Общая циркуляция атмосферы

Рис. 7 Антициклон[21]  

                       Глава 2. Общая циркуляция атмосферы

     Общей циркуляцией атмосферы (рис. 8) называют замкнутые течения воздушных масс в масштабах полушария или всего земного шара, приводящие к широтному и меридиональному переносу вещества и энергии в атмосфере. Главной причиной возникновения воздушных течений в атмосфере служит неравномерное распределение тепла на поверхности Земли, что приводит к неодинаковому нагреванию почвы и воздуха в различных поясах земного шара. Таким образом, солнечная энергия является первопричиной всех движений в воздушной оболочке Земли. Кроме притока солнечной энергии к важнейшим факторам, вызывающим возникновение ветра, относятся также вращение Земли вокруг своей оси, неоднородность подстилающей поверхности и трение воздуха о почву. В земной атмосфере наблюдаются воздушные движения самых различных масштабов – от десятков и сотен метров (местные ветры) до сотен и тысяч километров (циклоны, антициклоны, муссоны, пассаты, планетарные фронтальные зоны). Простейшая схема глобальной циркуляции атмосферы была составлена более 200 лет назад. Ее основные положения не потеряли своего значения и до сих пор. Современные принципы классификации форм атмосферной циркуляции северного полушария Вангенгейма – Гирса. Воздушные массы постоянно перемещаются вокруг земного шара. На скорость их движения влияет неравномерность поступления солнечной радиации и поглощение ее различными участками подстилающей поверхности и атмосферы, вращение Земли, термическое и динамическое взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью, в том числе и взаимодействие с океаном [1].

Рис. 8 Схема общей циркуляции атмосферы[21]

      Из рисунка 8 видно как формируются основные составляющие циркуляции атмосферы. Так, пасаты формируются в областях высокого давления и дуют в направлении области низкого давления у экватора. Западный перенос формируется в области высого давления и дует в сторону северного полюса в северном полушари и в сторону южного полюса в южном.

     Одним из наиболее крупномасштабных звеньев общей циркуляции атмосферы является циркумполярный вихрь. Его формирование обусловлено очагами холода в полярной области и очагами тепла в тропической зоне. Циркумполярное движение и его проявление – западный перенос – являются устойчивой и характерной особенностью общей атмосферной циркуляции. В 1930-е были начаты обстоятельные исследования общей циркуляции атмосферы путем деления всех синоптических процессов на элементарные (ЭСП) и обобщение их в трех формах циркуляции: западной (W), восточной (Е) и меридиональной (С). Процессы западной формы (W) характеризуются развитием зональных составляющих циркуляции и быстрым смещением с запада на восток барических образований. При развитии меридиональных форм циркуляции, когда формируются стационарные волны большой амплитуды, наблюдаются процессы формы Е и С. Над материками и вблизи них пассаты нарушаются другой системой течений – муссонами, которые возникают из-за циклонической деятельности, связанной с большим перепадом температуры между морем и сушей. Зимой муссон направлен с континента на океан, а летом – с океана на континент. Муссонный перенос воздушных масс представлен в прибрежных районах Восточной Азии и, в частности, в Приморье. Воздушные массы перемещаются как у поверхности Земли, так и на больших высотах от Земли и не только в горизонтальном направлении, но и в вертикальном. Несмотря на то, что вертикальные скорости движения воздуха малы, они играют важную роль в обмене воздуха по вертикали, образовании облаков, осадков и других погодных явлений. Есть и другие особенности в распределении вертикальных движений. Анализ синоптических карт показал, что температурные контрасты полюс – экватор неравномерно распределены по широте. Наблюдается сравнительно узкая зона, где сконцентрирована значительная часть энергии атмосферной циркуляции. Здесь отмечаются максимальные значения барических градиентов, а следовательно, и скоростей ветра. Для таких областей было введено понятие высотной фронтальной зоны (ВФЗ), а связанные с ней сильные западные ветры стали называть струйными течениями или струями. Обычно скорость ветра вдоль оси струи превышает 30 м/с, вертикальный градиент скорости ветра превышает 5 м/с на 1 км, а горизонтальный градиент скорости достигает 10 м/с и более на 100 км. ВФЗ занимает большие географические пространства: ширина ее 800–1000 км, высота 12–15 км и длина 5–10 тыс. км. ВФЗ включает в себя обычно один или несколько фронтов и является местом возникновения подвижных фронтальных циклонов и антициклонов, перемещающихся по направлению основного (ведущего) потока. В периоды сильного развития меридиональности процессов ВФЗ как бы «извивается», огибая высотные гребни с севера и ложбины с юга. Общая циркуляция атмосферы представляет собой систему крупномасштабных воздушных течений над земным шаром. Эта система доступна изучению с помощью ежедневных синоптических карт, а также находит отображение на средних многолетних картах для земной поверхности и тропосферы [20].

