ПОНЯТИЕ ОБ ОБЩЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕ РЫ

Воздушная оболочка Земли - атмосфера - нах одится в пост оянном движении. Силы, вызывающие движение воздуха, возникают в связи с неодинаковым нагреванием Солнцем земной поверхности и воздуха в различных географических районах, а их действие направлено к установлению равновесия в атмосфере, устранению неравномерност ей состояния воздуха над полюсами и экватором, над океаном и сушей, над горами и равнинами и т.д. Однако в действительности равновесия в атмосфере не бывает. Воздух постоянно перемещ ает ся из одних районов Земли в другие, создает целую систему циркуляционных об ластей, опоясывающ их весь земной шар. В каждой т акой циркуляционной области преобладают свои ветры и свое распределение давления.

Из всего разнооб разия воздушных течений в атмосфере можно выд елит ь главные,

наиболее значительные по своим масштабам и наиболее уст ойчивые. Такая совокупность крупномасш табных, охват ывающ их большие географические районы, и относительно устойчивы х (т.е. постоянно существующих) воздушных течений, называется общей циркуля цией атмосферы (ОЦА ). ОЦА определяется многими факторами, наиболее важными из которых являют ся: лучистая энергия Солнца, вращение Земли вокруг своей оси, неоднородность подстилающей поверх ности, трение воздуха о земную поверхность.

Лучистая энергия Солнца является основным источником атмосферной циркуляции, а неравномерное ее распределение на разных широт ах и в разное время года - главной причиной глобальной циркуляции. Первоначальной причиной движения возд уха в горизонтальном направлении является неодинаковое распределение температ ур ы, что приводит к неравномерному распределению давления.

Вращение Земли и действие при этом инерционных сил наиб олее сущ ественно влияет на движение воздуха в ат мосфере в вы соких и сред них широтах. На э кват оре э то влияние приб лижается к нулю. Если бы Земля не вращалась и ее поверхность была б ы однородна, схема ОЦА была бы оч ень проста. Наиб олее теплыми оказались бы нижние слои атмосферы в районе экватора, а наиболее холодными - в районе полюсов. При этом у земной поверхности воздух перемещ ался бы от полюса к экватору, а в верхних слоях - в обратном направлении. В этом случае в любой точке Северного полушария у земной поверхности наблюдались бы северные вет ры, и характер погоды был бы довольно однооб разным.

Влияние подстилающей поверхности на ОЦА не ограничивается только приземным слоем, а распрост раняет ся на всю тропосферу в результ ате турб улент ного перемеш ивания. Неоднородность подстилающ ей поверхности значительно усложняет циркуляцию ат мосферы. Так, вследствие неодинакового соотнош ения между площадями конт инентов и океанов в Северном и Южном полушариях (материки: Северное полушарие - 39,3%, Южное полуш арие -

19,1%), циркуляция ат мосферы в Северном полушарии значительно сложнее, чем в Южном.

Трение воздуха о земную поверхность всегда уменьшает скорость воздушных течений и изменяет их направление. Это происходит в пограничном слое атмосферы, ограниченном высот ой 1,0…1,5 км.

К основным закономерност ям ОЦА относят ся:

- превышение скорост ей горизонтальных движений над вертикальными в крупномасш-

табных процессах;

- преобладание зональных (вдоль широтных кругов) воздушных течений над меридиональными;

- преимущ ест венно вихревой характер ат мосферных процессов;

- нестационарность атмосферных движений, их постоянная изменчивость и, вызванные нестационарностью, непрерывные изменения атмосферной циркуляции и ее структурных элемент ов;

Рис. 8.1. Распределение среднего атмосферного дав ления на уровне моря в январе (гПа)

Рис. 8.2. Распределение среднего атмосферного давления на уровне моря в ию ле (гПа)

- изменения направления и скорост и воздушных течений при переходе от слоя к слою и неравномерное распределение кинетической энергии как в горизонтальном, т ак и в верт икальном направлениях ;

- изменения направления и скорост и воздуш ных течений при переход е от сезона к сезону.

