книги / Опасные природные процессы. Вводный курс

Глава 8. Атмосферные опасные процессы

охватывающей обширную акваторию от Охотского моря до Гавайских ост­ ровов. Однако охотская и гавайская циклонические системы, как правило, циклонами не обмениваются. Циклоны, тяготеющие к Охотскому морю, и циклоны, тяготеющие к Гавайским островам, имеют тенденцию смещения во встречном направлении, тем не менее из своих систем они не выходят, циркулируя по закругленным траекториям.

При данном типе циркуляции циклоны не бывают очень глубокими. За рассматриваемый ряд лет наибольшая глубина циклонов этого типа до­ стигала 980 мбар.

Второй признак типизации — положение полей высокого давления — характеризуется двумя антиииклональными полями. Одно поле высокого да­ вления занимает юго-западную часть акватории, северная граница его про­ ходит с северо-запада на юго-восток, вдоль границы циклонического поля, а южная граница уходит за пределы интересующей акватории. Другое антициклональное поле лежит на северо-востоке акватории — вместо алеутской депрессии, которая наблюдается здесь при всех других типах атмосферной циркуляции, обычно с центром в заливе Аляска. Оба поля высокого давле­ ния довольно обширны по площади, квазистационарны, имеют одно или несколько ядер. Поле высокого давления, расположенное на месте алеут­ ской депрессии, при ОГ типе циркуляции довольно обширное, частично вы­ ходит на акваторию Берингова моря и североамериканский континент.

Следует еще раз подчеркнуть: уникальность данного типа процессов за­ ключается в том, что только в период действия ОГ типа атмосферной цир­ куляции наблюдается противоположное традиционному распределение ба­ рических полей в северной части Тихого океана. Действительно, вместо але­ уткой депрессии наблюдается антициклональное поле, т.е. барический знак алеутской депрессии меняется на противоположный.

В свою очередь, в зоне гавайского антициклона, где традиционно на­ блюдается высокое барическое поле (отсюда и название — гавайский ан­ тициклон), при работе ОГ типа барический знак меняется на противопо­ ложный, и здесь наблюдается зона циклогенеза.

И наконец, на акватории Японского моря и прилегающей части Тихого океана при действии других синоптических ситуаций чаще всего наблюдает­ ся поле низкого давления, так как здесь проходят основные пути циклонов. Ко когда над Тихим океаном работает ОГ тип барических процессов, здесь так же меняется знак барического поля на обратный. Таким образом, над акваторией Японского моря и прилегающей частью океана наблюдается квазистационарное антициклональное поле. Следовательно, при действии ОГ типа атмосферных процессов в трех обширных зонах северной половины Тихого океана барическое поле меняет знак на противоположный традици­ онному.

Третий, второстепенный признак типизации — особенности переноса воздушных масс и их характеристики — также определяется распределени­

281

Разбел II. Опасные природные процессы

ем низких и высоких барических полей, свойственных ОГ типу. Учитывая смену знака барических полей, свойственных данному типу, следует ожи­ дать своеобразного характера переноса воздушных масс.

Летом теплые и сухие массы воздуха с азиатского материка выносятся на акваторию Японского моря, южную часть Охотского моря и северо-за­ падную часть Тихого океана, к востоку от Курильских и Японских островов. Здесь в океане они, уже значительно трансформированные, смешиваются с влажными и более прохладными морскими массами и далее смещаются на юго-восток, в южные широты. В восточной части океана влажные и очень теплые воздушные морские массы следуют через океан с юго-востока на се­ веро-запад, постепенно охлаждаясь, но оставаясь влажными. Позже они вы­ ходят на акваторию Берингова моря и далее на азиатский материк. Таким образом, наблюдается один квазистационарный циклонический вихрь, соиз­ меримый с акваторией северной половины Тихого океана, в который вовле­ каются все воздушные массы. Этот глобальный вихрь имеет эллипсовидную форму и ориентирован длинной осью с северо-запада на юго-восток.

