The main features of the quasi permanent tropical circulation

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

Представления об атмосферной циркуляции в тропиках остаются пока нечеткими. Причины этого двоякого рода: с одной стороны, недостаточное развитие станций и небольшая продолжительность рядов наблюдений; с другой стороны, различия в методах анализа и в толковании результатов.

Тропическая метеорология начала развиваться очень поздно, так как первые исследователи полагали, что циркуляция и погода в тропиках однообразны на огромных пространствах. Отсюда сле­довало, что создание густой метеорологической сети здесь не так необходимо, как в умеренных широтах. Развитие этой сети зачастую затруднялось слабой заселенностью территории тропиков. Даже сейчас число имеющихся специалистов не удовлетворяет потребно­стей в них, а оборудование станций остается примитивным. Очень редкая сеть станций возникла лишь лет двадцать тому назад, с раз­витием гражданской авиации. Достижения последних десяти лет связаны с деятельностью военной авиации, в частности, в ходе войны между США и Японией. Этот прогресс еще ограничивается дорого­визной радиозондирования (в основном используются шары-пилоты), а также нехваткой специалистов, как наблюдателей, так и исследо­вателей, из числа местного населения. Ряды наблюдений еще немногочисленны и непродолжительны (самое большее 10—20 лет). По всем этим причинам имеющиеся в нашем распоряжении Кон­кретные данные позволяют лишь выдвигать гипотезы об общем ме­ханизме тропической циркуляции.

Наблюдения в приземных слоях и на высотах, проведенные в последнюю мировую войну, оказываются достаточными, чтобы опровергнуть классические представления о пассатах, антипассатах и зоне затишья. Но этих наблюдений недостаточно во времени и пространстве, чтобы можно было создать новую систему. Поэтому наши современные знания о тропической циркуляции в основном носят негативный характер. Еще важнее, что к разрывам в сети наблюдений присоединяется неизбежный разнобой во взглядах, и потому поспешные обобщения приводят к появлению множества противоречивых объяснений. Нет ни одного вопроса, который не получил бы по крайней мере двух противоположных решений.

В этом плане очень показателен опрос всех «тропических мете­орологов» в виде анкеты, проводившийся с 1947 г. Геофизическим институтом в Лос-Анжелесе. Было получено три серии ответов, исходивших от представителей трех различных школ. Первая школа используетклиматологический метод, то есть изучение средних данных (напомним, что для метеорологов климатология — наука, которая, по определению, изучает пространственное распределение средних значений температуры, давления, влажности и т. д.). Циркуляция описывается на основании анализа средних годовых или сезонных карт, но не синоптических карт, отражающих наблюдения в определенные моменты времени. Эта школа оставляет классическое разделение на три зоны: субтропических антицикло­нов, пассатов, штилей. В каждой зоне изменения погоды являются результатом очень простых солнечных ритмов — суточного и го­дового. Термическая конвекция внутри экваториальной депрессии является двигателем всей системы. Сейчас ясно, и мы на этом оста­новимся еще дальше, что эта упрощенческая теория, игнорирующая синоптические проблемы, основывается на обобщении для всей планеты очень локализированных фактов, наблюдаемых лишь на отдельных меридианах.

Вторая серия ответов характеризует метод., воздушных масс. Речь идет опять о произвольном систематическом приложении механизмов, относящихся лишь к части земного шара. Далее мы покажем, что норвежские фронты не могут объяснить главные ат­мосферные явления низких широт.

Наконец, третья школа вносит, действительно, совершенно новый подход. Метод возмущений объективно использует данные, специфические для тропических областей, и описывает синоптиче­ские явления, то есть непрерывное, день за днем, развитие погоды. Синоптические карты, которыми приходится оперировать, однако, не обнаруживают фронтов и воздушных масс, подобных наблю­даемым в средних и высоких широтах. Динамика атмосферы здесь оказывается результатом не контрастов плотности (определяемых фронтальными разрывами температуры), а разрывов вскорости и в направлении линий тока. Анализ кинематического поля, то есть этих линий тока, позволяет выделять области конвергенции и дивергенции, с которыми соответственно связаны либо облачная и дождливая, либо безоблачная и тихая погода. Этот последний метод представляется наиболее правильным. Действительно, он уже позволил описать и объяснить ряд деталей атмосферного механизма внутри интересующей нас зоны, которые мы далее проанализируем.

В своей статье в «Compendium of Meteorology» Пальмер (С. Е. Pa­lmer) в 1951 г. тем не менее ставит в упрек школе возмущений то, что она не дает «полную систему объяснений», применимую ко всей тропической зоне (см. в конце книги библиографические ссылки, относящиеся к современным идеям школы Россби). Точнее, Пальмер думает, что эта школа, пронизанная доктринами ее вдохновителя Россби, совершает, как и две первые школы, ту же ошибку при обобщении. «Порочное обобщение», по выражению Пальмера, сводится к утверждению, что процессы горизонтальной крупномасштабной турбулентности, установленные для полярных широт, управляют циркуляцией на всей планете.

Последнее замечание показывает всю сложность проблем тропической метеорологии. Метод, который Пальмер все же считает наиболее правильным, не может дать вполне объективной общей картины, что неизбежно при современном состоянии наших знаний. Можно, правда, описать элементарные процессы тропической цирку­ляции в тех районах, где сеть метеорологических станций доста­точно густая. Но представляется очень трудным объединить все эти элементы в неоспоримую общую теорию. Пальмер прямо пишет: «Нельзя считать, что в настоящее время существует дина­мическая метеорология тропиков». Полная система объяснений мо­жет сейчас опираться лишь на факты, хорошо установленные для других планетарных зон, где очень густая сеть позволяет произво­дить обоснованные обобщения. По этой причине ученики и сотруд­ники Россби приняли общую концепцию, основанную на турбулент­ности полярной зоны. Сделана попытка локализировать начальную энергию планетарной циркуляции во внетропической зоне, так как слишком малый материал не позволяет пока утверждать (или отрицать), что источник этой циркуляции находится в тропиках. Теория Россби (С. G. Rossby, 1947, 1949) в этих условиях может представлять собой лишь предварительное приближение.

