Циркуляция воздушных масс во внетропических широтах

Основную площадь внетропических широт занимают умеренные пояса. Именно в них про­текают атмосферные процессы, играющие ведущую роль в циркуляции атмосферы, фор­мировании погоды и климата этих и сопре­дельных широт. Умеренные широты характе­ризуются западным переносом воздуха во всей толще атмосферы, обусловленным термиче­скими и динамическими причинами. Исключе­ние составляют восточные окраины матери­ков, где развит муссонный перенос воздушных масс.

В нижней тропосфере основу западного пе­реноса составляют западные ветры внешних полярных периферий субтропических океани­ческих барических максимумов. Последние яв­ляются как бы «ветроразделами» Земли, от которых ветры оттекают и к экватору (пасса­ты), и к умеренным широтам. Западные вет­ры лучше выражены и наиболее устойчивы в южном полушарии. Там, южнее субтропичес­кого пояса высокого давления, ярко выражен­ного зимой, но сохраняющегося в виде почти непрерывной полосы даже летом, находится постоянный пояс пониженного давления во­круг Антарктиды. В северном полушарии су­щественная неоднородность подстилающей по­верхности (материки и океаны), значительные сезонные контрасты всех метеорологических характеристик и быстрая их изменчивость в меридиональном направлении приводят к боль­шой неустойчивости атмосферных процессов. Поэтому западные ветры здесь в чистом виде присущи океанам и западным половинам ма­териков и выявляются лишь из статистичес­кого анализа многолетних данных.

Циклоны и антициклоны. Характерной особенностью умеренных широт является раз­нообразие воздушных масс: арктических (ан­тарктических), полярных (они господствую­щие), тропических, как морских, так и конти­нентальных, смещающихся с запада на восток и трансформирующихся при этом. Между различными воздушными массами постоянно возникают и также меняют свое положение атмосферные фронты, на которых образуются неустойчивые волны, дающие начало цикло­нам и антициклонам умеренных широт — крупномасштабным атмосферным вихрям с разными системами ветров, осложняющими за­падный перенос воздуха. Их постоянное воз­никновение, развитие, перемещение в восточ­ном направлении и разрушение — основная особенность атмосферной циркуляции умерен­ных и сопредельных широт, которую называ­ют циклонической деятельностью.

Циклоны умеренных широт — огромные плоские восходящие воздушные вихри с сис­темой ветров, дующих в северном полушарии против часовой стрелки, а в южном — по часовой стрелке и сходящихся к их центру. У земной поверхности они характеризуются пониженным давлением.

Циклоны — плоские вихри: их горизон­тальные размеры достигают 1000 — 3000 км (в диаметре), тогда как вертикальные — от 2 до 10 км. Давление в циклонах колеблется от 1000 до 950 мб, ветры могут достигать ско­рости 25 м/с и более.

 

Рис. 65. Схема развития фронтального циклона (по С. П. Хромову)

 

В своем развитии циклоны проходят не­сколько стадий — от зарождения до заполне­ния. Своим образованием циклоны обязаны волновым возмущениям атмосферы на фрон­тах в условиях вращающейся Земли, вследст­вие чего заметную роль в этом процессе иг­рает сила Кориолиса. На поверхности разде­ла разных по температуре воздушных масс теплый воздух начинает внедряться в область холодного воздуха и отклоняться от субширот­ного направления в высокие широты. Нару­шение равновесия вынуждает холодных воздух в тыловой части волны внедряться в низкие широты. Развивается циклоническое движение воздуха, и возникает циклонический изгиб фронта — огромная волна, которая начинает двигаться с запада на восток (рис. 65).

Различные значения барической ступени в холодном и теплом воздухе обусловливают уже на начальной стадии развития циклона низкое давление в его теплой части, из-за чего теп­лый воздух начинает подниматься и скользить по фронтальной поверхности в передней час­ти волны. Такова первая стадия развития цик­лона — стадия волны.

Если длина вновь возникшей волны 1000 км и больше, то она оказывается неус­тойчивой в пространстве и продолжает свое развитие; при этом циклон смещается на вос­ток со скоростью до 100 км в сутки. Давле­ние продолжает понижаться, ветры — усили­ваться, а амплитуда волны — увеличиваться, причем понижение давления распространяет­ся вверх до высоты 5 — 6 км. Наступает вто­рая стадия — молодого циклона, при ко­торой он обычно оконтуривается на призем­ных картах давления несколькими изобарами.

