Материал: 5721

80

Рис. 4.3. Среднесуточные значение фотосинтетически активной радиации (ФАР) (1) и температуры воздуха (2) по г.Хабаровску (Л.И. Сверлова, 1980).

4.2. Циркуляционные факторы климата

Атмосферная циркуляция – совокупность основных видов воздушных движений крупного масштаба в пределах нижней атмосферы, посредством которых осуществляется обмен больших масс воздуха в горизонтальном и вертикальном направлениях между экватором и полюсами. Важнейшими звеньями общей циркуляции атмосферы являются те, которые обусловлены разностью температуры между высокими и низкими широтами, между океанами и континентами (муссоны), перемещения циклонов и антициклонов, посредством которых осуществляется обмен воздуха между широтами.

81

Атмосферная циркуляция в тропосфере определяет погоду и формирование климата на планете. Начальной причиной всех атмосферных движений является неодинаковое нагревание различных частей земной поверхности и соответственных участков атмосферы, что приводит к неоднородности не только температуры, но и давления воздуха в горизонтальном направлении. Разность давлений в точках, расположенных на некоторой одной и той же уровненной поверхности (в частности, на уровне океана), и является непосредственной причиной возникновения воздушных течений. Но если бы на воздушные частицы действовала только сила, возникающая в результате разности давлений (сила барического градиента), то движение их совершалось бы в направлении падения давления подобно стоку воды с более высокого уровня на низкий. Однако этого не наблюдается, так как на движущийся воздух действуют и другие силы, к которым относится отклоняющая сила вращения Земли (кориолисовое ускорение), сила трения и при криволинейном движении центробежная сила.

Одной из простейших схем среди множества других предложенных для описания циркуляции, возникающей в этом случае на однородной поверхности Земли при учете отклоняющего действия вращения Земли, является схема(рис.4.4).

Рис. 4.4. Схема циркуляции для однородной земной поверхности (В.В. Шулейкин).

Из схемы следует, что в каждом полушарии существуют три кольца циркуляции. Первое из них – в тропиках с восходящим движением у экватора и нисходящим около параллели 30°. В нижней части этого кольца имеют место северо-восточные

82

пассатные ветры, а в верхней части – западные антипассатные ветры. Второе кольцо по этой схеме характеризуется нисходящим движением у полюса и восходящим у параллели 60°. У земной поверхности наблюдаются северо-восточные ветры, а в верхней части кольца – западные. Третье кольцо схемы – тропосферностратосферное – соединяет оба первых кольца в единую схему. В нижней его части имеют место западные ветры (W), а в верхней – восточные (Е).

Условия нагревания и охлаждения поверхности океанов и континентов различны и к тому же имеют сезонный характер. В холодное полугодие, особенно в средних и низких широтах, материки быстро и сильно охлаждаются и являются источниками холода, в то время как океаны, накапливая летом тепловую энергию, зимой охлаждаются значительно медленнее и меньше, а потому становятся источниками тепла.

В летнее полугодие наблюдается обратное соотношение. Материки, нагреваясь быстрее, служат источниками тепла, а океаны – холода. Вследствие этого имеет место сезонная смена разности температур между сушей и океаном, что приводит к возникновению вторичной сезонной циркуляции между ними.

Вторичная циркуляция проявляется в сезонной смене воздушных течений у поверхности Земли между океанами и континентами, известных под названием муссонов. Циркуляция атмосферы усложняется развитием многочисленных перемещающихся циклонов и антициклонов. В один и тот же момент времени вдоль различных меридианов условия циркуляции могут быть различными и сильно изменчивыми во времени. Действительный характер циркуляции в каждом районе необходимо изучать на основе, выявления из повседневного опыта типичных форм циркуляции, её интенсивности и смены в сезонном разрезе.

