Учение об атмосфере

Бора возникает в Новороссийске, как и в Адриатике, в тех случаях, когда холодный фронт подходит к прибрежному хребту с северо-востока. Холодный воздух сразу же переваливает невысокий хребет. Низвергаясь вниз по горному хребту под действием силы тяжести, воздух приобретает значительную скорость: в Новороссийске в январе скорость ветра при боре в среднем выше 20 м/сек. Падая на поверхность воды, этот нисходящий ветер создает сильное волнение. При этом резко понижается температура воздуха, которая до начала боры была над теплым морем достаточно высокой. Конечно, падая вниз, воздух боры адиабатически нагревается, как и при фене. Но высота хребта невелика, а первоначальная температура воздуха низка в сравнении с температурой воздуха, ранее располагавшегося над" морем. В результате температура в районе, куда вторгается бора, понижается. В Новороссийске случалось при боре понижение температуры на 25° и более.

Тема: Шквалы. Маломасштабные вихри. Служба погоды. Синоптический анализ и прогноз

Иногда на ограниченных территориях наблюдаются резкие кратковременные усиления ветра, называемые шквалами. Скорость ветра при шквале внезапно, порывом, усиливается да 20 м/сек и более; это усиление ветра продолжается несколько минут, а иногда повторяется на протяжении короткого времени. Более или менее резко меняется и направление ветра. Несмотря на кратковременность шквалов, они могут приводить к катастрофическим последствиям. Шквалы в большинстве случаев связаны с кучево-дождевыми (грозовыми) облаками либо местной конвекции, либо холодного фронта. В первом случае они называются внутримассовыми, во втором -- фронтальными.

Внутримассовый шквал обусловлен тем, что в передней части кучево-дождевого облака возникает сильное восходящее движение воздуха, а в центральной и тыловой частях -- нисходящее, в частности создаваемое ливневыми осадками, увлекающими с собой воздух. В облаке и под ним возникает, таким образом, вихревое движение воздуха с горизонтальной осью, в которое вовлекается воздух из смежных районов. При приближении большого облака конвекции ощущается усиление ветра и поворот его направления к облаку; в резко выраженных случаях это явление принимает форму шквала.

Рис. 18 - Движение воздуха при шквале

Сходные условия будут и в случае фронтальных шквалов. Здесь также играет роль восходящее движение теплого воздуха перед продвигающимся холодным фронтом и нисходящее движение в голове холодного воздуха за фронтом, принимающее форму резкого «обрушивания». Фронтальные шквалы наблюдаются вдоль фронта одновременно в ряде мест. Поэтому в XIX веке, когда было установлено существование холодных фронтов, их называли линиями шквалов. Шквал обычно связан с ливневыми осадками и грозой, иногда с градом. Лишь в условиях большой сухости воздуха возможны шквалы без образования кучевых облаков. Атмосферное давление при шквале резко повышается в связи с бурным выпадением осадков, а затем снова падает (грозовой нос).

Маломасштабные вихри

В условиях большой неустойчивости атмосферной стратификации, кроме обычных грозовых шквалов, могут возникать еще особые вихри с вертикальной осью, напоминающие циклоны, однако миниатюрных масштабов. Во-первых, это совсем малые пыльные вихри, во множестве возникающие над перегретой почвой в пустынях (но не только в пустынях), особенно на границах, где резко меняются свойства подстилающей поверхности. В Сахаре на площади 10 км2 таких вихрей наблюдалось иногда до 100 в день. Часты они летом на восточном Памире. Поперечник их от 1 до 100 м, высота до 1 км, скорость перемещения 20--30 км/час. В таком вихре наблюдается быстрое вращение воздуха при одновременном его подъеме вверх, так что попавшие в вихрь пыль, листья и другие предметы, увлекаются по спиральным путям.

Большее значение имеют более крупные вихри, называемые над морем смерчами, а над сушей -- тромбами. В Северной Америке тромбы называют торнадо

Рис. 19 - Тромбы

Вихрь возникает обычно в передней части грозового облака и проникает сверху до самой земной поверхности. У смерчей диаметр вихря порядка десятков метров, у тромбов -- порядка 100--200 м, а в американских торнадо и больше (это устанавливается по ширине полосы разрушений).

Тромб виден как темный столб между облаком и землей, расширяющийся кверху и книзу, или как хобот, свисающий из облака. Это объясняется тем, что вихрь втягивает сверху облако, а снизу пыль или воду; кроме того, при сильном падении давления внутри вихря происходит конденсация водяного пара.

Вихрь перемещается вместе с облаком чаще всего со скоростью порядка 30--40 км/час. Время существования смерчей измеряется минутами, тромбов -- десятками минут, иногда несколькими часами. За это время вихрь может продвинуться над морем на несколько километров, а над сушей -- на десятки, иногда даже на сотни километров, все сметая на своем пути. Атмосферное давление в вихре сильно понижено, на десятки или даже на сотню миллибаров. Воздух вращается вокруг оси вихря, одновременно поднимаясь вверх. Скорости ветра в тромбах могут достигать 50--100 м/сек, как это можно определить по разрушениям; очень велики и восходящие скорости. Ветер при тромбе срывает и разрушает легкие постройки, переносит на большие расстояния людей и животных, ломает и вырывает с корнем деревья, прокладывая в лесах просеки. Падение давления при прохождении тромба бывает настолько большим и быстрым, что наружное давление не успевает выравняться с давлением внутри здания; давление внутри остается более высоким. Поэтому дома, попавшие в сферу действия тромба, иногда взрываются изнутри: с них слетает крыша, вылетают оконные рамы, даже разрушаются стены. Смерчи обладают меньшей разрушительной силой. Конечно, тромб сопровождается грозой, ливневым дождем, градом. Водяные смерчи реже связаны с грозами. Тромбы проходят поодиночке, хотя торнадо изредка наблюдаются по два или по нескольку. Смерчи часто возникают сериями по нескольку вихрей.

