big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Схемы общей циркуляции атмосферы

Исследованиями атмосферной циркуляции с помощью карт погоды высоких поверхностей было показано, что междуширотный воздухообмен осуществляется главным образом горизонтальным переносом воздуха с большими скоростями, сопровождающимися в сотни раз меньшими по величине вертикальными движениями.

После открытия струйных течений было построено много вертикальных разрезов атмосферы, карт температуры и изотах на главных изобарических поверхностях вплоть до 20 и 10 мб. Были выявлены характерные сезонные особенности атмосферной циркуляции в различных частях земного шара и изучена структура тропосферных и стратосферных струйных течений. Оказалось, что сезонные показатели преобладающих направлений и скоростей воздушных течений, и прежде всего струйных, хорошо отражают характер циркуляции на земном шаре, так как повторяемость их, близкая к средним величинам, достаточно высокая.

На основе данных меридиональных вертикальных разрезов атмосферы и карт топографии изобарических поверхностей были построены схемы общей циркуляции атмосферы не только по сезонам года, но и вдоль различных меридианов (X, П. Погосян), которые приводятся ниже.

Вследствие различия в распределении температуры и характера циркуляции между северным и южным полушариями разрезы изображены вдоль двух долготных зон на западе и востоке Евразии, различных по физико-географическим условиям: западная — вдоль 10° з. д. — 20° в. д., т. е. в целом вдоль восточного побережья Атлантики, восточная — вдоль 140—170° в. д., т. е. вдоль западных районов Тихого океана и северо-востока Азии.

На сезонных схемах в вертикальной плоскости изображены изотермы, изотахи, фронты и тропопауза, а на периферии внутреннего круга — средние месячные изобары на уровне моря вдоль линий разрезов. Здесь мы приводим схемы лишь для двух сезонов.

Январская схема (рис. 67) хорошо выражает особенности зимнего режима температуры и циркуляции в северном полушарии и летнего режима в южном. Укажем главные особенности

Схема горизонтальной циркуляции атмосферы (средний вертикальный разрез между Северным и Южным полюсами). Январь

его. В районе Северного полюса на уровне 25—30 км температура воздуха составляет —70°, —73°, а на тех же высотах над Центральной Антарктидой —30°, —40°. Четко выражены субтропические и внетропические струйные течения. В зимнем полушарии и в стратосфере высоких широт заметно возрастание скоростей западного переноса с высотой. На уровне 30 км они превышают 160—180 км/ч. В то же время в теплом (южном) полушарии выше 18—20 км господствует восточная циркуляция, достигающая в умеренной зоне на уровне 25—30 км средней скорости 10—15 м/сек. Хорошо выражены отличительные особенности режима температуры и циркуляции вдоль западных и восточных долгот в северном полушарии.

У западных берегов Африки субтропическое струйное течение слабее, чем на востоке Азии, и расположено на 8—10° южнее. Разность средних максимальных скоростей на оси струй составляет 14—16 м/сек, что объясняется условиями подстилающей поверхности. Существенно различны и внетропические струйные течения. В зоне 60° широты на западе хорошо выражено внетропическое западное струйное течение, а над Северо-Восточной Азией — слабые ветры преобладающего восточного направления.

Сравнительно сильные струи на востоке Азии зимой объясняются большими контрастами температуры, возникающими в этом районе между охлажденными массами воздуха над Северной Азией и теплым воздухом Тихого океана. Этих условий нет в Северо-Западной Африке. Здесь усиление струйных течений происходит при меридиональных преобразованиях термобарического поля тропосферы, при которых относительно холодные массы воздуха севера соприкасаются с воздухом тропиков. В соответствии с географическими условиями и сезонным характером термобарического поля (высотный гребень над теплой Атлантикой и холодная ложбина над Европой) циклонические меридиональные преобразования сопровождаются возникновением и изоляцией холодного циклона над Северо-Западной Африкой. На его южной периферии на широте около 20° с. ш. обычно образуется струйное течение, которое находится в среднем на 8—10° южнее, чем струя над Южным Китаем и Японскими островами.

