Зональность в распределении давления и ветра.

 

Наиболее устойчивая особенность в распределении как ветра, так и давления над Землей - зональность. Причина этого - зональность в распределении температуры. Зональность перемещения воздушных масс (т.е. зональность циркуляции) проявляется в преобладании широтных составляющих ветра (западной и восточной) над меридиональными составляющими. Степень преобладания может быть различной. Над тропическими океанами преобладание восточных составляющих в переносе воздуха в нижней части тропосферы выражено очень резко. Хорошо выражено и преобладание западных ветров в умеренной зоне южного полушария. В северном полушарии это преобладание можно заметить лишь при статистической обработке длинного ряда наблюдений. А на востоке Азии в нижней тропосфере преобладают меридиональные составляющие.

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

Зональное распределение давления и ветра наиболее отчетливо проявляется в свободной атмосфере, вне слоя трения. Как известно, распределение давления повторяет распределение температуры. Поскольку температура в тропосфере в среднем падает от низких широт к высоким, то и меридиональный барический градиент направлен, начиная с высоты 4-5 км, от низких широт к высоким. В связи с этим изобарическая поверхность в 300 гПа проходит зимой над экватором на высоте около 9700 м, над северным полюсом на высоте около 8400 м, над южным - на высоте 8100 м. При таком распределении горизонтального барического градиента градиентный ветер будет направлен в обоих полушариях с запада на восток. Таким образом, в верхней тропосфере и нижней стратосфере вокруг полюсов будет наблюдаться так называемый планетарный циклонический вихрь: против часовой стрелки над северным полушарием, и по часовой стрелке над южным. В низких широтах ситуация несколько иная. Дело в том, что самое высокое давление в верхней тропосфере наблюдается не над экватором, а в сравнительно узкой области вблизи экватора, и барический градиент в верхней тропосфере направлен к экватору. Это значит, что в верхней тропосфере над экваториальной зоной господствует восточный перенос.

В нижней стратосфере среднее распределение температуры по меридиану в летнее время противоположно тропосферному. Полярная стратосфера летом очень тепла в сравнении с тропической, и самые низкие температуры приходятся на экваториальную зону, а самые высокие - на полярную. Поэтому в стратосфере на высоте 18-20 км меридиональный градиент меняется на противоположный, направленный от полюса к экватору. Возникает околополярный антициклон и восточный перенос воздуха в летнем полушарии. Это явление получило название стратосферного обращениявоздуха. В зимнем полушарии сохраняется западный перенос.

У земной поверхности и в нижней тропосфере (в слое трения) зональное распределение давления сложнее, что связано с распределением суши и моря (табл. 6.3).

Таблица 6.3. Средние широтные величины приземного давления в гПа

Широта в градусах	Северное полушарие	Южное полушарие
Январь	Июнь	Январь	Июнь
			- - - - -	- - - - -

 

По обе стороны экватора имеется зона с пониженным давлением. В этой зоне в январе между 15⁰ с.ш. и 25⁰ ю.ш., а в июле между 35⁰ с. ш. и 5⁰ ю.ш. давление ниже 1013 гПа. При этом параллель с самым низким давлением приходится в январе на 5-10⁰ ю.ш., а в июле - на 15⁰ с.ш. Эта зона экваториальной депрессии, распространяющаяся больше на летнее полушарие.

В направлении высоких широт от этой зоны давление в каждом полушарии растет, и максимальное значение давления наблюдается в январе под 30-32⁰ северной и южной широты, а в июле - под 33-37⁰ с. ш. и 26-30⁰ ю.ш. Это две субтропические зоны повышенного давления, которые от января к июлю несколько смещаются к северу, а от июля к январю – к югу. Средние значения давления в этой зоне 1018-1019 гПа.

