Общая циркуляция атмосферы. Факторы, определяющие общую циркуляцию атмосферы

Под общей циркуляцией атмосферы обычно понимают совокупность течений воздуха крупных масштабов, благодаря которым осуществляется обмен его по горизонтали и вертикали.

Другими словами общая циркуляция атмосферы – система крупномасштабных воздушных течений по Земле (т.е. течений, соизмеримых по размерам с большими частями материков и океанов).

Основными крупномасштабными атмосферными движениями являются воздушные течения, обусловленные разностью температуры между различными широтами вблизи земной поверхности и на высотах. К ним относятся также воздушные течения в системе циклонов и антициклонов, тропосферные и стратосферные струйные течения, пассаты и муссоны. Именно эти виды воздушных течений играют важную роль в формировании погоды и климата. Мелкомасштабные движения (бризы, горно-долинные ветры, шквалы, смерчи и пр.) имеют местное значение, они зарождаются (шквалы, смерчи) или разрушаются под влиянием крупномасштабной циркуляции.

Исследования общей циркуляции атмосферы начались в XVII–XVIII вв. с попыток объяснить пассатную циркуляцию. В середине XIX века Мори уже дал схему циркуляции атмосферы на всем земном шаре. В XIX–XX вв. основой для изучения общей циркуляции атмосферы служили карты средних значений метеоэлементов (температуры, давления, ветра, осадков). Были установлены сезонные характеристики ветра, давления, температуры и общие черты климата в разных районах земного шара. Но эти значения не могли дать исчерпывающей информации о многообразии непериодических процессов. Отсутствовали данные о распределении метеоэлементов на высотах, что увеличивало трудности.

В результате переоценки роли средних карт приземного давления и ветра долгое время главенствовало представление о малой изменчивости характера атмосферных процессов в низких широтах, об устойчивости субтропических антициклонов, зимнего сибирского антициклона. С развитием синоптических карт появилась возможность изучать непериодические процессы.

С введением анализа атмосферных фронтов было сделано несколько попыток создать схемы общей циркуляции атмосферы. В этих схемах большое значение в междуширотном обмене придавалось вертикальной циркуляции, представляемой в виде замкнутых и незамкнутых колес. При изображении междуширотного обмена между экватором и тропиками всеми исследователями принималось классическое представление о пассатной циркуляции, основу которой дали Галлей (1686) и Гадлей (1735) (ячейка Гадлея).

Изучался и междуширотный обмен на высотах. Показано, что он осуществляется путем горизонтального переноса, в котором главную роль играют струйные течения.

Очевидно, невозможно построить одну схему общей циркуляции атмосферы, которая бы полностью отражала многообразие ее характера над материками и океанами в разные сезоны года. В настоящее время при построении схем общей циркуляции атмосферы исходят из положения квазигеострофичности течений обшей циркуляции, т.е. приближены к геострофическому ветру. В слое трения течения отклоняются от геострофичности ветра и от изобар, но зная средний угол отклонения, можно восстановить по полю давления поле ветра.

В свободной атмосфере, где отклонения течений общей циркуляции от геострофичности ветра невелики, течения можно назвать квазигеострофичным. Условия квазигеострофичности не выполняется на экваторе (сила Кориолиса равна нулю или ничтожно мала и не может уравновесить силу горизонтального барического градиента).

Факторы, определяющие общую циркуляцию атмосферы:

1) лучистая энергия Солнца;

2) вращение Земли;

3) влияние подстилающей поверхности;

4) сила трения.

Лучистая энергия Солнца приводит к нагреванию земной поверхности, а от нее путем теплообмена нагревается атмосфера. Около 2% поступающей энергии превращается в кинетическую.

Область высокого атмосферного давления вблизи полюсов и область низкого давления вблизи экватора, появление которых связано с термическими условиями (температурным режимом) называются термическими максимумами и минимумом. По образному выражению Шулейкина В.В., на экваторе находится нагреватель, а на полюсах – холодильники. Они создают тепловую машину, первого рода, вызывающую межширотный обмен воздуха. Термическая разница между широтами вызывает меридиональную составляющую атмосферной циркуляции.

Вращение Земли. При решении теоретических задач по общей циркуляции атмосферы скорость вращения Земли обычно принимается постоянной, хотя установлено, что она подвержена сезонным и внутрисезонным изменениям.

Вследствие вращения Земли значительно усложняется рассмотренная выше схема. В действие вступает отклоняющая сила Кориолиса. Массы воздуха, растекающиеся в верхних слоях атмосферы от экватора постепенно отклоняются в северном полушарии вправо, в южном – влево (так возникает зональная составляющая циркуляции атмосферы). На широтах 20–30° их движение становится параллельным экватору, и дальше им заворачивать некуда: подпирает идущий от экватора воздух. Воздуху как бы становится тесно, создаются полосы высокого атмосферного давления, образование которых связано с характером движения воздуха, а не с его температурой. Поэтому она называется динамическими областями высокого давления, от приполярных термических мах они отделяются динамическими областями относительно пониженного атмосферного давления (рисунок 69).

