Основные климатообразующие факторы. Солнечная радиация и общая циркуляция.Географическая широта Первым и очень важным фактором климата является географическая широта. От нее зависит зональность в распределении элементов климата. Солнечная радиация поступает на верхнюю границу атмосферы в строгой зависимости от географической широты, которая определяет полуденную высоту Солнца и продолжительность облучения в данное время года. Поглощенная радиация распределяется гораздо сложнее, так как зависит и от облачности, и от альбедо земной поверхности. Отсюда ясно, что каждому состоянию глобального климата соответствуют свои закономерности в теплообороте, влагообороте и атмосферной циркуляции, т. е. в трех комплексах климатообразующих процессов, формирующих локальный климат в каждой точке Земли. Именно от процессов теплооборота, влагооборота и атмосферной циркуляции зависит многолетний режим метеорологических величин: суточный и годовой ход радиации, температуры, осадков и других величин, их изменчивость в каждой точке Земли, среднее распределение по земной поверхности, типичное изменение с высотой и т. д. Все три климатообразующих процесса взаимно связаны. Например, на тепловой режим подстилающей поверхности, а следовательно, и атмосферы влияет облачность, задерживающая приток прямой солнечной радиации. Образование облаков — один из элементов влагооборота. Но оно зависит, в свою очередь, от температуры подстилающей поверхности и стратификации атмосферы, а эти последние в определенной степени зависят от адвекции тепла, т. е. общей циркуляции атмосферы. Общая циркуляция, кроме того, создает перенос водяного пара и облаков и тем самым влияет на влагооборот, а через него и на тепловые условия. Таким образом, мы все время встречаемся со взаимными влияниями всех трех климатообразующих процессов. Режим каждого элемента климата является, поэтому результатом совместного действия всех трех климатообразующих процессов, Например, распределение сумм осадков по земному шару является непосредственным следствием влагооборота, поскольку выпадение осадков есть одно из его звеньев. Оно, во-первых, зависит от расположения источников влаги (прежде всего океанов) относительно данного места и, во-вторых, от таких звеньев влагооборота, как испарение, сток, турбулентная диффузия водяного пара, конденсация. Но на режим осадков также влияют тепловые условия подстилающей поверхности н атмосферы, создающиеся в процессе теплооборота. От тепловых условий зависит испарение. Они определяют близость воздуха к насыщению и максимальное влагосодержание воздуха при насыщении, а следовательно, и водность облаков, определяют положение уровней образования и оледенения облаков, а значит, в конечном счете и выпадение осадков. Кроме того, на влагосодержание н на тепловые условия воздуха влияет перенос влаги и тепла воздушными течениями общей циркуляции атмосферы. Подъем с высотой создает быстрое изменение всего комплекса климатических условий. Образуются лежащие одна над другой климатические зоны (или пояса) с соответствующим изменением растительности. Смена высотных климатических зон напоминает смену климатических зон в широтном направлении. Разница, однако, в том, что для изменений, которые в горизонтальном направлении происходят на протяжении тысяч километров, в горах нужно изменение высоты только на километры. Очень существенно, что и при смене высотных климатических зон сохраняются общие закономерности климата, присущие той широтной зоне, в которой находится данная горная система. Так, выше снеговой линии в горах тропической зоны годовая амплитуда температуры остается характерно малой; следовательно, климат там отнюдь не идентичен климату полярных областей. Высота над уровнем моря Высота над уровнем моря также является географическим фактором климата. Атмосферное давление с высотой падает, солнечная радиация и эффективное излучение возрастают, температура и амплитуда ее суточного хода, как правило, убывают, удельная влажность также убывает, а ветер достаточно сложно меняется по скорости и направлению. Такие изменения происходят в свободной атмосфере над равнинной местностью, с большими или меньшими возмущениями (связанными с близостью земной поверхности) они происходят и в горах. В горах намечаются и характерные изменения с высотой облачности и осадков. Осадки, как правило, сначала возрастают с высотой местности, но, начиная с некоторого уровня, убывают. В результате в горах создается высотная климатическая зональность, о которой еще будет сказано ниже. Итак, в одном и том же горном районе климатические условия могут сильно различаться в зависимости от высоты места. При этом изменения с высотой намного больше, чем изменения с широтой — в горизонтальном направлении. Тёплый фронт — атмосферный фронт, перемещающийся в сторону более холодного воздуха (наблюдается адвекция тепла). За тёплым фронтом в данный регион приходит тёплая воздушная масса. На карте погоды тёплый фронт отмечается красным цветом или зачернёнными полукружками, направленными в сторону перемещения фронта. По мере приближения линии тёплого фронта начинает падать давление, уплотняются облака, выпадают обложные осадки. Зимой при прохождении фронта обычно появляются низкие слоистые облака. Температура и влажность воздуха медленно повышаются. При прохождении фронта температура и влажность обычно быстро возрастают, ветер усиливается. После прохождения фронта направление ветра меняется (ветер поворачивает по часовой стрелке), падение давления прекращается и начинается его слабый рост, облака рассеиваются, осадки прекращаются. Поле барических тенденций представлено следующим образом: перед тёплым фронтом располагается замкнутая область падения давления, за фронтом — либо рост давления, либо относительный рост (падение, но меньшее, чем перед фронтом). В случае тёплого фронта тёплый воздух, перемещаясь в сторону холодного, натекает на клин холодного воздуха и совершает восходящее