При продвижении теплого воздуха в высо­кие широты формируется теплый фронт, при перемещении холодного воздуха в сторону тро­пиков — холодный фронт. Оба эти фронта сопрягаются в центре циклона и являются ча­стями единого целого, подчеркивая волновое возмущение атмосферы. На космических сним­ках фронты в циклонах выражены в виде сплошной широкой полосы облачности в зоне теплого фронта в передней части циклона и в центре и более узкой полосы в зоне холодно­го фронта в тыловой части циклона.

В молодом циклоне выделяются различные части: передний край перед теплым фронтом, теплый сектор между двумя фронтами, тыловая часть — за холодным фронтом (рис. 66). На главных полярных фронтах теп­лый сектор образуется из тропического воз­духа, а остальная часть циклона — из поляр­ного воздуха. На арктическом (антарктичес­ком) фронте теплый сектор циклона образуется из полярного воздуха, а остальная часть цик­лона — из арктического (антарктического) воздуха.

Холодный фронт всегда движется быстрее теплого, поэтому теплый сектор циклона по­степенно сокращается. Когда холодный фронт догоняет теплый и смыкается с ним, образу­ется фронт окклюзии. При этом теплый воз­дух вытесняется вверх и закручивается в виде спирали против часовой стрелки в се­верном полушарии и по часовой — в южном. Циклон достигает третьей стадии своего раз­вития — окклюдирования. При этом давле­ние в циклоне падает до 980 — 960 гПа, замкнутая циркуляция распространяется до высот более 5 км, диаметр достигает 1,5— 2 тыс. км.

Затем наступает четвертая (заключитель­ная) стадия развития циклона — его запол­нение. Фронт окклюзии постепенно размыва­ется, теплый воздух окончательно оттесня­ется вверх и при этом адиабатически охлаж­дается. Облачные системы заполняющихся циклонов приобретают вид закрученных спи­ралей. Температурные контрасты в циклоне исчезают, он становится холодным по всей сво­ей площади и объему, замедляет движение и окончательно заполняется. Вся жизнь циклона от зарождения до заполнения длится 5—7 дней.

С циклонами связаны пасмурная погода, прохладная летом и теплая зимой, и осадки.

С развитием циклонической деятельности связано также возникновение и развитие фрон­тальных антициклонов. Антициклоны — это нисходящие атмосферные вихри, соизмеримые по размерам с циклонами, с приземной обла­стью высокого давления, с антициклонической системой ветров от центра к периферии по ча­совой стрелке в северном полушарии и про­тив часовой — в южном. Возникновение и раз­витие антициклонов тесно связано с развити­ем циклонов — это единый процесс эволюции фронтальной зоны. Иными словами, циклоны и антициклоны — парагенетические (т. е. тес­но связанные между собой) образования.

Антициклоны образуются в тылу холодно­го фронта молодого циклона в холодном воз­духе и тоже проходят ряд стадий. Сначала воз­никает молодой низкий холодный антицик­лон, очень подвижный, смещающийся вслед за циклоном. Потом наступает стадия макси­мального развития: при этом антициклон ста­новится высоким и малоподвижным. В нем образуется слой инверсии, выше которого воз­дух довольно теплый за счет адиабатического нагревания при опускании, а внизу холоднее из-за эффективного излучения, особенно зи­мой над сушей. В этой стадии антициклон на­зывают блокирующим, поскольку он препят­ствует западному переносу воздушных масс вплоть до больших высот. Наконец, наступа­ет заключительная стадия разрушения, когда опускание воздуха прекращается. Хотя антициклоны образуются во фронтальных зо­нах, фронт через них не проходит, а окайм­ляет их с трех сторон. С антициклонами свя­заны безоблачная сухая погода, жаркая летом, морозная зимой.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 66. Циклон умеренных широт в плане и его профи­ли. Названия облаков указаны в таблице 2

Циклоны и антициклоны возникают над зо­нами контрастов температур и давлений. Поэтому на земном шаре внетропическая цикло­ническая деятельность осуществляется пре­имущественно на главных арктическом (ан­тарктическом) и полярных фронтах, а наи­более активными местами циклогенеза явля­ются зоны встреч воздуха над холодными и теплыми океаническими течениями. В север­ном полушарии это зоны конвергенции тече­ний Лабрадорского и Гольфстрима, Курильско­го и Куросио. В южном полушарии основным местом циклогенеза являются «ревущие» (40—50°) широты, где встречаются теплые и холодные воздушные массы, особенно там, где в течение Западных ветров вливаются теплые течения вдоль западных окраин океа­нов.