В Европе тромбы сравнительно редки и наблюдаются преимущественно в жаркую летнюю погоду в послеполуденные часы в воздушных массах тропического происхождения с большими вертикальными градиентами температуры. В направлении к северу они отмечались до северной Шотландии, южной Норвегии, Швеции (до 60° с. ш.), Соловецких островов; в Сибири -- до низовьев Оби. На Европейской территории СНГ каждое лето в разных местах, и на юге, и в центре, отмечается несколько тромбов. Были случаи, когда они достигали особой катастрофической силы, как, например, московский тромб 29 июня 1904 г., сравнимый по интенсивности с американскими торнадо. По-видимому, на Азиатской территории СНГ тромбы возникают значительно чаще, но, проходя в малонаселенных районах, наблюдаются реже.

В США, между Скалистыми и Аппалачскими горами, особенно на юго-востоке, торнадо очень часты и обладают исключительной разрушительной силой. За год в США наблюдается в среднем свыше 200 торнадо, но в отдельные годы -- свыше 800, преимущественно в теплое время года. Интенсивность их, конечно, разная. Но в общем их диаметры и скорости ветра в них (до 125 м/сек и более) больше, чем в европейских тромбах, а причиняемые ими разрушения и убытки огромны. Случалось, что поднимались в воздух дома вместе с жителями; полное разрушение домов происходит очень часто. В среднем за год насчитывается свыше 200 смертных случаев от торнадо, а в одном только случае торнадо 18 марта 1925 г. было убито почти 700 человек. Убытки от торнадо ежегодно исчисляются многими десятками миллионов долларов. Одно единственное торнадо в Северной Дакоте 20 июня 1957 г. разрушило 500 домов на площади в одну квадратную милю и причинило убытков на 15 миллионов долларов.

Тромбы (торнадо) наблюдаются в очень теплом и влажном неустойчиво стратифицированном воздухе, иногда вблизи фронтов, как холодных, так и теплых, но иногда и на значительном расстоянии от них. Очевидна их связь с грозовыми облаками. Поэтому можно думать, что тромб является особой, сравнительно редкой разновидностью обычного грозового шквала. Но при шквале в грозовом облаке наблюдается вихрь с горизонтальной осью, как описано выше. При тромбе направление оси вихря по еще невыясненным причинам меняется: ось вихря загибается к земной поверхности и достигает ее, превращаясь между облаком и землей в вертикальную. Так получается тромб, а иногда и два тромба, по двум сторонам грозового облака.

Служба погоды

Непрерывно происходящие изменения в состоянии погоды связаны в первую очередь с процессами общей циркуляции атмосферы. Смена дня и ночи вносит в погоду достаточно простые и регулярные изменения в виде суточного хода метеорологических элементов или в виде смены бризов и т. п. Но резкие и нерегулярные изменения, гораздо более характерные для погоды, являются результатом смены воздушных масс, прохождения разделяющих их фронтов, перемещения и эволюции циклонов и антициклонов. В тропиках эти изменения значительно меньше, чем во внутритропических широтах, потому что условия атмосферной циркуляции там более устойчивы и циклоническая деятельность слабее. В связи с такой обусловленностью изменений погоды, в течение последнего столетия возникла так называемая служба погоды. В задачи ее входит своевременная информация населения, административных и хозяйственных организаций о существующих условиях погоды и предсказание условий погоды на будущее время.

Материальная база службы погоды состоит, во-первых, из сети синоптических станций, т. е. метеорологических станций, срочно передающих свои одновременные наблюдения в центры службы погоды. До 1920-х годов почти единственным средством связи при этом служил телеграф; в настоящее время основное значение для службы погоды имеет радиосвязь. С помощью радиосвязи удалось распространить действие службы погоды фактически на весь Земной шар. Однако до сих пор многие районы охвачены ею еще неудовлетворительно, в особенности океанические районы южного полушария. Метеорологические сведения передаются со станций в центры службы погоды зашифрованными с помощью особых цифровых кодов. Сроки и волны радиопередач согласованы в международном порядке. В учреждениях службы погоды эти сведения наносятся цифрами и условными знаками на синоптические карты погоды. Такие карты составляются 4 раза в сутки и чаще, за каждый срок наблюдений на станциях.

В настоящее время, когда синоптические карты, на которые наносятся данные тысяч станций, могут охватывать все полушарие и даже весь Земной шар и когда, кроме приземных карт, составляются также и высотные карты (барической топографии и др.), объем этой систематизированной информации об атмосферных условиях очень велик. В целях экономии усилий и средств в последнее время переходят на централизованную систему составления и анализа синоптических карт в немногих центрах, откуда карты распространяются путем факсимильной передачи по проводам или по радио в органы службы погоды на местах. Прием синоптических карт по радио возможен и в воздухе, и на судах в открытом океане. В главе первой уже говорилось, что в настоящее время решается задача организации Всемирной, службы погоды, в которой кооперация различных стран по производству наблюдений, распространению информации и даче прогнозов должна стать еще более тесной. В рамках этой всемирной службы особое внимание уделяется организации наблюдений с метеорологических спутников.

