ЛЕКЦИЯ 14 Ветер

 

Скорость ветра выражается в м\сек, в км/час (транспорт), в узлах (морские мили в час), существует и оценка скорости ветра в баллах по так называемой шкале Бофорта:

0 – скорость ветра соответствует штилю (полное спокойствие);

4 – умеренный ветер (5-7 м/сек);

9 – шторм;

12 – ураган.

У земной поверхности скорость ветра как правило равна 4-7 м/сек. В урагане – 30 м/сек. Однако порывы ветра в тропических ураганах достигают и 100 м/сек.

 

Направление ветра – говоря о направлении ветра имеют в виду направление, откуда он дует. Указать данное направление можно либо назвав точку горизонта, откуда дует ветер (при наблюдениях за ветром вблизи поверхности), либо угол, образуемый направлением ветра с меридианом места, то есть его азимут (при наблюдениях в высоких слоях атмосферы).

В первом случае различают восемь основных румбов горизонта: С, В, З, Ю, СВ, ЮВ, ЮЗ, СЗ и восемь промежуточных румбов между ними: ССВ, ВСВ, ВЮВ, ЮЮВ, ЮЮЗ, ЗЮЗ, ЗСЗ, ССЗ. Если направление ветра характеризуется углом с меридианом, то отсчет румбов ведется от Севера по часовой стрелке. При климатологической обработке наблюдений над ветром для каждого пункта строят диаграмму, представляющую собой распределение повторяемости направлений ветра по основным румбам, то есть так называемую “розу ветров”.

 

Ветер быстро и постоянно меняет свою скорость и направление, колеблясь около средних величин. Причиной колебаний скорости и направления ветра является турбулентность. Ветер, обладающий резко выраженными колебаниями скорости и направления, называется порывистым.

При особо сильной порывистости ветер называется шквальным.

При обычных стационарных наблюдениях над ветром определяют среднее направление и среднюю скорость за определенный промежуток времени, как правило, за 2 мин.

Порывистость ветра тем больше, чем больше турбулентность, следовательно, она сильнее выражена над сушей, чем над морем. Особенно велика порывистость ветра в районах со сложным рельефом. Летом она бывает больше, чем зимой, и имеет послеполуденный максимум.

Всякое препятствие, стоящее на пути ветра, возмущает поле ветра (горные хребты, здания, деревья и т.д.). Прежде всего препятствия отклоняют воздушные течения: они должны либо обтекать препятствие с боков (в большей степени), либо перетекать через него сверху. Перетекание воздуха через препятствие приводит к увеличению облаков и осадков на наветренном склоне горы при восходящем движении воздуха и к рассеиванию облачности на подветренном склоне при нисходящем движении ветра. Обтекая препятствие, ветер перед ним ослабевает, а с боковых сторон усиливается. За препятствием скорость ветра уменьшается – там возникает ветровая тень.

Ветер сильно усиливается, попадая в суживающееся орографическое ложе, например, между двумя хребтами. При продвижении воздушного потока его поперечное сечение уменьшается, а так как сквозь уменьшенное сечение должно пройти столько же воздуха, его скорость возрастает.

Геострофический ветер – простейший вид движения воздуха, который можно представить теоретически – прямолинейное равномерное движение без трения. При геострофическом ветре кроме движущей силы градиента давления на воздух действует еще отклоняющая сила вращения Земли. Поскольку движение предполагается равномерное, обе силы уравновешиваются, то есть равны по величине и направлены взаимно противоположно. Отсюда следует, что в северном полушарии геострофический ветер дует вдоль изобар, оставляя низкое давление слева.

Ветер у земной поверхности всегда больше или меньше отличается от геострофического по скорости и направлению. У земной поверхности достаточно велика сила трения, которая для геострофического ветра предполагается равной нулю.

 

Пассаты – это устойчивые преимущественно восточные ветры умеренной скорости (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.

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 и составляющая, направленная к экватору, 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 стороне субтропического антициклона в южном полушарии у земной поверхности дуют преимущественно юго-восточные ветры. Иначе говоря, вследствие трения пассаты получают дополнительные составляющие, направленные к экватору. Пассаты северного полушария часто называют поэтому северо-восточными, а южного – 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 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 и исчезают. Но при этом антициклоны в субтропиках абсолютно преобладают над циклонами. Поэтому на многолетних картах и создаются субтропические центры действия с высоким давлением. Характерно, что на климатологических картах над каждым океаном в каждом полушарии расположено по одному антициклону. На ежедневных же картах их больше – часто два, иногда три над каждым океаном; над Тихим океаном – до четырех.

Распределение давления меняется в тропиках день ото дня мало. Поэтому пассаты обладают большой устойчивостью направления. Но все же, поскольку субтропические антициклоны день ото дня перемещаются, направления пассатных ветров также в общем подвержены некоторым изменениям. Кроме того, внутри пассатов возникают атмосферные волны, которые также влияют на направление самих пассатов.

 

Внутритропическая зона конвергенции

Пассаты обоих полушарий разделены переходной зоной с неравномерными, часто слабыми, но иногда 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, что не совсем верно отражало ее характер.