В нашем исследовании мы постараемся учесть указанные неяс­ности. Мы изложим, не придерживаясь какой-либо сложившейся системы взглядов, различные процессы, наблюдения за которыми проводились в течение примерно двадцати лет. Такая сводка уже может явиться исходной базой для исследователей, желающих заняться этими вопросами. В то же время было бы чрезмерным утверждать, как это иногда делается, что мы почти ничего не знаем о тропической циркуляции. Как и в других областях, мы не по­дошли еще к полному и глубокому объяснению этих явлений. Но уже четко вырисовываются многие ведущие положения, в рамки которых, возможно, войдут и будущие открытия, если будет рацио­нально использована синоптическая документация. Представляется даже, что и теоретические расхождения не всегда непреодолимы, если попытаться их сблизить на основании реальных фактов. Все три метода, критически изложенные Пальмером, в значительной степени обладают четкостью и эффективностью. Так, климатологи­ческий метод позволяет определить наиболее общие зональные особенности давления и ветра. Между прочим, и школа возмущений не отказалась от всех классических концепций. Она их рассматри­вает как фон, на котором без его полной ликвидации развиваются синоптические атмосферные возмущения, определяющие истинную картину погоды. Этот фон сохраняет свое значение, если не счи­тать его постоянным и неизменным, как это делали первые исследо­ватели. Точно так же для умеренной зоны опыт синоптиков показы­вает, что существует устойчивое поле давления (центры действия), на которое налагается поле возмущений (норвежские циклоны). Никто никогда не утверждал, что устойчивое поле постоянно, поскольку крупные центры действия усиливаются, исчезают и видо­изменяются один за другим.

В этой главе в таком плане и будут рассмотрены три основные зоны тропической циркуляции (зона субтропических антициклонов, пассаты, экваториальная депрессия) с учетом того, что каждая из них испытывает два типа изменений: 1) изменения со сравни­тельно продолжительным периодом — сезонные или случайные; 2) изменения с очень коротким периодом, то есть возмущения. В следующей главе будут описаны все эти колебания. Анализ, доведенный до ежедневных реальных изменений погоды, будет проведен на основании новейших синоптических данных. Мы хотим этим подчеркнуть намного большее значение кинематических возму­щений, чем фронтальных, которые мы тем не менее не оставляем полностью в стороне. Надежные наблюдения показали, что фронты иногда действительно проникают в междутропическую зону. Было бы проявлением необъективности недооценивать их влияние.

Макромасштабные междутропические зоны

Уже издавна карты ветров, составленные в основном по кора­бельным наблюдениям, и средние карты давления позволя­ли выделить в междутропической зоне три параллельных пояса, ориентированных с запада на восток. Недавние исследования Минца и Дина (Y. Mintz, G. Dean, 1952) под­тверждают эти классические взгляды (см. рис. 1 и 2). Они отражены и на схеме рис. 8, хотя в отношении экватори­ального пояса она выражает точку зрения, разделяемую не всеми авторами.

Во-первых, в полосе шириной 10—20° между 20-й и 40-й параллелями каждого полушария давление на уровне моря резко повышено. Ветры расходятся из анти­циклональных ячеек, расположенных более или менее обособленно, в зависимости от полушария и сезона, в широтном направлении. Это субтропическая зона высо­кого давления.

Во-вторых, между этой зоной и экватором в обоих полушариях чаще всего дуют ветры восточного сектора, и давление медленно понижается в направлении к низким ши­ротам. Это так называемая зона пассатов.

В-третьих, экватор является областью сходимости меж­ду пассатами. Движение воздуха имеет существенные вос­ходящие составляющие, что создает пониженное давление; это экваториальная, или, лучше, междутропическая депрес­сия. С другой стороны, горизонтальный градиент здесь очень мал, с чем связано отсутствие сильных ветров и непостоянство направления ветра; отсюда другое название этой зоны: зона экваториальных штилей, или экваториаль­ная зона затишья (doldrums) (doldrums — английское слово, которое первоначально обоз­начало плохое настроение, хандру, подавленность. Конкретное значение, применительно к географической области, возникло в парусном флоте около 1850 г. Этот термин обозначает зону слабых и переменных ветров, в пределах которой корабли могли целые недели оставаться на месте, что, конечно, приводило в уныние моряков).Однако на некоторых меридианах и в разное время, в зависимости от района, здесь развивается хорошо выраженный поток с запада на восток (экваториальные западные ветры, см. рис. 8). Эти зональные особенности нуждаются в двух замеча­ниях. Во-первых, речь шла о таких доминирующих фактах, которые выявляются на средних картах и, следовательно, отражают лишь результирующие явления. Реальный ветер и конкретный, неосредненный градиент давления непрерыв­но меняются по силе и направлению, как это показывают анализы Минца и Дина. Во-вторых, это разделение на пояса затрагивает только нижние слои, до высоты 3—4 км. Изобарическая поверхность 500 мб непрерывно снижа­ется от параллели, где Солнце достигает зенита, к полюсам, то есть в направлении меридионального градиента темпера­туры. С этим связан квазиперманентный режим западных или восточных (в зависимости от сезона) ветров (см. рис. 3 и 4). Таким образом, зональное расчленение нижних слоев свойственно только этим слоям.

Субтропические антициклоны

Антициклональные ячей­ки между 20 и 40° широты (см. рис. 1 и 2) представляют одну из главнейших проблем общей циркуляции атмосферы. Положение этих антициклонов на стыке полярной и междутропической циркуляции позволяет априори выд­винуть три гипотезы: чисто экваториальное происхожде­ние этих антициклонов; происхождение одновременно экваториальное и полярное (gод термином «полярный» здесь и в ряде случаев дальше подразумеваются воздушные массы, относящиеся к внетропическим широтам, в том числе и к умеренным.— Прим. Ред.); целиком полярное происхож­дение. Даже ограничиваясь в этом исследовании частным вопросом, то есть анализом муссонов, необходимо остано­виться на какой-то одной теории. Считать ли, что летний муссон — термический процесс нижних слоев, или что он является проникновением пассата одного полушария в другое, или представляет собой чисто экваториальный западный поток,— все равно необходимо понимать дейст­вие или реакцию субтропических антициклонов. Необходи­мо также знать, почему эти антициклоны усиливаются или ослабевают в зависимости от сезона и местоположения. Полное объяснение, позволяющее предвидеть интенсив­ность муссона, требует поэтому раскрытия первичных ме­ханизмов, создающих субтропические антициклоны.