Синоптический анализ и прогноз

Анализ синоптических карт (и разных других вспомогательных материалов, как аэрологические диаграммы, вертикальные разрезы и пр.) состоит в следующем. По сведениям, нанесенным на карту, устанавливается фактическое состояние атмосферы в момент наблюдений: распределение и характер воздушных масс и фронтов, расположение и свойства атмосферных возмущений, а кроме того, расположение и характер облачности и осадков, распределение температуры и пр. в связи с этими условиями атмосферной циркуляции. Между прочим, атмосферные возмущения, фронты и воздушные массы, изучаемые с помощью синоптических карт, называются синоптическими объектами. Coставляя карты от срока к сроку, можно следить по ним за изменениями состояния атмосферы, в частности за перемещением и эволюцией атмосферных возмущений, перемещением, трансформацией и взаимодействием воздушных масс и пр. Представление атмосферных условий на синоптических картах дает удобную возможность и для информации о состоянии погоды.

Главная и более трудная задача состоит, однако, не в информации, а в прогнозе ожидаемых изменений погоды, прежде всего на короткий срок вперед (на 1--2 суток). Кратко можно сказать, что эта задача сводится, во-первых, к определению, как в следующие несколько десятков часов должны будут переместиться и измениться синоптические объекты -- атмосферные возмущения, фронты и воздушные массы. Это так называемый прогноз синоптического положения. При всей простоте приемов синоптического анализа их применение представляет собой нелегкую задачу и требует большого практического опыта у прогнозиста (синоптика). От ошибок, иногда даже грубых, современные краткосрочные прогнозы погоды не свободны. Однако в общем качество прогнозов оказывается удовлетворительным для многих потребностей практики, в особенности для обеспечения действий авиации. Без регулярного синоптического обслуживания современная авиация работать не может. Есть и ряд других областей хозяйства, для которых получение прогнозов погоды необходимо. Средства, затрачиваемые на службу погоды, во много раз перекрываются теми выгодами, которые она приносит.

Возможности улучшения прогнозов погоды в настоящее время видят в изыскании и введении в службу погоды вычислительных методов прогноза. Правда, разработанные до сих пор методы относятся преимущественно лишь к предвычислению барического поля. Переход от барического поля к погоде приходится производить еще прежними, качественными способами. Даже в предвычислении барического поля пока не достигнуто решающих практических успехов: удачность прогнозов остается того же порядка, что и удачность прогнозов обычными синоптическими методами. Объясняется это исключительной сложностью атмосферных процессов для математической формулировки задачи. Состояние атмосферы и закономерности атмосферных процессов в вычислительных схемах приходится упрощать, что, конечно, отражается на соответствии результатов вычисления действительности.

Долгосрочные прогнозы

Еще сложнее задача долгосрочных прогнозов погоды -- на декаду, месяц, сезон вперед. Степень точности здесь неизбежно ниже, чем в прогнозах краткосрочных. Рациональная постановка задачи долгосрочного прогноза должна сводиться к определению каких-то общих характеристик погоды будущего: степени зональности или меридиональности циркуляции, средних месячных температур, отклонений осадков от нормы, самых общих черт в ходе температуры и т. д. Вряд ли когда-либо люди достигнут возможности ответить на вопрос: будет ли в таком-то месте дождь такого-то числа в будущем месяце? Сложный комплекс условий, которые будут определять такой дождь или его отсутствие, часто нельзя предвидеть даже накануне; тем более невозможно это сделать за долгое время вперед.

Попытки применения для долгосрочных прогнозов таких приемов, как учет инерции в ходе атмосферных процессов (т. е. сохранения знака аномалии погоды на некоторое время вперед), приводили к самым ограниченным успехам. Существенное значение для решения задачи долгосрочных прогнозов имеет сопоставление атмосферных процессов с процессами в мировом океане, поскольку между двумя этими сферами Земли происходит взаимный обмен теплом и влагой. Представляется плодотворным сопоставление атмосферных процессов с солнечной активностью, т. е. с явлениями, происходящими на поверхности Солнца (пятна и др.). Связи между атмосферными процессами и солнечной активностью, несомненно, существуют, хотя они известны еще далеко не до конца и мало объяснены. Поскольку в солнечных процессах обнаруживается определенная цикличность и они предшествуют определенным изменениям в атмосфере, это может быть использовано в целях долгосрочного прогноза погоды. Но и на этом пути достижений еще немного. Есть попытки и вычислительных долгосрочных прогнозов на базе уравнений гидродинамики, не получившие еще практического значения.

Тема: Циркуляция в тропиках. Пассаты и муссоны. Экваториальная зона западных ветров.

Пассаты-- это устойчивые в общем восточные ветры умеренной скорости (в среднем 5--8 м/сек у земной поверхности), дующие в каждом полушарии на обращенной к экватору стороне субтропической зоны высокого давления. Однако субтропические зоны даже на средних картах (а тем более на картах ежедневных) распадаются на отдельные антициклоны. Таким образом, пассаты -- это ветры в обращенных к экватору частях субтропических антициклонов.

Рис. 20 - Схема переноса воздуха в зоне пассатов

Кривые -- изобары субтропических антициклонов, сплошные стрелки -- ветры у земной поверхности, двойные стрелки -- ветры над уровнем трения.

Субтропические антициклоны вытянуты по широте. Поэтому на их обращенной к экватору периферии изобары проходят параллельно широтным кругам, и, следовательно, пассаты над уровнем трения должны иметь восточное направление Однако на востоке каждого антициклона к восточной составляющей ветра присоединяется еще направленная к экватору составляющая (вспомним, как дуют ветры в антициклоне!), а на западе -- составляющая, направленная от экватора.В общем же меридиональные составляющие в пассатном переносе малы по сравнению с восточной составляющей.

В слоях, близких к земной поверхности, где действует трение, ветер отклоняется от изобар на некоторый угол в сторону низкого давления. Это значит, что на южной периферии субтропического антициклона в северном полушарии у земной поверхности вместо восточных ветров получаются северо-восточные; аналогично на северной периферии субтропического антициклона в южном полушарии у земной поверхности получаются юго-восточные ветры. Иначе говоря, вследствие трения пассаты получают дополнительные составляющие, направленные к экватору. Пассаты северного полушария часто называют поэтому северо-восточными, а пассаты южного полушария -- юго-восточными.