От субтропиков к еще более высоким широтам давление падает. Под 70-75⁰ с.ш. и под 60-65⁰ ю.ш. наблюдается минимальное давление в двух субполярных зонах низкого давления, а еще дальше по направлению к полюсам давление снова растет. Средние годовые значения давления на уровне моря в высоких широтах составляют 1012 гПа в северном полушарии и 989 гПа - в южном. У полюсов давление снова растет и составляет 1014 гПа близ северного полюса и 991 гПа близ южного. Приведенные данные о положении широтных зон низкого и высокого давления свидетельствуют о различиях в их положении между полушариями. Так, зимой и летом ось субтропической зоны повышенного давления в южном полушарии расположена на 5⁰ ближе к экватору, чем в северном полушарии. В связи с этим ось экваториальной ложбины большую часть года находится в северном полушарии, в среднем на год на широте около 5⁰. От субтропической зоны повышенного давления спад давления в полярной ложбине происходит быстрее в южном полушарии, чем в северном, и по средним широтным значениям приземного давления южная полярная ложбина выражена резче, чем северная. В связи с сезонным изменением притока солнечной радиации происходит смещение планетарных зон давления к полюсу летом соответствующего полушария и к экватору зимой. Летом северного полушария экваториальная ложбина сдвигается к северу, а зимой возвращается к югу. Годовое смещение горизонтальной ее оси равно 20⁰, сезонное смещение субтропических зон повышенного давления сравнительно мало. Принято считать, что от зимы к лету их горизонтальные оси смещаются на 5⁰ широты.

Попытки количественно объяснить географическую привязанность широтных зон повышенного и пониженного давления делались давно, но удовлетворительного ответа еще нет. Поэтому в современных эмпирических моделях общей циркуляции атмосферы географическое положение зон разного давления принимается как данное. Образование зон высокого давления в субтропиках и зон низкого давления в субполярных широтах объясняют особенностями циклонической деятельности. Так, антициклоны, возникающие в умеренном поясе при общем западном переносе, при своем перемещении смещаются к более низким широтам и там усиливаются, создавая зону повышенного давления. Циклоны же, наоборот, при своем движении в тех же средних широтах смещаются в более высокие широты, образуя субполярную зону низкого давления. Такая сепарация циклонов и антициклонов зависит от изменения отклоняющей силы вращения Земли (силы Кориолиса) с широтой.

 

Рис. 6.21. Зональное распределение давления и переносов воздуха у земной поверхности и в нижней тропосфере (схема). Справа — направление барических градиентов вдоль меридиана в соответствующих зонах.

 

Направление переноса воздушных масс в нижних слоях тропосферы связано с зональным размещением зон повышенного и пониженного давления (рис.6.21). По обращенной к полюсу периферии субтропической зоны в средних широтах создается западный перенос, он простирается до оси субполярной зоны, т.е. до 60-65⁰ с. ш. и ю.ш. Наиболее хорошо западный перенос выражен над океанами в южном полушарии. Над материками повторяемость ветров западного направления реже.

По периферии субтропической зоны высокого давления, обращенной к экватору, т.е. в тропиках, барический градиент у земной поверхности направлен к экватору и здесь господствует восточный перенос, охватывающий всю тропическую зону. Это так называемые пассаты- устойчивые восточные тропические ветры.

В полярном районе барический градиент направлен от полюса к субполярным широтам, что создает восточный перенос воздуха. Наиболее отчетливо преобладание восточных ветров выражено в Антарктиде, где есть районы с постоянными восточными ветрами.

 

Центры действия атмосферы.

Зональные закономерности распределения давления близ поверхности Земли нарушаются из-за неравномерного распределения суши и моря. В результате этого в каждой широтной зоне барическое поле распадается на отдельные ячейки, отдельные области повышенного или пониженного давления. Эти области получили название центров действия атмосферы. Они подразделяются на перманентные (действующие в течение всего года) и сезонные (существующие в отдельные сезоны года).

В январе наиболее отчетливо выражена экваториальная депрессия с давлением ниже 1015 гПа. Она распадается на три отдельные области над Южной Америкой, Южной Африкой и Австралией, Индонезией. Районы с наиболее низким давлением лежат не на самом экваторе, а под 15⁰ ю.ш. над прогретыми участками материков южного полушария. По обе стороны от экваториальной депрессии обнаруживаются субтропические области высокого давления. В южном полушарии они распадаются на отдельные субтропические антициклоны с давлением выше 1020 гПа и центрами под 30-35⁰ ю.ш. над океанами. Над материками, более теплыми, чем океаны, они заменяются областями с пониженным давлением. В северном полушарии также обнаруживаются субтропические антициклоны над северными частями Атлантического (Азорский максимум) и Тихого океанов (Гонолульский максимум). Над Азией в субтропических и тропических широтах давление также повышено, но здесь господствует не самостоятельный тропический антициклон, а отроги зимнего Азиатского антициклона с максимумом в центре Монголии.

В умеренных и субполярных районах южного полушария к югу от субтропических антициклонов располагается сплошная зона низкого давления. В соответствующих широтах северного полушария низкое давление обнаруживается только над океанами: это два минимума - Исландская и Алеутская депрессии с давлением менее 1000 гПа.

