Атмосферна циркуляція

p align="left">Узимку над Азіатським континентом встановлюється високий тиск, тому над Індією й Індійським океаном виникає горизонтальний градієнт тиску з півночі на південь до широт близько 10° півден.ш. До півночі від екватора вітри мають переважно північно-східний напрямок-напрямок пасатів у комірці циркуляції Гадлея. При перетинанні екватора вони відхиляються вліво під дією сили Коріолиса й назад до північно-західного напрямку. Ці вітри, що переносять із півночі континентальне повітря, несуть із собою суху прохолодну погоду.

Навесні суша починає нагріватися, і тиск над північною частиною Індії падає. У результаті підвищення температури конвекція породжує жорстокі шторми, однак на цій стадії вологи ще недостатньо й повітря залишається сухим. Не раніше кінця травня або в червні виникає, немов вибух, південно-західний мусон, що несе вологе морське повітря. Під дією градієнта тиску, викликаного дуже низьким тиском над долинами Інду й Гангу, цей потік рухається з південних районів Індійського океану, перетинаючи екватор, і в міру просування над Аравійським морем запасає вологу. «Вибух» мусону супроводжується випаданням рясних опадів, пов'язаним із впливом орографії в західній частині Індії, і конвективними штормами у внутрішніх районах. Мусонні депресії рухаються на захід, перетинаючи північну частину Індії, і приносять опади в долину Гангу.

Циклони й антициклони

Більші вихри, як циклонічні, так і антициклонічні, є істотними елементами загальної циркуляції атмосфери. Їх можна розглядати як причини виникнення зон, що чергуються, високого й низького тиску між полюсами й екватором, які можна побачити на баричних картах. З іншого боку, ці вихри самі можуть розглядатися як наслідок існування цих зон. Зокрема, утворення циклонів середніх широт, або депресій, як їх іноді називають, тісно пов'язане із фронтальною зоною, створюваної при конвергенції тропічного й полярного повітря-процесу, що є важливою рисою загальної циркуляції атмосфери. У даній главі ми розглянемо основні риси депресій і антициклонів середніх широт, а також тропічних циклонів і пов'язані з ними погодні умови.

Депресії середніх широт

Ще до того, як за допомогою висотних вимірів було виявлене існування струминних плинів, Бергенська школа метереологів у Норвегії розробила модель утворення депресії на полярному фронті. Циклон, або депресія, утвориться там, де на полярному фронті розвивається хвиля, що приводить до проникнення язика теплого тропічного повітря в область полярної повітряної маси. Оскільки вся система рухається на схід, теплий фронт, уздовж якого переміщається тепле повітря, витісняючи собою холодне повітря, відрізняється від холодного фронту, що випливає за ним, у якому ситуація протилежна. Повітряні маси сходяться уздовж полярного фронту, і тепле повітря прагне розташуватися над холодним повітрям у теплому фронті, у те час як у холодному фронті холодне повітря підтікає під теплий. Підйом повітря приводить до зниження тиску на поверхні; при цьому ізобари оточують центр низького тиску. Біля поверхні вітри дмуть поперек ізобар під кутом, величина якого визначається характеристиками поверхні. У результаті виходить, що повітря рухається по спіралях до центра депресії й одночасно піднімається. У міру того як повітря в теплому секторі поступово піднімається, холодний фронт зближається з теплим наступає фаза депресії. Хоча нагорі є присутнім тепле повітря, а ізобари й поле вітру усе ще вказують на циклонічний характер рухів, однак єдиним фронтальним контрастом на поверхні є границя розділу між холодним повітрям, що знову надійшло, що розташовується в тиловій частині депресії, і трансформованим холодним повітрям у передній частині. Така оклюзія може бути як холодною, так і теплою залежно від процесів, що визначили трансформацію холодного повітря. Час існування цих депресій залежить від тривалості процесу перетворення потенційної енергії в кінетичну; вони руйнуються, коли зникає контраст між сусідніми повітряними масами. Оскільки депресії пов'язані з підйомом повітря (а виходить, і з конденсацією водяного пару) і із сильними вітрами, вони значно впливають на погоду), що може розглядатися як одна з особливостей теплого й холодного фронтів депресії.