Однако нужно помнить, что эти направления пассатов характерны только вблизи земной поверхности, и то не для всей области пассатов, а только там, где изобары субтропического антициклона вытянуты по широте. 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 антициклоны здесь возникают заново, перемещаются, исчезают. Но при этом антициклоны в субтропиках абсолютно преобладают над циклонами. Поэтому на многолетних средних картах и создаются субтропические

Погода пассатов

В нижнем слое пассатов воздух вследствие влияния трения течет с составляющей, направленной к экватору. На восточной периферии каждого субтропического антициклона эта составляющая, направленная к экватору, значительно усиливается уже независимо от трения. Поэтому, двигаясь на все более теплую поверхность моря, пассатное течение в нижних слоях приобретает неустойчивость стратификации.

Рис. 21 - Типичное распределение температуры воздуха с высотой в зоне пассатов

Устанавливаются большие вертикальные градиенты температуры, часто превышающие сухоадиабатический в нижних сотнях метров, и развивается оживленная конвекция со скоростями восходящих токов порядка 2,5--4м/сек и с образованием кучевых облаков. Но конвекция не достигает больших высот. Уже на высотах порядка 12000--2000 м в области пассатов обнаруживается задерживающий слой в несколько сотен метров толщиною с инверсией температуры или, по крайней мере, с уменьшением вертикального градиента температуры (рис. 96). Эта пассатная инверсия образуется при оседании воздуха, характерном для всякого хорошо развитого антициклона не только в тропиках. Инверсия и задерживает развитие конвекции на сравнительно низком уровне. Облака не получают большого вертикального развития, нередко принимают характер слоисто-кучевых и, во всяком случае, не достигают уровня оледенения, который в тропиках лежит выше 5 км. Поэтому из облаков или вовсе не выпадает осадков, или выпадают незначительные кратковременные и мелкокапельные дожди, обусловленные взаимным слиянием капелек, без посредства ледяной фазы.

Антипассаты

Вертикальная мощность пассатов увеличивается к экватору. Под 20-й параллелью она порядка 2--4 км. Вблизи экватора, особенно в летнем полушарии, восточные ветры захватывают уже всю тропосферу и стратосферу.

Там, где пассаты простираются не на всю тропосферу, ветры над ними имеют преобладающее западное направление, то же самое, которое господствует в средней и верхней тропосфере во внетропических широтах. Западные ветры над пассатами носят название антипассатов. Прежде считали, что они дуют противоположно приземному направлению пассатов, т. е. в северном полушарии с юго-запада и в южном с северо-запада. Наблюдения этого не подтвердили. Антипассаты -- вообще западные ветры, такие же, как и в более высоких широтах на тех же уровнях. Меридиональные составляющие в них малы и могут быть различны по направлению. Однако преобладают все же составляющие, направленные от экватора к высоким широтам.

Внутритропическая зона конвергенции

Пассаты обоих полушарий разделены переходной зоной с неравномерными, часто слабыми, но иногда и довольно сильными 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 ветрами 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 последних выпадают обильные осадки ливневого характера. Положение внутритропической зоны конвергенции на отдельных ее участках изо дня в день меняется, и иногда значительно. Нередко внутритропическая зона конвергенции обостряется в узкий тропический фронт, на котором пассат одного полушария непосредственно сменяется пассатом другого полушария.

Рис. 22 - Основные типы переносов воздуха во внутритропической зоне конвергенции: / -- встреча пассатов у тропического фронта вблизи экватора, // -- встреча пассатов на большем расстоянии от экватора (летний экваториальный муссон), /// -- экваториальная зона западных ветров

Тропический фронт проходит в таком случае по оси экваториальной депрессии.

В некоторых частях океанов (например, на востоке Индийского и на западе Тихого океанов) во внутритропической зоне конвергенции дуют временами довольно сильные (5-- 10 м/сек) западные ветры, более или менее резко отграниченные от обоих пассатов двумя параллельными тропическими фронтами. Эти экваториальные западные ветры захватывают слой от земной поверхности до высоты в несколько километров.Западные направления ветра в ней объясняются, по-видимому, тем, что вблизи экватора ветер не является квазигеострофическим и дует по барическому градиенту, а последний на больших участках экватора направлен с запада на восток.

О муссонах вообще

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 (квадранта или октанта) над другими. При этом в другом сезоне преобладающее направление ветра будет противоположным или близким к противоположному. Таким образом, в каждой муссонной области есть зимний муссон и летний муссон с взаимно противоположными или, по крайней мере, с резко различными преобладающими направлениями. Устойчивость муссонов связана с устойчивым распределением атмосферного давления в течение каждого сезона, а их сезонная смена -- с коренными изменениями в распределении давления от сезона к сезону.

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. Например, зимою над Восточной Азией последовательно сменяется целый ряд антициклонов. Но каждый из этих антициклонов сохраняется относительно долго, а число дней с антициклонами значительно превышает число дней с циклонами.

Тропические муссоны

Особенно резко выраженные и устойчивые муссоны наблюдаются в тропических широтах. В Тихом и Атлантическом океанах эти тропические муссоны развиты мало, за исключением западной части Тихого океана и смежных с нею районов Восточной Азии и Индонезии. Над этими океанами в тропиках преобладают пассаты, устойчиво сохраняющие свое преобладающее восточное направление в течение всего года. Зато в бассейне Индийского океана муссонная циркуляция наблюдается на обширных пространствах внутри тропиков: почти над всем северным Индийским океаном, над Индостаном, Индокитаем, южным Китаем, над Индонезией, над низкими широтами южного Индийского океана вплоть до Мадагаскара и северной Австралии, а также над большими площадями в Экваториальной Африке, особенно в ее восточной части.

