Горизонтальная неоднородность атмосферы

Атмосфера по своим физическим свойствам неоднородная не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлении. Изменения метеорологических элементов по горизонтали происходит неравномерно.

Большие объемы воздуха в тропосфере, которые имеют относительно однородные свойства и перемещаются в одном направлении называются воздушными массами.

Свойства воздушной массы определяются местом ее формирования, то есть характером подстилающей поверхности, над которой она продолжительное время находилась. Например, воздушной массе, сформированной над ледяным покровом Арктики, присущи низкие температура и упругость водного пара, большая прозрачность. А воздушной массе, сформированной над тропическими широтами – высокая температура, влажность и большое помутнение.

Принято различать следующие воздушные массы (географическая классификация):

- арктический воздух, который формируется за Полярным кругом, в Антарктическом бассейне и над связанными с ним частями материков;

- умеренный воздух, который формируется в умеренных широтах;

- тропический воздух, который формируется в тропических и субтропических областях, а летом, иногда, в южных районах умеренных широт;

- экваториальный воздух, который формируется в экваториальной зоне и иногда переходный из одного полушария в другое.

Различают морские и континентальные воздушные массы, в зависимости от поверхности, над которой они сформировались.

Воздушные массы в тропосфере находятся в непрерывном движении, то есть перемещаются из места своего формирования в другие области. При перемещении воздушной массы с одной подстилающей поверхности на другую, например, с суши на море, происходит изменение ее характеристик, называемое трансформацией. При трансформации иногда может измениться даже географический тип воздушной массы.

Наряду с географической классификацией воздушные массы разделяют на холодные и теплые.

Холодной воздушной массой называется такая воздушная масса, приход которой вызовет похолодание в данном районе. Холодная масса обычно движется на более теплую подстилающую поверхность.

Теплой воздушной массой называется воздушная масса, приход которой в данный район вызовет потепление. Теплая воздушная масса движется на более холодную подстилающую поверхность.

Воздушные массы постоянно взаимодействуют между собою. В границах одной воздушной массы метеорологические элементы изменяются незначительно. При переходе же от одной воздушной массы к другой происходит скачкообразное изменение метеорологических элементов.

Переходные зоны между соседними воздушными массами, в которых метеорологические элементы быстро изменяются в горизонтальном направлении, называют фронтальными зонами (поверхностями) или фронтами. Фронтальная зона всегда наклонена в сторону холодного воздуха, но угол его наклона составляет лишь несколько угловых минут.

На рисунке 2.4 приведена схема образования атмосферного фронта.

Рисунок 2.4 – Схема образования атмосферного фронта

 

Фронты разделяют на холодные и теплые.

Если холодный воздух надвигается клином под отступающий теплый воздух, вытесняя его вверх, то фронт называется холодным.

Если теплый воздух постепенно натекает на отступающий холодный воздух, то фронт называется теплым.

Соответственно географической классификации воздушных масс принято различать три главных фронта:

- арктический – между арктическим и умеренным воздухом;

- фронт умеренных широт – между умеренным и тропическим воздухом;

- тропический – между тропическим и экваториальным воздухом.

Перемещение, трансформация и взаимодействие воздушных масс и фронтальных поверхностей является важнейшими объектами изучения в синоптической метеорологии, так как именно они обуславливают изменения погоды. При прохождении фронтов часто наблюдаются интенсивное образование облаков, выпадение осадков, усиление ветра, туманы, грозы, шквалы и другие метеорологические явления.

На основании взаимодействия воздушных масс с подстилающей поверхностью, в атмосфере выделяют два слоя:

- граничный слой атмосферы или слой трения;

- свободную атмосферу.

В граничном слое, который простирается от поверхности Земли в среднем до высоты 1-1,5 км, на характер движения большое влияние имеет земная поверхность и сила турбулентного трения. В этом слое ярко обнаруживаются суточные изменения температуры, давления, влажности воздуха, направления и скорости ветра и других метеорологических элементов.

В свободной атмосфере силами турбулентного перемешивания можно пренебречь. Здесь на характер движения воздуха земная поверхность практически не влияет и суточный ход метеорологических элементов более гладкий.

 

ЦИКЛОНЫ И АНТИЦИКЛОНЫ

Циклон или антициклон – это определенная вихревая форма циркуляции атмосферы.

Циклон – это замкнутая изобарическая область с низким давлением в центре и увеличением давления от центра к периферии циклона.

Антициклон – это замкнутая изобарическая область с повышенным давлением в центре и снижением давления от центра к периферии антициклона.

По широтной зоне образования циклоны разделяют на внетропические и тропические, а антициклоны – на внетропические и субтропические.

Циклоны и антициклоны получают название по названию района возникновение или вхождения на территорию региона. Например, сибирский антициклон, среднеземноморский циклон и т. п.