Теплі фронти звичайно мають нахили менш 1/100. Таким чином, підйом повітря відбувається поступово (до моменту, поки тепле повітря не стане нестійким), з утворенням шаруватих форм хмар. Перший знак наближення теплого фронту - поява пір'ястих хмар на висотах порядку 10 км. У міру наближення фронту хмари стають могутніше й висота їх зменшується. Сама поверхня фронту поводиться як стійкий шар, іноді як інверсія, тому всі хмари, що формуються в холодному повітрі за фронтом, мають обмежену вертикальну потужність. Хмари найчастіше несуть із собою дощ, що мрячить, перебуваючи в 500 км поперед фронту, і поступаються місцем у міру його просування шарувато-дощовим хмарам, що приносять сильний дощ.

Поперед теплого фронту тиск поступово падає, температура повільно росте, а вітри (у північній півкулі) дмуть в основному з півдня, причому зі зростаючою силою. Після проходження фронту вони міняють напрямок на південно-західне.

У теплому секторі депресії температура, тиск і вітер залишаються приблизно постійними. Кількість хмар і опадів залежить істотно від характеристик теплої повітряної маси. Як правило, вона є стійкої, але в ряді випадків (особливо коли елементи орографії викликають підйом повітря) можуть розвиватися шаруваті хмари, що приносять дощ, що мрячить, а в сонячний полудень утворяться купчасті хмари. Над відносно холодною поверхнею моря спостерігається адвективний туман і видимість звичайно погана.

Наближення холодного фронту означає різка зміна погоди. Холодне повітря підтікає під теплий, при цьому нахил холодного фронту становлять близько 1/50 і збільшується в поверхні, де просування фронту вповільнене через тертя. Висхідні потоки, таким чином, більше сильні, тому в них легше розвивається нестійкість. Це приводить до утворення дощових хмар у вигляді веж і випаданню значних злив, супроводжуваних грозами. Вітер звичайно при проходженні фронту різко міняє напрямок на північне або північно-західне (у північній півкулі) і різко підсилюється, переходячи в шквал. Температура при цьому різко падає, тиск починає рости, і видимість істотно поліпшується (за винятком районів, де йдуть зливи). Погода за холодним фронтом залежить від характеристик холодної повітряної маси. Нестійкість атмосфери приводить до встановлення ясної погоди, але з більшою кількістю злив.

Оклюзіям також супроводжують хмарність і опади. Тепла оклюзія по своїх рисах нагадує теплий фронт, але при цьому поперед приземного фронту розташовується верхній холодний фронт, який супроводжують купчаста й дощова хмарність і зливи. При проходженні холодної оклюзії спостерігаються деякі особливості холодного фронту з тією різницею, що йому передує (і в якімсь ступені за нею треба) хмарність, характерна для теплого фронту. Рідка хмарність після проходження холодної оклюзії не настільки характерна, як у випадку холодного фронту.

Фронтальні депресії південної півкулі в принципі такі ж, як і в північній півкулі, однак якщо на фронтах північної півкулі вітер повертає за годинниковою стрілкою, то в південній півкулі він повертає у зворотному напрямку (з півночі на північний захід на теплому фронті й із заходу на південний захід - на холодному).

Подібні моделі дозволяють робити прогноз погоди на добу у фронтальних депресіях за умови, що синоптичні спостереження охоплюють досить більшу площу. Для Європи район спостережень повинен простиратися на захід, охоплюючи прилягаючі райони Атлантичного океану, оскільки депресії звичайно рухаються зі швидкістю 1000 км у день (напрямок і 70% швидкості приземного вітру в теплому секторі дають зразкову оцінку для переміщення депресії). Кожна депресія має свої індивідуальні особливості, і жодна ідеалізована модель не може описати якусь конкретну депресію. Однак загальні риси представлених вище моделей можна знайти в кожному окремому випадку. Спостереження у верхніх шарах атмосфери істотно полегшують прогноз погоди в районі, зайнятому депресією, завдяки двом обставинам. По-перше, відомо, що між дивергенцією західного потоку верхньої тропосфери й утворенням депресії (циклогенезом) є зв'язок.

У середніх широтах крім класу фронтальних депресій, описаних вище, зустрічаються й інші типи депресій. Фронтальні депресії часто рухаються уздовж полярного фронту цілими сімействами, і часто вторинні депресії утягуються в рух навколо великого циклона. Найпоширеніші серед них депресії, що утворяться «на хвості» холодного фронту первинного циклона й стають «зчепленими» з ним. Як правило, кожний наступний член сімейства депресій рухається по траєкторії, розташованої ближче до екватора, чим траєкторія попередні.

