лишь принципиальная схема циркуляции атмосферы, постоянной составляющей которой являются пассаты.

Ветровые поясы. Под воздействием вращения Земли в нижних слоях атмосферы формируются несколько основных ветровых поясов (см. рис.)

 
Рис. 4 Глобальная схема циркуляции атмосферы Земли

( http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_colier/1052/МЕТЕОРОЛОГИЯ)

Экваториальная штилевая зона, расположенная вблизи экватора, характеризуется слабыми ветрами, связанными с зоной конвергенции (т.е. схождения потоков воздуха) устойчивых юго-восточных пассатов Южного полушария и северо-восточных пассатов Северного полушария, что создавало неблагоприятные условия для движения парусных судов. При сходящихся воздушных потоках в этом районе воздух должен либо подниматься, либо опускаться. Поскольку поверхность суши или океана препятствует его опусканию, в нижних слоях атмосферы неизбежно возникают интенсивные восходящие движения воздуха, чему способствует также сильное прогревание воздуха снизу. Поднимающийся воздух остывает, и его влагоемкость понижается. Поэтому для этой зоны характерны плотная облачность и частые осадки. Конские широты - области с очень слабыми ветрами, располагающиеся между 30 и 35° с.ш. и ю.ш. Вероятно, это название восходит к эпохе парусного флота, когда суда, пересекавшие Атлантику, часто попадали в штиль или задерживались в пути из-за слабых переменных ветров. Тем временем запасы воды истощались, и команды судов, перевозивших лошадей в Вест-Индию, были вынуждены выбрасывать их за борт. Конские широты расположены между областями пассатов и преобладающего западного переноса (находящимися ближе к полюсам) и являются зонами дивергенции (т.е. расхождения) ветров в приземном слое воздуха. В целом в их пределах преобладают нисходящие движения воздуха. Опускание воздушных масс сопровождается прогреванием воздуха и увеличением его влагоемкости, поэтому для этих зон характерны небольшая облачность и незначительное количество осадков. Субполярная зона циклонов расположена между 50 и 55° с.ш. Она характеризуется штормовыми ветрами переменных направлений, связанными с прохождением циклонов. Это зона конвергенции преобладающих в умеренных широтах западных и характерных для полярных районов восточных ветров. Как и в экваториальной зоне конвергенции, здесь преобладают восходящие движения воздуха, плотная облачность и выпадение осадков на больших площадях. 
Изменчивость погоды общеизвестна и ее капризы ежедневно подтверждаются синоптическими картами и сводками погоды, которые появляются в интернете, газетах и демонстрируются по телевидению. Если же нанести на карты средние за один сезон или даже за целый год значения ветра, температуры и других метеорологических элементов, то более недолговечные характеристики, такие, как движущиеся циклоны или антициклоны, будут отфильтрованы и выявятся более простые и яркие характеристики ветров. На такой карте можно найти обширные области, в которых атмосфера ведет себя совершенно определенно. Рассмотрим основные области распределения давления, характеризующие атмосферную циркуляцию. Вблизи экватора виден пояс низкого давления, в котором большую часть года преобладают штиль или слабые ветры, - эту зону во времена парусного флота мореплаватели называли экваториальной зоной затишья. В период равноденствия (когда Солнце в полдень стоит вертикально над экватором) здесь обычно бывают грозовые шквалы. Эти шквалы формируются в межтропической зоне конвергенции (или на своеобразном тропическом фронте), где сходятся пассаты двух полушарий. Межтропическая зона конвергенции в зависимости от положения Солнца в разные сезоны года перемещается из северного полушария в южное и обратно (можно заметить, что над сушей она движется несколько быстрее, чем над морем). С обеих сторон эту зону окаймляют области высокого давления, известные под названием конских широт. Ветры, движущиеся от этих областей в сторону экватора, и есть пассаты, имеющие в северном полушарии северо-восточное направление, а в южном - юго-восточное. Эти направления ветров постоянны только в Атлантическом океане, где не сказывается влияние муссонов Юго-Восточной Азии. Севернее и южнее конских широт, т. е. между 35 и 60°, в обоих полушариях давление понижается по направлению к полюсам. В этих зонах преобладают западные ветры от поверхности земли до нижней стратосферы. В приземном слое они более изменчивы, чем пассаты, особенно в северном полушарии, где в этих широтах сильно развита циклоническая деятельность. Наконец, в очень высоких широтах, около полюсов, лежит небольшая область высокого давления, из которой ветры направлены к умеренным широтам.