Зимой на акваторию Японского моря и прилегающую часть океана по­ ступают очень холодные и сухие воздушные массы. Над океаном, смешива­ ясь с теплыми местными морскими и влажными массами, они продолжают путь на юго-восток, в южные широты. В свою очередь, с акватории океана (с юго-запада, юга и, наконец, юго-востока) очень теплые и очень влажные морские массы поступают на акваторию Берингова моря и азиатский мате­ рик. Таким образом, завершается замкнутый цикл переноса воздушных масс, ибо позже воздушные массы, сильно трансформированные, вновь будут сте­ кать с Сибири и Дальнего Востока на Японское море и океан, включаясь в новый цикл круговорота.

Перенос воздушных масс внутри циклонического поля соответствует общей циркуляции в обеих зонах низкого давления и представлен двумя циклоническими вихрями, один из которых территориально тяготеет к ак­ ватории Охотского моря, другой — к Гавайским островам.

При данном типе атмосферных процессов на большей части акватории севера Тихого океана не наблюдается ярко выраженного меридионального, или зонального, переноса воздушных масс. Направление переноса над оке­ аном идет под углом 45° как к параллелям, так и к меридианам.

6. Циклоны над океаном (Цн) — эта синоптическая ситуация получила свое название потому, что при ее действии над северной частью Тихого оке­ ана в подавляющем большинстве преобладают циклонические образования.

Первый признак типизации — положение основных траекторий цикло­ нов — выражается наличием целой системы траекторий, частично относя­ щихся к предыдущим 5 типовым ситуациям. При данном типе ситуаций од­ новременно могут встречаться траектории СЗ и ОА типов или ЮШ и СЗ, возможен еще и гонолульский циклон. Одним словом, при действии типа Цн может наблюдаться любой набор траекторий циклонов. Одновременно про­

282

Гюва 8. Атмосферные опасные процессы

являются признаки развития нескольких процессов, сочетание которых мо­ жет быть различным и исключительно разнообразным. Во всех случаях раз­ вития данного типа характерным будет наличие над всей северной частью Тихого океана множества циклонов, траектории которых не поддаются классификации и не имеют каких-то совершенно определенных положе­ ний, хотя общая тенденция перемещения барических образований соответ­ ствует западно-восточному переносу, существующему в атмосфере Земли. Глубина циклонов может быть разнообразной, но очень глубокие циклоны нехарактерны для этого типа атмосферной циркуляции. Тем не менее ино­ гда, когда над океаном развивается один очень глубокий и обширный ци­ клон, в его центре может наблюдаться исключительно низкое давление (до 950—960 мбар). Радиус циклона в этом случае имеет исключительную протяженность, (до тысячи миль и более), практически один циклон зани­ мает всю северную половину Тихого океана.

Второй признак типизации — положение полей высокого давления. Антициклоны в виде отдельных очень локальных ядер, давление в которых мало отличается от окружающего барического поля, появляются на непро­ должительное время, не сохраняют своего географического положения, бы­ стро исчезают и могут появиться вновь где-то в другом районе. Площадь, занятая высокими барическими образованиями, всегда незначительна, не­ соизмерима с площадями, занятыми низкими барическими образованиями, и неквазистационарна. Таким образом, высокие барические образования для данного типа процессов нехарактерны и являются весьма неустойчивыми как во времени, так и в пространстве.

Третий, второстепенный признак типизации — особенности переноса воздушных масс и их общие характеристики — при типе Цн, как и при всех других типовых атмосферных ситуациях, определяется положением низких и высоких барических образований. Так как траектории циклонов при действии типа барических процессов Цн очень разнообразны, трудно поддаются классификации, а антициклоны появляются редко, занимают незначительную площадь и неустойчивы во времени, то и перенос воздуш­ ных масс и их характеристики очень сложно детализировать. Однако общая глобальная картина может быть представлена одним макровихрем, соизме­ римым с акваторией северной части Тихого океана, воздушные массы над которой вращаются в целом против часовой стрелки. В этом макровихре наблюдается очень много более или менее мелких вихрей, вращающихся также преимущественно против часовой стрелки.

