книги / Опасные природные процессы. Вводный курс

Глава 8. Атмосферные опасные процессы

Градиент Р, направленный от этого пояса к экватору, создает пассаты — ветры северо-восточного направления в Северном полушарии и юго-вос­ точного — в Южном (рис. 8.6).

Рис. 8.6. Схемы глобальной циркуляции атмосферы (а) и господствующих вет­ ров {6) [Бримблкумб П., 1988]

261

Раздел II. Опасные природные процессы

Под действием силы Кориолиса пассаты Северного полушария полу­ чают северо-восточное направление, а Южного полушария (кроме север­ ной части Индийского океана, где дуют сезонные муссонные ветры) — юго-восточное направление. Пассаты — устойчивые ветры, скорость их почти постоянна — около 5—10 м/с.

Однако субтропические зоны даже на среднепериодных картах (а тем бо­ лее на картах ежедневных) распадаются на отдельные антициклоны. Таким образом, пассаты — это ветры в обращенных к экватору частях субтропиче­ ских антициклонов, если учесть, что циклоны Северного полушария враща­ ются по часовой стрелке, а Южного — наоборот, плюс градиент, направлен­ ный к экватору.

Субтропические антициклоны над океанами очень хорошо выражены на многолетних средних картах. На ежедневных картах видно, однако, что это вовсе не постоянно существующие антициклоны. На самом деле анти­ циклоны здесь постоянно возникают, перемещаются, исчезают. Но при этом антициклоны в субтропиках абсолютно преобладают над циклонами. Поэтому на многолетних средних картах и создаются субтропические цен­ тры действия с высоким давлением.

Поскольку субтропические антициклоны ежедневно перемещаются, направления пассатных ветров также подвержены некоторым изменениям. Допустим, например, что над океаном располагается не один, а два субтро­ пических антициклона или более. При их перемещении с запада на восток место наблюдения переходит сначала в тыл первого антициклона, потом в переднюю часть второго. При этом пассат меняет северо-восточное напра­ вление на восточное и юго-восточное, затем снова на северо-восточное. Кроме того, внутри пассатов возникают атмосферные волны, которые так­ же могут приводить к изменениям направления пассатов.

«Конские широты» — это области с очень слабыми ветрами, располага­ ющиеся между 30° и с.ш. и 35° ю.ш. Атлантического океана. Это название восходит к эпохе парусного флота. Суда, пересекавшие эти районы, часто попадали в штиль или задерживались в пути из-за слабых переменных вет­ ров. В связи с тем что запасы воды истощались, команды судов, перевозив­ ших лошадей в Вест-Индию, были вынуждены выбрасывать их за борт.

«Конские широты» расположены между областями пассатов и преоб­ ладающего западного переноса (находящегося ближе к полюсам) и явля­ ются зонами дивергенции (т.е. расхождения) ветров в приземном слое воз­ духа. В целом в их пределах преобладают нисходящие движения воздуха. Опускание воздушных масс сопровождается прогреванием воздуха и уве­ личением его влагоемкости, поэтому для этих зон характерны небольшая облачность и незначительное количество осадков.

В широтах 40—60° обоих полушарий преобладают ветры западной чет­ верти. Они менее устойчивы (меняют направление от северо-восточных до юго-восточных), но значительно сильнее (10—15 м/с, или 6—7 баллов). В Южном полушарии, где западные ветры огибают весь Мировой океан, ле­

262

Глава 8. Атмосферные опасные процессы

жали основные пути парусных судов для плавания из Европы в Австралию и обратно в Европу вокруг мыса Доброй Надежды и мыса Горн. За свою силу, повторяемость (до 50%) и частые штормы эти ветры получили проввище «бра­ вые весты», а широты — «гремящие сороковые» и «ревущие шестидесятые».

В приполярных районах обоих полушарий, где оседают холодные мас­ сы воздуха верхних слоев тропосферы, образуя так называемые полярные максимумы, преобладают юго-восточные и восточные ветры. Субполярная зона циклонов расположена между 50° и 55° с.ш. Она характеризуется штор­ мовыми ветрами переменных направлений, связанными с прохождением циклонов. Как и в экваториальной зоне конвергенции, здесь преобладают восходящие движения воздуха, плотная облачность, осадки выпадают на больших площадях.

Погода пассатов

В нижнем слое пассатов вследствие влияния трения воздух течет с составляющей, направленной к экватору. На восточной пе­ риферии каждого субтропического антициклона эта составляющая, напра­ вленная к экватору, значительно усиливается уже независимо от трения. Поэтому, двигаясь на все более теплую поверхность моря, пассатное тече­ ние в нижних слоях приобретает неустойчивость стратификации. Устанав­ ливаются большие вертикальные градиенты температуры, развивается ожи­ вленная конвекция со скоростями восходящих токов около 2,5—4 м/с и с образованием кучевых облаков.