Вместе с тем зимой, когда контрасты тем­ператур и других свойств различных воздуш­ных масс максимальны, циклоническая дея­тельность проявляется и в других местах. В частности, активный циклогенез происходит в это время над Северным, Средиземным и Черным морями, на внутримассовом полярном фронте между теплым морским и холодным континентальным полярным воздухом.

Циклоны и антициклоны возникают на кли­матических фронтах один за другим, т. е. по­следовательно во времени. Наиболее типич­ной является картина, когда на арктическом или полярном фронте последовательно распо­ложены серии разновозрастных циклонических вихрей, находящихся на разных стадиях свое­го развития — от самых молодых на запад­ных краях фронтов до заполняющихся на вос­точных (рис. 67). Так же последовательно воз­никают антициклоны.

 

Рис. 67. Серия циклонов на климатическом фронте, на­ходящихся на разных стадиях развития. 1—4 — стадии развития циклонов

И циклоны, и антициклоны (точнее, их цен­тры) перемещаются в умеренных широтах в направлении общего переноса воздуха с запа­да на восток, т. е. под перемещением цикло­нов и антициклонов подразумевается движе­ние их как единой системы (при этом ветры в разных частях этих вихрей могут иметь раз­личное направление). Однако при движении на восток циклоны уклоняются к высоким ши­ротам, а антициклоны — в сторону тропиков.

Поступательное движение циклонов в северном полушарии на северо-восток (см. рис. 67) обусловлено отчасти тем, что ветры в них, дующие против часовой стрелки, на юж­ных перифериях усиливаются западным пере­носом и как бы оттесняют циклоны к северу (рис. 68, а). В южном полушарии циклоны смещаются к юго-востоку. Существует также мнение, что отклонению циклонов к высо­ким широтам способствует вторжение тепло­го воздуха в теплые сектора соответственно с юга в северном полушарии и с севера в южном.

Развиваясь и перемещаясь, циклоны в кон­це концов достигают заключительных стадий, нагоняют друг друга и становятся малоподвиж­ными. Циклоны при этом образуют одну об­щую глубокую обширную область низкого дав­ления в субарктических широтах, которую на­зывают центральным циклоном. В северном полушарии они образуются на севере Атлан­тического и Тихого океанов, где на климати­ческих картах отмечаются такие центры дей­ствия атмосферы, как Исландский и Алеутский минимумы. Активная циклоническая де­ятельность зимой в умеренных широтах и на арктическом фронте в районе Баренцева и Карского морей формирует там глубокую ба­рическую ложбину, протягивающуюся от Ис­ландского минимума. Вторая аналогичная лож­бина простирается от него до моря Баффина. Оси ложбин совпадают с теплыми течениями.

 

Рис. 68. Схема перемещения фронтальных циклонов (а) и антициклонов (б) в умеренных и сопредельных широ­тах северного полушария

 

 

б

Циклоны, возникающие на внутримассовом полярном фронте между атлантическим мор­ским и континентальным полярным воздухом, смещаются через Центральную Европу на Вос­точно-Европейскую равнину и далее — на се­вер Западной Сибири. Путь зимних циклонов Средиземноморской ветви полярного фронта лежит через Балканский полуостров, Украину, центральные районы европейской России и далее на северо-восток. С этими циклонами зимой связаны оттепели и выпадение большо­го количества осадков. На степень проявле­ния циклогенеза отчасти влияют и орографи­ческие особенности материков: так, в Север­ной Америке некоторой преградой на пути северотихоокеанских циклонов к востоку слу­жат Кордильеры.

В южном полушарии циклоны образуют по­яс низкого давления вокруг Антарктиды с це­почкой обособленных внутри него барических минимумов.

Таким образом, барические минимумы суб­полярных широт, особенно хорошо выражен­ные зимой над океанами и совпадающие с районами положительных температурных ано­малий, формируются и поддерживаются при­ходящими сюда циклонами.

Отклонение антициклонов из умеренных широт к тропикам можно объяснить тем, что ветры в них, дующие по часовой стрелке в се­верном полушарии и против часовой стрелки в южном, усиливаются западным переносом на их полярных окраинах, что придает движению антициклонов меридиальную составляющую I см. рис. 68, б). В северном полушарии ан­тициклоны смещаются к юго-востоку, в юж­ном — к северо-востоку. Замыкающие анти­циклоны, вторгаясь из умеренных широт в суб­тропические, постоянно регенерируют и поддерживают там области повышенного дав­ления — океанические субтропические бари­ческие максимумы: Северо-Атлантический, Се-зеро- Тихоокеанский, Южно-Атлантический, Южно-Тихоокеанский и Южно-Индийский. Таким образом, все центры действия атмосферы — постоянные и сезонные барические ми­нимумы и максимумы имеют комплексное — и термическое, и динамическое происхож­дение.