Сильное развитие муссонов в указанной области связано со своеобразием ее географических условий, именно с наличиемк северу от Индийского океана огромного материка Азии, а также с распространением материка Африки на оба полушария. Зимний муссон совпадает по своему направлению, в общем восточному, с пассатом: он дует по обращенной к экватору периферии субтропического антициклона данного полушария. Направление летнего муссона, напротив, противоположно пассатному: в общем оно не восточное, а западное, по обращенной к экватору периферии депрессии, находящейся в данном полушарии. Смена тропических муссонов, вообще говоря, есть смена преобладающих восточных ветров в тропиках на преобладающие западные ветры или обратно.

Итак, 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. Над Сахарой летом господствует пониженное давление, а зимой -- отрог азорского антициклона; над Южной Африкой в ее зиму -- также антициклон, а летом -- депрессия. 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.

Особенно мощные тропические муссоны в бассейне Индийского океана объясняются тем, что сезонные изменения температуры полушарий здесь усилены огромным материком Азии к северу от экватора, прогретым летом и охлажденным зимой. В связи с этим над Южной Азией происходит резкая сезонная смена низкого давления на высокое и обратно с соответствующей муссонной циркуляцией.

На южное полушарие муссоны Индийского океана распространяются меньше; наиболее -- в районе северной Австралии, где сезонные изменения температуры материка также сильно влияют на распределение давления, и на западе океана, где муссоны захватывают северный Мадагаскар. Зимний тропический муссон в бассейне северного Индийского океана принято называть северо-восточным, а летний -- юго-западным, имея в виду преобладающие направления у земной поверхности.

Схематическое распределение средних переносов воздуха летом и зимой у земной поверхности (сплошные линии тока) и на высоте около 7 км (прерывистые линии тока).

Заметим еще, что в Индии и Китае под словом «муссон» часто подразумевается только летний муссон.

Районы возникновения тропических циклонов

Тропические циклоны в основном возникают в следующих районах В северном полушарии:

1. Желтое море, Филиппинские острова и Тихий океан к востоку от них до 170° в. д. В этом районе наблюдается наибольшее в сравнении с другими количество тропических циклонов: в среднем за год 28, из них около половины с ураганной силой ветра в 9--12 баллов.

В отдельные годы их бывает до 50. Тропические циклоны этого района носят местное название тайфунов. Тайфуны движутся вначале на запад и северо-запад. Если они достигают при этом берегов Китая, они быстро затухают над сушей. Но чаще они, не достигнув материка, поворачивают к северо-востоку и при этом нередко (в 15% случаев) проходят через южные Японские острова или вблизи них. Изредка они могут даже достигать района Камчатки.

2. Тихий океан к западу от Мексики. Здесь возникает в среднем за год 6 тропических циклонов со штормовыми и, сравнительно редко, с ураганными ветрами.

3. Тропики северного Атлантического океана, в особенности на западе океана -- в Карибском море, в районе Малых Антильских островов и в Мексиканском заливе -- и на востоке океана -- в районе островов Зеленого Мыса. Местное их название -- ураганы. В среднем над северным Атлантическим океаном возникает в год 10 тропических циклонов.

Циклоны западной части океана нередко проходят над Большими Антильскими островами. Сильнейший ураган «Флора» проходил над Кубой в октябре 1963 г. Иногда они попадают на материк в районе Флориды и других юго-восточных штатов США. В других случаях циклоны, поворачивая к северо-востоку над океаном, могут проходить вблизи Атлантического побережья США. Несмотря на сравнительную редкость, ураганы причиняют хозяйству США большие убытки и не обходятся без человеческих жертв.

4. Бенгальский залив. Здесь возникает в среднем за год € циклонов. Попадая на сушу в Индии, они часто производят сильные опустошения; особенно страшны связанные с ними нагоны воды на плоские берега.

5. Аравийское море. Здесь возникает в среднем меньше двух циклонов в год, как и в Бенгальском заливе, -- весной и осенью.

В южном полушарии:

1. Тихий океан к востоку от Новой Гвинеи и северной Австралии (Квинсленда) до островов Самоа, а может быть, и дальше. Повторяемость здесь -- 7 циклонов в год; циклоны ураганной силы редки.

2. Индийский океан между Мадагаскаром и Маскаренскими островами. Здесь в среднем 7 циклонов в год.

3. Индийский океан между северо-западным побережьем Австралии и Кокосовыми островами. Циклоны здесь очень редки -- в среднем 2 в год. Местное название -- вили-вили.

В южном Атлантическом океане тропических циклонов штормовой и ураганной силы не возникает.

Всего на Земном шаре возникает за год в среднем около 70 тропических циклонов со штормовыми и ураганными ветрами. Максимум их, как правило, приходится на лето и осень данного полушария, когда тропический фронт наиболее далеко смещен от экватора. Зимой их почти не бывает.