В полярных широтах давление повышено, особенно хорошо выражена область высокого давления над Антарктидой - антарктический антициклон. В северном полушарии область повышенного давления (до 1000 гПа) наблюдается только над Гренландией.

В июле экваториальная депрессия смещается к северу, и самое низкое давление наблюдается уже в северном полушарии, причем над материками Азией и Северной Америкой центры низкого давления наиболее далеко сместились к северу, почти под 30-ю параллель. Эти части экваториальной депрессии, вышедшие за пределы тропиков, называют Южно-Азиатской и Мексиканской депрессиями.

Таким образом, над океанами давление в течение всего года соответствует зональному распределению. Над материками зональность нарушается тем, что давление повышается над материками зимой и снижается летом. Зимой высокое давление над материками обнаруживается даже в умеренных и субполярных, широтах, где оно вообще повышено.

6.11.4. Основные типы ветров .

Пассаты- это устойчивые восточные ветры умеренной скорости (в среднем 5-8 м/с у земной поверхности), дующие в каждом полушарии на обращенной к экватору стороне субтропической зоны высокого давления. (рис. 6.22) Так выглядела бы схема образования пассатов, не будь вращения Земли вокруг оси. Тёплый воздух в районе экватора поднимается вверх, охлаждается у полюсов и вновь направляется к экватору

 

Над уровнем трения пассаты должны иметь восточное направление, однако на востоке каждого антициклона к восточной составляющей присоединяется еще направление к экватору, а на западе - антициклональная составляющая, направленная от экватора. В слоях, где действует трение, ветер отклоняется от изобар на некоторый угол в сторону низкого давления. И в северном полушарии вместо восточных ветров дуют северо-восточные, а в южном - юго-восточные. При этом следует также помнить, что антициклоны постоянно перемещаются и при их перемещении с запада на восток происходит некоторая смена направления пассат - сначала он имеет северо-восточное направление, потом восточное, юго-восточное и вновь северо-восточное.

Зоне действия пассат свойственны очень характерные погодные условия (рис.6.23). Двигаясь к экватору, на более теплую поверхность, пассатное течение в нижних слоях тропосферы приобретает неустойчивую стратификацию, когда устанавливаются очень большие вертикальные градиенты температуры. Возникает оживленная конвекция со скоростями восходящих потоков порядка 2,5-4 м/с и образование кучевых облаков.

 

Рис.6.23. Типичное распределение температуры воз­духа с высотой в зоне пассатов.

 

Но конвективные потоки не достигают больших высот. Уже на высотах 1200-2000 м в области пассатов располагается задерживающий слой с инверсией температур. Эти значительные по мощности инверсии связаны с оседанием воздуха в антициклонах и отличаются устойчивостью и продолжительностью. Облака не получают большого вертикального развития, не достигают уровня оледенения, который в тропиках лежит выше 5 км. Поэтому из облаков или вовсе не выпадает осадков, или выпадают незначительные кратковременные мелкокапельные дожди (из слоисто-кучевых облаков).

Пассаты обоих полушарий разделены переходной зоной с неравномерными, часто слабыми, но иногда и довольно сильными ветрами. В этой зоне наблюдается сходимость воздушных течений, поэтому она получила название внутритропической зоны конвергенции. Вследствие сходимости ветра конвекция здесь усилена и развивается до больших высот. Сильные восходящие движения прорывают пассатную инверсию, облака превращаются в мощные кучево-дождевые, и из них выпадают обильные осадки ливневого типа.

В некоторых областях Земли перенос воздуха в нижней части тропосферы носит название муссонов. Муссоны- это устойчивые сезонные режимы воздушных течений с резким изменением преобладающего направления ветра от зимы к лету и от лета к зиме (рис.6.24 ). В каждой муссонной области есть летний муссон и противоположный ему по направлению зимний. 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.

Рис. 6.24. Летом муссон несёт в Индию жаркий и влажный воздух с юго-запада. Зимой задувает холодный северо-восточный муссон

Муссонная циркуляция преобладает в бассейне Индийского океана: почти над всем северным Индийским океаном, над Индостаном, Индокитаем, Южным Китаем, Индонезией, над низкими широтами южного Индийского океана вплоть до Мадагаскара и северной Австралии, а также над большими площадями в Экваториальной Африке (рис.6.25).

Сильное развитие муссонов в этой области связано со своеобразием географических условий: с наличием к северу от Индийского океана огромного материка Азии и распространением материка Африки на оба полушария.