Тропічні циклони

Це відносно невеликі, але яскраво виражені циклони, відомі також під назвами тайфунів, ураганів і під іншими місцевими назвами. Моряки називають їх «тропічні обертові шторми». По визначенню, сила вітру в них досягає 12 балів по шкалі Бофорта (швидкість вітру більше 33 м/сек, або 64 вузлів). Менш сильні циклони називають «тропічними депресіями» і «тропічними штормами». Тропічні циклони не мають фронтальної границі, але швидкість вітру в них звичайно набагато вище, ніж у депресіях середніх широт, і часто перевершує 50 м/сек (100 вузлів). Тому вони становлять серйозну небезпеку для судів і викликають значні руйнування, коли виходять на сушу. Розміри тропічних циклонів звичайно менше половини розміру типової депресії середніх широт, але тиск у їхньому центрі опускається до 960 Мб і нижче, так що різниця між тиском у центрі й на периферії досягає 50 Мб, у порівнянні з депресіями середніх широт, де ця різниця має порядок 30 мб.

Оскільки в низьких широтах немає помітних фронтальних контрастів, тропічні циклони повинні породжуватися динамічними причинами, які супроводжують термічній нестійкості. Першою стадією їхнього утворення звичайно є розвиток хвилі в потоці східних пасатів над океаном. Вона пов'язана з регіоном зниженого тиску, що простирається в область пасатів з боку Екваторіальної балки. Поперед балки має місце горизонтальна конвергенція - повітря піднімається й конденсація водяної пари приводить до утворення хмарності. З багатьох східних хвиль лише деякі переростають у тропічні циклони. Установлено, що для розвитку останніх істотними є наступні умови: температура поверхні океану перевищує 27°С, є досить потужний шар вологого нестійкого повітря, широта району більше 5°, вертикальний зрушення швидкості мале. Перші дві умови визначають можливість живлення циклона достатньою кількістю потенційної енергії, третє необхідно для встановлення циклонічної циркуляції (поблизу екватора сила Коріолиса мала), четверте визначає вертикальний розвиток циклона, при якому не відбувається скривлення осі. Навіть при наявності всіх перерахованих умов лише невелика частина збурювань розвивається в тропічні циклони. Загальне їхнє число в році на всій земній кулі досягає 50. Ще одна необхідна умова для утворення тропічного циклона - це існування у верхній тропосфері антициклона, що забезпечує дивергенцію на своїй верхній границі й пов'язаний з нею приплив повітря знизу.

Тропічний циклон, що сформувався, можна розглядати як симетричний. Сильні вітри спрямовані по спіралі до центра, проти годинникової стрілки в північній півкулі й по вартовий - у південному. У центрі розташовується область затишку, піднебіння часто безхмарне - це очей циклона. На найбільшому видаленні від центра циклона спостерігаються спіральні смуги пір'ястих і шаруватих хмар. Чим ближче до центра, тим могутніше хмарність, супроводжувана сильними опадами. Око циклона оточене щільними й потужними дощовими хмарами. Саме тут відбувається швидкий підйом повітря й при конденсації водяної пари виділяється величезна кількість схованої енергії. Тут, ідуть зливові дощі, супроводжувані грозами. Розвитий циклон має тепле ядро завдяки виділенню схованої теплоти. Це підсилює антициклон у верхній тропосфері, що визначає у свою чергу конвергенцію повітря. У самому оці циклона, що звичайно має діаметр близько 40 км, повітря осідає, що приводить до його адіабатичного нагрівання.

Траєкторії тропічних циклонів зв'язані в основному з розташуванням субтропічних областей високого тиску над океаном. Спочатку циклони рухаються на захід, але потім часто повертають на північ, рухаючись навколо центра високого тиску, і далі рухаються в східному напрямку. Швидкість їхнього переміщення менше, ніж у депресій середніх широт. Спочатку вони рухаються зі швидкістю не більше 15 вузлів, але після повороту на схід їхня швидкість може зрости до 25 вузлів. Руйнування циклонів майже завжди пов'язане з їхнім видаленням від джерел тепла й вологи. Зустрівши на своєму шляху сушу, вони викликають величезні руйнування, але швидко руйнуються й самі, оскільки припиняється надходження тепла й вологи й зростає тертя на поверхні. Після повороту на схід циклони починають рухатися в більше холодні райони океану й поступово загасають. Типові траєкторії тропічних циклонів. Зі схеми видно, що вони не заходять у південну частину Атлантичного океану й у південно-східну частину Тихого океану.

