big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Высотные фронтальные зоны и струйные течения

К числу основных характеристик высотных фронтальных зон относятся сравнительно большие градиенты температуры, давления и скорости ветра. В системе высотных фронтальных зон максимальные скорости ветра очень часто превышают 100 км/час, т. е. удовлетворяют принятым критериям скоростей струйных течений.

Согласно определения струйного течения, предложенного аэрологической комиссией Всемирной метеорологической организации в 1957 г. струйное течение — сильный узкий поток с квазигоризонтальной осью, расположенный в верхней тропосфере или стратосфере, характеризующийся большими вертикальными и боковыми сдвигами ветра с наличием одного или более максимумов скорости ветра. Струйные течения имеют в длину тысячи километров, сотни в ширину и несколько в толщину. Вертикальный сдвиг ветра составляет 5—10 м/сек. на 1 км и боковой сдвиг 5 м/сек. на 100 км. Нижний предел скорости ветра вдоль оси 30 м/сек.

Размеры струйных течений имеют порядок: по вертикали единицы, по ширине сотни и по протяженности тысячи километров.

При всем многообразии структуры струйные течения являются ветровой характеристикой хорошо выраженных высотных фронтальных зон. В системе фронтальных зон струйные течения, распространяясь на многие тысячи километров, окаймляют земной шар. Соотношение масштабов показывает, что струйное течение представляет сплюснутую сравнительно узкую зону больших скоростей ветра в относительно спокойной окружающей атмосфере.

В послевоенные годы в связи с требованиями авиации струйные течения изучались с неослабевающим интересом. Им посвящены сотни исследований. Изучаются такие характеристики струйных течений, как пространственная структура, условия формирования и перемещения их, связь с атмосферными фронтами и барическими образованиями, вертикальные и горизонтальные сдвиги ветра, вертикальные движения и изменения высоты тропопаузы, разрывы тропопаузы, влияние орографии на структуру струйных течений, облачность и турбулентность в струйных течениях и т. п.

Такой интерес к струйным течениям объясняется не только требованиями авиации, но и тем, что высотные фронтальные зоны со струйными течениями занимают важное место в системе общей циркуляции атмосферы. Ибо здесь происходит как наиболее интенсивный горизонтальный перенос, так и вертикальные перемещения воздуха. Высотные фронтальные зоны и струйные течения, непрерывно преобразовываясь вследствие цикло- и антициклонической деятельности, обеспечивают зональный и меридиональный обмен воздуха в планетарном масштабе.

Еще до открытия струйных течений было обнаружено, что сильные ветры в тропосфере наблюдаются обычно в бароклинных зонах. В 1046—1947 гг. было установлено, что средние за месяц контрасты температуры в тропосфере между низкими и высокими широтами концентрируются в узких зонах западного ветра большой скорости. В последующем многократна было подтверждено также, что скорости воздушных, течений на высотах зависят главным образом от характера поля температуры нижележащих слоев воздуха. Чем больше горизонтальные градиенты температуры в системе высотной фронтальной зоны, тем сильнее струйное течение, характеризующее ветровой режим в этой зоне.

Из теории термического ветра, как и данных шаропилотных наблюдений, было известно, что в соответствии с распределением температуры на высотах до уровня тропопаузы скорость ветра обычно возрастает, а в нижней стратосфере убывает, т. е. максимальные скорости воздушных течений располагаются на уровне 9—12 км вблизи тропопаузы. Градиентный ветер на любом уровне можно рассматривать как сумму двух составляющих: барического градиента на нижнем уровне и приращения ветра, пропорционального горизонтальному градиенту температуры нижележащего слоя. На основе анализа 290 случаев струйных течений в средних широтах, обнаруженных в 1956 г. с максимальными скоростями ветра в пределах 150—300 км/час, К. Угаровой была построена табл. 18.

