МиК.Лекция 18

Лекция 18. Циркуляция атмосферы в среднеширотном звене

1. Внетропические циклоны. Стадии развития.

2. Внетропические антициклоны. Стадии развития.

3. Муссоны внешнетропических широт.

4. Типы циркуляции во внешнетропических широтах.

1. Классификация циклонов и антициклонов

А – По широтной зоне возникновения:

Циклоны: Антициклоны:

- внетропические - внетропические

- тропические - субтропические

Б - По связи с фронтальными разделами:

циклоны - фронтальные - нефронтальные (местные и тропические)

Антициклоны - фронтальные (промежуточные и заключительные) - нефронтальные (местные, субтропические)

В - По степени развития по вертикали:

- низкие (до изобарической поверхности 850 гПа)

- средние (до изобарической поверхности 700 гПа)

- высокие (до изобарической поверхности 300 гПа)

Г – По направлению перемещения:

- северные;

- западные;

- восточные.

Д – По направлению вхождения или перемещения (полярные – северные, северо-западные; ультраполярные – северо-восточные)

Внетропические циклоны. Стадии развития.

Неравномерное нагревание подстилающей поверхности при участии отклоняющей силы вращения земли может вызвать образование атмосферных вихрей. В атмосфере постоянно развиваются и исчезают вихри больших масштабов (диаметр до нескольких тысяч км.), которые называются циклонами и антициклонами.

Циклоны – восходящие атмосферные вихри с сильно наклоненной осью вращения, проявляющиеся у поверхности Земли замкнутой областью пониженного давления (барический минимум) с соответствующей системой ветров от периферии к центру.

Формирование циклонов и антициклонов объясняется волновыми движениями в атмосфере. Наиболее благоприятные условия возникновения волнового движения существуют в зоне атмосферного фронта.

Циклоны за редким исключением (возникновение в результате местного перегрева) имеют фронтальную структуру.

Ежегодно севернее 25° с.ш. возникает около 1000 циклонов, ежедневно – 15–20.

Жизнь каждого циклона характеризуется обычно 3 стадиями:

• возникновение;

• развитие;

• старение.

Продолжительность каждой стадии колеблется от нескольких часов до 1–2 суток. В некоторых случаях, когда условия циркуляции не способствуют развитию циклона, он не проходит всех стадий и быстро исчезает.

В первой, начальной стадии циклоны являются небольшими барическими возмущениями, очерченными одной–двумя изобарами, с разностью давления между центром и периферией до 5–10 гПа и с определившейся системой ветра у поверхности земли. На высотах 2–3 км замкнутые изобары не обнаруживаются.

Вторая стадия – это стадия наибольшего развития барического образования с минимумом давления в центре циклона и максимумом в центре антициклона. Разность давления между центром и периферией часто превосходит 20–30 гПа. В этой стадии соответствующая система циркуляции обнаруживается в верхней тропосфере и нижней стратосфере.

В третьей стадии – стадии разрушения концентрическая система изобар прослеживается не только у поверхности земли, но и на высотах. В этих случаях циклоническая циркуляция обычно охватывает не только всю тропосферу, но и нижние слои стратосферы. Однако постепенно циклоны заполняются.

На рисунке изображена схема циклона в начальной стадии развития. В его системе у поверхности земли (жирные линии) появилась первая замкнутая изобара. Ветры слабые. Атмосферный фронт (зубчатая жирная линия) у поверхности земли, лишь слабо возмущен. Слева от центра – в тыловой части циклона расположен холодный фронт, а справа – теплый. Над приземным центром в средней тропосфере (на высотах 5–6 км) наблюдается густая система изогипс (тонкие сплошные линии), с низким давлением к северу от приземного центра и высоким давлением к югу. Такой структурой высотного поля давления определяются над приземным центром циклона западные ветры со скоростями 60–80 км/ч и более. При таких скоростях ветра в области расходящихся изогипс происходит отклонение ветра от градиентного, развитие восходящих движений воздуха и падение давления.

В первой, начальной стадии циклоны являются небольшими барическими возмущениями, очерченными одной–двумя изобарами, с разностью давления между центром и периферией до 5–10 гПа и с определившейся системой ветра у поверхности земли. На высотах 2–3 км замкнутые изобары не обнаруживаются.

Вторая стадия – это стадия наибольшего развития барического образования с минимумом давления в центре циклона и максимумом в центре антициклона. Разность давления между центром и периферией часто превосходит 20–30 гПа. В этой стадии соответствующая система циркуляции обнаруживается в верхней тропосфере и нижней стратосфере.

В третьей стадии – стадии разрушения концентрическая система изобар прослеживается не только у поверхности земли, но и на высотах. В этих случаях циклоническая циркуляция обычно охватывает не только всю тропосферу, но и нижние слои стратосферы. Однако постепенно циклоны заполняются.