Прежде всего надо отметить приземный характер этих антициклонов. Они обнаруживаются на уровне моря, но уже не существуют на 500 мб (см. рис. 1—4). На высотах нет тройного расчленения междутропической зоны, но просто имеется возможность для проявления здесь двух влияний: холодной полярной депрессии зимой и теплого экваториального хребта высокого давления летом. Итак, синоптический опыт подтверждает ведущую роль циркуля­ции верхних слоев в субтропических широтах (cоображения о направляющем влиянии высоких слоев (steering), которое может быть более или менее определяющим в разных частях планеты, см. Р. Pedelaborde, H. Dе1аnnоу, Recherches sur les types de temps et le mecanisme des pluies en Algerie, «Ann. Geogr.», Paris). Приземные антициклоны поэтому не являются ни единственными, ни даже главными центрами действия тропической зоны.

Вторая особенность — это горизонтальная разрывность. В любой сезон субтропические антициклоны ограничива­ются океанами. Такое распределение не всегда отражает термический эффект, поскольку низкие температуры суши повышают давление зимой. Возможно, что трение над материками, исключающее полный параллелизм ветра изобарам, вызывает радиальную дивергенцию и быстро ликвидирует антициклоны. Преобладающее положение максимумов давления в восточных частях океанов позво­ляет в то же время предполагать полярное влияние. Известно, что циклонические серии умеренной зоны обычно зарождаются у западных побережий. Пересекая океан, члены этих серий циклонов окклюдируются и сопровождаются вторжениями полярного воздуха в направлении к тропикам (заключительный антициклон серии). Выходы заключительных антициклонов регулярно усиливают именно самые восточные морские ячейки.

Эта периодическая регенерация под влиянием полярных вторжений, описанная в 1934 г. норвежцами в «Физической гидродинамике», по-видимому, подтверждается сложной структурой субтропических воздушных масс. Во-первых, пассат, дующий к экватору, имеет на той или иной высоте термическую инверсию. В 1936 г. Фикер (Н. Ficker) объяснил эту особенность наложением двух воздушных масс — нижней массы холодного и влажного воздуха из умеренной зоны и вышележащего теплого и сухого воздуха из более низких широт. Во-вторых, тропический воздух, направляющийся к полюсу, также имеет разрывы, как термические, так и динамические, что определяет его неустойчивость (зондажи на Каримаре). Миронович и Вио A. Viaut) объясняли в 1938 г. эти явления наличием на высоте холодного полярного воздуха, расположен­ного над воздухом, поступившим ранее и уже получив­шим в результате трансформации тропические свойства (объясняющие термодинамическую неустойчивость), или же наличием внизу холодного полярного воздуха, вкли­нивающегося под формирующийся тропический воздух. (С этим связана и фронтальная неустойчивость.) Оба автора предложили ввести понятие неустойчивого морского тропического воздуха для обозначения гетерогенной массы, происходящей из азорского антициклона. Высотные линии тока над Индией зимой также показывают, что антицикло­нические вихри Декана имеют такое же полярное проис­хождение, что и циклонические волны холодных возмуще­ний, перемещающиеся несколько севернее, вдоль Ганга (см. рис. 25).

В 1947 г. Россби дал чисто полярное объяснение субтро­пических антициклонов. Речь идет уже не о регенерации, то есть не о дополнительном процессе, присоединяющемся к основному процессу, описанному климатологической школой. Субтропические антициклоны, по Россби, не связаны в основном с опусканием воздушных масс анти­пассата, а дополнительно — с полярными вторжениями. Они рассматриваются как результат динамического оседа­ния, вызванного на южной периферии струйного течения выносом потока к экватору. Россби пользуется даже гид­рологической аналогией. Опускание верхнего воздуха, на­пример, справа от бореального струйного течения, должно иметь такую же природу, что и нисходящие движения, наблюдаемые океанографами справа от Гольфстрима или Канарского течения.

Если Россби говорит о чисто полярном происхождении субтропических антициклонов, то это означает, что он считает невозможным существование экваториального термического восхождения воздуха, составляющего ос­новное положение климатологической школы. Действи­тельно, можно констатировать, что горизонтальные гради­енты температуры внутри тропиков остаются очень незна­чительными, а экваториальный пояс нередко бывает даже холоднее, чем прилегающие к нему области более высоких широт. Это объясняется условиями радиационными (облач­ность зоны затишья) и термодинамическими (адиабатичес­кое охлаждение восходящего воздуха). По этому вопросу можно сослаться на наблюдения Вуорела (L. Vuorela), Симпсона (R. H. Simpson) и Шнапауфа (W. Schnapauff), от­носящиеся ко всем уровням тропосферы. Трудно допустить, что воздух поднимается над экватором в силу термических причин, так как в районах с малой облачностью (то есть в наиболее жарких) почти всегда наблюдаются движения оседания, а когда небо закрыто облаками, то есть в наиболее холодных областях, происходит обратное явле­ние (рис. 10). Рис. 10 ясно показывает, что экваториальное восхождение воздуха является динамическим следствием конвергенции пассатов. Наоборот, при дивергенции пасса­тов воздух опускается. Короче, субтропические антицикло­ны управляют экваториальной конвергенцией и восхожде­нием воздуха, а не являются их следствием. Эти антицикло­ны, таким образом, оказываются результатом полярных, а не междутропических явлений. Хотя они располагаются по тропической окраине полярной циркуляции, они еще относятся к этой циркуляции.