Эта простая схема ветров в приземном слое существенно изменяется от сезона к сезону и зависит от неравномерного нагревания суши и моря солнцем - средний ветер меняет свое направление, интенсивность и даже характер. Например, в умеренных широтах циклоны чаще возникают зимой и движутся по направлению к экватору. Наоборот, субтропические антициклоны становятся особенно мощными летом и движутся по направлению к полюсам. Над континентами летом температура повышается, а атмосферное давление падает, тогда, как зимой имеет место обратное явление. Более четко давление и ветер изменяются при переходе от зимы к лету над Восточной Азией.

Характер ветра нарушают также горные хребты, особенно Скалистые горы, Анды и нагорье Тибет. Эти горные области способствуют превращению высотных западных ветров в серии волн в умеренных широтах. Эти волны, связанные с положением и формой основных высотных антициклонов и семейств циклонов вблизи поверхности земли, вероятно, ответственны в какой-то мере за сезонные изменения давления над континентами и морями.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2. Факторы, влияющие на циркуляцию атмосферы.

2.1 Атмосферные фронты

Атмосферные фронты - переходные зоны или поверхности раздела между различными по свойствам воздушными массами, как правило, характеризующиеся относительно повышенными значениями горизонтальных градиентов температуры воздуха и давления, а также особенностями в полях ветра и влажности воздуха. С атмосферными фронтами связаны наиболее сложные условия погоды, опасные и особо опасные явления.

Рис.5Атмосферный фронт. (http://www.google.ru/imgres?q=циклон+и+антициклон+фото)

Атмосферные фронты разделены на группы в зависимости от различных условий и признаков:

а) по их перемещению относительно расположения разделяемых фронтами воздушных масс:

• теплые
• холодные
• малоподвижные
• фронты окклюзии (теплые, холодные и нейтральные).

б) по пространственной (вертикальной и горизонтальной) протяженности и циркуляционной значимости:

• основные (тропосферные, высокие)
• вторичные (приземные, низкие)
• верхние

в) по географическим признакам:

• арктические
• полярные (фронты умеренных широт).
• внутритропическая зона конвергенции (ВЗК) (тропический фронт)

С фронтами связаны особые явления погоды. Восходящие движения воздуха в зонах фронтов приводят к образованию обширных облачных систем, из которых выпадают осадки на больших площадях. Огромные атмосферные волны, возникающие в воздушных массах по обе стороны от фронта, приводят к образованию атмосферных возмущений вихревого характера – циклонов и антициклонов, определяющих режим ветра и других элементов погоды.

Как и для любой контактной, граничащей поверхности, для линии атмосферного фронта характерны бурные, активные процессы перемешивания атмосферы, формирования атмосферных вихрей, развития конвективного подъема воздуха.

По линиям арктического и особенно полярного фронтов происходит формирование циклонов. Этот процесс получил название циклогенеза.

В переходной зоне — зоне соприкосновения воздушных масс — происходят резкие изменения значений метеорологических параметров (температуры, влажности). Здесь наблюдается значительная облачность, выпадает больше всего осадков, происходят наиболее интенсивные изменения давления, скорости и направления ветра.  
      В зависимости от направления перемещения теплых и холодных масс воздуха, расположенных по обе стороны от переходной зоны, фронты делят на теплые и холодные. Фронты, которые мало изменяют свое положение, называют малоподвижными. Особое положение занимают фронты окклюзии, образующиеся при смыкании теплого и холодного фронтов. Фронты окклюзии могут быть по типу как холодного, так и теплого фронтов. На картах погоды фронты проводятся либо цветными линиями, либо даются условными обозначениями.

Теплый фронт.

Если фронт движется так, что холодный воздух отступает, уступая место теплому воздуху, то такой фронт называется теплым. Теплый воздух, продвигаясь вперед, не только занимает пространство, где раньше находился холодный воздух, но и поднимается вверх вдоль переходной зоны. По мере подъема он охлаждается, и водяной пар, находящийся в нем, конденсируется. В результате этого образуются облака (рис. 6) 

 
Рис, 6 Теплый фронт на вертикальном разрезе и на карте погоды.( http://flot.com/publications/books/shelf/vasiliev/15.htm)