     Воздушные течения. С планетарным распределением давления связана сложная система воздушных течений. Некоторые из них сравнительно устойчивы, а другие постоянно изменяются в пространстве и во времени. К устойчивым воздушным течениям относятся пассаты, которые направлены от субтропических широт обоих полушарий к экватору, устойчивые на протяжении года воздушные течения в тропических широтах над океанами, и муссоны (система воздушных течений, в которой в одном сезоне преобладают ветры одного направления, а в другом – прямо противоположного или близкого к нему), в средних широтах преобладают воздушные течения западного направления (с Запада на Восток), в которых возникают крупные вихри – циклоны и антициклоны, обычно простирающиеся на сотни и тысячи километров. Циклоны наблюдаются и в тропических широтах, где они отличаются меньшими размерами, но особенно большими скоростями ветра, часто достигающими силы урагана (т.н. тропические циклоны). В верхней тропосфере и нижней стратосфере часто возникают сравнительно узкие (в сотни километров шириной) струйные течения, с резко очерченными границами, в пределах которых ветер достигает больших скоростей до 100–150 м/с [1]. Более подробно о каждом из типов ветра написано в первой главе.

Глава 3. Роль общей циркуляции атмосферы в географической оболочке

   Создавая перенос воздуха, а с ним тепла и влаги из одних широт и регионов в другие, циркуляция атмосферы является важнейшим климатообразующим процессом. Характер погоды и его изменения в любом месте Земли определяются не только местными условиями теплооборота и влагооборота между земной поверхностью и атмосферой, но и циркуляцией атмосферы.

 Вследствие Кориолиса силы движение воздуха при общей Циркуляция атмосферы является квазигеострофическим, то есть за исключением приэкваториальных широт и пограничного слоя оно достаточно близко к геострофическому ветру, направленному по изобарам, перпендикулярно барическому градиенту. А так как атмосферное давление распределяется над земным шаром в общем зонально (изобары близки к широтным кругам), то и перенос воздуха имеет в общем зональный характер. В нижних 1—1,5 км ветер находится ещё под влиянием сил трения и существенно отличается от геострофического по скорости и направлению. Кроме того, распределение атмосферного давления над земной поверхностью, а с ним и течения циркуляции атмосферы зональны лишь в общих чертах. В действительности циркуляция атмосферы находится в непрерывном изменении как в связи с сезонными изменениями в распределении источников и стоков тепла на земной поверхности и в атмосфере, так и в связи с циклонической деятельностью (образованием и перемещением в атмосфере циклонов и антициклонов). Циклоническая деятельность придаёт Циркуляция атмосферы сложный и быстро меняющийся макротурбулентный характер. С высотой зональность Циркуляция атмосферы возрастает, в верхней тропосфере и стратосфере вместо вихревых возмущений преобладают волновые возмущения зонального переноса. Именно связанные с циклонической деятельностью меридиональные составляющие ветра осуществляют обмен воздуха между низкими и высокими широтами Земли. В низких широтах Земля получает больше тепла от Солнца, чем теряет его путём собственного излучения, в высоких широтах — наоборот. Междуширотный обмен воздухом приводит к переносу тепла из низких широт в высокие и холода из высоких широт в низкие, чем сохраняется тепловое равновесие на всех широтах Земли [20]. 

