Тропопауза. Роль тропопаузы в погодных процессах на больших высотах.

Тропопауза - переходный слой между верхней тропосферой и нижней стратосферой. Она имеет сложное строение, структура и распределение в ее слое температуры, влажности и других метеовеличин определяется рядом факторов. Среди них наибольшую роль играют широта места, сезон года, характер атмосферной циркуляции.

За нижнюю границу тропопаузы обычно принимается уровень на котором вертикальных градиент температуры убывает до 0,2 град/100м или ниже (и остается таким же в вышележащем слое 2 км). Высота тропопаузы в высоких широтах составляет 8-10 км, в умеренных 10-12 км, в экваториальных до 16-18 км. Зимой она ниже, чем летом, Над циклонами тропопауза опускается, над антициклонами поднимается. Средняя разность высот над Европой около 2 км, а в некоторых случаях значительно больше.

Средняя температура на уровне тропопаузы в районе полюса зимой около мин 65°С, летом мин 45°С, над экватором в течение года мин 60°С и ниже. При значительных колебаниях высоты тропопаузы, температура на ее уровне существенно изменяется.

Поле высоты тропопаузы формируется под воздействием среднего поля температуры тропосферы. Распределение высоты зависит от следующих факторов:

1. Радиационного баланса, который определяется высотой Солнца над горизонтом (широтой места);

2. Циркуляционными процессами;

3. Характером подстилающей поверхности и рельефа.

В тропосфере при определенных циркуляционных процессах на тропопаузе могут возникать разрывы. Это обусловлено сближением холодного воздуха умеренных широт и теплого воздуха тропической зоны, имеющих разную высоту тропопаузы (30 – 40° с. и ю.ш.). Расположенную ниже с более высокой температурой тропопаузу называют полярной, а более высокую и холодную -тропической.

Тропопауза является задерживающим слоем, это обусловлено характером распределения температуры с высотой в ее слое. Как задерживающий слой тропопауза препятствует переносу аэрозолей и водяного пара. Под тропопаузой скапливаются атмосферные примеси. В результате радиационного охлаждения примесей под тропопаузой, температура понижается, водяной пар становится насыщенным и начинается образование облаков (верхнего яруса). Поэтому видимость под тропопаузой ухудшается, небо приобретает белесоватый вид.

Слой тропосферы, непосредственно прилегающий к нижней границе тропопаузы, характерен наличием турбулентности. Этому способствуют значительные вертикальные градиенты температуры, вызывающие возникновение вертикальных движений воздуха. Существенное значение в образовании зон болтанки имеет крутизна тропопаузы на том или ином ее участке. Болтанка будет более интенсивной на тех участках, где тропопауза имеет крутой наклон или претерпевает разрыв. Угол наклона тропопаузы вычисляется путем деления разности между высотами тропопаузы в двух соседних точках на расстояние между ними (при вычислении единицы измерения должны быть приведены в километры). При крутизне тропопаузы 1/300 и наличии сильных ветров может возникнуть зона значительной болтанки. Большой наклон тропопаузы часто связан с прохождением резко выраженного холодного фронта.

Тропопауза препятствует развитию кучево-дождевых облаков. Их вершины в верхней тропосфере приобретают форму наковальни, веерообразно расширяющейся кверху. Одной из причин этой формы является растекание облака под задерживающим слоем атмосферы, поднимающегося из нижних слоев воздуха. В наковальне, обрамляющей кучево-дождевое облако, в центральной части имеется купол, состоящий из смеси ледяных кристаллов и водяных капель, купол – это следствие подъема теплого воздуха интенсивными восходящими потоками. Тропопауза над куполом приподнимается, вершина облака может проникнуть в слой тропопаузы и нижней стратосферы. Это является одним из важных механизмов переноса водяного пара из тропосферы в стратосферу.

Таким образом, в области тропопаузы и над ней возможно встреча с кучево-дождевыми облаками, особенно в теплое время года в зонах холодных фронтов, в том числе с вершинами наиболее развитых облаков выше тропопаузы. Обычно под тропопаузой или вблизи нее при наличии СТ, располагается ось этого течения. В зависимости от положения оси создаются различные условия для турбулентности. Более сильная турбулентность, а, следовательно, и более вероятная болтанка наблюдается там, где наиболее значительные вертикальные градиенты скорости ветра.

 

4.10 Струйные течения. Турбулентность в зоне струйных течений. Рекомендации по безопасности полётов в струйных течениях.