ОЦА тесно связана с распределением атмосферного давления возле земной поверхности и на высотах. Распределение давления на уровне моря имеет зональный характ ер. Но в каждой зоне можно увидет ь отд ельные области высокого и низкого давления, выраженные замкнутыми изобарами. Такие области называют ся центрам и действия атмосферы и их чет ко вид но на климатических карт ах распределения ат мосферного давления в январе и в июле (рис. 8.1 и 8.2). Центры д ействия ат мосферы, которые определяют ся на климат ических карт ах всех месяцев года, называются перманентными. Другие центры обнар уживаются только на летних или зимних карт ах и называются сезонными.

В экваториальной зоне наблюдается низкое давление. В январе этот пояс располагается несколько южнее, а в июле – севернее экватора.

На юг и на север от экват ора вдоль широт 30…35° располагают ся зоны высокого давления. Они распадаются на отдельные области, которые называются субтропическими антициклонами. Цент ры этих ант ициклонов располагают ся в субтропических широтах океанов. В Северном полуш арии эт о Азорский антициклон, который образуется в субт ропических широтах Азорских ост ровов, и Гавайский (Гонолульский) – в Тихом океане возле Гавайских ост ровов. В Южном полушарии субтропические антициклоны образуются в южной части Атлант ического океана – южноатл антический, в южной част и Тихого океана

– южнотихоокеанский и в южной части Индийского океана – южноиндийский.

Над 60…65° Северного и Южного полушарий наблюдается низкое давление. В Северном полушарии зимой области низкого давления располагаются в районе Исландии в Атлантическом океане и южнее Аляски в Тихом океане (Исландский и Алеутский минимумы). Летом область низкого давления возле Исландии выражена слабо, а южнее Аляски не наблюдается совсем.

Над пол ярными районами как Северного, так и Южного полушарий располагаются зоны высокого давления.

В механизме ОЦА можно выделить пять широтных циркуляционных зон (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Упрощенная схема общей циркуляции

I. Низкоширотная зона в экваториальных и тропических широтах, лежащая в пределах

30° по об е ст ороны экватора. Это пояс низкого давления (зона затишья). Здесь воздух совершает восходящее движение и в высоких слоях атмосферы от текает к полюсам. При э том воздушная масса от клоняется под действием силы Кориолиса вправо в Северном полушарии и влево - в Южном. Таким образом, первоначальные южные т ечения сначала становятся юго-юго-запад ными, затем юго-запад ными и на широт е 30°, где от клонение от меридиана достигает 90°, эти течения принимают запад ное направление, что затрудняет в верхних слоях дальнейшее перемещение к северу экваториальных воздушных масс. Вследст вие этого, а т акже потому, что прост ранство межд у мерид ианами по широт е 30° значит ельно меньше, чем на экваторе, над районами около 30° широты происходит накопление воздушных масс, чт о вызывает в эт их районах образование пояса высокого д авления. В результате этого на ш ироте 30° в нижних слоях тропосферы возникают б арические градиенты, направленные от этого пояса на юг (Северное полуш арие) и на север (Южное пол уш арие). Под действием силы горизонтального барического градиент а возд ух начинает двигаться от субтропических широт к экватору. Благодаря силе Кориолиса эти воздушные течения отклоняются вправо (Северное полушарие) и влево (Южное полушарие). В результате эт ого образуют ся постоянные северо-вост очные ветры Северного полушария и юго-вост очные - Южного. Эт и ветры называются пассатами. Верхние юго-западные (северо-западные) потоки от экватора к субт ропическим широтам называются антипассатами.

В низкош иротной зоне условия погоды определяются:

- процессами конвекции, вызывающими т ропические ливни и грозы;

- летними (дождливый период) и зимними (засушливый период) муссонами;

- пассат ной циркуляцией (северо-во сточные пассаты Северного полуш ария и юго-

восточные пассат ы Южного);

- тропическими циклонами, которые возникают осенью и в конце лета над океанами.

Ежегод но в низкош иротной зоне возникает в среднем 100…120 т ропических циклонов, из

них 75% приход ится на Северное полушарие и 25% - на Южное.

