Сучасні дослідження атмосферної циркуляції

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розділ 1. СТРУКТУРА ТА ПРИЗНАЧЕННЯ ГІДРОМЕТЕОРОЛОГІЧНОЇ СЛУЖБИ

Атмосферні процеси не знають державних кордонів, тому метеорологічні спостереження, дослідження ведуться одночасно у всіх країнах світу. Сьогодні існує нагальна потреба в єдності методики спостережень, їхньої обробки, в обміні інформацією, в уніфікації форм оперативного обслуговування метеорологічною інформацією й прогнозами, тобто в узгодженні роботи метеорологічних служб світу. Це є основним завданням Всесвітньої Метеорологічної організації (ВМО). Міжнародне співробітництво в області метеорології розпочалося в другій половині ХIХ століття. В 1873 році відбувся перший міжнародний метеорологічний конгрес, що заклав основи міжнародного співробітництва з метеорології. Найважливішим сучасним завданням ВМО є організація Всесвітньої служби погоди, тісного співробітництва країн світу в проведенні метеорологічних спостережень у планетарному масштабі, у поширенні інформації, розробці прогнозів погоди.

Існують спеціальні державні організації, так звані метеорологічні служби, до складу яких входять мережі станцій і наукові метеорологічні заклади. Завданням метеорологічної служби є наукове дослідження атмосфери й практичне обслуговування народного господарства інформацією про стан погоди, клімат. Гідрометеорологічна служба є загальнодержавною організацією, що має своїм завданням вивчення метеорологічних, гідрологічних і агрометеорологічних умов, з метою гідрометеорологічного забезпечення потреб народного господарства.Крім того гідрометеорологічна служба вивчає явища земного магнетизму й атмосферної електрики. Отже, повсякденна робота гідроелектростанцій, річкового й морського флоту, залізничного транспорту, авіації неможлива без забезпечення гідрометеорологічними матеріалами, інформацією й прогнозами.

Будь-яке велике будівництво проектується з урахуванням гідрометеорологічних умов тієї місцевості, де воно буде будуватися. Особлива увага приділяється вивченню агрометеорологічних умов території країни й гідрометеорологічному обслуговуванню сільського господарства. Погодні умови визначають урожайність сільськогосподарських культур, тому метеорологія має вагоме прикладне значення для людини. Найважливішим завданням гідрометслужби є складання прогнозів і обслуговування галузей господарства. Прогнози погоди є основою при складанні інших видів гідрометеорологічних прогнозів (гідрологічних, агрометеорологічних). Розробка надійного способу прогнозу погоди, особливо довгострокового, становить головний й вирішальний пріоритет. Для здійснення зазначених вище завдань створене Головне керування гідрометеорологічної служби, якому підлеглі обласні організації й мережа гідрометеорологічних станцій і постів. Вхідна в систему гідрометеорологічної служби мережа станцій і постів проводить регулярні спостереження, необхідні для прогнозів і для вивчення гідрометеорологічних умов нашої країни.

Крім того, вони забезпечують народне господарство (авіацію, сільське господарство, морський і річковий флот, залізничний транспорт, рибну промисловість, лісосплав, проектні, будівельні, наукові й інші організації) поточною інформацією про погоду й стан річок, морів, великих озер, водоймищ. Оперативні станції, поряд з виробництвом гідрометеорологічних спостережень і поточною інформацією, мають своїм основним завданням забезпечення народногосподарських організацій прогнозами й попередженнями про небезпечні гідрометеорологічні явища.

Центральна геофізична обсерваторія (Київ) й науково-дослідницькі інститути (Київ, Харків) перебувають також у складі гідрометеорологічної служби.



1.1 Структура гідрометеорологічної служби України

Український гідрометеорологічний центр (колишня Державна гідрометеорологічна служба України Держгідромет) -- державна установа в складі Державної служби з надзвичайних ситуацій України, що провадить метеорологічні спостереження на території України. УкрГМЦ у межах своєї компетенції реалізує державну політику у сфері гідрометеорології та моніторингу довкілля та здійснює управління і контроль у сфері гідрометеорологічної діяльності. Діяльність УкрГМЦ спрямовується, координується та контролюється Департаментом з питань цивільного захисту та ДСНС України.

Гідрометеорологічна служба України, яка основною метою має наукове дослідження атмосфери є складовою частиною створеної в нашій країні державної системи спостережень за станом природного середовища. Ця система спирається на широко розгалужену мережу оперативно-виробничих організацій Міністерства з питань надзвичайних ситуацій України. Організації з питань гідрометеорології і моніторингу, територіальні управління гідрометеорології, гідрометеорологічні центри, обсерваторії, бюро, лабораторії, станції, пости, науково-дослідні заклади складають єдину систему державної гідрометеорологічної служби.

Головними задачами гідрометслужби є:

Ш організація діяльності і розвиток державної системи спостережень за станом природного середовища;

Ш забезпечення галузей господарства інформацією про поточний і очікуваний стан природного середовища, прогнозами виникнення природних явищ і рівнем забруднення довкілля;

Ш проведення робіт по активному впливу на атмосферні процеси і явища з метою оптимізації господарської діяльності;

Ш облік водних ресурсів і ведення водного кадастру України;

Ш створення фонду даних стану природного середовища.

Для вирішення поставлених задач організацій, установи і заклади Української гідрометслужби виконують наступні роботи:

Здійснюють на гідрометеорологічних, геофізичних станціях і постах, в експедиціях, науково-дослідних установах, за допомогою літальних апаратів, технічних засобів систематичне спостереження за станом атмосфери,поверхневих вод суші, морів, сільськогосподарських культур; за складом і рівнем забруднення атмосферного повітря, ґрунту, вод і його наслідки; за радіаційним станом навколоземного космічного простору, за станом іоносфери і магнітного поля Землі.

1. Збирають, аналізують, обробляють і розповсюджують результати цих спостережень.

2. Складають і доводять до керівних органів і організацій прогнози:

- погоди, гідрометеорологічних умов на річках, озерах і морях;

- стану сільськогосподарських культур і пасовищ; рівня забруднення атмосфери, ґрунтів і вод, стану іоносфери, магнітного поля Землі, умов розповсюдження радіохвиль; радіаційного стану навколишнього простору.

3. Складають і видають науково прикладні довідники про кліматичні, агрокліматичні і водні ресурси України, інші довідкові видання по гідрометеорологічному режиму і про рівні забруднення довкілля.