Многообразие вихрей приводит к достаточно быстрому и интенсивному перемешиванию всех воздушных масс, и они приобретают относительную однородность (эта характерная черта присуща только атмосферной циркуля­ ции Цн). Только массы воздуха, поступившие в этот глобальный вихрь из­ начально, обладают собственными характеристиками. Так, холодные конти­ нентальные массы воздуха поступают с азиатского материка зимой и теплые

283

Раздел //. Опасные природные процессы

исухие — летом. Вначале они резко различаются от воздушных местных морских масс. Затем они трансформируются, продвигаясь над океаном в южных регионах акватории в целом с запада на восток, а в северных аква­ ториях — с востока на запад. То же можно сказать о влажных и теплых воз­ душных морских массах, которые с океана поступают на северную часть североамериканского континента весьма однородными: теплыми и влаж­ ными зимой и относительно прохладными и влажными летом. Следова­ тельно, во все времена года они резко отличаются от континентальных воздушных местных масс. Итак, воздушные массы при действии типа си­ ноптических процессов Цн весьма однородны над его акваторией и имеют контрастные характеристики только при переходе с материка на акваторию океана или с океана на материк.

Антициклоны — это области повышенного давления и противоположно­ го циклонам вращения. Устойчивые антициклоны находятся около 31° с.ш., промежуточные — движутся за циклонами, заключительные — за цикло­ ном в окклюзии, стационарные располагаются в умеренных и полярных широтах. В антициклонах преобладает нисходящее движение воздуха, воздух нагревается, делается сухим, облака рассеиваются. Наблюдается ясная пого­ да — холодная зимой и жаркая летом. Часть этого опустившегося воздуха возвращается назад к экватору в виде пассатных ветров (ячейка Хэдли), а остальной поток продолжает движение к полюсам. По мере движения к се­ веру ветер с запада под действием сил Кориолиса дует все сильнее (зональ­ ная или западная циркуляция) (ячейки Феррела). Поток наталкивается на барьер из холодного воздуха у полюса, и западные ветры образуют около­ полюсный вихрь. Он может влиять на правильное чередование циклонов и антициклонов в умеренных широтах, вызывая значительные отклонения.

Разнообразные характеристики крупномасштабной атмосферной цир­ куляции, в том числе процессов блокирования, широко используются в кли­ матических исследованиях и долгосрочных прогнозах погоды. Атмосфер­ ные процессы при блокировании характеризуются большой устойчивостью

имогут вызывать крупные климатические аномалии: в зависимости от рас­ положения региона по отношению к влияющему на него блокирующему антициклону в нем может возникнуть засуха или режим интенсивного ув­ лажнения. С процессами блокирования связаны такие опасные метеороло­ гические явления, как суховеи, сильные ветры, весенние возвраты холодов, малоснежные и холодные зимы и др. Поэтому исследование процессов бло­ кирования представляет большой практический интерес для среднесрочных

идолгосрочных прогнозов погоды, а также для моделирования атмосфер­ ных процессов. Диагноз и количественная параметризация процессов бло­ кирования составляют одну из задач климатического мониторинга.

При прохождении тропического циклона давление в его центре за 10— 20 мин может измениться на 40 мбар (рекорд низкого давления в центре — 877 мбар). Если для нетропических циклонов нормальная скорость ветра

284

fiaea 8. Атмосферные опасные процессы

составляет 5—10 м/с, то для тропических циклонов она достигает 50—70 м/с, и даже 100 м/с. Циклон средней силы выделяет энергию, эквивалентную энергии около 500000 атомных бомб. В 1937 г. штормовым приливом в Бан­ гладеш были смыты 100 тыс. человек, а еше 200 тыс. погибли от эпиде­ мий. Тайфун, прошедший по Хайфону (Вьетнам), погубил 700 тыс. чело­ век. В 1930 г. тайфуном уничтожен город Санта-Доминго (Доминиканская Республика), а в 1955 г. — город Четумаль в Мексике.

Антициклоны весной и летом вызывают засуху: гибнут посевы, горят леса, на их периферии возникают суховеи. Зимой в районе антициклонов низкие температуры, и при отсутствии снежного покрова вымерзают ози­ мые. В США ежегодные потери от засух пшеницы и кукурузы превышают 2,6 и 12,8 млн т, а в период жестоких засух — еще выше.

Длинные волны — это гребни и ложбины, разделяющие на высотах ци­ клоны и антициклоны, они имеют место лишь в верхней атмосфере.

Движение циклонов часто сопровождается возникновением на их пе­ риферии сильных ветровых явлений, охватывающих значительные терри­ тории. К ним относятся:

буря — ветер со скоростью 19—23 м/с, что соответствует 8 баллам по шкале Бофорта;

шторм — сильный ветер более 9 баллов по шкале Бофорта при скоро­ сти ветра 23—30 м/с;

ураган — 12 баллов и V > 35 м/с. После наводнений ураганы держат 2-е место по числу бедствий, а по числу жертв — 1-е и по ущерб} входят в ос­ новную группу ОПП.