Но конвекция не достигает больших высот, так как на высотах 1200— 2000 м в области пассатов обнаруживается задерживающий слой толщиной в несколько сотен метров. Он обладает инверсией температуры или, по крайней мере, уменьшением вертикального градиента температуры. Эта пас­ сатная инверсия образуется при оседании воздуха, характерном для всякого хорошо развитого антициклона не только в тропиках. Инверсия и задер­ живает развитие конвекции на сравнительно низком уровне. Облака не по­ лучают большого вертикального развития, нередко принимают характер слоисто-кучевых и, во всяком случае, не достигают уровня оледенения, ко­ торый в тропиках лежит выше 5 км. Поэтому из облаков или вовсе не выпа­ дает осадков, или выпадают незначительные кратковременные и мелкока­ пельные дожди, обусловленные взаимным слиянием капелек, без посредства ледяной фазы.

Антипассаты

Вертикальная мощность пассатов увеличивается к экватору. Под 20-й параллелью она составляет 2—4 км. Вблизи экватора, особенно в летнем полушарии, восточные ветры захватывают уже всю тро­ посферу и стратосферу. Там, где пассаты простираются не на всю тропо­

263

Раздел II. Опасные природные процессы

сферу, ветры над ними имеют преобладающее западное направление, то же самое, которое господствует в средней и верхней тропосфере во внетропических широтах.

Западные ветры над пассатами называются антипассатами. Прежде считали, что они дуют противоположно приземному направлению пасса­ тов, т.е. в Северном полушарии — с юго-запада и в Южном — с северо-за­ пада. Наблюдения этого не подтвердили. Антипассаты — это вообще за­ падные ветры, такие же, как и в более высоких широтах на тех же уровнях.

Меридиональные составляющие в них малы и могут быть различны по на­ правлению. Однако преобладают все же составляющие, направленные от эк­ ватора к высоким широтам.

Внутритропическая зона конвергенции

Пассаты обоих полушарий разделены переходной зоной с неравномерными, часто слабыми, но иногда и довольно сильны­ ми шквалистыми ветрами. В этой зоне в общем наблюдается сходимость воздушных течений, почему она и называется внутритропической зоной конвергенции. Прежде она называлась экваториальной зоной затишья, но, как мы уже сказали, она отнюдь не всегда характеризуется слабыми ветра­ ми или штилем.

Вследствие сходимости ветра конвекция в этой зоне резко усилена и развивается до больших высот по сравнению с зонами пассатов. Сильные восходящие движения прорывают и размывают здесь пассатную инверсию. Облака превращаются в мощные кучевые и кучево-дождевые, и из них вы­ падают обильные осадки ливневого характера. Нередко внутритропическая зона конвергенции обостряется в узкий тропический фронт, на котором пассат одного полушария непосредственно сменяется пассатом другого по­ лушария. Узкая зона между пассатами обоих полушарий (в Атлантике — «конские широты») характеризуется пониженным давлением, грозами и лив­ нями, штилями.

Тепловой машиной второго рода можно назвать температурные конт­ расты между более теплым океаном и охлажденным материком зимой и между перегретым материком и более холодным океаном летом. Работой такой тепловой машины обеспечивается муссонная циркуляция.

Муссоны — гигантские морские бризы, дующие летом с моря на сушу, а зимой, наоборот, с суши на море. Название происходит от арабского сло­ ва «маусим» — сезон. Они зависят от неравномерного нагрева суши и океа­ на. Суша зимой холоднее, а летом теплее океана, поэтому возникает разность давлений. На эту закономерность накладывается влияние силы Кориолиса, меняющейся с широтой. Муссоны существуют и над Восточной Азией: зи­ мой холодный сухой ветер дует из области сибирского антициклона над Дальним Востоком и Китаем (рис. 8.7).

264

Раздел /А Опасные природные процессы

сти холода. Уровень максимального ветра находится на высотах 8—10 км. Субтропические струйные течения возникают на северной периферии субтропических антициклонов. Их оси располагаются на высоте 11 — 13 км, но горизонтальное положение меняется по сезонам. Субтропическое струйное течение имеет в основном западное направление. Экваториальные струй­ ные течения развиваются на высотах 15—20 км между 5° с.ш. и 5° ю.ш.

Стратосферное струйное течение зимой наблюдается на высотах 25— 30 км и формируется в западном потоке. Скорость ветра в нем превышает 200 км/ч. Летом его направление меняется на противоположное.