Возможные направления пассата

Дополнительным доказательством полярного проис­хождения субтропических антициклонов служит частое отсутствие антипассатов, тогда как с классической точки зрения антипассаты необходимы для питания антицикло­нов. Почти всегда между тропиками высотные ветры строго зональные, а не направлены с юго-запада на северо-восток. Часто пассат даже доходит до верхней границы тропосферы без всяких признаков обратного экваториального течения над ним. Напротив, субтропические антициклоны кажутся тесно связанными с режимом длинных волн в полярном западном переносе. Уже в 1910 г. Локайер (W. Lokyer) отмечал, что перманентность антициклональных ячеек существует только на средних картах. В южном полушарии истинное их существование не пре­вышает недели и каждое их возобновление соответствует полярному вторжению (Хромов). Антициклонические системы на средней карте обнаруживаются только из-за «упрямого стремления» антициклонов возникать на том же месте (Миронович). В связи с этим надо идти по пути анализа ежедневных синоптических карт и рас­сматривать вместе явления в нижних слоях (полярные вторжения) и на высотах (холодные «капли» или гребни планетарной волны).

Детальное изучение этих процессов в северной Атлан­тике за три года дало нам следующие факты. Устойчивость антициклональной ячейки зависит от сложного равнове­сия между созидательными и разрушительными механиз­мами. Холодные вторжения активизируют окклюзию и порождают заключительные антициклоны циклонических серий. Но эти холодные антициклоны сохраняются более или менее продолжительное время только если над ними располагаются также планетарные гребни (очень устойчи­вый комбинированный антициклон). Лишь в этих условиях полярный воздух задерживается в субтропических широтах и медленно прогревается за счет оседания и радиации (трансформация полярного воздуха в тропический). В про­тивном случае, когда течение становится слишком мощным и достигает очень низких широт, циклоническая кривизна сохраняется, сопровождающий гребень остается блоки­рованным на западе и депрессия сохраняется на всех уровнях, благоприятствуя зарождению или поддержанию циклонов. Представляется, что поскольку линии тока в низких широтах остаются зональными, практически параллельными и растянутыми, на большие пространства, то всякое междутропическое влияние исключено. Поэтому местный субтропический воздух остается пассивным или переносится с запада на восток; но ни на одном уровне (1000, 500 и 300 мб) не обнаруживается никакого эквато­риального потока. Наоборот, линии тока в полярном воздухе непрерывно колеблются, проникая более или менее к югу, то создавая, то разрушая антициклоны. Желательно провести анализ более продолжительного ряда наблюдений, чем тот, который был взят нами за 1951—1953 гг. и, возможно, относится к нетипичным условиям. Следовало бы также расширить наблюдения, охватив все океаны обоих полушарий.

Тем не менее наши предварительные результаты заметно подчеркивают полярное влияние, даже при вмешательстве других факторов. На ежедневных картах субтропические антициклоны хорошо проявляются, в соответствии с теоретическими взглядами Россби, как результат оседания воздуха по южной окраине западного переноса. Это осе­дание захватывает местный воздух и полярный воздух, приносимый адвекцией в случае, если эти массы относятся к гребню. В обратном случае циклоническая конвергенция разрушает антициклон, когда возмущенный полярный поток проникает в субтропические широты в широкой и глубокой долине атмосферной волны. Преобладающее положение самых мощных антициклонических систем на средней карте объясняется при этом условиями аэроло­гического барьера на тропической окраине западного пе­реноса. На востоке океанов одновременно развиваются и заключительные вторжения циклонических серий и теплые гребни на 500 мб, оказывающиеся следствием частых блокирований зонального течения у береговой линии (о блокировании и его тяготении к восточным частям океанов см. в библиографии работу Рекса (D. F. Rex)). В центре и на западе Атлантики антициклогенез менее обычен вследствие мощных потоков, идущих восточнее Скалистых гор и восточнее Гренландии (гидродинамиче­ский эффект препятствия, описанный Болином). Анти­циклон восточной Атлантики не проникает на Среди­земноморье, так как блокирования в Европе направляют туда полярный и даже арктический воздух, а этот холодный воздух развязывает сильный циклогенез (см. по этому вопросу следующие работы: P. Pedelaborde, Le tourbillon, «Ann. Geogr.», Paris, 1958, p. 481—498; Recherches sur les types de temps et le mecanisme des pluies en Algerie, «Ann. Geogr.», Paris). В отличие от этого тихоокеанский антициклон часто охватывает Кали­форнию благодаря теплому гребню, вызываемому Скалис­тыми горами. Летом бореальные антициклоны обоих океанов расширяются к западу и северу, так как холодные течения становятся менее активными.

Антициклоны южного полушария образуют тесную цепочку в любой сезон, поскольку континентальные условия, благоприятствующие глубокому проникновению холодного воздуха в низкие широты, здесь более редки, чем в северном полушарии. Вторжения здесь достаточно часты, чтобы создавать антициклоны (быстрая циркуля­ция, управляющая многочисленными циклонами и сопро­вождающими их холодными вторжениями), но их мериди­ональное распространение недостаточно для разрушения антициклональных ячеек.

[Утверждение автора в начале этого раздела, что субтропи­ческие антициклоны уже не существуют на 500 мб, слишком ка­тегорично. Новые карты топографии, не только синоптические, но и многолетние средние, ясно их показывают, конечно — в поло­жении, смещенном по сравнению сприземным. Слишком категорично и утверждение о строго зональном характере высотных ветров в тропиках. Меридиональные составляющие там есть, однако менее регулярные и определенные, чем это предполагалось в прежней концепции антипассатов. Может быть, даже составляющие, направ­ленные к высоким широтам, несколько преобладают, чем отчасти компенсируется принос воздуха пассатами. Во всяком случае, употребление термина «антипассат» не кажется предосудительным: в основном западный (но не юго-западный и не северо-западный) перенос в высоких слоях над пассатами действительно противопо­ложен основному восточному переносу пассатов, и потому за ним может быть оставлено название антипассата. Но, конечно, этот западный перенос является лишь низкоширотной частью общего западного переноса над полушарием.— Ред.]

Зона пассатов

Пассатными ветрами, или пассатами, называют, по определению Икера, «регулярные восточные ветры, означающие поток тропического воздуха, идущий вдоль экваториальной периферии субтропических анти­циклонов». Первые исследователи думали, что этот воздуш­ный поток в северном полушарии всегда следует с северо-востока на юго-запад, а в южном полушарии — с юго-востока на северо-запад, и что его сила остается постоянной. Регулярность и «умеренность» (в среднем 20 км/час) пас­сатов, между прочим, способствовали открытию Нового света в XVI в. Эти черты отражаются в названиях пасса­тов на разных языках: во французском alize от слова alis — единый, в английском trade winds — регулярные ветры, в немецком passat от португальского passato — переход.