8.1.3

Местные ветры, шквалы, тромбы (торнадо), смерчи. Ветровые воздействия, шкапа Бофорта. Негативные следствия

Мезомасштабные явления (С) включают местные ветры, шквалы, облачные скопления, грозовые ячейки, тромбы (торнадо), смерчи.

Местные ветры — это воздушные течения небольшого горизонтального (до 100 км) и вертикального протяжения. Они заметно влияют на погоду и климат прибрежных и горных областей. Под местными понимают ветры, ха­ рактерные только для определенных географических районов. Происхожде­ ние их различно. Во-первых, местные ветры могут быть проявлением ме­

285

Раздел II. Опасные природные процессы

стных циркуляций, независимых от общей циркуляции атмосферы, нала­ гающихся на нее. Таковы, например, бризы по берегам морей и больших озер. Различия в нагревании берега и воды днем и ночью создают вдоль бе­ реговой линии местную циркуляцию. При этом в приземных слоях атмо­ сферы днем ветер дует с моря на более нагретую сушу, а ночью — наобо­ рот, с охлажденной суши на море. Характер местной циркуляции имеют также горно-долинные ветры. Во-вторых, местные ветры могут представ­ лять собой местные изменения (возмущения) течений общей циркуляции атмосферы под влиянием орографии или топографии местности. Таков, на­ пример, фен — теплый ветер, дующий по горным склонам в долины, когда течение общей циркуляции переваливает горный хребет. Нисходящее дви­ жение фена, связанное с повышением температуры воздуха, является след­ ствием именно влияния хребта на обшее циркуляционное течение.

Влиянием орографии объясняется и бора (местный сильный, до 40— 60 м/с, холодный ветер) с различными его разновидностями. Рельеф мест­ ности может создавать также усиление ветров в некоторых районах до ско­ ростей, значительно превышающих скорости в соседних районах. Такие локально усиленные ветры того или иного направления в разных районах называются по-разному. Иногда особые свойства придает местному ветру прохождение воздуха над сильно нагретой и сухой поверхностью (например, пустыня) или, напротив, над сильно испаряющей (водной) поверхностью.

В-третьих, местными называют и такие сильные или обладающие осо­ быми свойствами ветры в некотором районе, которые, по существу, являют­ ся течениями общей циркуляции. Интенсивность их проявления и их хара­ ктерность для данного географического района являются следствием самого механизма общей циркуляции, географического распределения синоптиче­ ских процессов. В этом значении называют местным ветром, например, си­ рокко на Средиземном море.

Кроме сирокко, известны многочисленные местные ветры в различных районах Земли — это самум, хамсин, афганец и пр. Упоминания о таких ветрах можно найти в физико-географических или климатических характе­ ристиках отдельных местностей.

Бризы — это ветры у береговой линии морей и больших озер, имею­ щие резкую суточную смену направления (рис. 8.13). Днем морской бриз дует в нижнем слое, имеющем высоту несколько сотен метров (иногда в слое более километра) в направлении на берег, а ночью береговой бриз дует с бе­ рега на море. Скорость ветра при бризах — около 3—5 м/с, в тропиках — больше. Бризы выражены отчетливо в тех случаях, когда погода ясная и об­ щий перенос воздуха слаб, как это бывает, например, во внутренних частях антициклонов.

В противном случае общий перенос воздуха в определенном направле­ нии маскирует бризы, как это всегда бывает при прохождении циклонов.

286

Раздел II. Опасные природные процессы

нос над бризом также имеет мощность 1,5—2 км. В тропиках мощность бризов больше, чем в высоких широтах. От береговой линии бризы распро­ страняются в глубь суши или моря на десятки километров. Вторжение мор­ ского бриза на сушу имеет общие черты с вторжением холодного фронта.

Дневной бриз несколько понижает температуру над сушей и увеличи­ вает относительную влажность, особенно резко это выражено в тропиках. В Мадрасе (Индия) морской бриз понижает температуру воздуха на побе­ режье на 2—3° и повышает влажность воздуха на 10—20%. В Западной Аф­ рике эффект значительно больше. Морской бриз, приходя на смену нагре­ тому континентальному воздуху, может снизить температуру на 10° и более и повысить относительную влажность на 40% и более.