Вследствие сходимости ветра конвекция в этой зоне резко усиливается 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 линевого 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.

При хорошо выраженной сходимости ветра тропические фронты мало выражены в поле температуры, которая в обоих пассатах близка. Больше могут быть различия по влажности.

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 отграниченные от обоих пассатов двумя параллельными тропическими фронтами. Эти экваториальные западные ветры захватывают слои атмосферы от земной поверхности до высоты в несколько километров.

В переходные сезоны эта экваториальная зона западных ветров над Индийским океаном имеет в ширину всего несколько градусов широты и располагается симметрично экватору. Западные направления этих ветров 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.

Летом экваториальная зона западных ветров этого полушария расширяется, захватывая более высокие широты и создавая там летний муссон, уже квазигеострофический. При этом один из двух тропических фронтов, ограничивающих зону западных ветров, остается вблизи экватора, а другой смещается к северу или к югу вместе с продвигающимся муссоном.

Тропические муссоны особенно резко выражены и устойчивы в тропических широтах. В Тихом и Атлантическом океанах эти ветры 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, 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 над указанными областями связано со своеобразием здешних географических условий, именно с наличием к северу от Индийского океана огромного азиатского материка, а также с распространением Африки на оба полушария.

Непосредственным условием режима тропических муссонов является сезонное изменение положения субтропических антициклонов и экваториальной депрессии. Дело в том, что экваториальная депрессия в июле смещается в более высокие широты северного полушария, особенно на материках, а в январе отодвигается в южное полушарие. Субтропические антициклоны вместе с этим смещаются к северу в июле и к югу в январе. Вследствие такого сезонного перемещения в некоторых областях по обе стороны от экватора происходит резкое сезонное изменение преобладающих барических градиентов и, следовательно, преобладающих ветров.

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-то 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.

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 африканским материком распределение давления меняется от января к июлю сильно. Над Сахарой летом господствует пониженное давление, а зимой – отрог азовского 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 азиатским материком 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 Индийского океана муссоны распространяются меньше, наиболее – в районе северной Австралии, где сезонные изменения температуры материка также сильно влияют на распределение давления, и на запад 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.

Эти направления в основном связаны с отклонением ветра в нижних слоях атмосферы от зонального направления изобар, вследствие трения. На востоке Китая изобары ближе к меридиональному, чем к зональному направлению и зимой, и летом. Поэтому здесь зимний муссон – северный или северо-западный, а летний – южный или юго-восточный в соответствии с барическим полем в этом районе.

Преобладание переноса воздуха зимой с материка на океан, а летом с океана на материк приводит к важным особенностям погоды и климата тропических муссонов. Здесь резко выраженный сухой сезон приходится на период зимнего муссона. Летние муссонные осадки связаны отчасти с фронтами, возникающими между различными ветвями муссонного течения, отчасти – с подъемом воздуха по орографическим препятствиям, отчасти – с конвекцией. В Индии и Китае под словом муссон часто подразумевается только летний муссон.

Долгое время считалось бесспорным, что летний муссон есть пассат другого полушария, пересекающий экватор и изменивший направление под влиянием изменившегося барического поля и изменившегося направления отклоняющей силы. Но это, возможно, правильно лишь для средней части сезона.

 

Тропические циклоны – последствия атмосферных возмущений внутри тропиков. По большей части это слабые тропические депрессии, часто даже без замкнутых изобар, возникающие как волновые возмущения на внутритропической зоне конвергенции (на тропическом фронте), а также на пассатных фронтах. Слабые волновые возмущения возникают и независимо от фронтов, внутри пассатного течения. Перемещаются эти тропические депрессии медленно, преимущественно с востока на запад, в общем по направлению переноса воздуха внутри тропиков.

В некоторых редких случаях тропические возмущения усиливаются настолько, что сила ветра в них достигает 20 м/сек и более. Диаметр главного возмущения - - порядка нескольких сотен километров. Эти-то жестокие возмущения со штормовыми и даже ураганными ветрами и носят название тропических циклонов, в зависимости от силы ветра их называют тропическими штормами (18-33 м/сек) или тропическими ураганами (более 33 м/сек). Ближе 5 градусов широты к экватору тропические циклоны наблюдаются редко, так как отклоняющая сила вращения Земли здесь слишком мала, чтобы развить сильную циклоническую циркуляцию; возникающие здесь разности давления должны быстро заполняться. В указанных зонах тропические циклоны развиваются только над морем; над сушей они не образуются, и если циклон попадает на сушу, то быстро затухает в связи с увеличением трения и притока воздуха внутрь циклона в нижних слоях.

По новейшим данным, полученным с помощью спутников, тропические циклоны Северной Атлантики могут возникать над Африкой, но ветер в них усиливается до шторма или урагана уже над океаном.

Максимум повторяемости тропических циклонов приходится на лето и осень данного полушария, когда зона конвергенции не слишком близка к экватору, а поверхность океана особенно нагрета – не менее, чем до +27° С.

Условие удаленности от экрана зон конвергенции отсутствует в южном Атлантическом океане и на востоке Тихого океана: тропические циклоны здесь не возникают.

