big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Циркуляция атмосферы в низких широтах

Во внетропических широтах атмосферные процессы носят преимущественно непериодический характер, обусловленный интенсивной цикло- и антициклонической деятельностью. Частота возникновения и интенсивность развития барических образований определяются здесь общими сезонными изменениями горизонтальных градиентов температуры и давления в тропосфере между экватором и полюсами с существенными коррективами, вносимыми подстилающей поверхностью.

В низких широтах циркуляция атмосферы происходит несравненно менее интенсивно, так как величины междуширотных градиентов температуры в тропосфере небольшие. Цикло- и антициклоническая деятельность здесь происходит весьма слабо. Исключение составляют изредка возникающие тропические циклоны. Поэтому сезонные явления, определяющиеся термическими условиями, здесь выражаются более отчетливо, чем во внетропических широтах.

На схемах общей циркуляции атмосферы всегда изображались вертикальные кольца циркуляции между экватором и полюсами. Одним из этих колец изображалась циркуляция между экватором и тропиками. По существовавшим со времен Галлея и Гадлея представлениям, из экваториальной зоны воздух направлялся на высотах к тропикам, а течения, исходящие из тропических областей высокого давления, у поверхности земли направлялись в сторону экватора. Эти почти достоянные ветры северо-восточного направления в северном полушарии и юго-восточного в южном, дующие у поверхности земли в сторону экватора, были названы пассатами. Предполагалось, что одновременно с горизонтальным переносом воздуха происходят соответствующие вертикальные перемещения его. В зоне затишья, образуемой сходящимися пассатами северного и южного полушарий, происходит подъем воздуха, который направляется ,к северу и югу от экватора (антипассаты), а опускание их происходит в областях высокого давления, образующихся в тропической зоне. Возникновение этих областей высокого давления объяснялось накоплением воздуха в этих широтах в связи со сходимостью воздушных течений на высотах к северу и к югу от экваториальной зоны, определяющейся действием отклоняющей силы вращения земли.

Упомянутые области высокого давления в тропиках (субтропические антициклоны) хорошо выражены на климатологических месячных и сезонных картах атмосферного давления. Географическое положение пассатных ветров вместе с зоной затишья в течение года претерпевает некоторые сезонные смещения (см. рис. 35, 36). Исходя из пассатной теории, области высокого давления над тропиками должны быть непрерывными, окаймляющими земной шар между широтами 20—30° в северном и южном полушариях. В действительности, как это видно из рис. 35 и 36, области высокого давления расчленены на несколько антициклонов, располагающихся над океанами и сушей с меняющимися положениями центров в зависимости от сезона года. При этом разрывы вдоль широт 30—40° в обоих полушариях более отчетливо выражены летом (в нагретом полушарии). Более того, над севером Индийского океана северным летом направление ветра обусловлено полем давления южно-азиатской термической депрессии. Субтропический антициклон в этом тропическом районе не образуется, а пассатные ветры отсутствуют. Нарушения пассатов имеют также место в северной Австралии, над югом Северной Америки и в других районах тропических зон земного шара.

Новые данные аэрологических наблюдений, полученные за последние десятилетия, вызвали необходимость пересмотра некоторых установившихся теоретических положений, в том числе и о циркуляции в низких широтах. В результате этого в последние годы появилось основание для пересмотра классического объяснения пассатной циркуляции, происхождения субтропических областей высокого давления и др.

Еще до появления достаточного количества данных аэрологических наблюдений в зоне пассатов по движению перистых облаков, а затем по картам давления и ветра на высотах было установлено, что в зоне пассатов восточные ветры являются характерными. На этой основе Р. Ф Усманов в 1947 г. выступил с доказательством ошибочности классических представлений циркуляции атмосферы между экватором и тропиками. Несмотря на убедительность доводов о несостоятельности допущения наличия в атмосфере пассатного кольца, это сообщение было принято со скептицизмом:

В последние 6—8 лет была опубликована серия работ (Пальмер, Риль, Флон и др.) с обоснованной критикой существовавших представлений о пассатной циркуляции. Согласно данным аэрологических наблюдений, в экваториальной зоне северного полушария северо-восточные ветры, наблюдавшиеся в приземном слое воздуха, на высотах не переходят на юго-западные антипассаты, как это следует из теоретических положений о пассатной циркуляции, а остаются восточного направления и до высот 12 км и более даже усиливаются. Антипассаты в классическом понимании не были обнаружены! Это дало основание считать, что представление о пассатах как о постоянной циркуляции между экватором и тропиками в основном неправильно.