Очень сильный климатический эффект производит морской бриз, дую­ щий с большой регулярностью над районом залива Сан-Франциско. Так как морской воздух приходит на сушу с вод холодного Калифорнийского тече­ ния, средние температуры летних месяцев в Сан-Франциско оказываются на 5—7° ниже, чем в Лос-Анлжелесе, расположенном всего на 4° широты юж­ нее. Зимние температуры в Сан-Франииско ниже на 2—3°.

Бризы наблюдаются в ряде случаев и на побережьях озер (Севан, ИссыкКуль, Ладожское, Онежское), а также на больших реках (например, в низовь­ ях Волги). Но здесь явление бриза имеет уже микроклиматический масштаб: скорости ветра при бризе, его вертикальная мощность и горизонтальное рас­ пространение значительно меньше, чем при бризе на берегах морей.

Горно-долинные ветры. В горных системах наблюдаются ветры с суточ­ ной периодичностью, схожие с бризами, — это горно-долинные ветры. Днем долинный ветер дует из горла долины вверх по долине, а также вверх по горным склонам. Ночью горный ветер дует вниз по склонам и вниз по до­ лине, в сторону равнины. Горно-долинные ветры хорошо выражены во мно­ гих долинах и котловинах Альп. Кавказа, Памира и в других горных странах главным образом в теплое полугодие. Вертикальная мощность их значитель­ на и измеряется километрами: ветры заполняют все поперечное сечение до­ лины, вплоть до гребней ее боковых хребтов. Как правило, они не сильны, но иногда достигают 10 м/с и более.

Можно различать по крайней мере две независимо действующие причи­ ны возникновения горно-долинных ветров. Одна из этих причин создает дневной подъем или ночное опускание воздуха по горным склонам — вет­ ры склонов. Другая — создает обший перенос воздуха вверх по долине днем и вниз ночью — горно-долинные ветры.

Сначала о ветрах склонов. Днем склоны гор нагреты сильнее воздуха, поэтому воздух в непосредственной близости к склону нагревается сильнее, чем воздух, расположенный дальше от склона, и в атмосфере устанавлива­ ется горизонтальный градиент температуры, направленный от склона в сво­ бодную атмосферу. Более теплый воздух у склона начинает подниматься по склону вверх, как при конвекции в свободной атмосфере. Такой подъ-

288

Глава 8. Атмосферные опасные процессы

ем воздуха по склонам приводит к усиленному образованию на них облаков. Ночью, при охлаждении склонов, условия меняются на обратные, и воздух стекает по склонам вниз.

К этим ветрам склонов присоединяется перенос воздуха в более круп­ ном масштабе — между долиной в целом и прилегающей равниной. Днем температура воздуха в долине в целом выше, чем на соответствующих уров­ нях над равниной, так как на нее влияют прогретые склоны гор. Поэтому аналогично тому, как над берегом при морском бризе, давление в долине становится до самого гребня хребта ниже, чем над равниной, а на больших высотах — выше. В результате днем ниже уровня гребня устанавливается по­ ток воздуха с равнины в долину, а выше — обратный перенос. Ночью воз­ дух в долине холоднее, чем над равниной, и внутри долины устанавливает­ ся более высокое давление; возникают барические градиенты, создающие перенос воздуха вниз по долине, на равнину. Над ним устанавливается об­ ратный перенос в сторону гор.

Ледниковый ветер — это ветер, дующий вниз по леднику в горах. Этот ве­ тер не имеет суточной периодичности, так как температура поверхности лед­ ника круглые сутки производит на воздух охлаждающее действие. Надо льдом господствует инверсия температуры, и холодный воздух стекает вниз. Над не­ которыми ледниками Кавказа скорость ледникового ветра около 3—7 м/с.