Непосредственное условие режима тропических муссонов заключается в сезонном изменении положения субтропических антициклонов и экваториальной депрессии. Экваториальная депрессия, как было сказано выше, в июле смещается в более высокие широты северного полушария, особенно на материках, а в январе отодвигается в южное полушарие. Субтропические антициклоны также смещаются то к северу (в июле), то к югу (в январе). Вследствие этого, в некоторых областях по обе стороны экватора происходит резкое сезонное изменение преобладающих барических градиентов, и, следовательно, преобладающих ветров.

Рис.6.25. Распределение муссонных областей по Земному шару

 

При этом зимний муссон совпадает по своему направлению с пассатом: он дует по обращенной к экватору периферии субтропического антициклона данного полушарий. Летний муссон противоположен пассату, он имеет западное направление и дует по обращенной к экватору периферии экваториальной депрессии. Таким образом, смена тропических муссонов есть смена преобладающих восточных ветров в тропиках на преобладающие западные ветры и обратно.

Следует отметить, что резкое сезонное изменение барических градиентов наблюдается не повсеместно. Если по обе стороны экватора находится океан, то указанные сезонные смещения зон давления невелики, и муссоны не получают особого развития. Над материками, особенно над Африкой, распределение давления меняется от января к июлю сильно, что и приводит к возникновению в широкой полосе приэкваториальной Африки тропических муссонов. Мощные тропические муссоны в бассейне Индийского океана объясняются тем, что сезонные изменения температуры полушарий здесь усилены огромным материком Азией, прогретым летом и охлажденным зимой. Над южной Азией происходит резкая смена низкого давления на высокое и обратно с соответствующей муссонной циркуляцией. В южной части Индийского океана муссоны распространены меньше, за исключением Австралии, где сезонные изменения температуры материка также сильно влияют на распределение давления.

Преобладание переноса воздуха зимой с материка на океан, а летом с океана на материк приводит к важным особенностям погоды и климата районов тропических муссонов: с летним муссоном совпадает дождливый сезон, а резко выраженный сухой сезон - с зимним муссоном.

Тропические циклоны .

 

В атмосфере тропической зоны часто возникают слабые атмосферные возмущения, как правило, это тропические депрессии. Перемещаются эти депрессии медленно, преимущественно с востока на запад, в общем направлении переноса воздуха внутри тропиков.

Рис.6.26. Вертикальный разрез через тропический циклон

 

В некоторых случаях тропические возмущения усиливаются настолько, что сила ветра в них достигает 20 м/с и более. Диаметр такого возмущения около нескольких сотен километров (рис.6.26).

Эти возмущения со штормовыми или ураганным ветрами носят название тропических циклонов; в зависимости от силы ветра их называют тропическими штормами, тайфунами (скорость ветра 18-33 м/с) или тропическими ураганами (скорость ветра более 33 м/с). Районы их возникновения лежат между 20⁰ и 5⁰ широты в каждом полушарии. Ближе к 5⁰ к экватору циклоны наблюдаются редко, так как отклоняющая сила вращения Земли здесь слишком мала. Тропические циклоны развиваются только над морем. Правда, по данным, полученным с помощью спутников, тропические циклоны могут возникать над Африкой, но ураганной силы ветры в них достигают только над океаном. Максимум повторяемости тропических циклонов приходится на лето и осень данного полушария, когда поверхность океана сильно нагрета (не менее 27⁰), и зона конвергентности не слишком близка к экватору.

Указанные условия - удаленность зоны внутритропической конвергентности и высокая температура воды отсутствуют в южной части Атлантического океана и на востоке Тихого океана, и тропические циклоны здесь не возникают.

Возникший тропический циклон сначала перемещается, в общем, с востока на запад, затем отклоняется к высоким широтам. Если он попадает на материк, оставаясь еще в тропиках, он быстро затухает над сушей. Но если циклон достигнет широт, близких к тропику (20-30⁰), оставаясь над океаном, он огибает с запада субтропический антициклон и выходит из тропиков, меняя свое направление на юго-западное. Точка, где происходит смена направления, называется точкой поворота, а траектория перемещения такого циклона будет напоминать параболу с вершиной, обращенной к западу.

Скорость перемещения тропических циклонов внутри тропической зоны мала - 10-20 км/ч (ее не следует смешивать со скоростью ветра в самом циклоне). При выходе из тропической зоны скорость циклона возрастает до скоростей внетропических циклонов.