Струйные течения – это сравнительно узкие зоны сильных ветров в верхней тропосфере и нижней стратосфере. Границей СТ обычно считается скорость ветра равная 30 м/с (100 км/час), вертикальный сдвиг скорости ветра от 5 до 10 м/с и более на 1 км высоты, горизонтальный сдвиг скорости ветра 10 м/с и более на 100 км. Струйное течение напоминает сильно сплюснутую трубу, высота которой 1-5 км, ширина 500-1000 км и длина – тысячи километров. Иногда СТ огибает весь земной шар.

Струйные течения образуются в зонах сближения теплых и холодных воздушных масс, гда создаются значительные градиенты давления и температуры, расположенных между высотными циклонами и антициклонами.

Максимальные скорости достигают 350км/час, над Японией до 700км/час. Интенсивность СТ имеет ярко выраженный характер. В холодное время струйные течения усиливаются, в летнее – ослабевают.

В зависимости от высоты расположения различают тропосферные и стратосферные струйные течения. Тропосферные СТ возникают когда поверхность главного атмосферного фронта простирается до тропопаузы, а разность температур воздушных масс, лежащих по обеим сторонам фронта, составляет 8-10° и более.

Тропосферные СТ по географическому признаку подразделяются на внетропические, субтропические и экваториальные.

Внетропическими являются струйные течения умеренных широт, связанные с полярным фронтом, а арктическое СТ связанное с арктическим фронтом. Их преобладающим направлением является западное, а интенсивность подвергается непрерывным изменениям. Ось внетропического СТ располагается в тёплом воздухе, обычно на 1-2км ниже тропопаузы. Она лежит впереди приземной линии тёплого фронта на расстоянии 400-500км и позади линии холодного фронта на расстоянии 100-300км. Перемещается СТ с атмосферным фронтом.

Левая сторона СТ (по направлению потока) более холодная, располагается вдоль высотной области пониженного давления и называется циклонической или холодной. Правая сторона относительно теплее левой, располагается вдоль высотной области повышенного давления и называется антициклонической или тёплой. На внешних границах СТ в связи с торможением воздушного потока более спокойным воздухом наблюдаются большие градиенты (перепады) скорости ветра. Резкие его изменения вызывает образование турбулентных зон. Такие зоны более опасны и интенсивны на левой циклонической стороне СТ (под действием двух задерживающих слоев – тропопаузы и фронтальной поверхности) На правой, антициклональной стороне, турбулентные зоны встречаются реже, здесь турбулентность бывает слабой или умеренной.

По отношению к атмосферным фронтам ось струйного течения не остаётся постоянной. В стадии волны ось СТ почти не искривлена и располагается левее линии фронта, в стадии молодого циклона на оси СТ отмечается изгиб, при этом ось СТ находится слева приземного центра циклона. В процессе окклюдирования циклона ось СТ испытывает ещё больший изгиб, при этом ось СТ пересекает фронты значительно правее приземного фронта.

Субтропическое СТ образуется на северной периферии субтропических антициклонов зимой между 25 и 35°с.ш., а летом между 35 и 45° с.ш. На участках большой протяженности (тысячи км) она имеет устойчивое западное направление. Зачастую в холодную половину года субтропическое СТ опоясывает весь земной шар. Ось СТ располагается над тропопаузой на высоте 12км. Тропопауза в зоне субтропического СТ претерпевает разрыв. На сравнительно небольшом расстоянии разница в её высоте при переходе их холодного в тёплый воздух может достигать 4-5км. Ширина субтропического СТ около 1500км, вертикальная протяженность 8-12км, по сравнению с внетропическим СТ является более устойчивым и интенсивным.

Экваториальные СТ образуются в экваториальных районах на южной периферии высоких субтропических антициклонов и имеют восточное направление.

Стратосферные СТ – оно образуется зимой на широте Полярного круга и имеют западное направление, ось находится на высоте около 50км, а нижняя часть охватывает всю среднюю и верхнюю атмосферу. Средняя скорость в этом СТ на высотах 20-25км составляет около 200км/час. Возникновение этого СТ объясняется наличием больших контрастов температуры в стратосфере на границе смены дня и ночи. В период полярной ночи (в январе высота ночи над Северным полюсом достигает 440км) Стратосферный воздух в Арктике выхолаживается и оказывается значительно холоднее стратосферного воздуха южнее Полярного круга. В связи с этим возникают большие горизонтальные градиенты температуры между умеренным и арктическим воздухом.