Долгое время полагали, что пассаты захватывают треть поверхности Земного шара между северными и южными субтропическими широтами. Однако мореплавателям хорошо известно, что в пассатах существуют «разрывы», особенно частые в западных частях океанов. Метеорологи наблюдают также значительные изменения скорости, направления и вертикальной структуры пассатов как во времени, так и в пространстве. Постоянство этих трех элементов существует в действительности только в восточ­ных частях океанов в двух очень узких полосах (до 10° по широте), по одной в каждом полушарии. По мере удаления от этих зон к северу, югу или западу изменчивость стано­вится почти столь же значительной, как и в зоне западных ветров средних и высоких широт (см. Минц и Дин).

Пространственные различия в направлении представля­ются очень четкими, если их сопоставить с субтропиче­скими антициклонами, которые вызывают эти различия. Пассат не является северо-восточным потоком северного полушария или юго-восточным потоком южного полу­шария; это поток восточного сектора горизонта, очень тесно соответствующий направлению изобар субтропи­ческого антициклона. Изменения скорости и структуры пассатов вытекают, таким образом, из колебаний мощности и протяженности этих антициклонов в зависимости от полярных процессов, которые их усиливают или разруша­ют (под «тропическим воздухом» Икера следует понимать тропи­ческий воздух, формирующийся при застаивании в антициклонах субтропических широт. Этот воздух не обязательно происходит из междутропических широт. Главным образом, как мы это уже видели, он поступает из умеренных и полярных широт). Современное определение Икера, которое мы приняли, таким образом, должно заменить старую концепцию, пригодную лишь для восточных частей океанов, где субтропические антициклоны наиболее устойчивы (см. рис. 10). Над северной Атлантикой, например, пассат дует с северо-востока в восточной части океана, с востока — в центральной части и с юго-востока — в западной части. Эти три режима ветра соответственно совпадают с долго­тами 1, 2 и 3 на рис. 10. Можно заметить, что пассаты обоих полушарий расходятся на западе к Антильским островам и к Бразилии. Таким образом, над этой областью между двумя ветвями пассатов, направленными к высоким широтам, существует широкая зона слабых ветров, где часты разрывы пассата.

Различия в структуре и изменчивости в пространстве объясняются также положением относительно центра антициклона. Инверсия температуры и влажности, харак­терная для пассата, возможно, связана, как это показал Фикер, с двойственным характером его питания: во-пер­вых, тропический воздух, уже давно трансформиро­вавшийся из полярного; во-вторых, недавно поступив­ший полярный воздух. Везде можно констатировать наличие влажного и относительно холодного слоя у земной поверхности и более теплого и сухого воздуха над ним. Хотя этот факт относится ко всем океанам обоих полушарий, но в разных местах наблюдаются очень боль­шие различия в высоте инверсии.

На востоке океанов пассат, направляющийся к экватору, движется над более или менее теплыми водами, увлажняется и прогревается. Этот процесс создает или увеличивает термодинамическую неустой­чивость. Каждый восходящий ток создает кучевое облако (Сu пассатов), вершина которого соответствует устой­чивому слою инверсии. Мощность этих Си возрастает в направлении к экватору; вместе с этим увеличивается высота инверсии. В субтропических широтах инверсия обнаруживается очень низко (около 500 мt) в результате антициклонического оседания. По мере приближения к экваториальной зоне конвергенции и восхождения воздуха динамическая неустойчивость присоединяется к термо­динамической; это поднимает устойчивый слой на очень высокие уровни или же приводит к полной ликвидации инверсии (Шнапауф). Пассат постепенно затухает, про­никая в экваториальную депрессию, и горизонтальные движения уступают место вертикальным, преимуществен­но восходящим. Только здесь облака вертикального развития (Cu и Cb) могут достигать мощности, достаточной для выпадения ливней. В других областях над всей восточной частью океана преобладает устойчивость, а стало быть, и сухость. С этим связан двойной пояс пустынь между широтами 20 и 30° в обоих полушариях (Сахара, Сонора, Калахари, Австралия, Чили).

В западных частях океанов, наоборот, преобладает неустойчивость, с чем связан намного более изменчи­вый характер погоды. Даже в субтропических широтах на окраинах антициклонов мощность влажного слоя достигает 1000 м, а инверсия иногда поднимается до 2500 м. Возрастает число Си, и они могут уже питать обильные ливни. Возмущения (восточные волны, тро­пические циклоны и т. д.) характерны именно для этих районов большой неустойчивости, которая, впрочем, возникает в силу многих причин. Это, во-первых, орография, так как восточный пассат здесь со всей силой наталкивается на западные берега океанов. Это относится к Антильским островам, Мадагаскару, юго-восточной Бразилии и юго-восточной Австралии, Японии, Южно-Китайскому морю. Во-вторых, это термодинамические при­чины, поскольку наиболее теплые и влажные воздушные массы являются и наиболее неустойчивыми. Пассат у восточных берегов остается прохладным и относительно сухим из-за своего недавнего полярного происхождения, меридиональной (то есть короткой) траектории и наличия холодных вод в восточных частях океанов (Перуанское, Канарское течения и др.). В отличие от этого пассат у западных берегов жаркий и влажный, так как он питается уже давно сформировавшимся тропическим воздухом (юж­ной периферии антициклона, недоступной для холодных вторжений), совершающим длинный путь над тропическими морями (сначала на запад, затем на северо-запад в северном полушарии или на юго-запад в южном); кроме того, запад­ные воды океанов более теплые, чем восточные. В-третьих, динамика субтропических антициклонов объясняет также и интенсивность восхождения воздуха. Норвежцы (в «Физи­ческой гидродинамике») допускают, что плоскости эллипти­ческих траекторий воздуха по периферии этих антицикло­нов наклонены к востоку. Поэтому воздух опускается на востоке и поднимается на западе. Теорема вихря (P. Pedelaborde, Le tourbillon, «Ann. Geogr.», Paris, 1958.) легко позволяет понять этот процесс (рис. 11). Сравнительно холодный воздух, питающий восточные периферии анти­циклонов, действительно имеет вначале циклональный вихрь по причине своего полярного происхождения. Однако конечная траектория — антициклоническая. Такое изменение предполагает сильную дивергенцию, то есть опускание вихревого столба D в выражении:

где l=2омега sin фи — параметр Кориолиса. Омега — скорость вращения Земли (729x 10^-7 рад/сек), фи — широта, зита=2омега’ — удвоенный относительный вихрь скорости, то есть удвоенная угловая скорость омега’ вращения около вертикали, D — высота вертикального вихревого столба. Напротив, теплый тропический воздух, движущийся по южной периферии антициклона, приобретает вследствие застаивания в этих широтах антициклональный вихрь. Поэтому он не огибает антициклон, а удаляется от него в виде восточного или юго-восточного пассата. Вертикальный столб в этом случае должен распространяться вверх, что позволяет ему приобрести более циклоническую кривизну (D растет в выражении l+зита/D=const.).

