Внетропические циклоны и антициклоны.

 

Во внетропических широтах преобладает западный перенос воздуха, особенно хорошо выраженный в верхней тропосфере. Однако воздушные течения меняются в этих широтах часто и быстро в связи с циклонической деятельностью, и преобладающий западный перенос представляет собой только статистический результат совокупного действия возникающих атмосферных возмущений.

Основной особенностью атмосферной циркуляции во внетропической зоне, и особенно в средних широтах, является интенсивная циклоническая деятельность. Циклонической деятельностью называют постоянное возникновение, развитие и перемещение в атмосфере внетропических широт крупномасштабных атмосферных возмущений с пониженным и повышенным давлением - циклонов и антициклонов.

Все воздушные течения крупного масштаба связаны во внетропических широтах с этими атмосферными возмущениями.

Преобладающий западный воздушный перенос воздуха, о котором говорилось выше, во внетропической зоне является скорее результатом совокупного действия возникающих атмосферных возмущений. Это связано с теми, что под влиянием циклонической деятельности направление воздушных течений в этих широтах часто и быстро меняют свои направления.

В течение года во внетропической зоне каждого полушария возникают многие сотни циклонов. Размеры внетропических циклоноввесьма значительны, хорошо развитый циклон имеет в поперечнике 2-3 тыс. км. Вертикальная мощность циклона меняется по мере его развития. В первое время циклон заметно выражен лишь в нижней части тропосферы. Распределение температуры в нем асимметрично относительно центра: в передней части циклона, с притоком воздуха из низких широт, температуры повышены, в тыловой части, с притоком воздуха из высоких широт, напротив, понижены. При последующем развитии циклон становится высоким, при этом температура воздуха в нем понижается, а температурный контраст между передней и тыловой частью сглаживается.

Давление в центре циклона (глубина циклона) в начале его развития немного отличается от среднего и составляет 1000-1010 мб. Многие циклоны и не углубляются более, чем до 1000-990 мб, однако в наиболее глубоких циклонах давление падает до 960-950 мб. Вместе с углублением циклона растут и скорости ветра в нем. Ветры в глубоких циклонах сильные и иногда достигают штормовых скоростей. Особенно часто это бывает в циклонах южного полушария.

Жизнь циклона продолжается несколько суток, в первой половине своего существования циклон углубляется, во второй - заполняется и затем исчезает вовсе. В некоторых случаях существование циклона оказывается более длительным, особенно когда он объединяется с другими, образуя одну общую и малоподвижную область - центральный циклон. Центральные циклоны чаще всего образуются в северных частях Атлантического и Тихого океанов, в районах исландской и алеутской депрессий.

Циклоны всегда перемещаются: под перемещением циклона подразумевают перемещение циклона как единой системы, независимо от направления дующих в нем ветров. Как правило, циклоны перемещаются в направлении общего переноса воздуха в средней и верхней тропосфере (в направлении ведущего потока). Такой общий перенос воздуха чаще всего происходит с запада на восток, поэтому и циклоны чаще перемещаются с запада на восток. Но бывает и так, что высокие циклоны и антициклоны, простирающиеся на всю толщу тропосферы, отклоняются от зонального направления и перемещаются с большей составляющей к югу или северу. Скорость перемещения циклона на 20-30 % меньше скорости ведущего потока и составляет 30-40 км/час, достигая в отдельных случаях величин 80 км/час. В поздней стадии жизни циклона скорость его перемещения резко уменьшается.

Перемещение циклона приводит к изменениям погоды. При прохождении циклона усиливается ветер, меняется его направление. Если циклон проходит через данное место своей южной частью, ветер меняется с южного на юго-западный. Если циклон проходит своей северной частью, ветер меняется с юго-восточного на восточный, северо-восточный и северный. Таким образом, в передней (восточной) части циклона наблюдаются ветры с южной составляющей, в тыловой (западной) части - с северной составляющей. С этим связаны изменения температуры при прохождении циклона. Циклонические области характеризуются увеличенной облачностью и осадками. В передней части циклона осадки обложные, восходящего скольжения, выпадающие из облаков теплого фронта. В тыловой части осадки ливневые, из кучево-дождевых облаков, свойственных холодному фронту. В южной части циклона иногда наблюдаются моросящие осадки теплой воздушной массы.