Благодаря меридиональной составляющей фронтальные циклоны и антициклоны участ-•>уют в междуширотном обмене воздуха от субтропиков до субполярных широт. В этом обмене немаловажную роль играют и ветры внутри циклонов и антициклонов. По ты­ловой западной периферии антициклонов и пе­редней восточной периферии циклонов они пе­реносят теплые массы воздуха от низких ши­рот в сторону полюсов. По тыловой западной периферии циклонов и передней восточной пе­риферии антициклонов холодные массы возду­ха вторгаются вплоть до тропиков.

Так сами циклоны и антициклоны, наряду с ветрами по их периферии, осуществляют об­мен воздушными массами в меридиональном направлении. Но зональная составляющая все же преобладает, что выражается в перемеще­нии циклонов и антициклонов в умеренных и сопредельных широтах с запада на восток.

Иная — муссонная — циркуляция воз­никает во внетропических (прежде всего в уме­ренных и субтропических) широтах на восточ­ных побережьях материков. Здесь четко вы­ражено резкое изменение преобладающего направления ветров зимой и летом на проти­воположное, что связано с различным сезон­ным нагреванием суши и океана и перестрой­кой вслед за температурой давления и из­менения положения центров действия атмо­сферы в этих широтах. Подобные ветры на­зываются муссонами внетропических ши­рот (см. рис. 64). Рассмотрим их на приме­ре северного полушария. Летом циркуляция здесь определяется субтропическими океани­ческими максимумами, смещающимися к северу, и барическими минимумами над кон­тинентами. По западным перифериям Северо-Атлантического и Северо-Тихоокеанского максимумов относительно теплые морские тро­пические и полярные воздушные массы пере­мещаются с юга и юго-востока на нагретые континенты — Азию и Северную Америку. Это перемещение осуществляется в виде серий циклонов, зарождающихся на контакте мор­ского и континентального воздуха и следую­щих по направлению воздушных потоков к се­веру и северо-западу. С циклонами на конти­ненты приходят массы морского тропического или полярного (в зависимости от широты ме­ста) воздуха, насыщенного влагой, которая из­ливается в виде обильных муссонных дождей, особенно на восточных склонах гор и их пред­горьях.

Зимой в этих районах циркуляция воздуш­ных масс определяется сезонными континен­тальными Канадским и Азиатским максимума­ми и ярко выраженными Исландским и Але­утским минимумами над океанами. Устойчивые северо-западные ветры приносят с материков на их восточные побережья сухой и холодный континентальный полярный воздух, снижая температуру зимой нередко до отрицательных значений даже на Великой Китайской равни­не. Китайские метеорологи установили, что между зонами экваториально-тропических мус­сонов (с повторяемостью более 60%) и вне-тропических муссонов (с повторяемостью ме­нее 40%) существует узкая полоса без мус­сонов. Это свидетельствует о различной природе этих муссонных полей.

В Северной Америке на восточных побе­режьях внетропических широт муссонная цир­куляция ослаблена и муссонность климата поч­ти не выражена.

Своеобразна атмосферная циркуляция в высоких широтах. Здесь проявляется ее тер­мическая составляющая, которая выражается в преобладании ветров восточных направле­ний. Особенно хорошо выражены юго-вос­точные ветры по окраинам Антарктиды; там они усиливаются стоковым эффектом (стеканием холодного воздуха вниз с высокого лед­никового щита) и устойчиво дуют со скоростью до 20 м/с. В северном полушарии ус­тойчивые северо-восточные ветры отмечают­ся лишь по южной окраине Гренландии, где они дуют из Гренландского максимума в Ис­ландский минимум. В высоких широтах Азии и Северной Америки в циркуляции атмосфе­ры отмечена муссонная тенденция (повторяе­мость ветров — менее 40%). Зимой там ду­ют холодные и сухие южные ветры из Азиат­ского и Канадского максимумов. Летом направление ветров меняется на обратное — они дуют с холодного Северного Ледовитого океана на прогретую сушу в направлении тер­мических депрессий над Сибирью и Северной Канадой. Однако эти ветры не дают муссон-ного климатического эффекта, в частности оби­лия и сезонности в количестве осадков.

Внетропические муссоны занимают важное место в системе общей циркуляции атмосфе­ры и в районах их устойчивого развития ока­зывают большое влияние на климат.