Наблюдения показали, что меридиональные составляющие пассатной циркуляции направлены к метеорологическому экватору, т. е. во внутритропическую зону конвергенции только в слое трения ниже пассатной инверсии. Выше пассатной инверсии (1000—2000 м) наблюдаются устойчивые восточные ветры с небольшими отклонениями в меридиональном направлении (экваториальные восточные ветры). Восточные ветры четко обнаруживаются не только на картах АТ500 (рис. 37 и 38), но и на картах АТ300 АТ200 и даже АТ100 (рис. 40 и 41).

Из исследований многих авторов и, в частности, статистических исследований Г. Шерхага, И. Рейнеке и др. установлено, что на всех широтах геострофический ветер в целом правильно отображает фактический ветер. Агеострофические отклонения, хотя очень существенны в развитии процессов, но, как правило, они являются небольшими. Следовательно, карты барической топографии с достаточным приближением отображают поле течений. Правда, это нельзя категорически утверждать в отношении ветра непосредственно в экваториальной зоне, но и здесь горизонтальный перенос является господствующим, а роль вертикальной циркуляции относительно небольшая.

На основе синоптического опыта установлено, что субтропического пояса высокого давления в классическом смысле не существует и что осредненная картина приземного поля давления и ветра дает искаженное представление о действительных процессах в этих широтах. В свете новых представлений о циркуляции атмосферы в низких широтах можно сделать вывод, что не пассатная циркуляция является причиной образования областей высокого давления в субтропиках, а пассаты являются следствием возникающих в субтропиках антициклонов. Отсюда также следует, что меридиональную циркуляцию между экватором и тропиками в виде замкнутого вертикального кольца нельзя рассматривать как основную форму циркуляции.

Синоптическое изучение процессов возникновения и регенерации антициклонов позволило установить, что субтропические антициклоны непрерывно регенерируют в связи с перемещением с материков средних широт на океаны антициклонов, возникающих под высотными фронтальными зонами тропосферы. Было установлено, что движущиеся антициклоны отклоняются в направлении к экватору, а движущиеся циклоны в направлении к полюсам. Физическое объяснение этого факта дал Россби. Позднее оно было развито Куо и Ван-Мигемом. Сущность этого явления состоит в том, что в связи с уменьшением параметра Кориолиса с широтой антициклоны имеют тенденцию двигаться с составляющими в сторону экватора, а циклоны, наоборот, в связи с возрастанием параметра Кориолиса имеют тенденцию двигаться с составляющими в сторону высоких широт. Правда, циклоны и антициклоны перемещаются не только в зависимости от изменения параметра Кориолиса вдоль меридиана, но также и к югу, а антициклоны — к северу в соответствии со структурой термобарического поля и процессов, развивающихся в системе высотных фронтальных зон. Однако в преобладающем числе случаев в северном и южном полушариях антициклоны движутся с составляющими в сторону экватора, а циклоны — в сторону высоких широт.

Действительно, непрерывно возникающие в средних широтах в тылу циклонов антициклоны на материках северного полушария перемещаются к юго-востоку, а затем над океанами — к востоку. Этот процесс наиболее ярко выражен в северном полушарии зимой, когда возникающие на материках антициклоны в виде так называемых ядер высокого давления переходят на океаны и далее, двигаясь в восточном направлении, входят в субтропическую область высокого давления и как бы регенерируют ее. Это довольно отчетливо выражено на карте повторяемости антициклонов. Так как эти процессы имеют место достаточно часто, то, естественно, они отражаются на среднем поле приземного давления. Поэтому субтропические антициклоны обычно располагаются центрами на широтах 30 и даже 40°. При этом сезонный фон давления зимой и особенно летом в большей мере определяется муссонным фактором.

Таким образом, вследствие частого перемещения возникающих на материках антициклонов в субтропики и тропики здесь создаются области высокого давления и барические градиенты, направленные у поверхности земли и на высотах в экваториальную зону пониженного давления, обусловливают восточный перенос во всей тропосфере. При этом скорость такого переноса непостоянна. Она подвергается непрерывным изменениям в зависимости от сезонов года и процессов, происходящих вне экваториальной зоны.

В области восточных ветров наблюдаются переменные западные ветры с различными меридиональными составляющими. Они связаны с перемещающимися здесь ложбинами и гребнями, нарушающими устойчивость восточных ветров на высоких уровнях.

Данные наблюдений показывают, что аномалия циркуляции и связанная с ней аномалия осадков в экваториальной зоне — явление довольно частое. Здесь наблюдаются засухи и обильные осадки в зависимости от положения внутритропической зоны конвергенции.