Приближение циклона можно заметить по падению давления и по первым облакам, появляющимся на западном горизонте. Это фронтальные перистые облака, движущиеся параллельными полосами. За ними идут перисто-слоистые, затем более плотные высокослоистые и слоисто-дождевые. Потом, в тылу циклона, давление растет, и облачность принимает быстро меняющийся характер: кучевые и кучево-дождевые облака часто сменяются прояснениями.

Между циклонами возникают и развиваются подвижные антициклоны. Их размеры и скорости движения примерно такие же, как и у циклонов, но в поздней стадии развития антициклоны часто принимают малоподвижное состояние. Направление движения определяется направлением ведущего потока, но в перемещении антициклонов преобладает составляющая к низким широтам. Поэтому происходит накопление антициклонов в субтропических и тропических широтах (субтропическая зона высокого давления). Зимой также происходит преимущественное развитие, накопление и усиление антициклонов над охлажденными материками умеренных широт, особенно над Азией.

В антициклонах существует общая тенденция к нисходящему движению воздуха, и по мере развития антициклона мощные слои воздуха в нем медленно оседают, что приводит к их динамическому нагреванию и возникновению инверсии температуры. В связи с этим воздух удаляется от насыщения и погода в антициклонах преобладает малооблачная и сухая. Только в нижних слоях в холодное время суток и года возможно образование туманов и низких слоистых облаков, связанных с охлаждением от земной поверхности. Возможно также образование волнистых облаков в более высоких слоях, под инверсией. Но мощных облачных толщ с выпадением обложных осадков в антициклонах не бывает. С течением времени температура воздуха в антициклоне становится выше, исключением являются нижние слои антициклона зимой над сушей. При ясной погоде в антициклоне земная поверхность будет сильно выхолаживаться излучением, и от нее сильно будут сильно выхолаживаться и прилегающие слои воздуха. Барические градиенты и ветры во внутренних частях антициклонов слабы, у земной поверхности нередки штили, но на периферии антициклона ветры могут быть достаточно сильными.

Внетропические муссоны. Над материками внетропических широт зимний режим повышенного давления сменяется летним режимом пониженного давления. Это приводит к тому, что в некоторых районах преобладающие барические градиенты резко меняют свое направление от зимы к лету. Это приводит к сходным изменениям в режиме ветра. В одном сезоне преобладают ветры одного направления, в противоположном сезоне преобладающее направление ветра сменится на противоположное или близкое к противоположному. Такой режим ветра называется внетропическим муссоном. Муссонный режим ветра во внетропических широтах, как и тропические муссоны, охватывают значительную толщу тропосферы. Выше господствует западный перенос. Внетропические муссоны особенно хорошо выражены на восточном побережье Тихого океана. Зимой над Восточной Азией держатся устойчивые антициклоны, над морем возникают серии циклонов. Воздушные течения над восточной окраиной Азии имеют в это время преимущественно направление с севера или северо-запада. Это зимний муссон. В ряде районов он создает вынос воздуха через береговую линию с суши на море. Летом над Азией преобладает пониженное давление, а над прилегающими морями давление повышено. Устанавливается преобладание южных и юго-восточных ветров - летний муссон. Если зимний муссон имеет составляющую с суши на море, он связан с холодной и сухой погодой. Если летний муссон направлен с моря на сушу (что тоже строго не обязательно), он связан с понижением температуры и значительными осадками в муссонном районе.

Следует помнить, что и в случае с внетропическими муссонами речь идет о преобладающем направлении ветров, что не исключает наличие барических систем, определяющих возникновение ветров других направлений.