На рисунке показаны наиболее характерная облачность, осадки и воздушные течения теплого фронта. Первым признаком приближения теплого фронта будет появление перистых облаков (Ci). Давление при этом начнет падать. Через несколько часов перистые облака, уплотняясь, переходят в пелену перисто-слоистых облаков (Cs). Вслед за перисто-слоистыми облаками натекают еще более плотные высоко-слоистые облака (As), постепенно становящиеся непросвечиваемыми луной или солнцем. Давление падает при этом сильнее, а ветер, несколько поворачивая влево, усиливается. Из высокослоистых облаков могут выпадать осадки, особенно зимой, когда они по пути не успевают испариться.  
Через некоторое время эти облака переходят в слоисто-дождевые (Ns), под которыми обычно бывают разорванно-дождевые (Frob) и разорванно-слоистые (Frst). Осадки из слоисто- дождевых облаков выпадают более интенсивно, видимость ухудшается, давление быстро падает, ветер усиливается, часто принимает порывистый характер. При пересечении фронта ветер резко поворачивает вправо, падение давления прекращается или замедляется. Осадки могут прекратиться, но обычно они лишь ослабевают и переходят в моросящие. Температура и влажность воздуха постепенно повышаются.  
Трудности, которые могут встретиться при пересечении теплого фронта, связаны, в основном, с длительным пребыванием в зоне плохой видимости, ширина которой колеблется от 150 до 200 м. миль. Необходимо знать, что условия плавания в умеренных и северных широтах при пересечении теплого фронта в холодную половину года ухудшаются вследствие расширения зоны плохой видимости и возможного обледенения. 

Холодный фронт.

Холодным фронтом называется фронт, перемещающийся в сторону теплой воздушной массы. Различают два основных типа холодных фронтов:  
1) холодные фронты первого рода — медленно движущиеся или замедляющиеся фронты, которые чаще всего наблюдаются на периферии циклонов или антициклонов;  
2) холодные фронты второго рода — быстро движущиеся или перемещающиеся с ускорением, они возникают во внутренних частях циклонов и ложбин, перемещающихся с большой скоростью.  
Холодный фронт первого рода. К холодному фронту первого рода, как было сказано, относится медленно движущийся фронт. В этом случае теплый воздух медленно восходит вверх по вторгающемуся под него клину холодного воздуха (рис. 7.  
Вследствие этого над зоной раздела образуются сначала слоисто-дождевые облака (Ns), переходящие на некотором расстоянии от линии фронта в высоко-слоистые (As) и перисто- слоистые (Cs) облака. Осадки начинают выпадать у самой линии фронта и продолжаются после его прохождения. Ширина зоны зафронтальных осадков составляет 60—110 м. миль. В теплое время года в передней части такого фронта создаются благоприятные условия для образования мощных кучево- дождевых облаков (Сb), из которых выпадают ливневые осадки, сопровождающиеся грозами.  
Давление перед самым фронтом сильно падает и на барограмме образуется характерный «грозовой нос» — острый пик, обращенный книзу. Ветер перед самым прохождением фронта поворачивает к нему, т.е. делает поворот влево. После прохождения фронта давление начинает расти, ветер круто поворачивает вправо. Если фронт располагается в хорошо выраженной ложбине, то поворот ветра иногда достигает 180°; например, южный ветер может смениться северным. С прохождением фронта наступает похолодание. 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7.Холодный фронт первого рода на вертикальном разрезе и на карте погоды. (http://flot.com/publications/books/shelf/vasiliev/15.htm)

На условия плавания при пересечении холодного фронта первого рода будет влиять ухудшение видимости в зоне осадков и шквалистый ветер.  
Холодный фронт второго рода. Это быстро движущийся фронт. Быстрое движение холодного воздуха приводит к очень интенсивному вытеснению предфронтального теплого воздуха и, как следствие этого, к мощному развитию кучевых облаков (Си) (рис. 8.  
Кучево-дождевые облака на больших высотах обычно вытягиваются вперед на 60—70 м. миль от линии фронта. Эта передняя часть облачной системы наблюдается в виде перисто- слоистых (Cs), перисто-кучевых (Сс), а также чечевицеобразных высоко-кучевых (Ас) облаков.  
Давление перед приближающимся фронтом падает, но слабо, ветер поворачивает влево, выпадает ливневый дождь. После прохождения фронта давление быстро растет, ветер резко поворачивает вправо и значительно усиливается — принимает характер штормового. Температура воздуха понижается иногда на 10°С за 1—2 ч.