    Поскольку температура воздуха в тропосфере в среднем убывает от низких широт к высоким, атмосферное давление в среднем также убывает в каждом полушарии от низких широт к высоким. Поэтому начиная примерно с высоты 5 км, где влияние материков, океанов и циклонической деятельности на структуру полей давления и движения воздуха становится малым, устанавливается западный перенос воздуха почти над всем земным шаром (за исключением приэкваториальной зоны). Зимой в данном полушарии западный перенос захватывает не только верхнюю тропосферу, но и всю стратосферу и мезосферу. Однако летом стратосфера над полюсом сильно нагревается и становится значительно теплее, чем над экватором, поэтому меридиональный градиент давления начиная примерно с 20 км меняет своё направление и зональный перенос воздуха соответственно меняется с западного на восточный.

    У земной поверхности и в нижней тропосфере зональное распределение давления сложнее, поскольку оно в большей степени определяется циклонической деятельностью. В процессе последней циклоны, перемещаясь в общем к востоку, в то же время отклоняются в более высокие широты, а антициклоны — в более низкие. Поэтому в нижней тропосфере (и у земной поверхности) образуются две субтропические зоны повышенного давления по обе стороны от экватора, вдоль которого давление понижено (экваториальная депрессия); в субполярных широтах образуются две зоны пониженного давления (субполярные депрессии); в самых высоких широтах давление повышено. Этому распределению давления соответствуют западный перенос в средних широтах каждого из полушарий и восточный перенос в тропических и высоких широтах.

     В некоторых ограниченных областях при ослаблении течений общей циркуляции атмосферы возникают местные мезомасштабные циркуляции с суточной периодичностью, связанные с местными различиями в нагревании атмосферы, обусловленными орографией и соседством суши и воды. Таковы бризы на берегах водоёмов, горно-долинные ветры. В больших городах наблюдаются даже городские бризы, связанные с застройкой города и производством тепла в нём.

  Для  выяснения наиболее общих и устойчивых особенностей циркуляция атмосферы применяется осреднение многолетних наблюдений над атмосферным давлением и ветром на различных уровнях атмосферы. При таком осреднении колебания циркуляции атмосферы, связанные с циклонической деятельностью, в большей мере взаимно погашаются. Наряду с этим изучаются также ежедневные изменения режима циркуляции атмосферы по синоптическим картам — приземным и высотным и по снимкам облаков со спутников. Это позволяет выделять типы циркуляции атмосферы, их повторяемость, преобразования и смены [13].

  Теоретическое изучение циркуляции атмосферы сводится к выявлению и объяснению сё особенностей и обусловленности путём численного эксперимента, то есть численного интегрирования по времени соответствующих систем уравнений гидродинамики и термодинамики атмосферы (и океана). Как эмпирическое изучение общей Циркуляция атмосферы, так и её математическое моделирование имеют важное значение для решения задач долгосрочного прогноза погоды.

В качестве примеров перераспределения тепла и влаги у земной поверхности можно рассмотреть атмосферную циркуляцию над Европой и Северной Америкой.

     Так в Европе перемещения воздушных масс в системе общей циркуляции атмосферы приводят к существенному территориальному перераспределению тепла, особенно зимой. Отепляющая роль западного переноса, усиливаемая наличием тёплого Северо-Атлантического течения, проявляется в отклонении изотерм зимних месяцев от широтного направления и в значительном превышении средних температур зимних месяцев на большей части Европы (кроме Ю.-В.) над средними широтными температурами: положительная аномалия температур января на Новой Земле, Кольском полуострове, Шпицбергене, Британских островах составляет от 8 до 18 °С, а на З. Скандинавии и в Исландии от 18 до 24 °С.