4. Приймають участь у виконанні державного обліку кількості і якості вод і їх використанні, проведенні державного кадастру.

5. Здійснюють державний нагляд за дотриманням вимог до складу морських вод на континентальному шельфі.

6. Розробляють методи активного впливу на атмосферні явища і процеси і здійснюють роботи по їх проведенню.

7. Створюють фонд даних про стан довкілля і виконують видачу матеріалів гідрометеорологічних спостережень і досліджень рівнів забруднення природного середовища.

8. Вивчають сумісно з установами інших міністерств проблеми метеорології, геофізики, створення технічних засобів вимірювання і обробки даних, а також використання матеріалів спостереження, з метою більш раціонального використання природних ресурсів.

Гідрометслужба України є основним органом у державі, що організує і координує роботи в галузі з гідрометеорології.

вітер циркуляція атмосфера географічний

1.2 Структура Харківського регіонального центру з гідрометеорології

Харківський обласний центр з гідрометеорології структурно складається з наступних підрозділів:

- відділу гідрометеорологічного забезпечення господарства;

- відділу метеорології, до якої входить група автоматизованої обробки інформації;

- відділу гідрології;

- гідрологічних постів ГП-1: Чугуїв, Зміїв, Протопопівка, Ізюм, Яремівка, Райстародубівка, Пересічна, Безлюдівка, К. Лопань, Ціркуни, Райське, Славянск, Олексіївка - Дружківка, Артемівськ, Сіверськ, Торське;

- комплексної лабораторії спостережень за забрудненням природного середовища 1 розряду, до якого входять група спостережень за забрудненням поверхневих вод;

- лабораторії по визначенню агрогідрологічних властивостей ґрунтів та вивчення річних наносів;

- відділу гідрологічних спостережень;

- обслуговуючого персоналу;

- підпорядкованих оперативно-виробничих організацій області:авіаметеорологічних станцій 1 розряду (АМСГ Харків), озерної гідрометеорологічної станції Печеніги, метеорологічних станцій 2 розряду (Богодухів, В. Бурлук, Золочів, Ізюм, Коломак, Комсомольське, Красноград, Куп`янськ, Лозова).

Розділ 2. Сучасні дослідження атмосферної циркуляції

Питанням дослідження атмосферної циркуляції впродовж ХХ-го століття присвячено багато робіт [17, 19-20, 42, 44, 48-49, 55, 60-61]. Так, в роботі [79] зазначається, що середні поля атмосферного тиску у першій половині минулого століття зазнавали незначних змін і утримувалися в межах середньої циркуляції повітря (1930-1939 рр.). Відмінність сучасної циркуляції атмосфери (1986-2005 рр.) від циркуляції початку ХХ століття полягає у переміщенні центрів дії атмосфери (ЦДА) на схід на 20 градусів. У другій половині минулого століття і до сьогодення атмосферна циркуляція суттєво змінювалась, що впливає на нестабільність температурного режиму. Нестійкість його можна пояснити за допомогою виявленого баричного поля біля поверхні землі [17, 48, 52].

Свердлік Т. А. [76] вивчала великомасштабну атмосферну циркуляцію другого періоду глобального потепління. Авторка підкреслює, що в період 1984-1995 рр. упродовж зимових місяців спостерігались значні зміни середньої атмосферної циркуляції. Північно-Атлантичний максимум змістився на схід, де охопив більшу частину території Європи та західні райони України. Зменшилася територія розповсюдження Сибірського антициклону - Сибірський центр дії атмосфери перемістився на схід на 30°. Одночасно при зміщенні кліматичних областей високого тиску спостерігаються зміна положення осі баричної улоговини над Європою та зростання тиску з 1020 гПа (період 1974-1983 рр.) до 1022,5 гПа (1986- 1995 рр.) [49].

Аналіз синоптичних процесів впродовж 100 років у північній півкулі проводили Сидоренко М. С. та Орлов І. А. [79], Васильев А. А. [12]. Вивчаючи форми атмосферної циркуляції над Атлантико-Євразійським сектором північної півкулі, автори досліджують її основні форми: західну, меридіональну та східну. Було встановлено, що річна частота утворення західної циркуляції зменшилася по відношенню до східної. На думку авторів, відбувається поступова перебудова атмосферної циркуляції в північній півкулі, що знаходить відгук у змінах різних кліматичних характеристик. З'ясовуються також сезонні зміни форм атмосферної циркуляції, де виявлені такі епохи: 1891-1902 рр. та 1938-1971 рр., коли переважала меридіональна циркуляція; 1903-1938 рр. та 1972-1988 рр., коли частота форм західної та східної циркуляції була вища за норму. Також серед названих епох виділяються періоди співвідношення частоти появи західної та східної циркуляції. Так, у період 1903-1938 рр. та після 1972 р. більш активною була західна циркуляція. Це знайшло підтвердження в дослідженнях Мартазінової В. Ф. та інших [23, 37, 47, 48].

В роботі [49] проведено аналіз приземного атмосферного тиску впродовж ХХ століття у січні, коли синоптичні процеси мають найбільшу активність. Дослідження поля приземного тиску повітря в Атлантико-Європейському секторі відбулося відповідно до трьох періодів зміни глобальної температури повітря в ХХ столітті. Так, з'ясувалося, що в період 1911-1943 рр. територія майже всієї Європи характеризувалася підвищеним атмосферним тиском, який формувався Сибірським максимумом. Надалі (до середини 70-х років) відбувалася активізація синоптичних процесів, що посилювала нестійкість погодних умов. В останні 30 років ХХ століття атмосферна циркуляція почала зміщуватися на схід, посиливши вплив Атлантичного гребня. Такі умови атмосферної циркуляції формують теплі зими [48].

Дослідження сезонних особливостей антициклонічної діяльності на території України за останні десятиріччя проводили Затула В. І. та Мисник С. В. [23, 52]. Було встановлено, що у холодний період року посилюється антициклогенез на півночі та сході Атлантико-Європейського синоптичного регіону. В теплий період збільшується кількість антициклонів з південного заходу, переважно з Балканського півострова. Восени та взимку значно зменшується частка місцевого антициклогенезу. Кращі умови для нього створюються влітку. Виявлено, що у зимові та осінні місяці найпотужнішими є північно-східні антициклони, а у літні та весняні - північні [23].