Вполне сформировавшийся тропический циклон представляет собой округлую область пониженного давления диаметром в несколько сотен км (до 1000 км), при этом давление в центре циклона падает до значений давления 970-960 гПа. В отдельных случаях давление падает до рекордных значений - 885 гПа. Вследствие малой площади и большой глубины циклона барические градиенты в нем очень велики и, следовательно, очень велики скорости ветра. Барические градиенты доходят до 15 гПа на градус, скорости ветра до 30-50 м/с. Наблюдались скорости ветра до 65 м/с, а судя по производимым разрушениям, отдельные порывы ветра могут иметь скорость до 100 м/с.

Облачность в тропическом циклоне представляет собой сплошное гигантское грозовое облако, из которого выпадают сильные ливневые осадки и наблюдаются грозовые явления большой интенсивности. В самом центре циклона обычно находится небольшая зона (десятки км в диаметре), свободная от мощных облаков и со слабыми ветрами - так называемый «глаз бури» или «глаз циклона». Сильные восходящие движения, господствующие в основной части тропического циклона, в этой области сменяются нисходящими. Облака циклона окружают «глаз циклона» в виде амфитеатра, поднимаясь до высот 10-14 км.

Температура воздуха в циклоне повышена по сравнению с окружающей атмосферой, что связано с выделением большого количества скрытого тепла при конденсации. Распределение температуры равномерно, а вертикальная стратификация очень неустойчивая. В «глазе циклона» наблюдается еще более высокие температуры, связанные с нисходящим движением воздуха, но стратификация устойчивая.

При своем движении тропический циклон вызывает сильнейшие волнения на море, угрожающее катастрофой судам. Плоские берега, вблизи которых проходит циклон, иногда затапливаются гигантскими волнами до 10-15 м высотой. Задевая сушу, тропический циклон может привести к опустошению многочисленных селений и целых городов ураганными ветрами и наводнениями. Разрушительная сила циклона связана с выделением гигантской энергии. Подсчитано, что тропический циклон диаметром 700 км ежесекундно выделяет энергию, эквивалентную взрыву 5 атомных бомб хиросимского типа.

Перейдя в умеренные широты и изменив свое направление, тропические циклоны постепенно трансформируются в обычные внетропические, и в таком виде проникают далеко на север, вплоть до Камчатки и Исландии.

Тропические циклоны возникают в основном в следующих районах северного полушария.

1. Желтое море, Филиппинские острова и Тихий океан к востоку от них до 170⁰ в.д. Здесь наблюдается максимальное количество циклонов, в среднем до 28 в год, из них около половины с ураганными ветрами в 9-12 баллов. В отдельные годы их бывает до 50.

2. Тихий океан к западу от Мексики. Здесь возникает в среднем за год 6 тропических циклонов с штормовыми и сравнительно редко с ураганными ветрами.

3. Тропики северного Атлантического океана, в особенности западная часть океана - Карибское море, Малые Антильские острова и Мексиканский залив; восточная часть океана - острова Зеленого Мыса. В среднем над северным Атлантическим океаном возникает в год 10 тропических циклонов.

4. Бенгальский залив. Здесь возникает в среднем в год 6 циклонов. Попадая на сушу в Индии, они часто производят сильные опустошения; особенно страшны связанные с ними нагоны воды на низкие берега.

5. Аравийское море. Здесь возникает в среднем меньше двух циклонов в год, как и в Бенгальском заливе - весной и осенью.

В южном полушарии:

1. Тихий океан к востоку от Новой Гвинеи и северной Австралии до острова Самоа. Повторяемость здесь - 7 циклонов в год, циклоны ураганной силы редки.

2. Индийский океан между Мадагаскаром и Маскаренскими островами. Здесь в среднем 7 циклонов в год.

3. Индийский океан между северо-западным побережьем Австралии и Кокосовыми островами. Циклоны здесь редки - в среднем 2 в год. Местное их название вили-вили.

В южном Атлантическом океане тропических циклонов штормовой силы не возникает. Всего на земном шаре возникает в год в среднем около 70 тропических циклонов со штормовыми и ураганными ветрами. Максимум, как правило, приходится на лето и осень данного полушария. Зимой их почти не бывает.

Прослеживание тропических циклонов и предупреждение о них представляет важную задачу для службы погоды на Дальнем Востоке (особенно на Филиппинских островах), в США и других районах. Прогноз тропических циклонов затруднен тем, что происходят они над океанами. Поэтому основную роль в выявлении формирующихся тропических циклонов играют метеорологические спутники.

 

Внетропическая циркуляция.