На рисунке 76а изображена схема циклона в начальной стадии развития. В его системе у поверхности земли (жирные линии) появилась первая замкнутая изобара. Ветры слабые. Атмосферный фронт (зубчатая жирная линия) у поверхности земли, лишь слабо возмущен. Слева от центра – в тыловой части циклона расположен холодный фронт, а справа – теплый. Над приземным центром в средней тропосфере (на высотах 5–6 км) наблюдается густая система изогипс (тонкие сплошные линии), с низким давлением к северу от приземного центра и высоким давлением к югу. Такой структурой высотного поля давления определяются над приземным центром циклона западные ветры со скоростями 60–80 км/ч и более. При таких скоростях ветра в области расходящихся изогипс происходит отклонение ветра от градиентного, развитие восходящих движений воздуха и падение давления.

На рисунке 76б циклон изображен приблизительно через сутки. У поверхности 3емли он углубился, и давление в центре его понизилось до 980 гПа вместо 1005 в начальной стадии развития. Ветры усилились. Возмущение фронта дошло почти до максимума, после чего обычно происходит окклюдирование. Система изогипс на тех же высотах значительно деформировалась. Зона наибольшей густоты изогипс, с большими скоростями ветра, сдвинулась к югу от приземного центра. На высотах 5–6 км началось формирование высотного его центра. Во второй стадии развития циклона восходящие движения воздуха наибольшие. Поэтому обычно в этой стадии в системе циклона, особенно в передней его части (по движению), образуется мощная фронтальная облачность, и в зоне теплого фронта выпадают обложные осадки. Холодный воздух находится в области низкого давления, на высотах, а теплый воздух – в области высокого давления. В системе развивающихся циклонов разности температур между холодным и теплым воздухом, как и в первой стадии, обычно превышают 8–10° на расстоянии 1000 км поперек фронтальной зоны.

В третьей стадии развития – стадии заполнения в циклоне находится уже только холодный воздух. Это происходит благодаря адвекции холода в тылу его и охлаждения воздуха в результате восходящих движений. На рисунке 1в изображена схема такого циклона. Как видим, центр его у поверхности земли и на высотах почти совпадают. Холодный фронт вследствие быстрого продвижения догнал теплый и произошло окклюдирование. Вместе с переходом холодного фронта на периферию циклона туда же сместилась зона наибольших контрастов температуры и скоростей ветра. В центре циклона давление уже выросло. Циклон заполняется. В последней стадии развития восходящие движения воздуха в центральной части циклона ослабевают и прекращаются, а облака разрушаются.

Циклон уже полностью становится очагом холода в тропосфере, и активные процессы изменения давления переходят на его периферию, где образуется новая высотная фронтальная зона. При соответствующих условиях здесь могут возникать новые циклоны и антициклоны.

Таким образом, в результате адвекции холода в тылу циклона, наличия восходящих движений и адиабатического охлаждения весь циклон заполняется холодным воздухом, и в тропосфере, как и в нижней стратосфере, устанавливается мощная циклоническая циркуляция, т. е. циклон становится высоким барическим образованием. В этой последней стадии горизонтальные контрасты температуры, являющиеся энергетическим источником циклона, перемещаются на периферию и циклон затухает. Процесс перемещения контрастов температуры на периферию есть по существу процесс окклюдирования циклона.

На периферии образуется новая фронтальная зона. При соответствующих условиях здесь могут возникать новые циклоны (частные), расположенные южнее.

Скорость движения циклонов на разных стадиях неодинакова: больше в начальных и замедляется по мере старения циклона. В том случае, если в области старого циклона вторгаются новые порции ХВ или ТВ, он регенерирует (возрождается).

2. Внетропические антициклоны. Стадии развития

Между циклонами возникают подвижные антициклоны, перемещающиеся вместе с циклонами в направлении ведущего потока (т.е. с запада на восток).

Антициклон – нисходящий атмосферный вихрь с наклонной осью, проявляющийся у поверхности Земли замкнутой областью повышенного давления с соответствующей системой ветров от центра к периферии. Как и циклоны, антициклоны проходят 3 стадии: возникновения, развития и разрушения.

На первой стадии антициклон представляет собой небольшой вихрь, обнаруживающийся до высоты 2–3 км (рисунок 77а). Фронты располагаются на периферии антициклона. Холодный воздух в правой части, теплый воздух – в левой. Нисходящие токи воздуха и адиабатическое повышение температуры, адвекция тепла в левой половине приводят к непрерывному росту температуры в системе антициклона. Облака рассеиваются, осадки прекращаются. Над антициклоном – густая система сходящихся изогипс, скорости ветра – более 60–80 км/ч. Ветер отклоняется от градиентного, нисходящие токи развиваются и антициклон усиливается.