Статистичні характеристики полів атмосферного тиску досліджувалися переважно для великих територій земної кулі по результатам ре-аналізу. Але вивчення регіональних змін кліматичних полів атмосферного тиску на теперішній час малочисельне. Відсутність великих масивів даних гідрометеорологічних характеристик ускладнює подальший аналіз особливостей коливання клімату [17, 48].

Погосян Х. П. в своїх працях досліджує не лише загальну циркуляцію атмосфери та її прояви [60], а також циклони та антициклони, вивчаючи їх характеристики, стадії розвитку і теорії виникнення [61].

Отже, вітровий режим є однією з характеристик клімату, його коливання в умовах потепління клімату має не лише теоретичне, а і практичне значення. Тривалий час основним документом щодо характеристик вітрового режиму в межах території України був Довідник з клімату СРСР (Вип. 10, частина III), де наведено нормативні характеристики вітру по метеорологічним станціям станом на 1960 рік [82]. У таблицях довідника вміщено результати багаторічних спостережень основних метеорологічних величин за період 1936-1960 рр. У роботі по підготовці «Справочника» брали участь М. І. Гук, М. М. Акимович, І. О. Бучинський, К. С. Розова та інші. Саме ці дані були використані в узагальнюючих монографіях по клімату України [11, 35, 64], в регіональних монографіях [33-34, 36, 63], в географічній навчальній та довідковій літературі, виданих впродовж 70-90-х рік минулого сторіччя. У багатьох випадках дані наводяться в науковій та навчальній літературі і в даний час, незважаючи на зміни глобального клімату. При цьому найбільший інтерес викликає період 1961-1990 рр., який за рекомендаціями Всесвітньої метеорологічної організації (ВМО), розглядається як стандартний «кліматичний період», що відображає сучасні кліматичні умови [38].

При оцінці регіональних кліматичних змін на півдні України основну увагу приділено опадам [51], температурі і вологості [21] повітря і практично не розглянуті багаторічні (останніх років) коливання інших метеорологічних величин, зокрема вітру, що впливає, між іншим, перш всього на випаровування. Карти-схеми середньої швидкості вітру і середнього квадратичного відхилення швидкості [3, 69] відображають особливості вітрового режиму України до початку другої половини ХХ століття, так як вони побудовані, хоча і за 25-ти річний період, але взятий з 1936 по 1960 р. звичайно, орієнтовно ці карти використовувати можна з урахуванням загального ослаблення швидкості вітру по території Східної Європи.

Вітровий режим Азовського узбережжя описаний недостатньо, лише в роботах [32, 43, 70, 77, 83] є згадки про вітер в цьому регіоні, але він дуже обмежений у часі. Найбільш докладний опис вітрового режиму Азово-Чорноморського регіону дано в довіднику [82] по 14 станціям за період 1936- 1960 рр.

Вивчення характеристик вітру є дуже важливим, оскільки слабкий вітер чи штиль сприяють збільшенню підйому перегрітих викидів, що призводять до зниження концентрацій шкідливих домішок в приземному шарі повітря. Це можна спостерігати на прикладі окремих підприємств, у забудованому місті, де існує велика кількість джерел забруднення. Частіше відмічається негативний вплив штилю та низької швидкості вітру на якість атмосферного повітря великого міста [41, 43, 79, 96]. Про це в своїх роботах згадують Сонькін Л. Р. [81], Безуглая Е. Ю. [8], Пономаренко И. Н. та інші.

Велику увагу присвятив вітрам Прох Л. З у своїй книжці [66]. Автор описав види, типи та назви вітрів світу. Також видавалася велика кількість словників, енциклопедій. Основним джерелом з клімату вважається «Метеорологический словарь» [91], але він не є повним, оскільки інформація в ньому застаріла та не оновлювалася. Більш сучасним словником є «Российский гидрометеорологический энциклопедический словарь» [72], який складається з 3-х томів та видавався протягом 2008-2009 років. Цей словник має достатньо свіжу інформацію не лише з клімату, а і з гідрології. Є довідники, в яких міститься загальна інформація про клімат, атмосферу.

У 90-х роках у відділі клімату Центральної Геофізичної обсерваторії (ЦГО) під керівництвом Пахалюк О. Є. розпочато підготовку Кадастру з клімату України. У «Кадастрі з клімату України» враховано пропозиції спеціалістів різних галузей економіки а також рекомендації Всесвітньої Метеорологічної Організації (ВМО). «Кадастр з клімату України» складається з 6 частин: сонячна радіація та сонячне сяйво; атмосферний тиск і вітер; температура повітря та ґрунту; вологість повітря, атмосферні опади та сніговий покрив; хмарність; атмосферні явища та ожеледно-паморозеві утворення.

Сьогодні на теренах України розвиваються наукові та практичні дослідження небезпечних атмосферних явищ.

Кліматологи беруть участь у виконанні різноманітних міжнародних проектів, що проводяться під егідою ВМО. У 1996 році Україна приєдналася до міжнародної системи КЛІКОМ - системи управління кліматичними даними та надання кліматичної інформації споживачами. Отримані від ВМО програмно-технічні комплекси по впровадженню системи КЛІКОМ дозволили кліматологам ще активніше брати участь в міжнародному обміні кліматичною інформацією та ефективно забезпечувати нею споживачів [15].

На базі Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту (УкрНДГМІ) проводяться спостереження за тривалістю і інтенсивністю всіх небезпечних атмосферних явищ, що мають місце на території країни. Ведеться архів атмосферних явищ, проводяться дослідження стихійних явищ за даними XX століття з метою їх прогнозування та попередження. Ці напрямки розробляють Мартазінова В. Ф., Свердлик Т. О., Бабіченко В. М., Барабані М. Б., Салогуб Т. А. та інші. В 2000 році було видано «Атлас стихійних явищ на території України» [95].

Дослідження загальної циркуляції атмосфери, яка є одним із основних кліматоутворювальних чинників, проводять вчені Гончарова Л. Д.,Серга Е. М., Школьний Є. П. [16].

Виникнення стихійних метеорологічних явищ займає одне з головних місць в сучасних дослідженнях [85]. Одним із пріоритетних напрямків у вивченні небезпечних атмосферних явищ є створення електронних карт, які характеризують ці явища. Головним завданням вивчення є їхнє своєчасне прогнозування і попередження з метою зменшення чи ліквідування негативного впливу на життя і діяльність людини.