Циркуляция воздушных масс в тропосфере Земли

Поля давления и ветра в тропосфере

Скорость и направление ветра в тропосфере изменяется в зависимости от горизонтального градиента температуры, причем термический ветер направлен по изотермам слоя. В случае

83

совпадения изотерм и изобар, т.е. при отсутствии адвекции, ветер с высотой, не меняя направления, усиливается. При адвекции тепла с высотой происходит поворот ветра вправо, а адвекции холода – влево. Если градиент температуры направлен из низких широт к высоким, то основным переносом в атмосфере является западный; если же градиент температуры направлен из высоких широт к низким, то основным переносом является восточный.

В системе барических образований ветер различен в тыловой и передней частях. В тылу циклона, где характерна адвекция холода, ветер – с высотой поворачивает влево, а в передней его части, в области адвекции тепла–вправо. В антициклоне картина обратная: в передней части адвекция холода

илевый поворот ветра, а в тылу – адвекция тепла и правый поворот ветра. При определенных условиях, например в верхней части движущегося циклона, скорости ветра с высотой ослабевают до нуля, а затем усиливаются. В теплом секторе циклона, наоборот, ветер с высотой только возрастает. Это определяется соотношением между направлением геострофического ветра в нижнем слое и градиентом температуры на высотах.

Основным видом циркуляции воздуха на вращающейся Земле является зональный перенос, обусловленный разностью температур между низкими и высокими широтами. В тропосфере

инижней стратосфере во все сезоны года преобладает западная циркуляция, так как температура и давление воздуха на высотах выше в экваториальной зоне–тропиках и ниже в полярных областях. По той же причине западная циркуляция преобладает в холодное полугодие и в стратосфере – нижней мезосфере.

Летом западный перенос воздуха ограничен высотами 16-20 км, а выше устанавливается восточный перенос, вызванный более значительным прогреванием воздуха в полярной стратосфере.

Структура средних полей давления и ветра с высотой становится сравнительно проще. На высотах меньше отражаются мелкие особенности поля давления, обусловленные орографией и рельефом поверхности земли. Уже на уровнях 3-5 км и выше среднее поле давления в обоих полушариях отражает основную систему атмосферной циркуляции–западный перенос.

84

В тропосфере, где воздушные течения изучены наиболее подробно, они имеют в средних широтах западное направление, причем их скорость увеличивается с высотой, достигая максимальных значений у тропопаузы (9-12 км).

Выше тропопаузы скорость ветра в среднем убывает с высотой. В летнее время на высотах 22-25 км скорости становятся наименьшими и направление ветра изменяется, переходя постепенно на обратное, т.е. на восточное. В зимнее время на всех широтах, кроме экватора, ветер продолжает сохранять западное направление до значительных высот. Указанное уменьшение скорости ветра с высотой выше тропопаузы объясняется тем, что на этих высотах изменяется направление горизонтального градиента температуры.

Циркуляция воздушных масс в стратосфере Земли

Гидродинамические исследования атмосферной циркуляции

встратосфере северного и южного полушарий позволяют выявить общую картину сезонной изменчивости циркуляционных процессов в атмосфере полярных широт и внести существенный вклад в решение проблемы сезонного прогноза погоды и урожайности сельскохозяйственных культур. Характер погоды в тот или иной сезон года определяется особенностями атмосферной циркуляции в тропосфере и нижней стратосфере в течение предшествующего сезона.

Под атмосферной циркуляцией стратосферы понимается совокупность основных видов движений воздушных масс, благодаря которым осуществляется обмен между слоями воздуха

вгоризонтальном (от низких широт к более высоким) и вертикальном (от приземных слоев воздуха в тропосфере к более высоким слоям стратосферы) положениях. Стратосфера простирается от высот 8-17 км до 55 км.

По физическим свойствам стратосфера резко отличается от тропосферы уже тем, что температура воздуха здесь, как правило, повышается с высотой в среднем на 1-2° на 1 км и на верхней границе (на высоте 50-55 км) становится равной 0°С и даже выше. Здесь, как и в тропосфере, воздух испытывает значительные