Объяснение устойчивости на востоке и неустойчивости на западе субтропического антициклона

Пассат, отклонившийся при переходе из одного полу­шария в другое (муссон по Икеру), имеет еще более ярко выраженные черты неустойчивости. Инверсия исчезает, влажный и облачный слой становится очень мощным. Сb часто достигают верхней части тропосферы (15—17 км). Во всей воздушной массе турбулентность очень сильна, дожди и ливни уменьшают видимость, выше 5000 м стано­вится возможным обледенение. Эти особенности «муссон­ного течения», отмечаемые всеми летчиками, объясняются долгим путем над морем (с прогреванием и увлажнением) и пребыванием в экваториальной зоне динамического восхождения. Пассат, сухой и нисходящий по своему полярному происхождению, становится очень влажным и очень неустойчивым, когда он пересекает тропическую зону по всей ее ширине. Но мы увидим далее, что такой путь не всегда необходим для приобретения этих особенностей. Местный экваториальный воздух в области экваториаль­ной депрессии также обладает большой неустойчивостью.

Междутропическая депрессия

Между двумя поясами антициклонов располагается в низких широтах более или менее обширная зона мало меняющегося пониженного давления (см. рис. 1 и 2). Эта зона вообще близка к экватору и чаще всего огибает с запада на восток всю планету. Ее называют междутропической или экваториальной деп­рессией (или ложбиной); барический градиент здесь ближе к нулю, а давление лишь немного ниже нормы. По медиане ложбины средние величины давления в июле и январе, по Рилю (Н. Riehl), соответственно 1008 и 1009 мб. Определе­ние «междутропическая» правильнее, чем «экваториальная», которым пользовались прежние авторы, так как эта зона, подобно двум другим, испытывает в течение года переме­щения, существенно удаляющие ее от экватора северным летом (см. рис. 17).

Барические и динамические особенности этой зоны являются следствием сходимости пассатов, с одной стороны, и широтного положения зоны — с другой. Сходимость определяет восхождение воздуха, с чем связано понижение давления у поверхности земли и, в порядке компенсации, избыток давления на высоте, где накапливается восходя­щий воздух (ср. рис. 1—4). Наличие пониженного давления в нижних слоях, несмотря на конвергенцию, показывает, что восходящие потоки увлекают больше воздуха, чем его поступает у земной поверхности. Эта интенсивная конвекция объясняется термодинамическим состоянием, благоприятствующим неустойчивости. Сама неустойчи­вость оказывается следствием зонального положения. Пас­cаты, приближаясь к экватору, увеличивают свое влаго­содержание, проходя над теплыми морями или над влажно­тропическими лесами. С другой стороны, высокие слои остаются относительно холодными (излучение вершин облаков и слабое поглощение в верхнем менее влажном воздухе), тогда как нижние слои получают тепло конден­сации., освобождающееся при выпадении осадков. Однако при облачности воздух на экваторе остается более прох­ладным, чем в тропиках. Поэтому нельзя сказать, что именно термическая конвекция в данном месте вызывает восхождение воздуха. Вертикальные движения в между­тропической депрессии имеют характер, противоположный тому, что происходит в тропиках, где воздух опускается, несмотря на значительное прогревание нижних слоев. Неустойчивость и восхождение обусловлены здесь термо­динамической эволюцией пассата во всей его толще: увлажне­ние, с одной стороны, рост вертикального градиента — с другой. Пассат становится неустойчивым вследствие пере­мещения в меридиональном направлении, а не благодаря радиации, получаемой у экватора (заметим, что наиболее высокие температуры на Земном шаре наблюдаются не на экваторе, а в областях, где оседание в субтро­пических антициклонах способствует очень сильной инсоляции при чистом небе. Например, Долина Смерти (36° с. ш., Калифорния), с температурой 56,6° 10.VII 1931 г., или Уаргла (32° с. ш., Сахара), с температурой 53° 17. VII 1879 г., или Джакобабад (28° с. ш., Ниж­ний Инд), с температурой 53,2° 13.VI 1879 г.).

Обычно слабость ветров внутри междутропической депрессии объясняют преобладанием восходящих течений. Однако в других областях Земного шара вертикальные движения вызывают сильные горизонтальные вихри. Лет­ние грозы в Европе в ситуациях «барометрического болота» могут служить доказательством этому. Точно так же тропические тайфуны и ураганы, в которых большие ско­рости приземных ветров явно связаны с мощными восходя­щими движениями. Напротив, воздух междутропических депрессий поднимается в целом во всей зоне, и мощные возмущения возникают только по северной и южной окраинам зоны депрессии, довольно далеко от экватора. Ветер всегда слабый, направления его очень переменны, часто наблюдаются штили. В Кота-Бару, например, на востоке Малайи, 61% ветров в течение года не превышает 4 миль/час, то есть 1/8 м/сек. Даже в январе, когда дует зимний муссон, только 9% ветров достигают скорости свыше 12 миль/час, то есть свыше 5,4 м/сек. Очень малая величина параметра Кориолиса (l=2Омега sin фи) объясняет эти особенности поля ветра, так как sirup на экваторе равен нулю (широта фи=0°). Поэтому не образуется гори­зонтальных вихрей вокруг столбов восходящего воздуха. В связи с этим градиенты давления, появляющиеся благо­даря кривизне линий тока, не могут развиваться. Поднима­ющийся воздух порождает только большие клубящиеся облака Си и Сb. Эти облака конвекции эволюционируют в течение дня, как и в других областях Земли. Они раз­растаются и становятся более мрачными в самые жаркие часы; ливни разражаются главным образом после полудня.