Местные ветры.

 

Под местными ветрами понимают ветры, характерные для определенных географических районов. Происхождение их различно, они могут быть вызваны:

· проявлением местных циркуляций (бризы, горно-долинные ветры);

· местными возмущениями общей циркуляции атмосферы под влиянием орографии местности (фен, бора);

· изменениями силы или свойств ветров, являющихся течениями общей циркуляции (сирокко, самум, хамсин, афганец).

Бризами (фр. brise — легкий ветер) называют ветры у береговой линии морей и больших озер, имеющие резкую суточную смену направления. Днем морской бриз дует в нескольких нижних сотнях метров (иногда в слое более километра) в направлении на берег, а ночью береговой бриз дует с берега на море (рис.6.27). Скорость ветра при бризах - 3-5 м/с, в тропиках больше. Бризы выражены наиболее отчетливо, когда погода ясная и общий перенос воздуха слаб, как это бывает во внутренних частях антициклонов. Наиболее хорошо бризовая циркуляция выражена в субтропических и тропических антициклонах, например, на побережье пустынь, где суточные смены температур велики, а общие барические градиенты малы. Хорошо развитые бризы наблюдается в теплое время года на побережье таких морей средних широт как Черное, Азовское, Каспийское.

Бризы связаны с суточным ходом температуры поверхности суши. Днем суша нагрета и температура ее поверхности выше, чем поверхности моря. Поэтому изобарические поверхности над сушей несколько приподнимаются сравнительно с морем; на какой-то высоте воздается горизонтальный барический градиент, направленный в сторону моря. Так как движение развивается в течение короткого промежутка времени, то отклоняющая сила Кориолиса не может уравновесить барический градиент, движение воздуха остается неустановившимся и направлено с суши на море. Происходит отток воздуха на высоте с суши на море. Это приводит к падению давления у земной поверхности и к росту его над морем. В нижних слоях изобарические поверхности приобретают обратный наклон, устанавливается барический градиент, направленный с моря на сушу, а с ним и соответствующий перенос воздуха в нижнем слое. Этот нижний перенос воздуха и есть дневной морской бриз.

Противоположные условия будут ночью, когда суша охлаждается, становится холоднее моря. Изобарические поверхности приподнимаются над морем, и на некоторой высоте возникает горизонтальный барический градиент, направленный в сторону суши. Возникает ситуация, обратная дневной, и в итоге создается перенос воздуха с берега на море - ночной бриз, а над ним обратное течение.

 

Рис.6.27. Схема бризов. Слева — день, справа — ночь

 

Бризы захватывают слой в несколько сотен метров, до 1-2 км, причем дневной бриз наблюдается в более мощном слое, чем ночной. Вторжение морского бриза на сушу имеет общие черты с вторжением холодного фронта. Он несколько понижает температуру над сушей, увеличивает относительную влажность. Особенно резко это выражено в тропиках. В Мадрасе (Индия) морской бриз понижает температуру воздуха на побережье на 2-3 ⁰С, и повышает влажность на 10-20%. В Западной Африке эффект значительно больше: морской бриз может снизить температуру на 10 ⁰С и более и повысить относительную влажность на 40%.

Очень сильный климатический эффект производит бриз, дующий с большой регулярностью над Сан-Франциско. Морской воздух приходит на сушу с вод холодного Калифорнийского течения, и средние температуры летних месяцев в Сан-Франциско оказываются на 5-7⁰С ниже, чем в Лос-Анджелесе, расположенном всего на 4⁰ широты южнее.

Бризы наблюдается и на побережье таких крупных озер, как Севан, Иссык-Куль, Ладожское, Онежское и других. Но здесь это явление имеет уже микроклиматический масштаб: скорости ветра при бризе, его вертикальная мощность и горизонтальное распространение значительно меньше, чем при бризах на берегах морей.