Как следует из табл. 17, чаще всего нарастание средней скорости ветра с высотой происходит в 2—4-кратном размере что составило 71% изученных струйных течений. В 29% случаев нарастание скорости ветра от уровня 850 мб до уровня 300 мб происходило в 4 раза и более. Таким образом, величина нарастания скорости ветра в тропосфере колебалась в широких пределах от двукратного, составившего 18%, до десятикратного и более, составивших 10% от общего числа случаев.

Для тех же 290 случаев струйных течений были определены величины градиента давления у поверхности земли, для сравнимости выраженного в дкм/1000 км (табл. 18).

Из табл. 18 следует, что в 86% случаев приземный барический градиент под струйными течениями положителен, а в 14% случаев — отрицателен. В случаях лишь двукратного нарастания скорости ветра с высотой барический градиент у поверхности земли был положителен и составлял около 40% градиента на уровне 300 мб. Из таблицы также следует, что величина приземного барического градиента сравнительно небольшая. Поэтому она не должна существенно влиять на распределение ветра в зоне струйного течения.

Из анализа струйных течений было получено, что величины контрастов температуры в °/1000 км в нижней и верхней тропосфере приблизительно одинаковы. Аналогичные результаты уже были получены Г. Д. Зубяном и др. Оказалось, что при двукратном увеличении скорости ветра с высотой под струей контрасты температуры не достигают значительных величин. В этих случаях в слое 500 над 1000 мб контрасты температуры находятся в пределах 4—160/1000 км, а в слое 300 над 500 мб — 4—150/1000 км. При многократном увеличений скорости ветра с высотой в нижнем слое контрасты достигают 10—220/1000 км, a в верхнем слое 8—190/1000 км.

Вклад приземного поля давления в усиление струйных течений обычно является существенным в системе глубоких, но теряющих температурную асимметрию циклонов. При этом в той части мощных, но уже заполняющихся циклонов, при малых горизонтальных градиентах температуры в тропосфере у поверхности земли наблюдаются большие градиенты давления и скорости ветра, по направлению совпадающие с полем давления и ветра вблизи оси струйных течений.

В табл. 19 показана связь между величинами горизонтального контраста средней температуры между изобарическими поверхностями 300 и 1000 мб, между холодной и теплой частями высотной фронтальной зоны и скоростями на оси струйных течений.

Из табл. 19 следует, что в преобладающем числе случаев максимальные скорости ветра на оси струи тем больше, чем больше контрасты температуры. Лишь в одном случае из 68 максимальная скорость на оси струи достигала 130 км/час при контрасте средней температуры слоя, равной 4°.

Таким образом, в формировании струйных течений основное значение имеет характер поля температуры нижележащего слоя атмосферы.

Несмотря на очевидность термической основы возникновения и эволюции струйных течений, существуют различные гипотезы формирования их. Дж. Немайес и Ф. Клапп в 1949 г. предложили адвективную так называемую теорию слияния. Согласно этой теории формирование высотных фронтальных зон и струйных течений происходит главным образом в результате адвективного сближения различных по термическим свойствам воздушных масс. Это положение является одним из основополагающих начал адвективно-динамического анализа, сформулированного в начале сороковых годов. Однако дальнейшие исследования показали, что в преобразовании термобарического поля и эволюции струйных течений в определенных областях высотной фронтальной зоны неадвективные факторы изменения температуры играют важную роль, хотя роль адвекции в формировании и эволюции высотных фронтальных зон и струйных течений является главной.

Согласно теории бокового перемешивания К. Россби, горизонтальная циркуляция в средних широтах имеет характер волнообразных возмущений с гребнями и ложбинами, циклонами и антициклонами. Ими осуществляется перенос теплого воздуха к северу и холодного к югу. Нарушение зонального переноса, происходящее в результате потери устойчивости волн, приводит к усиленному горизонтальному перемешиванию, и в субтропической зоне образуется высотная фронтальная зона с большими контрастами температуры и струйное течение.