Погода в тропическом циклоне

Вполне сформировавшийся тропический циклон представляет собой округлую, слегка растянутую область пониженного давления диаметром в несколько сотен километров (до 1000 км). При этом давление в центре циклона нередко падает, так же как и в глубоких циклонах внетропических широт, до 960-- 970 мб. В отдельных случаях наблюдались рекордные падения до 885 мб, каких во внетропических широтах не бывает. Вследствие малой площади и большой глубины циклона барические градиенты и скорости ветра в нем очень велики: максимальные градиенты доходят до 15 мб на градус, а в отдельных случаях и гораздо больше. Скорости ветра достигают 30--50 м/сек. Наблюдались скорости до 65 м/сек, но, судя по разрушениям, они могут быть и больше; отдельные же порывы доходят до 100 м/сек. Облачность в тропическом циклоне представляет собой почти сплошное гигантское грозовое облако; выпадают сильные ливневые осадки; грозовые явления достигают большой интенсивности. В самом центре циклона обычно находится небольшая зона (десятки километров в диаметре), свободная от мощных облаков и со слабыми ветрами, -- так называемый глаз бури, или глаз циклона (рис. 102). Сильные восходящие движения, господствующие в большей части тропического циклона, уступают в этой области место нисходящему движению воздуха, удаляющему его от конденсации. Облака циклона окружают «глаз» в виде амфитеатра огромного стадиона. В одном тайфуне облака вокруг «глаза» возвышались до 14 км.

Температура воздуха в тропическом циклоне вообще повышена по сравнению с окружающей атмосферой в связи с выделением огромного количества скрытого тепла при конденсации.

При своем продвижении тропический циклон вызывает сильнейшее волнение в море, угрожающее катастрофой мелким судам, а то и большим Плоские берега, вблизи которых он проходит, иногда затапливаются гигантскими волнами, до 10--15 м высотою, в Индии это приводило к огромным разрушениям и человеческим жертвам (1 января 1876 г. погибло 250 тысяч человек).

Задевая сушу, тропический циклон может привести к опустошению многочисленных селений и целых городов ураганными ветрами и наводнениями, как это было, например, с Майами, во Флориде, в 1923 г. и часто случается в Южной Японии. Тайфун «Вера» в 1959 г., со скоростями ветра до 90 м/сек, оставил без крова более полутора миллионов жителей Японии. Только один тропический циклон, отнюдь не исключительной силы («Одри»), захватив прибрежную зону Техаса и Луизианы 27 ноября 1957 г., причинил убытки в 150--200 миллионов долларов и унес около 400 человеческих жизней. Но иногда (раз в 10 лет) ущерб от одного тропического циклона в США достигает 1 миллиарда долларов; в одном случае ущерб достиг даже 2 миллиардов долларов.

В начале октября 1963 г. ураган «Флора» менял свое направление движения как раз над Кубой и задержался над островом на несколько суток. Восточные провинции Кубы были опустошены, было свыше 3000 человеческих жертв, главным образом в результате наводнения. Общие убытки на всех островах, попавших под влияние «Флоры», составили полмиллиарда долларов. Перейдя в умеренные широты и изменив направление перемещения, тропический циклон расширяется по площади; градиенты в нем становятся меньше и ветры слабее.

Тема: Тропические депрессии. Тропические циклоны и погода.

Вполне сформировавшийся тропический циклон представляет собой округлую, слегка растянутую область пониженного давления диаметром в несколько сотен километров (до 1000 км). При этом давление в центре циклона нередко падает, так же как и в глубоких циклонах внетропических широт, до 960-- 970 мб (рис. 101). В отдельных случаях наблюдались рекордные падения до 885 мб, каких во внетропических широтах не бывает. Вследствие малой площади и большой глубины циклона барические градиенты и скорости ветра в нем очень велики: максимальные градиенты доходят до 15 мб на градус, а в отдельных случаях и гораздо больше. Скорости ветра достигают 30--50 м/сек. Наблюдались скорости до 65 м/сек, но, судя по разрушениям, они могут быть и больше; отдельные же порывы доходят до 100 м/сек. Эта область больших градиентов и штормовых ветров резко отграничена от окружающего района с размытым барическим полем и слабыми ветрами.

Циклоническая циркуляция во всяком случае захватывает нижнюю половину тропосферы, но, по-видимому, часто простирается и в верхнюю половину. В тайфуне «Сара» в марте 1956 г. циклоническая циркуляция наблюдалась до 12 км.

Облачность в тропическом циклоне представляет собой почти сплошное гигантское грозовое облако; выпадают сильные ливневые осадки; грозовые явления достигают большой интенсивности. В самом центре циклона обычно находится небольшая зона (десятки километров в диаметре), свободная от мощных облаков и со слабыми ветрами, -- так называемый глаз бури, или глаз циклона. Сильные восходящие движения, господствующие в большей части тропического циклона, уступают в этой области место нисходящему движению воздуха, удаляющему его от конденсации. Облака циклона окружают «глаз» в виде амфитеатра огромного стадиона. В одном тайфуне облака вокруг «глаза» возвышались до 14 км.

Температура воздуха в тропическом циклоне вообще повышена по сравнению с окружающей атмосферой в связи с выделением огромного количества скрытого тепла при конденсации.

Распределение температуры равномерно и симметрично относительно центра, а вертикальная стратификация очень неустойчива. В глазе бури, однако, наблюдаются еще более высокие температуры, связанные с нисходящими движениями воздуха, и устойчивая стратификация атмосферы. В начале развития тропического циклона в нем можно обнаружить термическую асимметрию, являющуюся следствием того, что циклон возник на границе двух воздушных масс, на фронте. Но в последующем развитии эта асимметрия выравнивается штормовыми ветрами циклона.

При своем продвижении тропический циклон вызывает сильнейшее волнение в море, угрожающее катастрофой мелким судам, а то и большим Плоские берега, вблизи которых он проходит, иногда затапливаются гигантскими волнами, до 10--15 м высотою, в Индии это приводило к огромным разрушениям и человеческим жертвам (1 января 1876 г. погибло 250 тысяч человек).