Вертикальная мощность потока ледникового ветра составляет несколь­ ко десятков, в особых случаях — сотен метров. Явление ледниковых вет­ ров в громадных размерах представлено над ледяным плато Антарктиды. Здесь, над постоянным ледяным покровом, на периферии материка, возни­ кают стоковые ветры (чаще всего юго-восточные) — перенос выхоложенно­ го воздуха по наклону местности в сторону океана. Так как, кроме бариче­ ского градиента, на этот перенос воздуха влияет сила тяжести, то по мере приближения воздуха к береговой линии в нижних 100—200 м могут разви­ ваться очень большие скорости ветра, до 20 м/с и более, с резко выраженной порывистостью. Вместе с сильными ветрами, вызываемыми постоянным прохождением глубоких циклонов вокруг Антарктиды, стоковые ветры де­ лают многие районы побережья Антарктиды самыми ветреными местами на земном шаре.

Феном называется теплый, сухой и порывистый ветер, дующий времена­ ми с гор в долины. Температура воздуха при фене значительно и иногда очень быстро повышается; относительная влажность резко падает, иногда до очень малых значений. В начале действия фена могут наблюдаться резкие и быстрые колебания температуры и влажности вследствие встречи теплого воздуха фена с холодным воздухом, заполняющим долины. Порывистость фена указывает на сильную турбулентность фенового потока. Продолжи­ тельность фена может быть от нескольких часов до нескольких суток, ино­ гда с перерывами (паузами).

289

Разде i II. Опасные природные процессы

Фены с давних времен известны в Альпах. Они часто встречаются на За­ падном Кавказе — как на северных, так и на южных склонах хребта. Фены наблюдаются и под обрывистой стеной Яйлы на южном берегу Крыма, в го­ рах Средней Азии и Алтая, в Якутии, западной Гренландии, на восточных склонах Скалистых гор и во многих других горных системах.

Повторяемость фенов в разных районах различна: в Кутаиси — 114 дней

вгоду, в Тбилиси — 45, в Орджоникидзе — 36, на Теленком озере — до 150,

вИнсбруке (Австрия) — 75 дней.

Фен может возникнуть в любой горной системе, если воздушное течение общей циркуляции пересекает хребет достаточной высоты. С подветренной стороны воздух оттекает от хребта, создается разрежение, вследствие которо­ го воздух лежащих выше слоев засасывается вниз, как нисходящий ветер.

Высокая температура воздуха при фене обусловлена его адиабатическим нагреванием при нисходящем движении. Вертикальный градиент температу­ ры в атмосфере почти всегда меньше сухоадиабатического, т.е. меньше Г/100 м. Воздух, опускающийся по горным склонам в долину, нагревается по сухоадиабатическому закону, т.е. на Г на каждые 100 м спуска. Поэтому он придет в долину, имея более высокую температуру, чем температура воз­ духа, ранее занимавшего долину. Температура фенового воздуха будет тем выше, чем больше высота, с которой он опускается. В то же время относи­ тельная влажность в нем будет понижаться по мере роста температуры.

Допустим, гребень хребта возвышается над уровнем долины на 3000 м. Температура в долине до начала фена + 10°С. Средний градиент температу­ ры 0,6°С / 100 м. Тогда на уровне гребня хребта температура будет —8°С. Опу­ стившись в долину и нагревшись при этом на 30° (по Г на каждые 100 м), воздух фена будет иметь внизу температуру +22°С. Таким образом, темпера­ тура в долине повысится по сравнению с первоначальной на 12°С. Однако если относительная влажность вверху была 100%, то при той же удельной влажности, но при повышении температуры фенового воздуха с —8° до +22°С она понизится до 17%.

При сильном развитии фена на подветренной стороне хребта нередко на наветренной стороне наблюдается восходящее движение воздуха по горному склону. Если хребет высок, то этот восходящий воздух, достигнув уровня конденсации, будет охлаждаться уже не по сухоадиабатическому, а по влаж­ но-адиабатическому закону. При этом на наветренной стороне произойдет образование облаков и, стало быть, выделение тепла конденсации.

Предположим затем, что на подветренном склоне воздух на столько же опустится вниз, на сколько он поднялся вверх на наветренном склоне. Обла­ ка в воздухе фена будут при этом испаряться. Однако если часть продуктов конденсации выпадет из воздуха в виде осадков при восхождении по наве­ тренному склону, то в скрытую форму перейдет меньше тепла, чем выде­ лилось при конденсации, и воздух опустится в долину с более высокой температурой, чем была в начале процесса. Получим процесс, приближа­ ющийся к псевдоадиабатическому.

290