Однако, несмотря на отдельные различия между западом, востоком Евразии и теми же долготами южного полушария, между ними есть много общего, что легко обнаружить на представленных схемах. В июле (рис. 68) характер циркуляции в стратосфере резко отличен от январской. В тропосфере северного полушария контрасты температуры и ветры между экватором и полюсом значительно ослабевают. В стратосфере выше уровня 16—20 км устанавливаются восточные течения. В южном полушарии, наоборот, контрасты температуры и ветры несколько усиливаются, а в стратосфере преобладающим является западный перенос.

Не останавливаясь на отдельных характеристиках преобладающей июльской циркуляции на земном шаре, так как они видны на приведенных схемах, отметим лишь, что циркуляция атмосферы в северном полушарии в январе носит те же черты, что и циркуляция в июле в южном полушарии. Иначе говоря, характер сезонной циркуляции в обоих полушариях во многом одинаков. И здесь различия вызваны условиями подстилающей - поверхности, о чем говорилось в предыдущих главах. В частности, средние скорости в системе субтропических струйных течений в северном полушарии летом почти вдвое меньше, чем зимой, а в южном полушарии междусезонные различия скоростей малы. То же относится к сезонным перемещениям зон струйных течений вдоль меридиана. В северном полушарии от зимы к лету эти зоны смещаются в сторону высоких широт на значительное расстояние. В южном полушарии смещения небольшие, а внетропические струи имеют тенденцию к перемещению в сторону низких широт.

В тропосфере обоих полушарий западный перенос преобладает в умеренных широтах, а восточный — в высоких. Вместе с тем купол преобладающего восточного направления ветра ограничен в среднем 3—5 км, а в Антарктике — 6—8 км, причем радиус действия восточного ветра у поверхности земли в южном полушарии заметно больше, чем в северном.

Выше уже говорилось, что в соответствии с условиями межширотного воздухообмена в тропосфере и стратосфере Антарктики температура воздуха в холодное полугодие ниже, чем в Арктике. Поэтому и скорости воздушных течений там несколько больше. На высотах 25—30 км средние скорости потоков зимой в Антарктике достигают 50—60 м/сек, а в Арктике — 40— 50 м/сек.

Характерным для экваториальной зоны является преобладание ветров восточного направления (пассаты северного и южного полушарий). Во многих районах восточные ветры преобладают на всех высотах и во все сезоны. В низких широтах, особенно в январе — апреле в западной части Африки, вблизи тропопаузы преобладают западные ветры, причем чаще всего южнее экватора. Казалось бы, зимой в северном полушарии (декабрь— февраль), в особенности в экваториальной зоне, должны преобладать западные ветры, а летом в южном полушарии, наоборот,— восточные. В действительности в большей части экваториальной зоны северного полушария восточное направление наблюдается чаще, чем в экваториальной зоне южного. Восточные ветры в декабре — феврале над Тихим океаном распространяются значительно севернее экватора. Даже на широтах 40—50° с. ш. в стратосфере преобладают восточные воздушные

Схема горизонтальной циркуляции атмосферы (средний вертикальный разрез между северным и южным полюсами). Июль

течения. Такое аномальное положение восточных потоков на высотах определяется наличием устойчивого стратосферного антициклона на севере Тихого океана.

Таким образом, не только летом, но и зимой между экватором и северным тропиком часты восточные ветры. Их повторяемость с высотой уменьшается до тропопаузы, а выше вновь возрастает. И здесь на характер циркуляции определенное влияние оказывает подстилающая поверхность. Ее влияние настолько очевидно, что изолинии относительного и абсолютного геопотенциала во всей тропосфере в общих чертах совпадают с приземными изотермами.

Согласно картам изотерм, в экваториальной зоне область наиболее высоких температур у поверхности земли в течение всего года смещена к северу от экватора, за исключением района Тихого океана, где в январе — апреле зона высоких температур несколько смещена к югу от экватора. Следовательно, область тропосферного тепла, а соответственно и высокого давления в значительной части экваториальной зоны должна быть смещена к северу и в экваториальной зоне северного полушария должны преобладать ветры восточного направления.

В стратосфере зона восточных ветров расширяется. В декабре — феврале севернее 20° с. ш. в тропосфере и стратосфере северного полушария преобладает западный перенос. В то же время в южном, теплом полушарии выше 16—20 км наблюдается почти устойчивый восточный перенос, охватывающий всю стратосферу. К июлю — августу циркуляция в северном и южном полушариях как бы меняется местами. Для юга характерна западная циркуляция, распространяющаяся на всю стратосферу и мезосферу, а на севере, выше 16—20 км, наблюдается устойчивый восточный перенос.