Це пояснюється відносно низкою температурою поверхні океану в зазначених районах і пов'язаним з таким фактом обставиною, що навіть улітку південної півкулі екваторіальна депресія не проникає тут південніше 5° півден.ш. Сезон тропічних циклонів - це звичайно три-чотири місяці після літнього сонцестояння, коли температура води максимальна. Однак в Аравійському морі й у Бенгальській затоці вони можуть утворюватися в будь-який час року, крім лютого й березня.

Вітер у тропічному циклоні породжує дуже більші хвилі, що поширюються від центра циклона. У міру просування циклона накладення хвиль один на одного утворить винятково хаотичне хвилювання, особливо за оком циклона. Моряки розрізняють безпечний для плавання півколо, що розташовується до екватора від траєкторії циклона (при русі його на захід), і небезпечне півколо, у якому вітер несе судно до передньої частини циклона й у якому напрямок вітру й рух циклона збігаються. Існують докладні інструкції для моряків щодо того, як розпізнати наближення тропічного циклона й що потрібно зробити, щоб уникнути влучення в небезпечне півколо й у центр циклона, якщо судно перебуває поблизу його.

Антициклони

Будучи пов'язані з опусканням повітря й дивергенцією, антициклони є джерелами повітряних мас і, як правило, характеризуються сухою спокійною погодою. Хоча при тому самому градієнті тиску швидкість вітру в антициклоні повинна бути більше, ніж у циклоні, у реальних умовах вітер в антициклоні більше слабкий через те, що самі градієнти тиску малі. У поверхні вітер, спрямований за годинниковою стрілкою в північній півкулі й проти годинникової стрілки в південному, перетинає ізобари в напрямку від центра. Повітря, таким чином, розходиться, характеристики повітряної маси залишаються приблизно постійними, і фронти малоймовірні. Повітря, що опускається, нагрівається, його відносна вологість падає, і наявні хмари поступово випаровуються. У нижній частині повітря, що опускається, звичайно виникає інверсія температури, що обмежує вертикальний розвиток хмарності, що могла бути викликана ефектами турбулентного перемішування в нижніх шарах або конвекції в сонячний день. Антициклони, як правило, рухаються повільно або взагалі стоять на місці й тому приносять сталу погоду на кілька днів або тижнів. Вони забезпечують такі умови, при яких улітку виникають морський і береговий бризи, а взимку - адвективний туман.

Великомасштабні антициклони розташовуються над субтропічними районами океану, а взимку у високих широтах над континентальними областями. Улітку й узимку в середніх широтах часто зустрічаються менш стійкі антициклони. Вони можуть бути розділені на теплі й холодні. Холодний антициклон має ядро підвищеного тиску за рахунок того, що повітря в ньому холодніше, ніж навколишній. Це невеликі по вертикалі утворення. Теплий антициклон виникає в результаті конвергенції повітря у високих шарах, що збільшує масу повітря в центрі в порівнянні з периферією. Такі утворення мають своїм походженням динамічні причини й пов'язані з потоком у верхній тропосфері. До зазначеного типу ставляться субтропічні пояси високого тиску й антициклони, що утворяться під хвилями Россбі в потоці західних вітрів верхньої тропосфери.

Холодні антициклони утворяться, як правило, над сушею й над полярними областями й мають сильну температурну інверсію. У результаті цього в нижніх шарах накопичується пил і різні, що приводить до зменшення видимості й створенню димки, що при наявності адвективного туману легко переходить у смог. Якщо повітря залишається чистим, можливі сильні морози. Теплий антициклон, що встановився летом над сушею, супроводжує ясна сонячна погода, причому спільний вплив сонячного випромінювання й адіабатичного нагрівання може привести до дуже високих температур. Над морем зміни температури поверхні менше й менше розходження в погодних умовах в антициклонах улітку й узимку. В антициклонах середніх широт улітку часто зустрічаються хмари, що виникли в результаті вертикального турбулентного перемішування. Узимку може спостерігатися суцільна хмарність. Однак ці хмари мають невелику вертикальну потужність, і з них рідко випадають опади.

Література

1. Некіс В.Е. Основи радіофізичної географії. - Харків, 1986

2. Одум Ю. Основи екології. - К, 1995

3. Павлов А.В. Теплофизика ландшафтов. - Новосибирск, 1999

4. Щульц Г.Э. Загальна фенологія. - К, 1989

5. Рябчиков А.М. Структура и динамика геосферы. - М, 2002

Страницы: 1, 2