Диаметр циклона составляет около 1000 км. Глубина внетропических циклонов (то есть давление в центре) колеблется от 950 до 1050 мб. Ветер у поверхности Земли в северном полушарии обращает вихрь против часовой стрелки, так как ветер направлен в сторону низкого давления. Температура в молодых циклонах распределенная неравномерно. По мере развития циклона температура выравнивается. В центральной части циклона наблюдается облачность и осадки. Поэтому обычно в циклонах погода плохая. В центральной части циклона происходит перемещение воздушных масс с запада на восток. Скорость перемещения составляет 30-50 км/ч. В северном полушарии движение воздуха осуществляется против часовой стрелки, в южном полушарии – по часовой стрелкой.

Диаметр антициклона около 2000 км. Давление в центре антициклона составляет 1020-1030 мб, иногда может достигать 1070 мб. В антициклоне ветер в северном полушарии вращает вихрь по часовой стрелке. В центральной части антициклона обычно малооблачная погода. В северном полушарии движение воздуха осуществляется по часовой стрелке, в южном полушарии – против часовой стрелки.

Циклоны и антициклоны разделяют на стационарные (которые перемещаются с скоростью меньшее 5 км/ч), малоподвижные (скорость движения 5-10 км/ч) и подвижные (скорость движения свыше 10 км/ч).

Возникновение, развитие и движение циклонов и антициклонов называют циклонической деятельностью. Она является важным звеном общей циркуляции атмосферы. Известно, что в тропической зоне Земли накапливается огромное количество тепловой энергии, а в полярных областях затрата тепла превышает ее поступление от Солнца. По этой причине, вследствие неравномерного поступления солнечной радиации на земную поверхность и ее поглощения над отдельным районами получаются большие градиенты температуры воздуха. Это вызывает образование фронтов.

Циклоны и антициклоны могут быть фронтальными ( получаются на фронтах) и нефронтальными. К нефронтальным циклонам относятся тропические и термические, которые возникают летом над сушей при сильном нагреве воздуха от подстилающей поверхности. Нефронтальные антициклоны чаще образуются зимой над сильно охлажденными континентами.

Внетропические циклоны в большинства случаев являются фронтальными. Внетропические фронтальные антициклоны обычно формируются в холодном воздухе и перемещаются за холодным фронтом в тыл циклонов.

В эволюции внетропических фронтальных циклонов условно выделяют три стадии:

- стадия возникновения. Начальным условием возникновения циклона есть движение воздушных масс по обе стороны фронта в противоположном направлении или в одном направлении, но с разными скоростями. При таком движении воздушных масс на каком-то участке прямолинейного фронта сначала происходит искривление линии фронта в виде волны. Воздушный поток в месте возникновения волны образовывает завихрение: часть холодного воздуха начинает вклиниваться под теплый воздух, а часть теплого воздуха натекает по наклонной поверхности на холодный воздух. При таком движении воздушных масс на стационарном фронте возникает два подвижных участка: холодный и теплый фронты, которые постоянно удлиняются. Появление вихревого движения воздуха сопровождается снижением давления в небольшой области, которая ограничена на синоптической карте одной замкнутой изобарой, кратной 5 гПа;

- стадия молодого циклона. Характеризуется образованием хорошо выраженного теплого сектора циклона, который расположен между холодным и теплым фронтом и системой нескольких замкнутых изобар. Так как скорость холодного фронта больше скорости теплого фронта, то спустя некоторое время проходит сужение теплого сектора, который сопровождается дальнейшим снижением давления в центре циклона;

- стадия максимального развития циклона. Падание давления в его центральной части прекращается, теплый сектор суживается, в тыловой части появляются вторичные холодные фронты. На этой стадии развития облачная система циклона приобретает четко выраженную спиралеобразную формы, при этом происходит смыкание облачных спиралей теплого и холодного фронтов (окклюдирование). Дальнейшее окклюдирование циклона приводит к вытеснению теплого воздуха вверх и исчезновение отдельно существовавших теплого и холодного фронтов. Близ поверхности земли он заполняется холодным воздухом, который в процессе дальнейшей эволюции циклона распространяется вверх. Масса воздуха увеличивается, поэтому возрастает давление в центре циклона;

- стадия заполнения. На этой стадии развития циклона фронты окклюзии размываются, поскольку циклон состоит из почти однородного воздуха, облачные системы деградируют, горизонтальные градиенты температуры и давления значительно уменьшаются, резко падает скорость ветра и в конце концов, циклон исчезает как самостоятельная барическая система возле земли, хотя на высоте он может прослеживаться еще на протяжении некоторого времени.

Существование циклона от начала окклюдирования до его полного исчезновения на синоптической карте происходит за 3-4 суток.