Задевая сушу, тропический циклон может привести к опустошению многочисленных селений и целых городов ураганными ветрами и наводнениями, как это было, например, с Майами, во Флориде, в 1923 г. и часто случается в Южной Японии. Тайфун «Вера» в 1959 г., со скоростями ветра до 90 м/сек, оставил без крова более полутора миллионов жителей Японии. Только один тропический циклон, отнюдь не исключительной силы («Одри»), захватив прибрежную зону Техаса и Луизианы 27 ноября 1957 г., причинил убытки в 150--200 миллионов долларов и унес около 400 человеческих жизней. Но иногда (раз в 10 лет) ущерб от одного тропического циклона в США достигает 1 миллиарда долларов; в одном случае ущерб достиг даже 2 миллиардов долларов.

Прослеживание тропических циклонов и предупреждение о них представляет важную задачу для службы погоды на Дальнем Востоке (особенно на Филиппинских островах), в США и других районах, подверженных тропическим циклонам. Вместе с тем прогноз тропических циклонов затруднен тем, что проходят они преимущественно над морями, а самые очаги их возникновения, во всяком случае, лежат на морях. Большие успехи достигнуты в последние десятилетия, когда для прослеживания тропических циклонов стали применять радиолокацию. Производится также регулярное самолетное прослеживание и исследование тропических циклонов. В последнее время важную информацию о них дают метеорологические спутники.

Тема: Зональность общей циркуляции. Западные воздушные течения в тропосфере умеренных широт

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.

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.

Степень преобладания зональных составляющих над меридиональными может быть различной. Над тропическими океанами преобладание восточных составляющих в переносе воздуха в нижней части тропосферы выражено очень резко и легко различимо даже на отдельных синоптических картах, т. е. в отдельные дни. В общем, меридиональные составляющие в тропиках, по крайней мере, в 10 раз меньше зональных. Хорошо выражено и преобладание западных ветров в умеренной зоне южного полушария. В то же время во многих районах умеренных широт северного полушария ветер часто и сильно меняется по направлению и преобладание западного переноса можно подметить только из статистического анализа большого материала наблюдений. Есть, наконец, и такие районы, например восток Азии, где преобладающие направления ветра в нижней тропосфере ближе к меридиональным, чем к зональным.

Меридиональные составляющие общей циркуляции

Меридиональные составляющие переноса воздуха в общей циркуляции атмосферы, при меньшей величине по сравнению с зональными, имеют очень большое значение. Именно они обусловливают обмен воздуха между различными широтами Земли.

Прежде существовало представление, что меридиональные составляющие в нижних и в более высоких слоях атмосферы противоположны по направлению. Таким образом, в разных зонах Земли эти противоположно направленные составляющие вместе с вертикальными -- восходящими и нисходящими -- движениями должны были бы создавать колеса или кольца с замкнутой циркуляцией воздуха. Например, в тропиках это был бы перенос воздуха внизу к экватору, его подъем над экватором, перенос к субтропическим широтам вверху, там опускание воздуха и обратное движение к экватору внизу. Подобно этому представлялись и условия общей циркуляции в других зонах Земли.

В самом деле, в каждом циклоне создается перенос воздуха к высоким широтам в передней части и к низким широтам в тыловой части; в антициклонах обратно. Отсюда следует, что в каждый данный момент на одном и том же уровне под одними меридианами господствуют меридиональные составляющие, направленные к северу, а под другими, соседними, -- направленные к югу. Так будет и на многолетних средних картах, где, конечно, меридиональные составляющие меньше по величине, чем в индивидуальных положениях: при осреднении составляющие, направленные по данному меридиану в разное время к северу и к югу, будут, в некоторой степени, взаимно погашаться.

Следует указать, что при условии квазигеострофичности меридиональные составляющие вообще не могут иметь одно и то же направление вдоль всего широтного круга. Для этого нужна была бы зональная составляющая барического градиента, направленная в одну сторону на всем широтном круге. Но это невозможно, так как предполагало бы наличие разрыва в давлении в какой-то точке широтного круга, чего быть не может.

Зоны давления и ветра в верхней тропосфере и в стратосфере

Зональность в распределении давления и ветра яснее и проще не у земной поверхности, а в верхней тропосфере и в стратосфере.

Как нам уже известно, высокое давление здесь более или менее близко совпадает с высокой температурой, а низкое давление -- с низкой температурой. Поскольку температура в тропосфере в среднем падает от низких широт к высоким, то и меридиональный барический градиент направлен, начиная с высоты 4--5 км, также в общем из низких широт в высокие. В связи с этим, например, изобарическая поверхность 300 мб проходит зимою над экватором на высоте около 9700 м, над северным полюсом на высоте около 8400 м, а над южным полюсом даже на высоте около 8100 м. Летом эти разности. Меньше, но все-таки значительны.

Геострофический ветер при таком градиенте должен быть направлен с запада на восток. Так будет в обоих полушариях: в северном градиент будет направлен к северу, а ветер, отклоняясь от него на прямой угол вправо, -- с запада на восток; в южном полушарии градиент будет направлен к югу, а ветер, отклоняясь от него влево, -- опять-таки с запада на восток. Это относится не только к геострофическому ветру, но, с достаточной точностью, и к действительному ветру, поскольку он является квазигеострофическим.

Таким образом, в верхней тропосфере и в нижней стратосфере (рис. 88) мы имеем западный перенос воздуха вокруг полюса, где давление наиболее низкое -- своего рода планетарный циклонический вихрь над каждым из полушарий: против часовой стрелки над северным и по часовой стрелке над южным. Исключением являются самые низкие широты. Дело в том, что самое высокое давление в верхней тропосфере обнаруживается не над экватором. Субтропические зоны высокого давления (о них дальше) смещаются с высотой в направлении к экватору; однако их оси в верхней тропосфере все-таки располагаются в некотором расстоянии от экватора.

Отсюда следует, что в сравнительно узкой зоне вблизи экватора, расположенной главным образом в летнем полушарии, барический градиент в верхней тропосфере будет направлен к экватору. Это значит, что в верхней тропосфере и в нижней стратосфере здесь господствует восточный перенос.

