Циркуляция атмосферы

Виды циркуляции атмосферы

Циркуляция атмосферы имеет несколько разновидностей, среди них выделяют такие виды:

постоянные ветры,

сезонные ветры,

местные ветры

большие атмосферные вихри.

К постоянным ветрам относятся: северо-восточные и южно-восточные ветры, дующие на полюсах с районов повышенного давления; пассаты, которые распространяются от тропиков Южного и Северного полушария с высоким давлением к экватору с низким давлением; западные – ветры умеренных широт.

Сезонными ветрами являются муссоны, которые два раза в год изменяют собственную направленность. В зимний период эти ветры ведут направление от суши на море, а в летний период направление меняется и они дуют с моря на сушу.

Местными ветрами являются бризы, фен, бора, шквалы и другие ветры.

Бризы представляют собой ветры у прибрежной зоны морей и озер, которые изменяют собственную направленность два раза в день. Ночью бриз дует с берега на море, а днем – с моря на сушу.

Фен – это сухой, теплый, порывистый ветер, который дует с гор в долины.

Бора является порывистым, сильным холодным ветром, который дует с низких горных вершин в направлении теплого моря. В местности, куда дует бора, температура снижается.

Шквалы представляют собой резкое, длящееся несколько минут, усиление ветра. Несмотря на свою непродолжительность шквалы могут привести к последствиям катастрофического масштаба.

Большие атмосферные вихри формируют погоду на огромных территориях поверхности Земли, к ним относятся циклоны и антициклоны.

Циклоны – воздушные вихри крупных размеров с низким давление в центре. Циклоны характеризуются сильными разрушениями, ливнями с грозами, сильными ветрами, ураганами, штормами, снегопадами и прочими масштабными потрясениями с явлениями негативного характера. 

Для антициклона характерно повышенное атмосферное давление, где воздух распространяется от центра к периферии. Антициклон отличается хорошей и устойчивой погодой, характеризуется небольшими ветрами, ясной погодой, отсутствием осадков или их небольшим количеством.

Общая циркуляция атмосферы

Общей циркуляцией атмосферы называют систему крупномасштабных воздушных течений над Земным шаром, т. е. таких течений, которые по своим размерам соизмеримы с большими частями материков и океанов. От общей циркуляции атмосферы отличают местные циркуляции, такие, как бризы на побережьях морей, горно-долинные ветры, ледниковые ветры и др. Эти местные циркуляции налагаются на течения общей циркуляции.

Разнообразие проявлений общей циркуляции атмосферы зависит от того, что в атмосфере постоянно возникают огромные волны и вихри, по-разному развивающиеся и по-разному перемещающиеся. Это образование атмосферных возмущений — циклонов и антициклонов — является самой характерной чертой общей циркуляции атмосферы.

Однако в общей циркуляции атмосферы, при всем разнообразии ее непрерывных изменений, можно подметить и некоторые устойчивые особенности, повторяющиеся из года в год. Такие особенности лучше всего выявляются с помощью статистического осреднения, при котором ежедневные возмущения циркуляции более или менее сглаживаются.

Циркуляция Хэдли

Ветры представляют собой движения воздуха и располагаются горизонтально относительно поверхности земного шара. Определяются ветры благодаря вращению планеты и распределению атмосферного давления.

В середине восемнадцатого века английский ученый-естествоиспытатель Джон Хэдли выдвинул теорию, которая объясняет возникновение постоянных ветров – пассатов. Эти ветры входят в циркуляцию Хэдли и характеризуются северо-восточным направлением в Северном полушарии и юго-восточным – в Южном.

Циркуляция атмосферы Земли имеет свои элементы, так называемые тропосферные ячейки. Одним из таких элементов является ячейка Хэдли, которая проходит в тропиках и обусловлена движением воздуха от субтропических широт к экватору, его подъем над экватором, снижением в субтропиках и движением потоками к экватору у поверхности. Циркуляция Хэдли определяет погоду и климат в тропических регионах.  