У монографії «Стихійні метеорологічні явища на території України за останнє двадцятиріччя (1986-2005 рр.)» [85] на основі використання сучасних технологій, апарату математичної статистики докладно проаналізовано просторово-часовий розподіл стихійних метеорологічних явищ погоди за останні двадцять років на території України.

З метою допомоги працівникам сільського господарства підготовлені і віддруковані видання «Клімат України і врожай» [93], «Довідник агронома» [25] та комплекти листівок із останніми кліматичними дослідженнями.

У 1982 році М. Ф. Цупенко і М. П. Кривенченко підготували та видали масовим тиражем «Рекомендації по врахуванню агрокліматичних ресурсів при розміщенні посівів кукурудзи на Україні і агрокліматичних строках посіву цієї культури». Також була видана «Сільськогосподарська метеорологія: Термінологічний довідник» [80] для використання агрономами у своїй роботі.

Співробітники відділу клімату склали велику кількість кліматичних довідок, характеристик та узагальнень по часовому та просторовому розподілу метеоелементів в районі Чорнобильської АЕС, які використовувались під час ліквідації наслідків аварії на цій станції.

Таким чином, сучасні кліматичні зміни потребують подальшого дослідження, що є актуальним для поліпшення методів їх короткострокового та довгострокового прогнозу.

2.1 Характеристика загальної циркуляції атмосфери

Загальна циркуляція атмосфери представляється сукупністю основних видів повітряних рухів у нижній атмосфері, внаслідок яких здійснюється обмін великих мас повітря в горизонтальному і вертикальному напрямах. Ці повітряні течії зумовлені перш за все різницею температур між екваторіальними і полярними широтами, материками й океанами, а також обертанням Землі навколо своєї осі [99].

Рис. 2.1 Загальна схема циркуляції атмосфери

Зональність циркуляції чітко простежується у розподілі пануючих вітрів. У кожній півкулі є три зони пануючих вітрів, які дмуть протягом року в одному напрямі (рис. 2.1). Це тропічна, помірна і полярна зони [16].

У тропічній зоні переважають вітри східних румбів (пасати), у помірній - західних і в полярній - знову східних.

Температурні контрасти між полюсами і екватором, а також між теплішими океанами й охолодженими континентами взимку та їхнім протилежним станом влітку зумовлюють великомасштабну мусонну циркуляцію. У тропічному поясі спостерігається пасатна циркуляція, що формується під дією субтропічних антициклонів [97].

Пасат - стале перенесення повітряних мас з тропічних широт до екватора. Під дією сили Коріоліса та сили тертя пасати відхиляються на захід, утворюючи у Північній півкулі північно-східні вітри, у Південній - південно-східні. Пасати обох півкуль зустрічаються уздовж тропічного фронту і утворюють зону конвергенції. Вертикальна потужність пасатів пересічно 4 км. Вище пасати змінюються вітрами протилежного напряму, які зливаються з західними вітрами помірних широт [16].

Тропічний східний перенос охоплює зону, ширина котрої у нижніх шарах атмосфери перебільшує, але з висотою зменшується. У річному ході осьові лінії поясу східних вітрів трохи пересуваються на північ улітку та південь узимку разом з екваторіальною улоговиною [16].

Західні вітри помірних широт - результат сукупної дії циклонів і антициклонів. Вони виникають на південній периферії циклонів та на північній периферії антициклонів. Це досить сильні вітри, які найбільшої сили досягають на сорокових паралелях Південної півкулі, де відсутній суходіл [1].

Східні вітри полярних широт виникають на периферії помірних антициклонів. В Арктиці вони охоплюють нижню тропосферу до висоти двох кілометрів і мають малі швидкості. В Антарктиді, завдяки великій висоті материка, вони значно сильніші і стійкіші, часом досягають ураганної сили.

На зональні вітри значний вплив має вертикальне розчленування материків. Високі гірські системи меридіонального простягання (Кордильєри, Анди) послаблюють західні вітри, а гірські системи широтного простягання роздвоюють їх і перешкоджають меридіональній циркуляції.

2.2 Головні фактори, що визначають загальну циркуляцію атмосфери

Циркуляція атмосфери визначається багатьма факторами. Найбільш важливими є промениста енергія Сонця, обертання Землі навколо своєї осі, неоднорідність земної поверхні, сила тертя.

Промениста енергія Сонця є основним джерелом атмосферної циркуляції, а нерівномірний її розподіл на земній кулі - головна причина глобальної циркуляції. У тропосфері від нагрітої сонячними променями земної поверхні шляхом турбулентного теплообміну нагріваються нижні шари атмосфери. Збільшення турбулентного обміну по вертикалі виробляє перемішування мас повітря і викликає пониження температури поблизу поверхні Землі і зменшує величину вертикального градієнта температури (в стратосфері і мезосфері інші умови нагрівання повітря). Атмосфера використовує не всю, що надходить, сонячну енергію, а тільки незначну її частину. Розрахунки показують, що лише близько 2 % енергії, що надходить перетворюються в кінетичну енергію руху повітря [24].

Обертання Землі (сила Коріоліса) має великий вплив на рух в атмосфері. Вплив обертання Землі на атмосферну циркуляцію змінюється з широтою. Воно істотно у високих широтах і наближається до нуля на екваторі. Тому при великомасштабних рухах зазвичай враховується зміна впливу обертання Землі вздовж меридіанів [24].

Величина, що відхиляє сили обертання А, розрахована на одиницю маси, залежить від кутової швидкості обертання ?, швидкості руху частки ? і широти ?, що розраховується за формулою 2.1:

(2.1.)

де, А - сила обертання; ? - кутова швидкість обертання; ? - швидкість руху частки; ? - широта.

При вирішенні теоретичних завдань загальної циркуляції атмосфери, швидкість обертання Землі звичайно приймається за постійну. Проте встановлено, що швидкість обертання піддається сезонним і неперіодичним змінам. Амплітуда сезонних змін швидкості обертання Землі дорівнює 65 м/с, а стрибкоподібні зміни можуть досягати 10 м/с [24].

Вплив підстильної поверхні на глобальну атмосферну циркуляцію доволі великий. Вплив материків і океанів на температуру повітря не обмежується лише приземним шаром, а поширюється на всю тропосферу шляхом турбулентного перемішування. Основні риси трансформаційного впливу неоднорідної підстильної поверхні на температуру повітря в тропосфері відбиваються і на полі тиску [24].