Рисунок 69 – Общая циркуляция атмосферы

 

В динамических областях высокого атмосферного давления воздух начинает опускаться, при опускании влажность его становится низкой. В этих широтах (с некоторыми отклонениями) по всем континентам Земли прослеживается полоса пустынь, полупустынь и сухих степей. В северном полушарии это пустыни Мексики, Аравии, Сахара, Ирана и Афганистана, Средней Азии, Тар, Такла-Макан, Гоби, горные пустыни Тибета; в южном – Атакама, Намиб, Калахари, пустыни в Австралии.

От динамических максимумов, находящихся в тропических широтах, ветры устремляются в 2 стороны: к экватору и средним широтам. Постоянные ветры, дующие к экватору в северном полушарии, отклоняются вправо и из северных превращаются в северо-восточные (в южном аналогично, из южных в южно-восточные). В приэкваториальной области направление и тех, и других становится близким к восточному. Эти ветры носят название пассатов[1].

Ветры, дующие в сторону умеренных широт, под действием силы Кориолиса в конечном итоге превращаются в западные. Поэтому в средних широтах 45–60º преобладают западные ветры, составляющие западный перенос[2] (западные воздушные течения умеренных широт).

Приполярные термические максимумы давления создают свои системы ветров, которые, растекаясь от полюсов к умеренным широтам и отклоняясь вправо (в северном полушарии) или влево (в южном) становятся северо-восточными и юго-восточными.

В июне–августе Солнце находится в зените над тропическими широтами Северного полушария, соответственно в декабре–феврале – Южного полушария. Поэтому широта наибольшего прогревания (термический экватор) несколько смещается по сезонам, а вместе с ней – и термическая зона низкого давления[3] и динамические области повышенного и пониженного давления. Но их взаимное расположение сохраняется.

Такая схема общей циркуляции атмосферы была бы при условии, что поверхность планеты была бы совершенно однородной, что одно и тоже количество солнечной радиации, поступающей на земную поверхность вызывало бы в любом месте земного шара повышение температуры на одну и ту же величину, а при одинаковой отдаче энергии – температура одинаково понижалась. На самом деле это не так!

Различия в нагревании материков и океанов вызывают возникновение тепловой машины второго рода (по В.В. Шулейнину).

Влияние подстилающей поверхности в создании сезонных особенностей общей циркуляции атмосферы велико. Поверхность суши в обоих полушариях распределяется неравномерно: суша занимает 39,3% площади в северном полушарии и 19,1% в южном. При этом в экваториальной зоне обоих полушарий материки занимают примерно одинаковую площадь, а в высоких и средних широтах отличия значительны. Особенно существенно то, что в южном полушарии благодаря Антарктиде между 80 и 90° ю.ш. суша занимает 100% площади, а между 40 и 60º ю.ш. только 0–4%. В северном полушарии 80–90ºс.ш. – 0–20%, 40–60º с.ш. – 43,5–61%.

Материки имеют сложные очертания, горные системы заставляют ветры менять направление. Все это вносит свои коррективы в общую циркуляцию атмосферы.

Влияние материков и океанов на температуру воздуха не ограничивается лишь приземным слоем, а распространяется на всю тропосферу путем турбулентного перемешивания.

Так, в зимнее время на одинаковой широте материки имеют температуру Т₁, а океаны – более высокую температуру Т₂ (Т₂>Т₁). В соответствии с этими условиями, если выделить единичный объем воздуха, то он, проходя над материком вплоть до восточного берега, будет охлаждаться. Охлаждение будет тем медленнее, чем дальше от западного берега удалится воздух. Вступая на океан, он будет сначала быстро, а затем медленнее нагреваться. В результате изотермы примут волнообразный вид (рисунок 1).

 

Рисунок 1 – Влияние подстилающей поверхности на распределение температуры воздуха

 

Фактическое расположение изогипс на картах относительной барической топографии января близко к расположению изотерм. Летом влияние материков и океанов обратное, поэтому изотермы располагаются противоположно (волны тепла над сушей и холода над океанами), хотя и несколько сглажено.

В южном полушарии изотермы следуют в широтном направлении, т.к. здесь в средних широтах нет чередующихся массивов суши и океанов, а Антарктида способствует формированию более низких температур, чем в Арктике.

Сила трения уменьшает скорость ветра и отклоняет его направление от первоначального.

Таким образом, зональность циркуляции проявляется в преобладании меридиональных составляющих барического градиента над широтными, а следовательно в преобладании широтных составляющих ветра над меридиональными. При этом то или иное направление ветра (западное или восточное) преобладает одновременно или постоянно в значительной по широте зоне земного шара. В тропиках – восточное; в умеренных широтах – западное (но резко меняется); на востоке Азии – велика меридиональная составляющая.