По данным наблюдений, в низких широтах Тихого океана с высотой восточные ветры нередко сменяются на западные и вновь принимают восточное направление. Такие изменения ветра с высотой в верхней тропосфере и нижней стратосфере связаны с меридиональными преобразованиями термобарического поля атмосферы.

В нижней тропосфере в отдельных районах даже летом почти непрерывно наблюдаются западные ветры. Наиболее ярко это выражено на юге Азии, когда на материке развивается летняя термическая депрессия. В этом случае западные ветры отмечаются в слое между поверхностью земли и высотами 4—6 км. Как частное явление оно не отразилось на приведенных здесь схемах циркуляции. Не получило отражения и различие скоростей восточных течений летом в тропической зоне. Как следует из карт барической топографии поверхностей 300 и 200 мб, над южной частью Азии восточные воздушные течения имеют заметно большие скорости, чем над океанами, Например, на уровне 100 мб в этом районе восточные ветры достигают в среднем скоростей 30—35 м/сек, а над океанами — 10—15 м/сек.

Различие скоростей восточных ветров на юге Азии и океанах, можно объяснить различием нагрева воздуха над сушей (Южной Азией) и прилегающей водной поверхностью Индийского океана, поскольку поля температуры и ветра в тропосфере определяются прежде всего термическими условиями подстилающей поверхности. Этот факт получил отражение на повторяемости струйных течений и на картах изотах июля. Все эти детали циркуляции, естественно, не отображены на схемах.

Следует заметить, что характер циркуляции в низких широтах очень сложен. Режим температуры, геопотенциала и ветра в тропосфере Земли и в низких широтах в известной мере определяется положением материков и океанов. В различных районах тропиков и экваториальной зоны приток тепла и формирование сезонного поля температуры и ветра у поверхности земли и на высотах различны. В частности, неодинаковы условия формирования поля температуры летом над Южной Азией и в той же широтной зоне над Тихим океаном. Соответственно отличается и циркуляция.

Различный характер полей температуры в тропосфере и средней стратосфере тропической и экваториальной зоны хорошо виден из сравнения карт относительной топографии слоев ОТ 300/1000 и ОТ 10/100 мб для зимы (рис. 22 и 24) и для лета (рис. 23 и 25). Так, зимой над Тихим океаном и особенно Южной Азией имеет место значительный горизонтальный градиент температуры, который направлен в тропосфере из экваториальной зоны на север. В стратосфере над Тихим океаном градиент температуры направлен с севера в сторону экваториальной зоны, а над Южной Азией наблюдается слабоградиентное поле. Летом над Южной Азией хорошо выражен градиент относительного геопотенциала, направленный с севера на юг, а над Тихим океаном величина градиента очень мала. В результате такой структуры поля температуры над Южной Азией в стратосфере образуется постоянное восточное течение со скоростями свыше 100 км/ч, а над Тихим океаном преобладают слабые ветры, направление которых часто изменяется в зависимости от общего характера атмосферной циркуляции во внетропических широтах.

Не приводя больше сезонных схем и карт, остановимся кратко на особенностях циркуляции весной и осенью.

Весной в северном полушарии с наступлением полярного дня в высоких широтах усиливается нагревание воздуха, вследствие чего горизонтальные градиенты температуры между тропиком и высокими широтами уменьшаются в тропосфере и еще больше в стратосфере. Соответственно уменьшаются и скорости ветра. В нижней стратосфере создается почти безградиентное поле, и поэтому скорости западного ветра не возрастают с высотой

Горизонтальная циркуляция атмосферы (вертикальный разрез) 10-11 января 1959 г.

Горизонтальная циркуляция атмосферы (вертикальный разрез) 6 июля (западная половина) и 3 июля (восточная половина) 1959 г.

как это бывает зимой, а лишь испытывают небольшие изменения. В связи с этим наибольшие скорости воздушных течений как в каждом отдельном случае, так и в среднем за сезон наблюдаются в верхней тропосфере.

В южном полушарии, наоборот, с наступлением осени и исчезновением полярного дня воздух в Антарктике охлаждается и наблюдается тенденция к возрастанию горизонтального градиента температуры в тропосфере между высокими и низкими широтами. В стратосфере над Центральной Антарктидой температура по сравнению с январем понижается на 20—25°, что приводит к исчезновению температурных контрастов между высокими и средними широтами и ослаблению западных ветров. При этом наибольшие скорости ветра в южном полушарии наблюдаются в тропосфере, а выше тропопаузы они не испытывают существенных изменений.