Антициклоны

Между циклонами возникают и развиваются подвижные антициклоны. Их размеры и скорости движения примерно такие же; но в поздней стадии развития антициклоны еще чаще, чем циклоны, принимают малоподвижное состояние и могут сохраняться в нем по много дней. Направление движения также в основном определяется направлением ведущего потока. Однако, в отличие от циклонов, в перемещении антициклонов преобладает составляющая, направленная к низким широтам. Поэтому происходит накопление антициклонов в субтропических и тропических широтах. Зимой также происходит преимущественное развитие, накопление и усиление антициклонов над охлажденными материками умеренных широт, особенно над Азией.

В антициклонах фронтов нет, а существует общая тенденция к нисходящему движению воздуха, связанная с вытеканием его от периферии к центру. По мере развития антициклона мощные слои воздуха в нем медленно «оседают», что приводит к их динамическому нагреванию и возникновению инверсий температуры. В связи с этим воздух удаляется от насыщения, и погода в антициклонах преобладает малооблачная и сухая. Только в нижних слоях в холодное время суток и года возможно образование туманов и низких слоистых облаков, связанных с охлаждением от земной поверхности. Мощных облачных систем фронтального происхождения с выпадением обложных осадков в антициклонах не бывает.

Муссоны

В некоторых областях Земли перенос воздуха в нижней половине тропосферы носит название муссонов. Муссоны — это устойчивые сезонные режимы воздушных течений с резким изменением преобладающего направления ветра от зимы к лету и от лета к зиме. В каждом месте области муссонов в течение каждого из двух основных сезонов существует режим ветра с резко выраженным преобладанием одного направления над другими. При этом в другом сезоне преобладающее направление ветра будет противоположным или близким к противоположному. Таким образом, в каждой мус-сонной области есть зимний муссон и летний муссон с взаимно противоположными или, по крайней мере, с резко различными преобладающими направлениями.

В случае муссонов, как и в случае пассатов, устойчивость распределения вовсе не означает, что в течение сезона над данным районом удерживается один и тот же антициклон или одна и та же депрессия. Муссоны наблюдаются в тех районах, где циклоны и антициклоны обладают достаточной устойчивостью и резким сезонным преобладанием одних над другими.

Особенно резко выраженные и устойчивые муссоны наблюдаются в тропических широтах.

Основную причину тропических муссонов можно видеть в различном нагревании полушарий в течение года. Если по обе стороны от экватора находится океан, то указанные сезонные смещения зон давления невелики и муссоны не получают особого развития. Но, например, над материком Африки распределение давления меняется от января к июлю сильно. В связи с этим направление барических градиентов над тропической Африкой от сезона к сезону резко меняется в широкой полосе, что и является здесь причиной муссонов.

Энергия циклона

При развитии циклонов скорости ветра в них возрастают; следовательно, выделяется большое количество кинетической энергии. Откуда берется эта энергия?

Лишь отчасти это та кинетическая энергия, которую воздушные течения имели еще до циклонообразования. В большей мере кинетическая энергия циклона возникает заново за счет потенциальной энергии положения воздушных масс, разделяемых фронтом, на котором происходит циклонообразование.

Можно сказать, что основным условием прироста кинетической энергии циклона является температурный контраст воздушных масс на фронте: именно он определяет потенциальную энергию системы двух воздушных масс в циклоне.

Зональность в распределении давления и ветра

Наиболее устойчивая особенность в распределении как ветра, так и связанного с ним атмосферного давления над Земным шаром — зональность этого распределения.

Причина этой зональности — зональность в распределении температуры, а также и некоторые особенности самого механизма общей циркуляции атмосферы.

Зональность циркуляции проявляется в преобладании меридиональных барических градиентов над широтными, а стало быть, и в преобладании широтных составляющих ветра (восточной или западной) над меридиональными составляющими. При этом составляющая того или другого направления (западная или восточная) преобладает одновременно или постоянно в значительной по широте зоне Земного шара.