Погодные условия при ветрах, направленных от экватора к полюсам и обратно, Г. Флон объясняет влиянием широты, поскольку ветры, направленные к экватору, имеют тенденцию к дивергенции и нисходящему движению воздуха, а ветры, направленные к высоким широтам, наоборот, — к конвергенции и подъему воздуха. Поэтому воздух пассатов стратифицирован устойчиво и сухо, за исключением слоя под пассатной инверсией, а воздух западных экваториальных потоков неустойчив и влажен. При перетекании меридионального течения через экватор система ветров от дивергенции переходит к конвергенции и соответственно изменяются условия погоды. Этим же объясняется причина существования сухой экваториальной зоны в центральных и восточных частях Тихого океана к югу от экватора и экваториального дождевого пояса к северу от экватора, где внутритропическая зона конвергенции остается в течение всего года между 0—10° с. ш.

Это объяснение, по-видимому, недостаточно, так как неясна причина нахождения внутритропической зоны конвергенции севернее экватора. Кроме того, совершенно не учитывается роль теплых и холодных морских течений и облачности в возникновении неустойчивости и осадков. Тем более, что внутритропическая зона конвергенции перемещается в сторону высоких температур, где ,и развивается неустойчивость и перенос влаги в верхние слои. Так, например, над океанами внутритропическая зона конвергенции между экстремальными сезонами местами перемещается на 10° широты, в Африке и Австралии — до 20°, а в Индии почти на 30°.

Приведя данные наблюдений над температурой и относительной влажностью на главных изобарических поверхностях (табл. 17) и показав различие в распределении их по временам года в различных пунктах севернее экватора, Г. Флон делает вывод, что существование тропических муссонов определяется не разностью температур между сушей и морем, а в основном сезонным перемещением зоны конвергирующих ветров. К сожалению, остается без объяснения причина сезонных перемещений внутритропической зоны конвергирующих ветров. Между тем, если проследить за сезонным перераспределением атмосферного давления над материками и океанами и сезонными смещениями внутритропической зоны конвергенции, то нетрудно убедиться в тесной связи между ними. Эти перемещения обусловлены главным образом сезонными изменениями радиационных условий над материками и океанами.

Условиями притока тепла объясняется и неоднородность внутритропической зоны конвергенции вдоль широты, как и сезонное положение субтропических областей повышенного давления на материках и океанах. Зимой, как известно, в северном полушарии субтропические антициклоны над океанами расположены южнее, чем антициклоны над материками Азии и Северной Америки. Летом субтропические антициклоны отчетливо выражены на океанах, а на суше в ряде районов лишь их гребни. Поэтому горизонтальный градиент давления, направленный от субтропического антициклона в сторону экватора, меньше над западными частями океанов, чем над центральными и восточными частями их. Это различие особенно рельефно выделяется над юго-востоком Азии и примыкающей частью Тихого океана. На тех же широтах над Южной Азией, наоборот, градиент давления у поверхности земли направлен с экваториальной зоны Индийского океана в систему южно-азиатской летней депрессии, центр которой располагается на севере Индии и над Ираном. Южно-азиатская летняя депрессия формируется под влиянием термических условий—сильного прогревания воздуха над Южной Азией. Однако внутрисезонная эволюция, как и перемещение центра ее, находится в зависимости от процессов в средних широтах. При меридиональном преобразовании  термобарического поля нижней атмосферы, сопровождающемся адвекцией холода в низкие широты, вследствие динамики процессов и прогревания вторгшегося сюда холодного воздуха давление в центре депрессии подвергается изменениям, а центр ее как бы перемещается в районы распространения холодной адвекции.

В результате этого на южной периферии депрессии на севере Индийского океана (над Аравийским морем и Бенгальским заливом) в течение летних месяцев градиенты давления нередко возрастают ветры усиливаются до штормовых. При этом штормы обычно возникают в той части депрессии, куда перемещается ее центр.

В соответствии с условиями притока тепла режим воздушных течений на высотах также различен над указанными выше районами. В частности, над Аравией, где прогревание воздуха летом происходит более интенсивно, чем над соседними районами средних широт высотный теплый антициклон является более мощным, а градиент давления на его южной периферии значительным. Поэтому восточные ветры на уровне 10—15 км на юге Аравии отличаются большими скоростями, чем над теми же широтами Индии, юго-востока Азии и особенно Тихого океана.

Широтным распределением притока тепла объясняется то, что центр субтропических антициклонов над океанами с высотой смещается в сторону экватора, а над зоной низкого приземного давления между западом Африки и востоком Азии (26— 35° с. ш.) в верхней тропосфере и нижней стратосфере образуется ярко выряженная полоса высокого давления. Так как интенсивность прогревания воздуха зависит от характера подстилающей поверхности, то особенности циркуляции в низких широтах существенно различны над сушей и водной поверхностью. Более того, они находятся в зависимости от циркуляции атмосферы умеренных широт.