Горно-долинные ветры - это ветры, дующие с суточной периодичностью в горных системах. Днем дует ветер из горла долины вверх по долине, а также вверх по горным склонам. Ночью горный воздух дует вниз по долине и вниз по склонам, в сторону равнины. Горно-долинные ветры хорошо выражены во многих долинах и котловинах Альп, Кавказа, Памира и других горных систем, и наблюдаются главным образом в теплое время года. Их вертикальная мощность значительна, порядка нескольких километров, скорость может достигать 10 м/с. Наиболее простая разновидность горно-долинных ветров - ветры склонов (рис.6.28).

 

Рис.6.28. Схема горно-долинных ветров.

 

Днем склоны гор нагреты сильнее воздуха, поэтому непосредственно у склона воздух нагревается сильнее, чем воздух в центре долины, в атмосфере устанавливается горизонтальный градиент температуры, направленный от склона в свободную атмосферу. Более теплый воздух начинает подниматься вверх по склону, как при конвекции в свободной атмосфере. Такой подъем приводит к усиленному образованию облаков над гребнями. Ночью, при охлаждении склонов, условия меняются на обратные, и воздух стекает по склонам вниз.

Перенос воздуха из долины в предгорья осуществляется аналогично бризу. Днем в долине температура в целом выше, чем на прилегающей равнине, давление в долине до самого гребня ниже, чем на равнине, на больших высотах - выше. В результате днем ниже уровня гребня устанавливается поток воздуха с равнины в долину, а выше - обратный. Ночью воздух в долине холоднее, чем над равниной, и внутри долины устанавливается более высокое давление, создаваемые барические градиенты определяют перенос воздуха вниз по долине, на равнину. Над ним устанавливается обратный перенос в сторону гор.

В отличие от перечисленных выше ветров, ледниковый ветер не имеет суточной периодичности. Он дует с поверхности ледника в долину. Надо льдом, оказывающим охлаждающее воздействие, господствует инверсия температуры, и холодный воздух стекает вниз. Над некоторыми крупными ледниками скорость ветра может достигать 3-7 м/с. Явление ледниковых ветров в громадных масштабах наблюдается над Антарктидой. Здесь над постоянным ледяным покровом возникают стоковые ветры (чаще всего юго-восточные) - перенос воздуха по наклону местности в сторону океана. Так как кроме барического градиента в формировании этих потоков участвует и сила тяжести, скорость стоковых ветров может достигать 20м/с и более. Постоянство этих ветров делает многие районы побережья Антарктиды самыми ветреными местами Земного шара. Если какая-то поверхность значительно охлаждается, над ней возникает область повышенного давления. Воздух в приземном слое становится очень холодным, плотным и начинает растекаться в разные стороны. Так и возникают стоковые ветры. Чем больше охлаждающаяся площадь, тем сильнее выхолаживается воздух, тем плотнее он становится, тем сильнее стоковые ветры. Особенно сильны стоковые ветры зимой, так как температура в центре материка ниже летней на 30—40°, а вокруг материка и зимой и летом вода с не очень устойчивым ледовым покровом, то есть температура подстилающей поверхности практически одна и та же — лишь чуть ниже нуля.

Фёном называется теплый сухой и порывистый ветер, дующий временами с гор в долины. Температура воздуха при фёне значительно повышается, а относительная влажность резко падает. Фёны известны в Альпах, на Южном берегу Крыма, в горах Средней Азии, Алтая, Гренландии, на восточных склонах Скалистых гор и в других горных системах.

Фён может возникнуть, если воздушное течение общей циркуляции пересекает хребет достаточной высоты (рис.6.29). Представим себе теплый влажный ветер, путь которому перегораживает горный хребет. Воздух начинает подниматься по его склону, при этом происходит его адиабатическое охлаждение — приблизительно на 1°С при подъеме на каждые 100 м. Казалось бы, перевалив через хребет и опускаясь, воздух нагреется до той же температуры, влажность воздуха никаких изменений не претерпит. Однако это не так. Поднимаясь, воздух охлаждается и достигает точки насыщения. Начинается конденсация водяного пара, образуются облака, выпадают осадки. А конденсация пара всегда сопровождается выделением тепловой энергии — скрытой теплоты парообразования. В результате воздух, поднимаясь, все же охлаждается, но не так быстро, как охлаждался бы, если бы был сухим, всего примерно на 0,5°С на 100 м высоты.