Средние значения и амплитуда температур

Одна из характеристик климата географической точки — среднесуточная температура. Ее можно определить как среднее арифметическое от замеров, сделанных 4 раза за сутки:

• в час ночи;
• в семь часов утра;
• в 13 часов;
• в 19 часов.

Среднегодовая температура является средним арифметическим от суммы температур всех месяцев года. Соответственно, среднемесячная определяется по сумме ежедневных данных за месяц, разделенной на число дней в месяце.

Температурные колебания в каком-либо регионе характеризуются амплитудой температуры, т. е. разницей между самым высоким и самым низким значением, зафиксированным за определенный промежуток времени. Обычно говорят о суточной, месячной или годичной амплитуде.

Амплитуда колебаний зависит от многих факторов. Прежде всего — это температурные изменения на подстилающей поверхности, чем шире их диапазон, тем больше амплитуда температуры воздуха. Она зависит и от облачности: в ясную погоду колебания сильнее, чем в пасмурную. Сезонные показатели длительного воздействия также отличаются — зимой они меньше, чем летом. С увеличением широты амплитуда температуры воздушных масс идет на убыль, поскольку убывает высота, на которую поднимается солнце к полудню.

Суточная амплитуда неодинакова на разных формах рельефа земной поверхности. На склонах и вершинах холмов и гор она меньше, чем на равнинных территориях. Это объясняется тем, что у выпуклых рельефных форм площадь соприкосновения воздуха и подстилающей поверхности меньше, чем у плоских. Кроме того, на них воздушные массы быстро сменяются на новые.

В оврагах и лощинах форма рельефа вогнутая. Здесь происходит более сильный нагрев воздуха от поверхности и застаивание его в дневные часы. Ночью большие массы холодного воздуха стекают по стенкам вниз. Поэтому в таких местах наблюдается повышенная амплитуда температуры. Но в очень узких ущельях, где приток солнечной радиации небольшой, этот показатель даже меньше, чем в широких долинах.

На материковой широте 20—30° суточная амплитуда, взятая в среднем за год, составляет около двенадцати градусов Цельсия. На широте 60° — примерно 6 °C, а на широте 70° — всего 3 °C.

Суточный ход на суше

Изменения температуры воздуха происходят вместе с изменением температуры подстилающей поверхности с задержкой примерно 15 минут. В течение суток самые низкие показания у термометра наблюдаются в 4−6 часов утра. Так происходит потому, что воздушные массы, нагретые за дневные часы, в ночные постепенно остывают.

Пик процесса понижения приходится как раз на время перед восходом Солнца. С раннего утра солнечные лучи начинают постепенно нагревать воздух, успевший остыть за ночь. Днем солнце достигает зенита, согревая не только воздушные массы, но и поверхность земли. Самое большое значение термометр показывает в 14−16 часов.

К этому времени атмосфера начинает получать тепло и от солнечной энергии, и от нагретой подстилающей поверхности, а температурный показатель достигает своего максимального значения. Потом начинается постепенное остывание и земли, и воздуха. Правильные наблюдения за суточным ходом температуры желательно проводить при ясной погоде.

Особенности теплообмена над водными поверхностями

Суточные амплитуды над поверхностью морей и океанов больше значений на самой поверхности. Их диапазон колебаний небольшой — в пределах десятых долей градуса. В нижних слоях атмосферы над океанами колебания достигают 1−1,5 °C, над внутренними морями — до 5 °C. Это происходит потому, что днем солнечная радиация поглощается водяным паром в самых нижних слоях воздуха, а ночью от них исходит длинноволновое тепловое излучение.

Отличия условий прогревания воды и суши обусловлены тем, что теплоемкость твердой поверхности в два раза меньше, чем у водной. Одинаковое количество тепла нагревает сушу в два раза быстрее воды. При охлаждении наблюдается обратный процесс. Кроме того, тепло над водными поверхностями расходуется на испарение воды и на прогревание водных масс на значительную глубину. При этом происходит перемешивание воды в вертикальном направлении.