Следствием слабости ветров оказывается исключитель­ная изменчивость погоды на очень коротких расстояниях. Продолжительность контакта этих почти застойных воз­душных масс с земной поверхностью делает их крайне чувствительными к различным влияниям географического субстрата: восходящие и нисходящие движения орографи­ческого происхождения, более или менее активная терми­ческая конвекция в зависимости от характера почв и растительного покрова, морские или горные бризы более или менее постоянного направления и т. д. В отличие от того, что наблюдается на равнинах в умеренном поясе, здесь погода при пониженном давлении по существу имеет локальный, а не региональный характер. Уотс указывает, например, что четыре станции в Сингапу­ре, расположенные на острове ограниченных размеров (24×13 миль), никогда не наблюдают одновременно одни и те же явления. Эти колебания подчеркивают пользу очень густой сети наблюдений в отличие от мнения первых исследователей тропической метеорологии.

Отмеченные выше кинематические особенности (восхож­дение без сильных горизонтальных движений) типичны для зоны депрессии, когда она располагается недалеко от экватора. Наоборот, в летнее время перемещение зоны депрессии к северу приводит ее в такие широты, где сила Кориолиса позволяет создаваться циклоническому враще­нию. Тайфуны и подвижные депрессии на муссонном фронте при этом порождают сильные ветры. Поэтому выра­жение «экваториальные штили» не обладает той же реаль­ностью, что «междутропическая депрессия». Это выражение применимо более узко лишь к самым низким широтам (примерно от 0 до 5°).

К этому зональному разнообразию присоединяются еще меридиональные различия, объясняемые изменениями интенсивности конвергенции. Иногда всей зоне депрессии дают название междутропической зоны конвергенции, так как горизонтальные движения здесь в среднем направлены внутрь. Из рис. 10 видно, однако, что в этой зоне имеются очень различные секторы соответственно их положению относительно субтропических антициклонов. Конверген­ция имеет различную интенсивность и может даже усту­пать место дивергенции. На меридиане 1 (например, Западная Африка и тихоокеанское побережье тропической Америки) конвергенция сильна и зона плохой погоды достигает ширины в сотню километров. Небо закрыто клубящимися Си и Сb с очень небольшими просветами. На меридиане 2 пассаты перемещаются параллельно. Эти условия, существующие в центре. Тихого океана, определя­ют ясное небо или узкую полосу Си, когда имеется слабая конвергенция обоих потоков. На меридиане 3 (случай запада центральной части Тихого океана) пассаты дивергируют и небо становится совсем ясным. Штили или перемен­ные ветры сопровождаются здесь засушливой погодой, как и в центрах антициклонов. Муссонные фронты (см. рис. 9), напротив, усиливают конвергенцию, поскольку ветры сходятся под углом, близким к 180°. Зона плохой погоды расширяется до величины порядка 600 км, Сb растут до верхней части тропосферы (15—17 кмвместо 8 км на ме­ридиане 1, рис. 10). Летчики отмечали даже до шести слоев As по краям кучевообразных масс. Ускорение конвекции выражается также в очень сильной турбулентности и в возрастании осадков. Очевидно, что в случае муссонного фронта зона затишья уже не существует и, стало быть, нельзя распространять этот термин на весь субэк­ваториальный пояс. Шаропилотное зондирование, впрочем, показывает, что даже тогда, когда у поверхности земли ветры слабы и переменны, на высотах часто существуют хорошо выраженные течения. Уотс поэтому предлагает вообще отказаться от термина «экваториальные штили» (doldrums). Сойер (J. S. Sawyer) удовлетворяется, однако, пространственным ограничением применения этого термина (рис. 12). Области сильной конвергенции (междутропичес­кая зона конвергенции) чередуются с областями более слабой конвергенции, где экваториальный воздух местного происхождения застаивается между двумя пассатами; это и есть экваториальные штили (doldrums). Икер также пользуется этим термином, но в очень частном и крайне локализованном значении. Экваториальные штили у него означают области затишья, пониженного давления и ясного неба, соответствующие дивергенции пассатов в западных частях субтропических антициклонов (меридиан 3 на рис. 10).

Конвергенция пассатов и зона затишья

Новейшие наблюдения проливают новый свет на эти проблемы. Первые исследователи допускали, что воздух в зоне затишья либо абсолютно спокоен, либо движется к западу, продолжая пассаты. Но в 1945 г. Флетчер (R. D. Fletcher) констатировал существование экваториаль­ных западных вeтpoв (equatorial westerlies), принадлежащих к почти перманентным особенностям планетарной циркуля­ции. Эти ветры существуют в междутропической зоне конвергенции или на оси междутропической депрессии вне зависимости от ширины депрессии. В центральной части Тихого океана и в западной Атлантике речь идет лишь о приземном течении. Но над Африкой, Индийским океаном и западом Тихого океана экваториальные запад­ные ветры захватывают толщу атмосферы в 4—5 км. В Конго, поданным Бюльто (S. Bultot), возмущения и высо­кие облака чаще всего движутся к востоку; над Восточной Африкой Босоласко (М. Bossolasco) отмечает западные вет­ры на всей толще тропосферы в течение продолжительных периодов. Деперман (С.Е. Deppermann) указывает на широ­кую полосу западных ветров между Аравией и Южно-Ки­тайским морем с вертикальной мощностью в среднем 4—5 км. Флон развил идеи Флетчера и дал очень простое объяс­нение муссона годовым перемещением этих западных ветров (см. гл. 1 и рис. 8). Хотя недостаточная густота сети зондирований еще не позволяет прийти к твердым выводам, но, видимо, значения экваториальных западных ветров нельзя недооценивать. Во всяком случае, этот факт заслуживает изучения, поскольку он, может быть, явля­ется источником такого фундаментального механизма, как муссон. Объяснения, которые до сих пор давались этому явлению, очень разнообразны.