Тертя повітря о земну поверхню завжди зменшує швидкість повітряних течій і змінює його напрямок. Це відбувається в нижньому шарі атмосфери, обмеженому висотою 1,0-1,5 км [24].

Сила тертя спрямована завжди в бік, протилежно руху. Сила тертя, зменшуючи швидкість повітряних потоків, відхиляє їх вліво від ізобар, внаслідок чого рух відбувається не вздовж ізобар, а під деяким кутом до них у напрямку від високого тиску до низького [24].

На атмосферну циркуляцію впливає зміна температури, викликане вертикальними рухами повітря, і тепло, що виділяється конденсацією водяної пари. Ці зміни температури значні і за добу нерідко досягають декількох градусів. У процесах, що розвиваються в тропосфері, стратосфері, а також, очевидно, і в нижній мезосфері, роль адіабатичних змін температури велика.

2.3 Циклони і антициклони

Зміни, що відбуваються в потоці повітря на висоті, викликають зміни тиску на поверхні: під областю розтікання повітря тиск різко слабшає, під областю збіжності, навпаки, різко підвищується. В результаті у поверхні виникають області підвищеного і зниженого тиску, в яких можуть формуватися циклони й антициклони (рис. 2.2).

Циклони - висхідні атмосферні вихори з похилою віссю обертання, які проявляються у поверхні Землі замкнутої області зниженого тиску (баричний мінімум) з циклонічною системою вітрів від периферії до центру області (проти годинникової стрілки в північній півкулі) [20]. Розрізняють: позатропічні та тропічні циклони.

Антициклони - нисхідні атмосферні вихори з похилою віссю, які проявляються у поверхні Землі замкнутої області підвищеного тиску (баричний максимум) з антициклонічною системою вітрів від центру до периферії області (за годинниковою стрілкою в північній півкулі) [20].

Вихори ці досить плоскі, так як їх горизонтальні розміри в 100-150 разів більше вертикальних (діаметр до 1500-3000 км, висота 2-4 км, максимум 15-20 км) [39].

Циркуляція повітря у системі циклонів і антициклонів, що постійно виникає, розвивається й руйнується у тропосфері, є складовою частиною загальної циркуляції атмосфери. Найбільше значення у цій циркуляційній ланці має циклонічна діяльність у позатропічних широтах.

Циклони і антициклони позатропічних широт виникають в області висотних фронтальних зон. Найсприятливіші умови для виникнення циклонів - інтенсивна адвекція холоду, яка збільшує контрасти температури, і розходження повітряних течій у середній тропосфері. Такі умови створюються досить часто у енергоактивних зонах океанів над західною частиною Північної Атлантики і Тихого океану, тому саме у цих регіонах Північної півкулі найчастіше і виникають циклони, особливо у холодну пору року.

Область значної повторюваності циклонів розташовується над північною частиною Атлантичного океану. Виникаючи біля східного узбережжя Північної Америки, циклони переміщуються у північно-східному напрямі на Ісландію і Баренцеве море. Над Ісландією вони досягають найбільшого розвитку, тобто стають найглибшими. Під час подальшого переміщення на північний схід вони заповнюються. Ще один частковий максимум повторюваності циклонів знаходиться над Середземним морем.

Атмосферні процеси у позатропічній зоні носять неперіодичний характер. Вони визначаються інтенсивною циклонічною діяльністю, обумовленою складними взаємозв'язками між ланками кліматичної системи. У низьких широтах циклонічна діяльність послаблена, а основні циркуляційні механізми генеруються різницею температур, що постійно підтримується між районами субтропіків та екваторіальними районами. У зв'язку з цим сезонні особливості проявляються тут не так виразно, як у позатропічних широтах. Циркуляція атмосфери у тропічній зоні на схемах загальної циркуляції атмосфери, шляхом яких раніше намагалися пояснити основні течії повітря, зображалась у вигляді замкнутого великомасштабного осередкаХедлі (рис. 2.2).

Рис. 2.2 Осередок Хедлі

Згідно з цією моделлю повітря із екваторіальної зони на висотах переміщується до тропіків. Біля поверхні землі спостерігається компенсаційна течія, що має напрямок до екватора. Під впливом сили Коріоліса потоки повітря відхиляються від чисто меридіонального напрямку й отримують північно-східний напрямок у північній півкулі й південно-східний - у південній (пасати). Збігання пасатів північної та південної півкуль у екватора повинно стимулювати висхідні рухи з послідовним розтіканням повітря на північ і південь від екватора (антипасати). У субтропіках в результаті накопичення повітря через збігання повітряних течій на висотах повинні виникати нисхідні потоки. Останні розглядалися як причина утворення субтропічних областей високого тиску. З розглянутої точки зору, субтропічні антициклони є наслідком пасатної циркуляції [16].

Фактичні дані, одначе, суттєво розходяться з цією циркуляційною моделлю. Перш за все, області підвищеного тиску у субтропіках мають вигляд не суцільного поясу, як випливає з пасатної теорії, а складається з ряду ізольованих антициклонів. Положення центрів антициклонів безперервно змінюється у залежності від пори року. Більш того, улітку над перегрітими субтропічними зонами Північно-Американського й Євроазіатського материків утворюються не антициклони, а просторі області зниженого тиску з висхідними вертикальними рухами. Результати радіозондування атмосфери у тропічній зоні показали, що північно-східні потоки, які спостерігалися біля земної поверхні, не переходять у антипасати, а, залишаючись східними, з висотою ще більш посилюються й виявляються на рівні ізобаричних поверхонь 300, 200 і навіть 100 гПа. Звідси випливає висновок, що не пасатна циркуляція є причиною формування антициклонів у субтропіках, а навпаки, вона є їх наслідком. Східний перенос у екваторіальній зоні зниженого тиску обумовлюється тим, що для поверхні землі й на висотах градієнти тиску мають напрямок від тропіків до осі приекваторіального поясу зниженого тиску, котрий називають екваторіальною улоговиною. Вісь екваторіальної улоговини не розташовується строго по географічному екватору. Вона постійно змінює своє положення, яке залежить від схилення Сонця й довготи місця. Залежність від довготи відбиває нерівномірність розподілення материків та океанів на поверхні Землі. У середньому за рік вісь екваторіальної улоговини знаходиться на північній широті. Отже, особливості поля тиску у тропіках північної та південної півкуль розділяються не географічним екватором, а зазначеним широтним колом, котрий називається метеорологічним екватором. Звідси виходить, що метеорологічна північна півкуля менша ніж південна [16].