Все это причины того, что в океанах накапливается намного больше тепла, чем на материках. Вода удерживает его долгое время и расходует равномерней суши. Можно утверждать, что температура воздуха над океанами повышается и понижается значительно медленней, чем на суше.

Циркуляция атмосферы в умеренных широтах

Воздушные массы умеренных широт характеризуется умеренным характером. Такие воздушные массы могут вторгаться в другие широты – тропические, полярные, субтропические. В умеренных широтах преимущество имеет западное направление ветра и циклоническая деятельность, неоднократная смена циклонов и антициклонов. В этих широтах четко проявляются сезонные температуры, осадки распределяются неравномерно, климатические районы достаточно разнообразны.

В зависимости от поверхности, над которой образуются, умеренные воздушные массы подразделяют на континентальные и морские. Континентальные умеренные воздушные массы способны принести безоблачную погоду с сильными морозами зимой, а также дождливую и теплую погоду летом. Морские умеренные воздушные массы обладают сильной влажностью воздуха и умеренной температурой. Как правило, такое течение воздушных масс приносит мрачную погоду с сильными осадками и потеплением в зимний период, а в летний период приносит дожди и облачность с понижением температуры воздуха.

Воздушные массы способны изменятся. При поступлении и продвижении в глубь континента морской умеренный воздух иссушается и трансформируется в континентальный. Для умеренных широт такое преобразование воздушных масс является типичным фактором. Периодически в умеренные широты вторгаются теплые, сухие воздушные массы из тропиков и холодные, сухие воздушные массы из приполярных широт. 

Воздушные массы отделены неширокими переходами, которые называются главными фронтами. 

Тропические циклоны, их возникновение и перемещение

Атмосферные возмущения возникают и внутри тропиков. По большей части это слабые тропические депрессии во внутритропической зоне конвергенции. Перемещаются эти тропические депрессии медленно, преимущественно с востока на запад, в общем направлении переноса воздуха внутри тропиков.

В некоторых редких случаях (примерно в одном из десяти) тропические возмущения усиливаются настолько, что сила ветра в них достигает 20 м/сек и более. Диаметр такого возмущения — порядка нескольких сотен километров. Эти жестокие возмущения со штормовыми или ураганными ветрами носят название тропических циклонов; в зависимости от силы ветра их называют тропическими штормами (скорость ветра 18-33 м/сек) или тропическими ураганами (скорость ветра более 33 м/сек). Районы их возникновения лежат между 20 и 5° широты в каждом полушарии.

Тропический циклон сначала перемещается в общем с востока на запад, т. е. в направлении общего переноса в тропической зоне. При этом он отклоняется к высоким широтам, т. е., например, в северном полушарии движется к северо-западу.

3.1. Атмосферное давление

Давление воздуха тесно связано с условиями атмосферной цирку­ляции в данном районе и является одной из важнейших ее характеристик.

Данные по давлению воздуха в Новгороде, представленные в таблицах, получены на основе многолетних наблюдений по ртутному барометру. В табл. 14 они даны для высоты установки барометра 25,6 м (на уровне станции) и для нулевой высоты (на уровне моря). Пересчет давления от уровня станции к другим; высотам в пределах города или вблизи него может быть осуществлен с помощью приближенного соотношения: на каждые 8 м высоты давление уменьшается на 1 гПа. Один гектопаскаль (гПа) численно равен применявшемуся ранее миллибару (мбар).