скольжение вдоль этого клина и динамически охлаждается. На некоторой высоте, определяемой начальным состоянием восходящего воздуха, достигается насыщение — это уровень конденсации. Выше этого уровня в восходящем воздухе происходит облакообразование. Адиабатическое охлаждение тёплого воздуха, скользящего вдоль клина холодного, усиливается развитием восходящих движений от нестационарности при динамическом падении давления и от сходимости ветра в нижнем слое атмосферы. Охлаждение тёплого воздуха при восходящем скольжении по поверхности фронта приводит к образованию характерной системы слоистообразных облаков (облаков восходящего скольжения): перисто-слоистые — высоко-слоистые -слоисто-дождевые (Cs-As-Ns). При приближении к пункту тёплого фронта с хорошо развитой облачностью сначала появляются перистые облака в виде параллельных полос с когтевидными образованиями в передней части (предвестники тёплого фронта), вытянутые в направлении воздушных течений на их уровне (Ci uncinus). Первые перистые облака наблюдаются на расстоянии многих сотен километров от линии фронта у поверхности Земли (около 800—900 км). Перистые облака переходят затем в перисто-слоистые облака (Cirrostratus). Для этих облаков характерны явления гало. Облака верхнего яруса — перисто-слоистые и перистые (Ci и Cs) состоят из ледяных кристаллов, и осадки из них не выпадают. Чаще всего облака Ci-Cs представляют собой самостоятельный слой, верхняя граница которого совпадает с осью струйного течения, то есть близка к тропопаузе. Затем облака становятся всё плотнее: высоко-слоистые облака (Altostratus) постепенно переходят в слоисто-дождевые (Nimbostratus), начинают выпадать обложные осадки, которые ослабевают или совсем прекращаются после прохождения линии фронта. По мере приближения к линии фронта высота основания Ns снижается. Минимальное её значение определяется высотой уровня конденсации в восходящем тёплом воздухе. Высокослоистые (As) являются коллоидальными и состоят из смеси мельчайших капелек и снежинок. Их вертикальная мощность довольно значительна: начинаясь на высоте 3-5 км, эти облака простираются до высот порядка 4-6 км, то есть имеют 1-3 км в толщину. Выпадающие из этих облаков осадки летом, проходя сквозь тёплую часть атмосферы, испаряются и не всегда достигают поверхности Земли. Зимой осадки из As в виде снега почти всегда достигают поверхности Земли, а также стимулируют выпадение осадков из нижележащих St-Sc. В этом случае ширина зоны обложных осадков может достигать ширины 400 км и более. Ближе всего к поверхности Земли (на высоте нескольких сотен метров, а порой 100—150 м и даже ниже) находится нижняя граница слоисто-дождевых облаков (Ns), из которых выпадают обложные осадки в виде дождя или снега; под слоисто-дождевыми облаками нередко развиваются разорванно-дождевые (St fr). Облака Ns простираются до высот 3…7 км, то есть имеют весьма значительную вертикальную мощность. Облака также состоят из ледяных элементов и капель, причём, и капли и кристаллы особенно в нижней части облаков более крупные, чем в As. Нижнее основание системы облаков As-Ns в общих чертах совпадает с поверхностью фронта. Поскольку верхняя граница облаков As-Ns приблизительно горизонтальна, наибольшая их толщина наблюдается вблизи линии фронта. У центра циклона, где система облаков тёплого фронта имеет наибольшее развитие, ширина облачной зоны Ns и зоны обложных осадков в среднем — около 300 км. В целом облака As-Ns имеют ширину 500—600 км, ширина зоны облаков Ci-Cs — около 200—300 км. Если спроецировать данную систему на приземную карту, то вся она окажется перед линией тёплого фронта на расстоянии 700—900 км. В отдельных случаях зона облачности и осадков может быть значительно шире или уже, в зависимости от угла наклона фронтальной поверхности, высоты уровня конденсации, термических условий нижней тропосферы. В ночное время радиационное выхолаживание верхней границы облачной системы As-Ns и понижение температуры в облаках, а также усиление вертикального перемешивания при опускании охлаждённого воздуха внутрь облака способствует образованию ледяной фазы в облаках, росту облачных элементов и образованию осадков. По мере удаления от центра циклона восходящие движения воздуха ослабевают, осадки прекращаются. Фронтальные облака могут образовываться не только над наклонной поверхностью фронта, а в некоторых случаях — и по обе стороны от фронта. Это особенно характерно для начальной стадии циклона, когда восходящие движения захватывают зафронтальную область — тогда и осадки могут выпадать с обеих сторон фронта. Но за линией фронта фронтальная облачность обычно сильно расслоена и зафронтальные осадки чаще представлены в виде мороси или снежных зёрен. В случае очень пологого фронта система облаков может быть смещена вперед от линии фронта. В тёплое время года восходящие движения вблизи линии фронта приобретают характер конвективных, и на тёплых фронтах нередко развиваются кучево-дождевые облака и наблюдаются ливневые осадки и грозы (как днём, так и ночью). Летом в дневные часы в приземном слое за линией тёплого фронта при значительной облачности температура воздуха над сушей может быть ниже, чем перед фронтом. Это явление называется маскировкой тёплого фронта. Облачность старых тёплых фронтов также может быть расслоенной на всём протяжении фронта. Постепенно эти слои рассеиваются и осадки прекращаются. Порой тёплый фронт не сопровождается осадками (особенно летом). Так бывает при малом влагосодержании тёплого воздуха, когда уровень конденсации лежит на значительной высоте. При сухости воздуха и особенно в случае его заметной устойчивой стратификации восходящее скольжение тёплого воздуха не приводит к развитию мало-мальски мощной облачности — то есть облака вообще отсутствуют, либо наблюдается полоса облаков верхнего и среднего ярусов.
|
Холодный фронт первого рода в вертикальном разрезе.. Движения отнесены к системе координат, перемещающейся с фронтом вправо.