Условия, определяющие общую циркуляцию атмосферы осенью, аналогичны. В октябре средние максимальные скорости в системе тропосферных струйных течений в обоих полушариях не превышают 140—160 км/ч. В стратосфере, как и весной, преобладают западные ветры. Однако их средние максимальные скорости различны на севере и юге Земли. В Арктике они достигают 60—80 км/ч, а в Антарктике — 90—120 км/ч, что можно объяснить сравнительно низкими температурами воздуха над Антарктидой в сравнении с Центральной Арктикой.

С наступлением в Антарктиде полярного дня прогревание воздуха в тропосфере и стратосфере происходит медленно, так как слабый междуширотный воздухообмен, определяющийся физико-географическими условиями южного полушария, не способствует быстрому изменению зимнего режима температуры.

Чтобы показать, насколько типичны средние вертикальные разрезы атмосферы, приведем здесь два индивидуальных разреза за случайно взятые дни января и июля 1959 г. вдоль указанных выше меридианов (рис. 69 и 70). Эти разрезы содержат почти все основные детали циркуляции, отображенные на средних схемах (см. рис. 67 и 68). Различие состоит лишь в интенсивности и в положении внетропических струйных течений, несмотря на то, что в эти дни наблюдались аномальные процессы. Как видим, сезонные особенности атмосферной циркуляции накладывают сильный отпечаток на характер повседневной циркуляции в масштабе земного шара.

Если данные радиозондовых наблюдений позволяют, изучать различные характеристики атмосферы до высот 25—35 км, то запуск метеорологических ракет, проведенный в последние 5— 10 лет, обогатил представление о режиме температуры и ветра до высоты 80—90 км. Выше были приведены уточненные схематические разрезы атмосферы, построенные по данным ракетного зондирования в различных пунктах земного шара (см. рис. 5).

Годовой ход зонального компонента ветра, основанный на месячных средних северных станций - ракетной сети (60 градусов с. ш.) и южных станций - ракетной сети (30 градусов с. ш.)

Здесь хорошо выделяется тропосфера со значительным вертикальным градиентом температуры, стратосфера с характерным повышением температуры с высотой и очагом холода зимой в полярной области на высотах 25—35 км, мезосфера с падением температуры с высотой, как и в тропосфере, а также термосфера — сфера возрастания температуры.

В соответствии с полем температуры формируется и поле ветра, изображенное на вертикальном разрезе (рис. 6). Этой схемой представлено распределение ветра и, следовательно, особенности циркуляции зимой и летом в северном и южном полушариях. Правда, различия подстилающей поверхности в обоих полушариях создают, как мы видели, отличительные особенности в структуре полей температуры и ветра. Но это характерно в основном для тропосферы. В стратосфере, а тем более в мезо-сфере, где сезонный режим метеорологических элементов в обоих полушариях определяется, главным образом, лучистым теплообменом, структура полей температуры и ветра принципиально должна быть аналогичной. На схеме нашли отражение тропосферные струйные течения, фронтальные зоны, положение тропопаузы и мезопаузы, преобладающая в стратосфере и мезосфере западная циркуляция зимой со средними максимальными скоростями до 100 м/сек на уровне 60—70 км, восточная циркуляция летом со средними максимальными скоростями более 67—70 м/сек в слое 50—60 км и другие особенности.

На рисунке 71 изображены изменения зональной составляющей скорости ветра до высот 60—70 км, построенные на основании средних месячных данных наблюдений станций ракетной сети в 1963 г. в двух широтных зонах (вблизи 60° и 30° с. ш.). Как видно, во все месяцы года в тропосфере и мезосфере западная циркуляция, характерная для зимы, в апреле — мае сменяется на восточную циркуляцию, которая остается до начала осени и в октябре вновь переходит на западную. При этом наибольшие величины средних скоростей западного ветра (70—80 м/сек) наблюдались в южной зоне на высотах 60—70 км. Летом максимальные средние скорости восточного ветра (50—60 м/сек) наблюдались также в Южной зоне и на тех же высотах.

Таковы современные представления об общей циркуляции атмосферы Земли.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.