Со струйными течениями связаны не только большие вертикальные градиенты скорости ветра, но и широкие зоны со значительными горизон­ тальными градиентами скорости ветра.

Кроме вихревых движений, в атмосфере наблюдаются также волновые движения в зональном потоке с длиной волны 5000 км (волны Россби), со­ ответствующие отдельным циклонам и антициклонам, а также гравитаци­ онные волны.

8.1.2

Атмосферные фронты, циклоны, антициклоны

К движениям синоптического масштаба (В) относят­ ся атмосферные фронты (АФ), разделяющие различные по температуре воздушные массы, циклоны, антициклоны и длинные волны, бури, штормы, ураганы.

Главные изменения погоды в умеренных и высоких широтах связаны с атмосферными фронтами — они разделяют воздушные массы (ВМ) по температуре, влажности, облачности, осадкам, ветру и т.д. Пересечение пло­ скости фронта с поверхностью Земли называют линией фронта. Фронты воз­ никают как области сходимости различных по физическим свойствам ВМ. Восходящее движение как следствие такой сходимости порождает конден­ сацию, выделение тепла и рост кинетической энергии. Если теплая ВМ, пе­ ремещаясь, оттесняет более холодную, то разделяющий их участок фронта называют теплым фронтом. При этом в холодной ВМ с приближением фронта давление падает, достигая иногда 7 мбар / 3 ч, а за фронтом — рас­ тет. При наступлении холодной ВМ имеем холодный фронт. Он несет пони­ жение температуры, неустойчивость и резкие изменения погоды. С холод­ ными фронтами связывают восходящее движение масс теплого воздуха, которые как бы поднимаются наклонной плоскостью холодного фронта, что приводит к его охлаждению, облакообразованию и выпадению осадков.

266

Раздел //. Опасные природные процессы

Облака теплого фронта могут быть очень мощными (500—700 км по го­ ризонтали и 8 км по вертикали) и расположены над поверхностью фронта. Поэтому появление перистых облаков до зоны осадков указывает на ухуд­ шение погоды. С атмосферными фронтами тесно связаны и грозы. Они воз­ никают при высокой неустойчивости воздуха, когда температура с высотой понижается очень быстро (например, на 10° на I км высоты), воздух богат влагой и достаточно прогрет в нижнем слое атмосферы (рис. 8.9). Это упро­ щенная картина. На деле все сложнее, так как на давление влияют попада­ ние Земли в солнечный корпускулярный поток и зональная циркуляция.

Рис. 8.9. Обстановки в зоне атмосферных фронтов [http://istok.angara.ru/ Handbook/Hidrometeo/Hidrometeo.htm]

Когда фронт начинает распадаться на ряд циклонов, то возникает си­ туация, когда холодный фронт циклона догоняет теплый фронт. Это — стадия окклюзии (рис. 8.10).

Циклоны — области пониженного давления. В них образуются системы облаков и осадков, происходят большие и важные изменения погоды. Моло­ дые циклоны движутся в России на восток.

Система облаков принимает вид отдельных спиральных полос, сходя­ щихся в голове облачного вихря над центром циклона. Новые вихри легче образуются на холодных фронтах уже развитых циклонов, причем вслед за ними, поэтому иногда наблюдается серия из 4—5 циклонов. Чаще всего циклоны образуются в области контрастов температур — окраин теплых морских течений (Исландия, Алеуты) или близ теплых морей (Средизем­ ное, Каспийское, Великие озера США), но летом циклогенез сдвигается

268

Пава 8. Атмосферные опосные процессы

южнее 20° с.ш. в пояс тропических циклонов — нал океанами, Африкой, Индией и Индокитаем.

Рис. 8.10. Схема развития окклюзии [Васберг Дж., 1980|

Характеристика циклонов средних широт

Циклоны средних широт. Диаметр циклонов состав­ ляет от 1000 до 4000 км. В центре циклонов всегда пониженное давление. Они существуют до 3—4 недель, за которые проходят до 10 тыс. км. в том чис­ ле 5—7 тыс. км над сушей: V = 30—40 км/ч, реже 100 км/ч. Над Северной Ат­ лантикой циклоны рождаются круглый год и движутся в Европу (до несколь­ ких сотен). Зимой они сопровождаются тяжелыми снегопадами.

В циклонах воздух медленно движется вверх и охлаждается, а водяной пар конденсируется. Образуются облака, выпадают осадки. Утечка воздуха вверх в центральной части молодого циклона не компенсируется притоком с боков. Возникают значительный перепад давления и сильные ветры, от­ сюда ненастная, ветреная погода.

269