Во второй стадии антициклон – мощное барическое образование, с высоким давлением в приземном центре и расходящейся системой средних слабых ветров (рисунок 77б). Фронт у поверхности земли – на периферии. На высотах – густая система изогипс с сильными ветрами и большими контрастами температуры. Зарождается высотный гребень или центр высокого давления.

На третьей стадии антициклон – очаг тепла с хорошо выраженной антициклональной циркуляцией. На стадии зарождения горизонтальные контрасты температур, которые являются источником энергии для развития антициклона, перемещаются на периферию, антициклон разрушается (рисунок 77в).

Стареющие антициклоны могут сливаться с молодыми антициклонами вследствие преобразования соседнего барического поля.

Рисунок 77 – Схема трех стадий развития антициклона у поверхности земли и в средней тропосфере.

Условные обозначения см. на рисунке 76.

3. Внетропические муссоны

Муссонная циркуляция в широком смысле это взаимодействие между материками и океанами вследствие их теплового различия. Она имеет место не только в тропиках, но и в любой части земного шара, где создается разность температуры между сушей и морем.

Во внетропических областях атмосферные процессы носят преимущественно непериодический характер, с частым чередованием циклонов и антициклонов. На фоне действующего западного переноса в тропосфере, обусловленного значительными разностями температуры между экватором и полюсами, теряют самостоятельное выражение сравнительно малые градиенты температуры и давления, обязанные распределению материков и океанов. Но материки северного полушария вызывают возмущения западного переноса и создают меридиональную составляющую этого переноса.

Если посмотреть на карту изобар января или июля, то обнаружим, что изолинии окантуривают материки северного полушария, в связи с чем, градиенты давления у поверхности земли летом будут направлены с моря на сушу, а зимой – в обратном направлении. Очевидно, что при отсутствии материков изобары у поверхности земли опоясывали бы земной шар правильными кругами. Это мы с вами можем наблюдать в южном полушарии.

Таким образом, муссонная циркуляция как результат теплообмена между материками и океанами, в значительной степени ослабленная действием западного переноса в тропосфере, обнаруживается лишь у поверхности земли в виде сезонной смены ветров.

В умеренных широтах, особенно зимой, когда контрасты температур значительны и имеет место интенсивная циклоническая деятельность и антициклональная деятельность, муссонные потоки не отличаются устойчивостью.

Внетропические муссоны наиболее хорошо выражены на Дальнем Востоке России, северо-востоке Китая, в Корее, Японии, полуострове Аляска; проявляются на севере Евразии и в некоторых районах субтропиков.

Зимой над Восточной Азией удерживается устойчивый антициклон. В соответствие с барическим полем воздушные течения над восточной частью Азии имеют в это время северное или северо-восточное направление (зимний муссон). В ряде районов происходит вынос воздуха в нижних частях атмосферы через береговую линию с суши на океан. Летом над Азией господствует пониженное давление, а над прилегающими морями оно повышено. Поэтому над Дальним Востоком преобладают южные и юго-восточные течения с моря на сушу (летний муссон).

Муссон приносит осадки лишь в том случае, если влажные воздушные течения, идущие с моря на сушу, вовлекаются в циклоническую циркуляцию или в результате нагревания над материком становятся неустойчиво стратифицированными (фронтальные или конвективные осадки), а так же при встрече орографическими препятствиями. В противном случае муссон может приносить засуху (над Западным Китаем), даже при большом влагосодержании воздуха.

4. Типы атмосферной циркуляции во внетропических широтах

1. Зональный тип циркуляции: над значительной частью полушария (даже над всем) господствует западный перенос воздуха. Это говорит о том, что в крупномасштабном распределении давления высокое давление занимает низкие широты, а низкое давление – высокие широты. Общий перенос воздуха идет с запада на восток, в этом же направлении перемещается с достаточно большой скоростью циклоны и антициклоны. На картах АТ изогипсы в общем имеют зональное направление. Междуширотный обмен тепла ослаблен.

2. Меридиональный тип циркуляции: во внетропических широтах имеются высокие и малоподвижные циклоны и антициклоны. Они простираются до больших высот, поэтому западный перенос в тропосфере ослабляется и нарушается. На картах АТ видны обширные ложбины, простирающиеся в низких широтах, и гребни, простирающиеся в высоких широтах. Поэтому воздушные течения на высотах приобретают меридиональные составляющие. В передних частях циклонов и тыловых антициклонов воздушные течения направлены из низких широт в высокие, а в тылу циклонов и передней части антициклонов – из высоких широт в низкие. Обмен воздухом между высокими и низкими широтами идет интенсивнее, чем в зональном типе.