Среднее годовое давление воздуха в Новгороде составляет 1011 гПа (табл. 14), оно является устойчивым во времени. Отклонения атмосферного давления в отдельные годы от этого значения весьма незначительны. Самое высокое за весь период наблюдений среднее годовое давление воздуха (1014,9 гПа) отмечено в 1972 г., а самое низкое (1007,1 гПа) — в 1925 г

В течение года атмосферное давление изменяется мало, от 1012,5 гПа в ноябре до 1007,8 гПа в июле. Годовая амплитуда, его (4,7 гПа) мала. Однако изменения средних месячных значений давления из года в год значительны. Так, зимой, как видно из табл. 14, разность между их наибольшим р_наиб и наименьшим р_наим значениями в каждом месяце составляет 31—35 гПа, летом — 13— 18 гПа. Самое высокое (1032,5 гПа) и самое низкое (997,5 гПа) среднее месячное давление воздуха в Новгороде отмечалось в феврале 1886 г. и 1935 г. соответственно. Суточный ход давления воздуха выражен гораздо слабее, чем годовой, практического значения не имеет и здесь не рассматривается.

Годовой и суточный ход давления воздуха перекрывается в- значительной мере непериодическими колебаниями. Эти колебания связаны с прохождением и развитием барических образований (циклонов, антициклонов и др.), они и определяют общий характер изменений давления воздуха в Новгороде. О возможных значениях давления воздуха в отдельные дни можно судить по абсолютному максимуму р_макс И абсолютному  минимуму р_мин В табл. 14, выбранным из всех сроков наблюдений в каждом месяце. Атмосферное давление в Новгороде 22 января 1907 г. достигало своего наивысшего значения 1059,2 гПа (1062,3 гПа на ур.м ), а 17 января 1931 г. упало до 953,7 гПа (959,8 гПа на ур. м.). Такие рекордные значения давления в Новгороде отмечаются крайне редко, вероятнее всего они зимой. К лету диапазон изменений давления сокращается почти вдвое.

Колебания давления воздуха, связанные с циклонической деятельностью, обычно характеризуются междусуточной изменчивостью — изменением давления воздуха от одних суток к другим (без учета знака изменения). С октября по март междусуточная изменчивость является наибольшей в году и составляет в среднем за месяц 6,3—7,0 гПа (табл. 15). В отдельные редкие дни давление воздуха может понизиться за одни только сутки на 42,3 гПа, как это наблюдалось с 12 по 13 февраля 1962 г., или повыситься на 36,7 гПа (25—26 февраля 1940 г.). Летом перепады давления от одних суток к другим значительно меньше (3,2—3,9 гПа).

Повторяемость разных градаций междусуточной изменчивости давления воздуха в отдельные дни (знак изменения давления воздуха учитывался) дана в табл. 16.

Факторы, влияющие на циркуляцию атмосферы

Циркуляция атмосферы обладает достаточно сложным характером, так как на нее оказывают влияние определенные условия, отсутствие которых сделало бы схему циркуляции атмосферы очень простой.

На циркуляцию атмосферы оказывают влияние такие факторы, как форма земного шара, его вращение в сутки, движение планеты Земля вокруг Солнца, расположение морей и суши, рельеф, а также другие факторы.

Форма планеты обуславливает неровное распространение тепла на Земле и провоцирует разнообразное распределение атмосферного давления.

Вращение планеты является фактором, провоцирующим смещение течений воздуха от направления барического вектора в южном полушарии в левом направлении, а в северном – в правом направлении.

Распределение по земному шару морей и суши определяет разнообразную температуру нагревания поверхности Земли. В зависимости от размещения суши и морей, а также смены времен года возникают как постоянные источники тепла и холода, так и дополнительные, сезонные.

На распределение температурного давления влияют ледники и течения, которые могут создавать аномалии в температуре.

Неровный рельеф может затруднять перемещение воздушных течений, тем самым мешать выравниванию давления. Движение воздушных течений образует новые районы как низкого, так и высокого давления.

Средние значения и амплитуда температур

Одна из характеристик климата географической точки — среднесуточная температура. Ее можно определить как среднее арифметическое от замеров, сделанных 4 раза за сутки:

• в час ночи;
• в семь часов утра;
• в 13 часов;
• в 19 часов.