Антициклони формуються найчастіше взимку над Північною Америкою та Азією. Особливості процесів цикло- і антициклогенезу зумовлюють структуру поля тиску біля земної поверхні. Їх можна виявити шляхом осереднення фактичного поля тиску за тривалий проміжок часу, наприклад за місяць. Як у Північній, так і у Південній півкулях виявляються області високого й низького тиску, так звані центри дії атмосфери (ЦДА), які є результатом статистичного осереднення фактичного поля тиску й характеризують райони, де переважає циклонічна або антициклонічна діяльність [16].

Циклони, що виникають біля східного узбережжя материків, переміщуються у північно-східному напрямі і найбільшої інтенсивності досягають у районі Ісландії та Алеутських островів. Завдяки тому, що в районі Ісландії повторюваність циклонів найбільша та те, що вони є тут найбільш глибокими, при осередненні поля тиску виникає обширна та глибока депресія, яка отримала назву Ісландської. Саме з аналогічної причини на півночі Тихого океану спостерігається Алеутська депресія. Підвищеній повторюваності антициклонів на континентах північної півкулі узимку відповідають Азіатський (сибірський) та Північноамериканський антициклони. Підвищеній повторюваності антициклонів над океанами північної півкулі відповідає Азорський та Північнотихоокеанський максимуми. У південній півкулі можна спостерігати передантарктичну зону зниженого тиску та ряд антициклонів, що розташовані у субтропіках над океанами: Південноатлантичний, Південноіндійський та Південнотихоокеанський. У тропічному поясі південної півкулі у січні, крім того, спостерігаються літні Південноафриканський та Австралійський циклони [16].

Завдяки тому, що температура поверхні океану від зими до літа змінюється мало, а континенти літом значно прогріваються, температурні контрасти у тропосфері менші літом, ніж зимою. У зв'язку з цим, повторюваність циклонів у липні значно менша, ніж у січні. Однак вона значно збільшується над континентами, особливо над північним сходом Євразії у зв'язку з тим, що циклони, які виникають у басейнах річок Обі та Єнісею, переміщуючись у східному й північно-східному напрямах, над Східним Сибіром і Далеким Сходом досягають найбільшого розвитку. Через незначну повторюваність та інтенсивність циклонів Ісландська депресія у липні проявляється слабко, а Алеутська депресія зовсім зникає (рис. 2.4). Майже над всією Азією формується велика Азіатська депресія, яка утворюється внаслідок сильного нагрівання суходолу в субтропічних районах [20].

Внаслідок цього влітку у Північній півкулі великої інтенсивності досягають Азорський та Тихоокеанський антициклони, які постійно регенеруються при входженні в їх області ядер високого тиску, що переміщуються на південний схід у тиловій частині циклонічних серій. Ці антициклони практично розташовуються на великому просторі північної половини Атлантичного і Тихого океанів.

Від Азорського антициклону на Європу, Середземне море та Північну Америку розповсюджуються добре виражені гребені, які відповідають підвищеній повторюваності антициклонів у цих районах північної півкулі. Тихоокеанський антициклон має також витягнутий на захід гребень. На східній його частині гребені не виявляються, що відображає вплив Кордильєр та Скелястих гір, які розташовані уздовж усього Тихоокеанського узбережжя Північної Америки майже меридіонально.

2.4 Характеристика загальної циркуляції атмосфери в межах України

Україна розташована у центральній частині Європейського континенту в складних фізико-географічних умовах, що зумовлює своєрідність впливу основних кліматоутворювальних факторів на формування клімату - надходження сонячної радіації, циркуляції атмосфери, а також антропогенної діяльності. Особливості їх прояву залежать від широти місцевості, висоти над рівнем моря, орографії. Особливості регіональної циркуляції атмосфери проявляються у збільшенні континентальності із заходу на схід. Різноманітність клімату також пов'язана з видами підстильної поверхні, що змінюється від рівнинної території до гірської (Українські Карпати, Кримські гори). Широтний хід метеорологічних величин порушують височини. Значна протяжність морської берегової лінії впливає на клімат прибережних районів.

Як відомо, рівнинний характер сходу України сприяє поширенню повітряних мас з Атлантичного океану, Середземного і Чорного морів і в той же час не перешкоджає вторгненню континентальних повітряних мас [50]. У разі переміщення циклону з заходу або південного заходу до периферії континентального антициклону активізуються атмосферні фронти з супутніми небезпечними явищами погоди [94].

Основними центрами дії атмосфери над сходом України є [26]:

Ш сибірський зимовий антициклон з відрогами на захід і південний захід;

Ш ісландська баричний депресія, підсилюється взимку і зменшується влітку;

Ш арктичний антициклон;

Ш південні циклони;

Ш азорський антициклон, ядра і гребені якого активні влітку.

У Північній півкулі в кожному сезоні є свої центри дії атмосфери (ЦДА). У зимовий сезон відмічається тривихорова планетарна фронтальна зона (ПВФЗ), яка пов'язує три висотні гребені - Північно-Атлантичний, Сибірський і Канадський максимуми - та замкнуті між ними Європейський, Алеутський та Ісландський мінімуми. Кожний із цих ЦДА формує свої погодні умови і кліматичний режим регіону.

Переважаючі повітряні маси та погодні умови, які формуються на території України, подаються в таблицях 2.1 та 2.2.

Таблиця 2.1 Повітряні маси, які впливають на клімат України

Тропічні	Помірні	Арктичні
Континент.	Морські	Континент.	Морські	Континент.	Морські
кТП	мТП	кПП	мПП	кАП	мАП



На території України області низького тиску (циклони та улоговини) становлять близько 42 % усіх баричних утворень. Щорічно спостерігається у середньому 43 циклони та 60 улоговин. Місцевий циклогенез формує у середньому 17 циклонів.

Баричні утворення низького атмосферного тиску в основному переміщуються із заходу, південного та північного заходу [35]. Найінтенсивнішими і найтривалішими є південні циклони. Місцеві циклони бувають рідше та й тривалість їх значно менша. Південно-східні циклони - це зазвичай місцеві циклони з центром над східною частиною акваторії Чорного моря, які переміщуються на схід країни, або південні циклони, що під впливом південно-східного виступу змінили свою південну траєкторію на східну.