По теории Россби можно объяснить образование лишь субтропического струйного течения и то с оговорками. Субтропическое струйное течение должно обладать одинаковой интенсивностью на всем земном шаре. Между тем, по данным наблюдений, струйное течение, особенно зимой, различно по своей интенсивности не только над материками и океанами, но и на разных участках океанов. Теория Россби совершенно не объясняет струйные течения внетропических широт и связь их с циклонами и антициклонами.

Теория сезонных колебаний общей циркуляции атмосферы, предложенная автором в 1947 г., объясняет формирование полей температуры, давления, ветра и планетарных высотных фронтальных зон в различные сезоны неадвективными факторами изменения температуры и прежде всего притоком тепла от подстилающей поверхности.

Много общего с ней имеет идея, выдвинутая Р. Ф. Усмановым, о формировании струйного течения путем распределения суммарного притока тепла. Отмечая, что в декабре и январе медианная линия максимальных скоростей ветра находится близко к линии нулевого радиационного баланса, Усманов полагает, что при исследовании атмосферных процессов необходимо учитывать общий приток тепла, т. е. все составляющие теплового баланса. Таким образом, теоретическое определение сезонного положения струйных течений по существу автор сводит к расчету составляющих теплового баланса атмосферы. Успешное гидродинамическое решение задачи позволило бы теоретическим путем получить количественное согласование рассчитанных и фактических полей метеорологических элементов.

Исследования последних лет позволили получить близкие к действительности средние месячные температуры вдоль меридианов, как и асимметричное распределение температуры относительно географического экватора. На основе произведенных расчетов получено среднегодовое распределение зональной скорости ветра и максимума скорости, превышающей 30 м/сек. На высоте 10—12 км около 40° с. ш., т. е. субтропическое струйное течение. Согласно расчетам, западный ветер со скоростями более 15 м/сек. захватывает большую часть тропосферы средних широт. В январе зона сильных ветров расположена вдоль 40° с. ш. с максимальными значениями скоростей на высотах 10—12 км порядка 40 м/ceк. В июле эта область располагается вблизи 50° с. ш., а скорости уменьшаются до 20 м/сек. Южнее 25° с. ш. появляется зона восточных ветров, скорость которых на уровне 12 км составляет приблизительно 15 м/сек.

Полученные результаты близки к действительности. Однако расчет формирования и эволюции индивидуальных струйных течений еще встречает значительные трудности.

Интересные идеи выдвинул в 1956—1957 гг. Е. П. Борисенков на основе исследования энергетики атмосферных процессов. Он исходит из положения, что изменение атмосферного давления, определяющее эволюцию барического поля, вызывается динамическими причинами и связано с отклонением ветра от геострофического. К основным его выводам можно отнести следующие: а) изменение давления будет неоднородным, если неоднородно распределение агеострофических отклонений скоростей ветра; б) на среднем энергетическом уровне агеострофическая составляющая скорости ветра однозначно определяется через адвекцию температуры, причем средний энергетический уровень совпадает с изопикническим уровнем и располагается на высоте около 7 км; в) образование очагов кинетической энергии в атмосфере и их эволюция определяется неравномерным характером распределения суммарной адвекции температуры и др. В результате (выполненного исследования Е. П. Борисенков предложил способ прогноза струйных течений.

Несмотря на различие у ряда авторов подходов к объяснению струйных течений, все же несомненно, что струйные течения, причинносвязанные с высотными фронтальными зонами, возникают, усиливаются или ослабевают как прямое следствие процессов возникновения и разрушения этих зон. В процессе возникновения вследствие сближения холодных и теплых воздушных масс горизонтальные градиенты температуры, давления и скорости ветра возрастают. В процессе разрушения вследствие удаления друг от друга холодного и теплого воздуха градиенты температуры и давления уменьшаются, ветры ослабевают.

 

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

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.