Среднегодовая температура является средним арифметическим от суммы температур всех месяцев года. Соответственно, среднемесячная определяется по сумме ежедневных данных за месяц, разделенной на число дней в месяце.

Температурные колебания в каком-либо регионе характеризуются амплитудой температуры, т. е. разницей между самым высоким и самым низким значением, зафиксированным за определенный промежуток времени. Обычно говорят о суточной, месячной или годичной амплитуде.

Амплитуда колебаний зависит от многих факторов. Прежде всего — это температурные изменения на подстилающей поверхности, чем шире их диапазон, тем больше амплитуда температуры воздуха. Она зависит и от облачности: в ясную погоду колебания сильнее, чем в пасмурную. Сезонные показатели длительного воздействия также отличаются — зимой они меньше, чем летом. С увеличением широты амплитуда температуры воздушных масс идет на убыль, поскольку убывает высота, на которую поднимается солнце к полудню.

Суточная амплитуда неодинакова на разных формах рельефа земной поверхности. На склонах и вершинах холмов и гор она меньше, чем на равнинных территориях. Это объясняется тем, что у выпуклых рельефных форм площадь соприкосновения воздуха и подстилающей поверхности меньше, чем у плоских. Кроме того, на них воздушные массы быстро сменяются на новые.

В оврагах и лощинах форма рельефа вогнутая. Здесь происходит более сильный нагрев воздуха от поверхности и застаивание его в дневные часы. Ночью большие массы холодного воздуха стекают по стенкам вниз. Поэтому в таких местах наблюдается повышенная амплитуда температуры. Но в очень узких ущельях, где приток солнечной радиации небольшой, этот показатель даже меньше, чем в широких долинах.

На материковой широте 20—30° суточная амплитуда, взятая в среднем за год, составляет около двенадцати градусов Цельсия. На широте 60° — примерно 6 °C, а на широте 70° — всего 3 °C.

Суточный ход на суше

Изменения температуры воздуха происходят вместе с изменением температуры подстилающей поверхности с задержкой примерно 15 минут. В течение суток самые низкие показания у термометра наблюдаются в 4−6 часов утра. Так происходит потому, что воздушные массы, нагретые за дневные часы, в ночные постепенно остывают.

Пик процесса понижения приходится как раз на время перед восходом Солнца. С раннего утра солнечные лучи начинают постепенно нагревать воздух, успевший остыть за ночь. Днем солнце достигает зенита, согревая не только воздушные массы, но и поверхность земли. Самое большое значение термометр показывает в 14−16 часов.

К этому времени атмосфера начинает получать тепло и от солнечной энергии, и от нагретой подстилающей поверхности, а температурный показатель достигает своего максимального значения. Потом начинается постепенное остывание и земли, и воздуха. Правильные наблюдения за суточным ходом температуры желательно проводить при ясной погоде.

Особенности теплообмена над водными поверхностями

Суточные амплитуды над поверхностью морей и океанов больше значений на самой поверхности. Их диапазон колебаний небольшой — в пределах десятых долей градуса. В нижних слоях атмосферы над океанами колебания достигают 1−1,5 °C, над внутренними морями — до 5 °C. Это происходит потому, что днем солнечная радиация поглощается водяным паром в самых нижних слоях воздуха, а ночью от них исходит длинноволновое тепловое излучение.

Отличия условий прогревания воды и суши обусловлены тем, что теплоемкость твердой поверхности в два раза меньше, чем у водной. Одинаковое количество тепла нагревает сушу в два раза быстрее воды. При охлаждении наблюдается обратный процесс. Кроме того, тепло над водными поверхностями расходуется на испарение воды и на прогревание водных масс на значительную глубину. При этом происходит перемешивание воды в вертикальном направлении.

Все это причины того, что в океанах накапливается намного больше тепла, чем на материках. Вода удерживает его долгое время и расходует равномерней суши. Можно утверждать, что температура воздуха над океанами повышается и понижается значительно медленней, чем на суше.