Тривалість циклонічних утворень збільшується від літа до зими, тільки південно-східні та південні циклони мають найбільшу тривалість літом. Південні циклони влітку існують до 57 год, а місцеві -- 15 - 18 год.

Значне місце серед баричних систем займають незамкнені області зниженого атмосферного тиску - улоговини. Їх повторюваність в окремі сезонистановить 12-16 випадків. Улоговини, особливо північного спрямування, маютьбільшу тривалість. Узимку в улоговинах, що переміщуються з півночі, замкнені системи не утворюються, тому що до їх тилової частини не надходить достатня маса холодного повітря, щоб утворились значні градієнти температури і створились умови циклогенезу.

Утворення і зміщення циклонів залежить від розташування осі висотної улоговини. У випадках, коли висотна улоговина займає всю Західну Європу, в Україну виноситься дуже тепле повітря з південного заходу і в системі висотної фронтальної зони (ВФЗ) утворюються південно-західні, південні циклони або атмосферні фронти, які переміщуються на територію країни.

Адвекція тепла, яка поширюється у середній тропосфері через Францію на Скандинавський півострів, зумовлює процес антициклогенезу над Центральною Європою і Скандинавським півостровом. Висотна фронтальна зона спрямована у цій частині на північ і повітряні потоки на територію України надходять спочатку з північного заходу, а з посиленням висотного гребеня над Центральною та Північною Європою - з півночі.

Процеси циклогенезу поділяють на зональні залежно від розміщення висотної фронтальної зони.

Західні циклони. У помірних широтах Північної півкулі протягом року панує зональний потік повітря у тропосфері, особливо у верхніх і середніх шарах. Стабільність зонального потоку і його розподіл зумовлюється динамічними і термічними умовами у середній тропосфері а також іншими чинниками.

На півночі Європи розташовується потужна депресія з центрами низького тиску над островом Ісландія та Карським морем. Глибокі улоговини над північною Атлантикою та Східною Європою формують зональне спрямування потоків. Під дельтою висотної фронтальної зони на хвилях фронтів утворюються циклони, які, зміщуючись на схід, перетинають Україну як у стадії молодого циклону, так і в стадії максимального розвитку, тому активність синоптичних процесів у цих баричних утвореннях досить висока.

Розташування ВФЗ північніше території України зумовлює у північній її частині погодні умови, пов'язані з атмосферними фронтами, а в Степу - з областю високого атмосферного тиску. У зимові місяці ВФЗ може зміщуватись на південь, тоді північна частина країни буде знаходитись у холодному повітрі арктичного походження, у якому формуються області високого атмосферного тиску, а на півдні -- низького. Західні циклони зазвичай переміщуються серіями (по 3-4 підряд).

Південні циклони. Південні циклони відносять до найпоширеніших (понад 60 %) за траєкторією зміщення в Україну. Необхідною умовою утворення таких циклонів є адвекція холодного повітря у район Середземного моря. У зв'язку з тим, що над акваторією Середземного моря завжди існує малоградієнтна депресія, адвекція холоду посилює процес циклогенезу і залежно від спрямованості ВФЗ відбувається рух циклонів з південного заходу на північний схід через північно- західні райони України.

Під час переміщення південних циклонів висотна улоговина над Європою дещо зміщена на схід і тому холодне повітря надходить з Північного моря через Альпи на південь до Середземного моря. На півночі Італії, над Балканами та Малою Азією у районі розходження потоків ВФЗ виникають сприятливі умови для циклогенезу з подальшим зміщенням циклонів через Нижньодунайську низовину або Чорне море в Україну.

У зв'язку з інтенсивною адвекцією тепла у передній частині висотної улоговини на південному сході України активно відбувається процес антициклогенезу з утворенням висотного гребеня через Кавказ на Скандинавський півострів, а біля поверхні землі - потужного антициклону в районі Донецької височини. За таких умов південні циклони зміщуються на північ через правобережну або центральну частини країни. Цей активний синоптичний процес супроводжується сильним південним або південно-східним вітром, снігопадами, хуртовинами, ожеледдю у зимовий сезон, сильними опадами, зливами, грозами, градом у теплий період року.

Підтипом цього процесу є рух циклонів через захід Чорного моря або північ Малої Азії, водночас виступ південно-східного антициклону спрямований з північного Кавказу на Скандинавський півострів. У випадку, коли ВФЗ спрямована на північ, циклони, які надійшли в Україну з півдня, зміщуються в тому ж напрямі. Подальший розвиток цього процесу зумовлений посиленням висотного гребеня і розширенням його на захід внаслідок інтенсивної адвекції теплого повітря на висоті, що призводить до антициклогенезу, який змінює напрям руху циклонів через територію України. Якщо перший із серії південних циклонів проходить через Азовське море, Запорізьку область, схід Дніпропетровської, Полтавську та Сумську області, то наступні циклони набувають більш західного напряму.

Завершується процес стаціонуванням циклону на території України, оскільки потужні виступи антициклонів зі сходу та заходу не дають можливості зміщуватись баричному утворенню, відбувається його заповнення. Південно-західні циклони. Такі циклони утворюються у районі Середньодунайської та Нижньодунайської низовин. У стадії розвитку молодий циклон" вони наближаються до західних схилів Карпат і після добового стаціонування перетинають Українські Карпати і далі рухаються на північний схід. Такий напрям руху зумовлений ВФЗ, яка розміщена у передній частині висотної улоговини.

У теплий період року (рис. 2.6) переміщуються окремі циклони, а в холодний - серії з 2-3 циклонів. Зумовлено це тим, що внаслідок адвекції тепла контраст у полі температури та геопотенціалу значно більший у холодний період року, ніж у теплий. Кожний наступний циклон рухається більш північно-східною траєкторією: якщо перший циклон зміщується через Нижньодунайську низовину, північ Одеської, Черкаської, Сумської областей, то наступний - через захід Чорного моря, південь Одеської, Запорізьку і на Харківську область. Такий рух спричинює поглиблення висотної улоговини на південь, зміщення ВФЗ, у дельті якої утворюються ці циклони.