Во-первых, возможно, что экваториальные западные ветры представляют просто пассатный поток, отклонив­шийся в другом полушарии от первоначального направле­ния. Действительно, западный поток — специфическое явление летнего полушария. В Джакарте, например (южное полушарие), западные ветры дуют с декабря по февраль, являясь продолжением северного пассата (рис. 13). Во-вторых, отклонение пассата к востоку может быть также результатом втягивания воздуха нагретыми континентами, где устанавливаются термические депрессии. Сила Кориолиса у экватора близка к нулю, и ее изменения не всегда достаточны, чтобы вызвать вращение ветра. В центре Тихого океана, например, линии тока, пересека­ющие экватор, часто не меняют направления; иногда же, наоборот, изменение направления линий тока происходит еще до пересечения экватора. Риль, приводя эти аргу­менты, отмечает, впрочем, что превращение пассата в западный ветер происходит главным образом на востоке Атлантического и Тихого океанов и над Индийским океа­ном, то есть вблизи нагретых континентов.

Экваториальные западные ветры над южным полушарием с декабря по февраль

В-третьих, нужно все-таки указать, что вовлечение воздуха на континенты, отмечаемое Рилем, не всегда имеет место. Южным летом австралийская депрессия не обнару­живает такого эффекта и ветры вокруг нее даже диверги­руют (рис. 14). Западные ветры, наблюдавшиеся Гленном (А. Н.Glenn) в том же сезоне между Филиппинами и Австралией, по-видимому, объясняются гидродинами­ческим эффектом (рис. 15). Депрессии, образующиеся в зоне пассатов в результате препятствий, создаваемых для пассатных потоков этими двумя континентальными района­ми, видимо, играют роль центров действия, направляющих линии тока к востоку.

Положение, часто возникающее летом южного полушария

Динамическая депрессия и экваториальные западные ветры летом южного полушария

В-четвертых, Пальмер отрицает существование эквато­риальных западных ветров как основного воздушного течения. Действительно, над центральной частью Тихого океана линии тока, направленные почти всегда на запад, испытывают непрерывные волнообразные деформации. Циклоническая кривизна в этих волнах значительно сильнее, чем антициклоническая. Поэтому линии тока с циклонической кривизной чаще превращаются в замкну­тые вихри, на экваториальной стороне которых возникает, таким образом, локальный западный поток. Следовательно, по Пальмеру, неустойчивость основного восточного потока определяет путем статистического эффекта случайный западный поток. Это объяснение, подтвержденное Рилем для центральной части Тихого океана, верно для данного частного случая. Но для других районов, где западный поток остается мощным по вертикали и непрерывным в течение длительных периодов, он, по-видимому, сам оказывается основным явлением.

В-пятых, в случае такого хорошо выраженного запад­ного потока экваториальная депрессия ограничена с севера и с юга двумя зонами (точнее, линиями) конвергенции. Конвективные движения наибольшей мощности в этом случае располагаются по внешним краям зоны западных ветров. Каждая линия конвергенции отмечена, по Флетчеру, полосами кучевообразных облаков, делающих вос­хождение воздуха очевидным (рис. 16). Вершины облаков охлаждаются вследствие излучения в пространство и вследствие отражения солнечной радиации. Холодный воздух в свою очередь опускается внутри зоны западных ветров, замыкая циркуляцию. Циклоническое вращение, видимо, устанавливается вокруг каждого столба восходя­щего воздуха, определяя тем самым движение к востоку на всех уровнях. Уотс возражает против этого, ссылаясь на то, что современные материалы об излучении вершин облаков не позволяют утверждать, что потеря тепла на высоте излучением не компенсируется адиабатическим нагреванием воздуха при опускании. Восходящие токи действительно охлаждаются по влажноадиабатическому закону (в среднем 0,6° на 100 м), тогда как нисходящий воздух нагревается по сухоадиабатическому закону (1° на 100 м). Поэтому термическая гипотеза Флетчера еще нуждается в доказательстве.

Схема экваториальных западных ветров

Мы предлагаем дополнить ее чисто динамическим объяснением. Сходимость пассатов определяет вертикаль­ное расширение столбов воздуха, происходящего из субтро­пических широт, по краям междутропической депрессии (северная и южная зоны или линии междутропической конвергенции). В результате этого значительное увеличе­ние D в уравнении вихря l+зита/D=const, вызывает соот­ветственно увеличение зита. Это явление становится возмож­ным потому, что первоначальный вихрь обладает достаточ­ной мощностью, чего не бывает в случае застойного эква­ториального воздуха. Относительный вихрь зита каждого воздушного столба, приносимого пассатом, становится, таким образом, циклоническим; отсюда общее движение на восток между двумя линиями конвергенции. В отличие от этого восточные ветры, нерегулярно возникающие внутри зоны, обязаны своим происхождением локальным опусканиям, вызывающим антициклонический вихрь. Точно так же в умеренной зоне сильное динамическое вос­хождение создает движение к востоку, тогда как восточные течения, связанные с заключительными антициклонами, сопровождают оседание воздуха. В общем экваториальные западные ветры, по-видимому, отражают усиление между­тропической конвергенции (например, в муссонных фрон­тах). Можно понять в этой связи, почему эти ветры ослабе­вают и даже совсем исчезают в областях, где пассаты дуют параллельно (например, в центральной части Тихого океана).

[Об экваториальной зоне западных ветров см. С. П. Xромов, К вопросу о характеристике междутропической зоны конвергенции, Изв. ВГО, т. 92, 1960; Типы приземного распределения ветра вблизи экватора, Изв. ВГО, т. 93, 1961. Зона западных ветров объясняется в этих работах тем, что ветер вблизи экватора в опре­деленных случаях принимает направление по барическому гра­диенту, то есть становится эйлерианским или антитриптическим; барический же градиент направлен по экватору с запада на восток при наличии неоднородности распределения давления в экваториаль­ной депрессии.

Витек дал новое возможное объяснение западных ветров у экватора как так называемых псевдогеострофических ветров. См. V. Vitek, On the theory of equatorial zonal flow, «Studia geophys. et geodet». 6, №3, 1962.— Ред.]

• ← Different values of the concept of “monsoon”
• The dynamics of the tropical circulation. Seasonal fluctuations of zones →