 

Рис.6.29. Схема фена.

 

Потом он переваливает через хребет, опускается и адиабатически нагревается; и так как нагреванию ничто не препятствует, температура повышается на 1°С на 100 м высоты, то есть вдвое быстрее, чем шло охлаждение при подъеме. Опустившись к подножию хребта, воздух оказывается гораздо теплее, чем был по его противоположную сторону, а абсолютная влажность его — меньше, потому что значительная часть влаги выпала в виде осадков на наветренном склоне. Относительная же влажность будет намного меньше, так как абсолютная влажность воздуха меньше, а температура его выше. Так теплый влажный ветер превращается в жаркий, иногда горячий, очень сухой. Весенний фён вызывает быстрый сход снежного покрова, причем в основном путем не таяния, а испарения, потому что воздух очень сух. В областях с умеренным влажным климатом фён может быть благоприятным ветром, он вызывает потепление; жители Швейцарии и юга Германии, хорошо знающие альпийский фён, даже называют его «ветер всех святых». Но если этот ветер приходит в места, и без того засушливые и жаркие, то он становится стихийным бедствием: растительность сохнет и выгорает.

Борой называется сильный холодный и порывистый ветер, дующий с низких горных хребтов в сторону достаточно теплого моря. Бора с давних времен известен в районе Новороссийска на Черном море и на Адриатическом побережье, в районе Триеста. Сходные явления обнаружены и в ряде других мест (норд в районе Баку, мистраль на Средиземном море Франции, нортсер в Мексиканском заливе).

Когда через невысокий хребет переваливает очень холодный воздух, а у подножия подветренного склона воздух теплый и потому менее плотный, возникает сильный порывистый ветер, который называется бора (итал. bora, от гр. boreas — северный ветер). Сначала с наветренной стороны хребта накапливается холодный воздух; пока его верхняя граница не достигла высоты хребта, все спокойно — идущий над ним более теплый воздух переходит через гребень хребта и, спускаясь по его склону, нагревается так же, как при фёне. Но когда верхняя граница холодной массы поднимается выше гребня хребта, холодный воздух обрушивается на подветренный склон — через перевалы, иногда и по всей длине хребта. Опускаясь, он, конечно, тоже испытывает адиабатическое нагревание, но разница в начальных температурах воздуха по обе стороны хребта может быть настолько большой, что бора вызывает понижение температуры на подветренном склоне на 15—20 градусов.

Бакинский норд - холодный северный ветер в зоне Баку, дующий летом и зимой, Достигает штормовой, а нередко и ураганной силы (20-40 м/с) приносит с берега тучи песка и пыли.

Многие ветры, имеющие местные названия, представляют собой разновидности фёна или боры. Таковы ветры нескольких разных типов в Западной Европе, называющиеся одинаково — трамонтан или трамонтана (от лат. trans montes — через горы). Кроме того, название трамонтан заимствовали на Азовском море, обозначая им северный ветер, который дует вовсе не из-за гор.

Шквалами называют резкие кратковременные усиления ветра, наблюдаемые на ограниченных территориях. Их возникновение связано с течениями общей циркуляции атмосферы. В большинстве случаев они связаны с кучево-дождевыми (грозовыми) облаками, с ливневыми осадками и грозой (рис.6.30). Атмосферное давление при шквале сначала резко повышается в связи с выпадением осадков, а потом снова падает. Скорость ветра при шквале - 20 и более м/с. Чаще всего шквалы налетают при прохождении мощных кучево-дождевых облаков и нередко сопровождаются грозой и ливнями. При этом могут наблюдаться неожиданные повороты ветра до нескольких румбов.