Північно-західні циклони. Висотне баричне поле визначається високим антициклоном над більшою частиною Європи з віссю висотного гребеня у напрямі на Скандинавський півострів або північний захід Східної Європи та висотною улоговиною, вісь якої спрямована з району Карського моря на Чорне, а другий висотний гребінь -- з південного сходу на Урал. Північно-західні циклони, які зміщуються з півдня Скандинавського півострова в Україну несуть мало вологи. Залежно від напряму ВФЗ вони охоплюють не всю територію України, а переважно східну частину, особливо у теплий період року. Коли у межах основного циклону створюються достатні умови для виникнення нового циклону, то в Україні домінує тепла повітряна маса, за відсутністю таких умов у тилу циклону відбувається формування області високого атмосферного тиску, і на територію країни поширюється досить холодне арктичне повітря.

Характерною особливістю цього процесу є активізація на півночі висотної улоговини, яка відбувається внаслідок інтенсивного виносу теплого повітря на північ Скандинавського півострова у тиловій частині висотного гребеня, вісь якого спрямована на Норвезьке море або захід Скандинавського півострова. Вісь висотної улоговини, розміщеної над Україною, набуває північно-східного напряму і в зоні дивергенції потоків утворюються місцеві циклони, що переміщуються над Степом, а Лісостеп залишається під впливом висотного гребеня.

Із північно-західними циклонами пов'язане значне зниження температури повітря, особливо у перехідні сезони року, а також поява стійкого снігового покриву, особливо на сході.

Ультраполярні циклони. Ультраполярні циклони переміщуються в Україну північною або північно-східною траєкторією і утворюються в системі висотного циклону, який перебуває у східній або у центральній частині Східної Європи. Вони виникають у точці оклюзії або на хвилі холодного фронту основного висотного циклону. Це низькі баричні утворення, які досить швидко зміщуються вздовж ВФЗ на південь і несуть холодне арктичне повітря.

Стаціонарні циклони. Стаціонування циклонів над Україною відбувається внаслідок інтенсивного антициклогенезу на сході та заході за її межами. Південні циклони є високими холодними баричними утвореннями з достатньою вологонасиченістю. Вони можуть регенерувати, коли до їх системи надходить холодне повітря з північного заходу. Траєкторія руху таких циклонів має досить хаотичний характер, але найтиповішою схемою подальшого їх розвитку є процес заповнення і руйнування над територією країни. За цих процесів спостерігається більш низька температура повітря і випадають опади.

Незважаючи на те, що Україна знаходиться в області Європейської улоговини, на її територію значною мірою впливає теплий Північно-Атлантичний і холодний Сибірський максимуми.

Взимку Північно-Атлантичний максимум в Україні формує теплу і малосніжну зиму, Сибірський максимум - сувору і морозну, Європейська улоговина - м'яку, сніжну зиму і сприяє переміщенню південних циклонів. Циклони надходять на територію України протягом року з заходу, північного і південного заходу, півдня. З їх приходом взимку наступає потепління, відлига або снігопад, влітку - дощ.

Розвинуті області високого тиску формують посушливі погодні умови.

Влітку Україна знаходиться під впливом також трьох центрів дії атмосфери: Азорського максимуму, Європейської улоговини (остання розміщується східніше ніж зимою) і східного термічного гребеня високого тиску (табл. 2.1-2.2). Вторгнення континентальних повітряних мас з Азії (антициклони) зумовлюють взимку різкі похолодання, а влітку - посушливу погоду.

Таблиця 2.2 Типи повітряних мас (ПМ) і особливості погоди в Україні

ЦДА тиску	Тип ПМ	Особливості погоди
Осінньо-зимовий період
Ісландський мінімум Сибірський максимум Середземноморська депресія	мПП, мАП кАП мПП	Хмарна, помірна м'яка, з опадами Ясна, суха, морозна м'яка, снігопади та відлиги
Весняно-літній період
Азорський максимум Ісландський мінімум Арктичний максимум	мТП, кТП мПП мАП, кПП	Ясна, суха, жарка Хмарна, прохолодна, значна кількість опадів Ясна, суха, прохолодна

Основні траєкторії руху антициклонів в Україні: західний, південно- західний, північно-західний, північний, північно-східний та південно-східний [35]. Серед місцевих процесів антициклогенезу виділяється розвиток і поширення на захід південно-східного виступу у районі Донецької височини, а також формування баричного поля підвищеного атмосферного тиску влітку над центральною частиною країни.

Влітку часто розвиваються західні та південно-західні антициклони у вигляді виступу або окремого ядра, які є продовженням Азорського максимуму.

Найчастіше в Україну надходять антициклони з північного заходу, рідше з півночі чи північного сходу, які несуть холодну арктичну повітряну масу. Найбільша повторюваність таких антициклонів припадає на пізню осінь або зиму. У кожному сезоні спостерігається від 5 до 7 антициклонів з різних районів та від 1 до 4 таких, що утворюються на місці.

Північні антициклони разом з північно-східними виносять в Україну холодне арктичне повітря, особливо на схід. На півдні антициклони зумовлюють погоду впродовж 1-2 синоптичних періодів. Не менш важливими для формування синоптичних процесів і найпоширенішими є відроги та виступи із західною та східною спрямованістю осі. В основному це периферія Азорського та Азіатського антициклонів. Територія України є межею їх подальшого східного або західного поширення, яка має умовну назву «вісь Воєйкова».

В середньому за рік в Україні буває 63% днів з антициклонами і 37 % - з циклонами. Пояснюється це особливостями загальної циркуляції атмосфери, у якій помірний пояс є осередком порушення зонального переносу повітряних мас за рахунок активного цикло- та антициклогенезу, що спричинює міжширотний обмін повітряних мас. Антициклони, які рухаються на південь, переносять холод з вищих широт у низькі, тому вони стабільніші у часі і тривалість їх перебування в Україні більша.

2.5 Вітровий режим на території України

Вітер - одна з основних та мінливих характеристик стану атмосфери, яка значно впливає на умови життя та господарську діяльність. Сильний вітер приносить матеріальні збитки: руйнує будівлі, призводить до переносу снігу і нерівномірного розподілу його на території. Дія вітру може бути і корисною: він виносить із населених пунктів забруднюючі речовини, пил, сприяє запиленню рослин, зменшує літню спеку. Урахування і оцінка вітропотенціалу території необхідні для використання у вітроенергетиці та інших галузях економіки [97].

...