    Общая циркуляция атмосферы над Северной Америкой примерно такая же, как над Евразией, но различия в размерах и орографическом строении двух материков обусловливают разницу как в местных циркуляционных условиях, так и в распределении температур и осадков. Основной тип циркуляции атмосферы над большей частью Северной Америки — западно-восточный перенос, однако из-за особенностей орографии материка влияние океанического воздуха проявляется главным образом на тихоокеанском побережье и на западных склонах Кордильер. Во внутренние части материка тихоокеанский воздух проникает через пониженные участки гор и поперечные долины, испытывая при этом интенсивную трансформацию и теряя значительную часть своих свойств уже непосредственно к востоку от Кордильер. Внутренние районы Северной Америки являются ареной формирования континентального воздуха. Однако значительно меньшие размеры суши по сравнению с Евразией не создают условий для образования столь мощного зимнего максимума, как Азиатский. Поэтому для приатлантической части умеренного пояса Северной Америки характерна циклоническая деятельность в течение всего года [10]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение

Делая вывод, можно сказать, что наибольшее значение для жизни, а также процессов, происходящих на Земле, имеет нижний слой атмосферы-тропосфера, в которой находится 9/10 всей массы воздуха. В тропосфере образуются облака, дождь, снег, град, ветер. Поэтому тропосферу называют "фабрикой погоды". Процессы, происходящие в ней часто становятся причиной страшных стихийных бедствий-засух, наводнений, ураганов и других явлений, в результате которых гибнут люди, животные и растения.

Воздушные массы в атмосфере отличаются друг от друга по свойствам, поэтому  они неизбежно начинают перемещаться в горизонтальном и вертикальном направлении. Причиной их перемещения является неравномерный нагрев Земли и, как следствие, разность атмосферного давления. Она действует как сила, вызывающая движение воздуха. Все разнообразные движения воздуха в атмосфере нашей планеты получили название общей циркуляции атмосферы. Если бы ее не было, то на экваторе среднегодовая температура была бы на 13° выше, а на широтах 70-80° — на 23° ниже, чем в настоящее время.

    Общая циркуляция атмосферы — важнейший климатообразующый фактор, от которого зависит погода каждого региона. Воздушные массы в своем движении отклоняются. Причиной этого является вращение Земли вокруг собственной оси.

     Главные закономерности общей циркуляции атмосферы постоянны: в нижней части стратосферы струйные течения воздуха в умеренных и субтропических широтах преимущественно западные, а в тропических — восточные, и идут они со скоростью до 150 метров в секунду. В нижней тропосфере преобладающие направления переноса воздуха различают по географическим поясам. В полярных широтах — восточные ветры; в умеренных — западные с циклонами и антициклонами, в тропических широтах наиболее устойчивы пассаты и муссоны.

     В связи с разнообразием подстилающей поверхности в общей циркуляции атмосферы могут возникать районные отклонения — местные ветры.

    Создавая перенос воздуха, а с ним тепла и влаги из одних широт и регионов в другие, циркуляция атмосферы является важнейшим климатообразующим процессом. Характер погоды и его изменения в любом месте Земли определяются не только местными условиями теплооборота между земной поверхностью и атмосферой, но и циркуляцией атмосферы.

   Распределение атмосферного давления над земной поверхностью, а с ним и воздушные течения  зональны лишь в общих чертах. В действительности циркуляция атмосферы находится в непрерывном изменении, как в связи с сезонными изменениями в распределении источников тепла на земной поверхности и в атмосфере, так и в связи с циклонической деятельностью, которая осуществляет обмен воздуха между низкими и высокими широтами Земли. В низких широтах Земля получает больше тепла от Солнца, чем теряет его путём собственного излучения. В высоких широтах обмен воздухом приводит к переносу тепла из низких широт в высокие и холода из высоких широт в низкие, что обусловливает сохранение теплового равновесия на всех широтах Земли.