Рис. 6.30. Структура шквала

Основной причиной шквала являетсяя взаимодействие восходящего потока воздуха в передней части кучево-дождевого облака и нисходящего воздуха, охлажденного ливневым дождем, в тыловой его части; в результате возникает характерный клубящийся вал с вихрем под ним, усиленный вихрями соседних воздушных слоев.

В условиях большой неустойчивости атмосферной стратификации, кроме обычных грозовых шквалов, могут возникать особые вихри с вертикальной осью, напоминающие циклоны, но очень маленьких масштабов. Такие вихри, возникающие над морем, называются смерчами, а над сушей – тромбами (рис.6.31). В Северной Америке тромбы называют торнадо. Вихрь возникает обычно в передней части грозового облака и проникает сверху до самой земной поверхности. У смерча диаметр вихря порядка десятков метров, у тромбов - 100-200 м, а у торнадо и больше (устанавливается по ширине полосы разрушений).

Тромб виден как темный столб между облаком и земной поверхностью, расширяющийся кверху и книзу. Это объясняется тем, что вихрь втягивает сверху облако, а снизу пыль и воду.

 

Рис.6.31. Тромбы.

 

Вихрь перемещается вместе с облаком со скоростью 30-40 км/час, при этом скорости ветра в самом вихре 50-100 м/с, как это можно определить по характеру разрушений. Время существования смерчей - несколько минут, тромбов - десятки минут, иногда несколько часов. Атмосферное давление в вихре понижено на десятки мб. Воздух вращается вокруг оси вихря и одновременно поднимается вверх. Тромб сопровождается грозой, ливневыми осадками, градом. Тромбы приходят по одиночке, хотя торнадо изредка наблюдаются по два или несколько. Смерчи часто возникают сериями.

Ветер при тромбе нарушает легкие постройки, переносит на небольшие расстояния людей и животных, ломает и вырывает с корнем деревья, прокладывая в лесах просеки. Падение давления при прохождении тромба бывает настолько большим и быстрым, что наружное давление не успевает выровняться с давлением внутри здания. Поэтому здания, попавшие в сферу действия тромба, взрываются изнутри: с них слетают крыши, вылетают оконные рамы и рушатся стены.

В США, между Скалистыми горами и Аппалачами, торнадо бывают очень частыми и обладают исключительно разрушительной силой. За год наблюдается до 200 торнадо, в отдельные годы до 800. Их диаметры, скорости ветра и разрушительная сила превосходят тромбы. Убытки от торнадо составляют многие десятки миллионов долларов. Большие размеры и увеличенную интенсивность торнадо объясняют господством в этом районе теплого, влажного и неустойчиво стратифицированного воздуха с Мексиканского залива, очень благоприятного для формирования гроз и торнадо.

Сирокко- очень теплый и влажный ветер, зарождающийся в Африке и дующий в Центральной части Средиземного моря, сопровождается облачностью и осадками.

Хамсин (араб, hamsin — пятидесятидневник) — изнуряюще жаркий, сухой и знойный ветер в основном южных направлений, иногда достигающий силы шторма. Дует на северо-востоке Африки (Египет, Ливан и сопредельные страны). Чаще всего продолжается в течение пятидесяти дней (с перерывами) после весеннего равноденствия, в марте — мае. Иногда наблюдается зимой, изредка — осенью. Возникает впереди циклона, который движется к востоку вдоль Средиземноморского бассейна. Признаком начала хамсина служат понижение атмосферного давления, быстрое уменьшение относительной влажности воздуха (особенно интенсивное ночью) и появление высоких легких перистых облаков впереди циклона. Затем следует усиление юго-западного ветра. Вслед за прохождением теплого атмосферного фронта воздух настолько насыщается песком и пылью, что в середине дня в помещениях приходится зажигать свет. Температура запыленного воздуха резко повышается, дышать становится трудно.

тема 7. Почвоведение