Этим комплексом факторов объясняется различный режим приземного давления, как и ветра на высотах, над различными географическими районами низких широт.

В самой экваториальной зоне атмосферные процессы также неоднородны. Установлено, что внутритропическая зона конвергенции не является единой, как следует из средних карт приземного давления и ветра. Новые данные показывают, что эта зона непрерывно возникает и разрушается, по-видимому, под воздействием процессов, происходящих как в экваториальной зоне, так и вне ее. Более того, нередко одновременно образуется несколько зон конвергенции. Природа их возникновения и разрушения также неясна. Некоторые исследователи, как, например, Флетчер, раздвоение зоны конвергенции объясняют термическими причинами. Он, полагает, что испарение, охлаждение воздуха и уменьшение инсоляции под облачным покровом должны привести к изменению распределения температур и создать источники относительного холода. Вследствие этого первоначально единая зона внутритропической конвергенции может раздвоиться и над источниками холода ниже облачного покрова могут возникнуть нисходящие движения.

Среди процессов в низких широтах большое внимание уделяется возникающим здесь тропическим циклонам.

В последние годы удалось произвести полеты в тропических циклонах и уточнить особенности их строения. Установлено, что направление движения тропических циклонов происходит в зависимости от структуры высотного барического поля и направления преобладающего переноса в тропосфере.

Различие траекторий их движения указывает на то, что высотное барическое доле, как и поле течений между экватором и тропиками не отличаются особым постоянством, а подвергаются заметным изменениям. Все более преобладает мнение, что возникновение тропических циклонов связано с появлением очагов холода на высотах и усилением конвекции. Внутритропическая зона конвергенции, по-видимому, лишь способствует процессу конвекции.

Однако в низких широтах возникают не только тропические циклоны. Экваториальная полоса не является сплошной полосой низкого давления, как полагали раньше. Там также наблюдаются депрессии и области высокого давления, которые перемещаются преимущественно в восточно-западном направлении, Они возникают и разрушаются, вызывая существенные изменения погоды. Конечно эти депрессии и области высокого давления несравнимы по интенсивности с циклонами и антициклонами внетропических широт, но с ними связаны резкие изменения погоды, грозы и шквалы.

Если во внетропических широтах возникновение и развитие гребней и ложбин, циклонов и антициклонов, как и соответствующие изменения погоды, обусловлены контрастами температуры между воздушными массами тропосферы, то в экваториальной зоне контрасты температур «в тропосфере, по существу, отсутствуют. Изменения погоды здесь обязаны, главным образом, сходимости и расходимости приземного ветра в зависимости от изменения приземного барического поля. Очевидно, в изменениях приземного барического поля и погоды определенную роль играют появляющиеся в верхней тропосфере междуширотный перенос воздуха, сопровождающийся появлением гребней и ложбин, адвекцией тепла и холода и изменениями вертикального градиента температуры.

Таким образом, не только в средних и высоких широтах, но и в низких широтах междуширотный обмен воздуха осуществляется главным образом горизонтальным переносом, а не посредством вертикальных «колес», как представлялось прежде. Это в известной мере можно объяснить разностью скоростей между горизонтальными (меридиональными) составляющими ветра и вертикальными движениями воздуха. Средние горизонтальные скорости воздушных течений составляют около 30 км/час, а средние упорядоченные вертикальные скорости определяются в см/сек., т. е. горизонтальные скорости превышают вертикальные в несколько сот раз.

Результаты расчета горизонтальной и вертикальной составляющих меридионального обмена показали, что даже в зоне пассатов на вертикальную циркуляцию, в классическом понимании, приходится лишь 14% меридионального обмена. Остальные 86% меридионального обмена воздуха осуществляется горизонтальным переносом.

Внутритропическая зона конвергенции неудачно названа «тропическим фронтам». Фронты в тропиках принципиально отличны от фронтов внетропических широт. Если фронты в средних и высоких широтах являются разделами между массами воздуха, обладающими различными свойствами и в первую очередь контрастами температуры, то в экваториальной зоне фронт является лишь зоной приземной конвергенции воздушных течений относительно сухих и относительно влажных масс воздуха почти при отсутствии температурных контрастов. Поэтому можно сказать, что введенный ранее термин «тропический фронт» целесообразно заменить на более правильный — «внутритропическую зону конвергенции».

 

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

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.