Рис. 23 - Зональное распределение давления и переносов воздуха в верхней тропосфере и в нижней стратосфере (схема)

Справа -- направление барических градиентов вдоль меридиана в соответствующих зонах.

Западный перенос особенно силен в верхней части тропосферы, в широтах 30--35° в каждом полушарии. Скорость ветра на высотах около 12 км даже в многолетнем среднем достигает здесь более 35 м/сек. Это -- отражение на многолетней средней карте струйных течений, которые наблюдаются не только в указанных широтах, но обладают в них наибольшей повторяемостью. Можно сказать, что мы имеем здесь на многолетних картах субтропическое струйное течение.

В западном переносе наблюдаются огромные волны, длиною в несколько тысяч километров, наиболее хорошо различимые в верхней тропосфере и особенно на картах, осредненных за несколько суток. Вокруг Земного шара их укладывается в каждый момент 4--6. Воздух в этих длинных волнах получает, в дополнение к западному переносу, меридиональные составляющие скорости, направленные попеременно к высоким и низким широтам. Длинные волны перемещаются с запада на восток, но медленнее, чем сам западный перенос. Кроме того, на общий западный перенос налагаются в большом количестве циклоны и антициклоны. Они также перемещаются в направлении общего западного переноса.

Тема: Меридиональный межширотный обмен воздуха. Преобладающие направления ветра

Центры действия атмосферы и главные фронты.

Зональное распределение давления и ветра у земной поверхности и в нижней тропосфере

У земной поверхности и в нижней тропосфере зональное распределение давления и ветра сложнее, чем в вышележащих слоях. Сначала мы рассмотрим многолетние средние величины давления по широтным кругам. Приведем график многолетних средних величин давления для широтных кругов на уровне моря в январе и в июле.

Мы видим, что имеется зона с пониженным давлением по обе стороны экватора. В этой зоне в январе между 15° с. ш. и 25° ю. ш., а в июле между 35° с. ш. и 5° ю. ш. давление ниже 1013 мб (760 мм). При этом параллель с самым низким давлением. Приходится в январе на 5--10° ю. ш., а в июле -- на 15° с. ш. Это -- зона экваториальной депрессии, распространяющаяся больше на то полушарие, в котором в данном месяце лето. В направлении к высоким широтам от этой зоны давление в каждом полушарии растет, и максимальные значения давления мы находим в январе под 30--32° северной и южной широты, а в июле -- под 33--37° с. ш. и 26--30° ю. ш. Это -- две субтропические зоны, повышенного давления; от января к июлю они несколько смещаются к северу, а от июля к январю -- к югу.

От субтропиков к еще более высоким широтам давление падает, особенно сильно в южном полушарии. Под 75--65° с. ш. и под 60--65° ю. ш. наблюдается минимальное давление в двух субполярных зонах низкого давления, а еще дальше в направлении к полюсам давление снова растет.

В среднем годовом мы получаем следующее зональное распределение давления на уровне моря:

с. ш. 80° 60 30 10 0 10 30 60 80° ю. ш.

1014 1012 1019 1012 1010 1012 1018 989 991

NE SW NE ENE ESE SE NW SE

В нижней строке приведены преобладающие направления ветра у земной поверхности в зонах между указанными параллелями. Меридиональные составляющие из них не исключены.

Рис. 24 - Зональное распределение атмосферного давления в январе и в июле

Зональность в распределении давления на уровне моря (и в нижней тропосфере) сложнее, чем в распределении температуры. Температура у земной поверхности непрерывно падает от низких широт к высоким (если отвлечься от возмущений, вносимых распределением суши и моря). Давление же от экваториальной зоны сначала растет к субтропикам, затем падает к субполярным широтам и снова растет к полюсам.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 временами и в определенных районах налагаются на течения общей циркуляции.

На ежедневных синоптических картах погоды видно, как в каждый данный момент распределяются течения общей циркуляции над большими площадями Земли или над всем Земным шаром и как непрерывно меняется это распределение. Разнообразие проявлений общей циркуляции атмосферы в особенности 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.

В дальнейшем, говоря о самых общих свойствах атмосферной циркуляции, мы будем опираться именно на многолетние средние карты. Для ветра это будут карты либо преобладающих направлений, либо равнодействующих. Кроме того, как это следует из барического закона ветра, важную информацию об общей циркуляции атмосферы мы можем получить и из карт многолетнего среднего распределения давления.

Климатологические фронты. Воздух тропосферы всегда расчленяется на воздушные массы, разделенные фронтами. Многолетние средние положения главных фронтов в разные сезоны будем называть климатологическими фронтами. Их можно выявить на многолетних средних картах, подобно центрам действия атмосферы.

В действительности (а значит, на синоптических картах) положение и число фронтов могут резко отличаться от многолетнего среднего распределения. Фронты возникают, перемещаются и размываются в связи с циклонической деятельностью. Но сейчас следует рассмотреть среднее положение фронтов, важное для понимания распределения на Земле климатических условий.

В январе в северном полушарии на средней карте обнаруживаются две значительные ветви арктического фронта, или, иначе говоря, два арктических фронта: один -- на севере Атлантического океана и на севере Евразии, другой -- на севере Североамериканского материка и над архипелагом арктического сектора Америки. Возможно, что более спорадически существуют и другие арктические фронты. Области к северу от арктических фронтов заняты преимущественно арктическим воздухом. Однако в отдельных случаях арктические фронты могут занимать положение, далеко отклоняющееся от среднего. При возникновении на них циклонов и антициклонов они все время перемещаются и вместе с вторжениями арктического воздуха могут проникать далеко к югу.