II-III. Умеренные зоны Северного и Южного полушарий, лежащ ие между полярными кругами (60°) и 30° широт ы соответст вующего полушария. Здесь находится субтропический пояс высокого давления (35° Северного полушария и 30° Южного пол уш ария). Этот пояс х арактеризуется неустойчивыми и исключит ельно слаб ыми вет рами. В Северном полушарии, в пределах этого пояса, имеются две области высокого давления (Азорский антициклон над Атлантическим океаном и Гонолульский антициклон над восточной частью Тихого океана). Субт ропический пояс высокого давления д елает климат в этих районах очень сухим, в связи с чем образуются пустыни Колорадо в Северной Америке, Сахара в Северной Африке, Аравийская и Иранская пусты ни в Азии. Такой же пояс пустынь прослеживает ся вдоль широт ы 30° Южного полушария (Атакама - в Южной Америке, Калахари - в Южной Африке, Виктория - в Авст ралии). Зимой над сильно выхоложенными континентами Азии и Северной Америки возникают обширные антициклоны.

Горизонт альный барический градиент направлен от субтропической области повышенного давления вдоль меридиана к полюсам. А т ак как градиентный ветер направлен перпенд икулярно к силе горизонтального барического град иента вправо в Северном полушарии и влево - в Южном полушарии, то в т ропосфере, выше слоя трения, наб людает ся западный перенос воздух а.

В умеренных зонах условия погоды определяются:

− прохождением циклонов и антициклонов, которые приносят с собой б ольшие объемы воздуха с различным влагосод ержанием, различными температурой и т ермодинамичес- кими свойствами. В т ечение года зд есь часто наблюдаются грозы, шквалы, пыльные бури. Ветры дуют круглый год, при эт ом скорост ь их зимой больш е, чем лет ом. В Южном полушарии зону, гд е наблюдают ся э ти ветры , называют ревущими сороковыми;

− большими сезонными колебаниями температуры. Над континентами формируются устойчивые и значительные по площад и области высокого давления (Сибирский и Канад ский зимние ант ициклоны), а над океанами - област и низкого давления (Исландский и Алеутский минимумы). В т еплое время года, наоборот, антициклоны разрушаются над континент ами, а над океанами наблюдается рост д авления (Азорский ант ициклон, гребень т ихоокеанского антициклона).

IV-V. Полярные зоны - арктическая в Северном полушарии и антарктическая - в Южном, - расположенные над географическими полюсами в высоких широт ах за полярным кругом. Здесь расположен пояс низкого давления (60…70° в каждом полуш арии), кот орый называет ся субполярным минимумом. В Южном полушарии этот пояс сплошной и расположен над поверхностью океанов. В Северном полушарии он лучше выражен над Тихим океаном - межд у Аляской и Сиб ирью, а над Атлантическим океаном - межд у Гренландией и Норвегией. В этом поясе у поверхности земли наблюдается сходимость северо-восточных и юго-западных ветров. Теплые воздушные массы встречаются с холодны ми возд ушными массами арктического происхождения. При этом теплый воздух вытесняется вверх, что приводит к интенсивной циклонической деятельност и. На картах распределения давления она выражается Исландским и Алеутским циклонами, а в летнее время - Сибирским (Азиатским) циклоном. Таким образом, циркуляция воздуха в полярных зонах осуществляется между поясом пониженного давления и полюсами, гд е расположены зоны повышенного давления. Вет ры в эт ой зоне восточные. В полярных зонах условия погоды определяются:

− низкими т емпературами. Особенно холодно в южной полярной области, где погода в

разгар лета аналогична зимним условиям в умеренной зоне;

− прохождением циклонов и ант ициклонов;

− слабыми сут очными изменениями температуры;

− значит ельными годовыми колебаниями температуры.

Одной из особ енностей погоды полярных област ей является полное от сутст вие

конвект ивных процессов и связанных с ними характерных кучевообразных облаков и ливневых осадков.

Рассмотренная схема дает лишь приближенное представление об ОЦА. В дейст вительности, в высоких и умеренных широтах постоянно возникают циклоны и антициклоны, которые приводят к усложнению этой системы.

Изучение ОЦА производит ся различными мет од ами:

- синоптическими - изучение крупномасшт абных процессов с помощью карт погоды различных уровней;

- гидродинамическими - предвычисление будущих возд уш ных т ечений, тех или иных атмосферных параметров путем численного интегрирования по времени уравнений гидродинамики и термодинамики атмосферы;

- статист ическими (климатологическими) - объект ивный прогноз, базирующ ийся на статист ических связях метеорологических величин по климат ологическим д анным.