Для развития циклона из слабой депрессии нужна большая энергия неустойчивости воздушных масс. Именно неустойчивость стратификации и связанный с нею подъем воздуха, особенно насыщенного, с выделением огромного количества тепла конденсации, определяют кинетическую энергию циклона. Мощный подъем нагретого и влажного воздуха над большой площадью океана в возникшем возмущении является главной причиной развития сильного тропического циклона. Для такого подъема воздуха необходимо еще, чтобы в верхней тропосфере на развивающемся циклоне существовала хорошо выраженная расходимость линий тока. Воздух в циклоне поднимается вверх, в высоких слоях вытекает из циклона, что поддерживает в нем длительный дефицит давления.

Тропический циклон сначала перемещается с востока на запад, то есть в направлении общего переноса воздуха в тропической зоне. При этом он отклоняется к высоким широтам, например, в северном полушарии движется к северо-западу. Если он попадает на материк, оставаясь в тропиках, то быстро затухает над сушей. Но если циклон достигает широт, близких к тропику, оставаясь над океаном, то огибает с запада субтропический антициклон и выходит из тропиков, меняя направление с северо-западного на северо-восточное.

Типичная траектория тропического циклона, перемещающегося сначала внутри тропиков, а затем выходящего во внетропические широты, будет, таким образом, напоминать параболу с вершиной, обращенной к Западу. Но в отдельных случаях пути тропических циклонов бывают очень разнообразными.

Скорость перемещения тропических циклонов внутри тропиков мала: всего 10-20 км/час (это не скорость ветра в самом циклоне!). При выходе циклона во внетропические широты скорость возрастает до обычных пассатных внетропических циклонов.

 

Погода в тропическом циклоне. 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, как и в глубоких циклонах внетропических широт, до 960-970 мб. В отдельных случаях наблюдались рекордные падения до 885 мб., каких во внетропических циклонах не бывает. Вследствие малой площади и большой глубины циклона барические градиенты и скорости ветра в нем очень велики: максимальные градиенты доходят 15 мб. на градус, в отдельных случаях больше. Скорость ветра достигает 30-50 м/сек (рекорд – 65 м/сек, порывы – до 100 м/сек).

Циклоническая циркуляция захватывает нижнюю половину тропосферы, часто простираясь и вверх. В тайфуне «Сари» в марте 1956 года циклоническая циркуляция наблюдалась до 12 км.

Облачность в тропическом циклоне представляет собой сплошное гигантское грозовое облако, выпадают сильные ливневые осадки, грозовые явления достигают большой интенсивности. В самом центре циклона обычно находится небольшая зона (десятки км в диаметре), свободная от мощных облаков 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. В последующем развитии эта асимметрия выравнивается штормовыми ветрами циклона.

При своем продвижении тропический циклон вызывает сильнейшие волнения в море, угрожающие катастрофой мелким судам. Плоские берега, вблизи которых циклон проходит, иногда затапливаются гигантскими волнами, до 10-15 м высотой. В Индии это приводило к огромным разрушениями и человеческим жертвам (1 января 1876 г. погибло 250 тыс. человек).

Задевая сушу, тропический циклон может привести к опустошению, как это было, например, в Майами, во Флориде, в 1923 г. И часто случается в Южной Японии. Тайфун «Вера» в 1959 г. со скоростью ветра до 90 м/сек оставил без крова более полутора миллионов японцев. Только один тропический циклон средней силы «Одри», захватив прибрежную зону Техаса и Луизианы 27 ноября 1957 г., причинил убытки в 150-200 млн. долларов, унеся около 400 человеческих жизней. Но иногда (раз в 10 лет) ущерб от одного тропического циклона в США достигает 1 млрд. долларов; в одном случае ущерб достиг даже 2 млрд. долларов.

В начале октября 1963 г. ураган «Флорида!» менял свое направление как раз над Кубой и задержался над островом на несколько суток. Восточные провинции Кубы были опустошены, свыше 3 тыс. человек погибли, главным образом в результате наводнения.

Перейдя в умеренные широты и изменив направление, тропический циклон расширяется по площади, градиенты в нем приводят к появлению в нем температурного контраста между тропическим воздухом и полярным. Циклон более или менее принимает характер внетропического и в таком виде может проникнуть иногда в довольно высокие широты (вплоть до Исландии и Камчатки).

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 этому атмосферному возмущению. Для прослеживания за этими циклонами в последнее время стали применять радиолокацию, регулярное самолетное прослеживание, метеорологические спутники.

Контрольные вопросы к разделу о ветре:

1. Что такое ветер?

2.Как направлен ветер в циклоне и антициклоне? А давление?

3.Где может наблюдаться стоковый ветер?

4.Как возникают горно-долинные ветры?

5.Ветры общей циркуляции атмосферы.

6.Тропические циклоны и антициклоны.

7.Погода в тропических циклонах и антициклонах.

8.Что такое градиентная сила?

9.Какой ветер называется геострофическим?

10.Как действует на ветер вращение Земли?

11.Как действует на ветер трение? Препятствия?

12.Что такое пассаты?

13.Что такое «роза ветров»?

14.Как изменяется ветер вблизи земной поверхности в течение суток?