Sorry, this entry is only available in
Russian
На жаль, цей запис доступний тільки на
Russian.
К сожалению, эта запись доступна только на
Russian.

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.

Итак, мы уже знаем, что ветры безраздельно властвуют над нашей планетой. Вместе с солнцем и водой они изменя­ют лик Земли, разрушают плодородные почвы, заносят их песками, но в то же время они очищают воздух, приносят тепло и разгоняют холод. Они могут вдохнуть жизнь в бес­плодные пустыни. С помощью ветров совершается процесс обновления жизни, круговорот воды в природе. Каковы же ха­рактер и действие ветров?

Для атмосферы Земли характерно вихревое движение. Среди множества непрерывно возникающих и затухающих вихрей разных размеров в формировании и изменении пого­ды внетропических широт важную роль играют циклоны и антициклоны. Они возникают, развиваются и затухают в сред­них и высоких широтах обоих полушарий. Циклоны и анти­циклоны — это мощные атмосферные вихри с диаметром око­ло 1500—3000 км. Протяженность их по вертикали небольшая. В зависимости от интенсивности развития высота их колеб­лется между 2—4 и 15—20 км. Легко определить, что гори­зонтальные размеры этих вихрей в среднем превышают вер­тикальные их размеры в 100—150 раз.

В системе циклонов атмосферное давление наименьшее в центре. Поэтому воздушные течения вблизи поверхности Зем­ли направлены от периферии к центру. Под действием силы Кориолиса происходит отклонение ветра и он дует в системе циклонов против часовой стрелки в Северном и по часовой стрелке — в Южном полушарии.

В системе антициклонов атмосферное давление возраста­ет от периферии к центру. Поэтому ветры здесь направлены от центра к периферии и, отклоняясь под действием силы Кориолиса, дуют по часовой стрелке в Северном и против часовой стрелки — в Южном полушарии.

В развивающихся циклонах наблюдается восходящее дви­жение, вследствие которого воздух охлаждается, содержа­щийся в нем водяной пар конденсируется, образуется мощная облачность и выпадают осадки. Поступающий в систему цик­лона воздух выбрасывается на высотах за его пределы, что вызывает уменьшение воздушных масс в центральной части циклона и соответствующее понижение атмосферного давле­ния, т. е. происходит углубление циклона.

В развивающихся антициклонах осуществляется нисходя­щее движение, вследствие которого воздух нагревается и удаляется от состояния насыщения водяным паром, и обла­ка, как правило, рассеиваются. Поэтому в антициклонах преобладает ясная или малооблачная погода. Воздух, выте­кающий у поверхности Земли из системы антициклона, не компенсируется воздухом, втекающим на высотах. Антицик­лон усиливается, т. е. давление в его системе продолжает ра­сти, если поступление воздуха на высотах значительно пре­восходит его отток в слое трения.

Восходящие и нисходящие движения воздуха в системе развивающихся циклонов и антициклонов очень малы. Это так называемые упорядоченные вертикальные движения, ско­рости которых измеряются от десятых долей до нескольких сантиметров в секунду. В сравнении с горизонтальными ско­ростями ветра вертикальные движения во много раз меньше. Однако эти скорости достаточны, чтобы при восхождении воздуха произошло такое значительное адиабатическое охла­ждение его, которое обусловило конденсацию водяного пара и выпадение осадков. Например, при скорости подъема, рав­ной 2 см/сек, общий подъем воздуха за сутки составит 1728 мПри таких же скоростях нисходящих движений воздуха во­дяной пар, наоборот, удаляется от состояния насыщения, об­лака рассеиваются и наступает ясная погода. Это характерно для усиливающегося антициклона.

В то же время средние горизонтальные скорости воздуш­ных течений в системе циклонов и антициклонов достигают 500—1000 м/мин, или 30—60 км/час. В циклоне от момента возникновения до стадии наибольшего развития давление по­нижается. Горизонтальные градиенты температуры и давле­ния увеличиваются и соответственно происходит усиление вет­ра до шторма. Облакообразование на фронтах и выпадение осадков происходят наиболее интенсивно. Зимой снегопады сопровождаются метелями. Затем давление в центре начина­ет расти, ветры ослабевают, фронты размываются, а осадки прекращаются. Циклон обычно сливается с другими, более мощными циклонами и перестает быть самостоятельным об­разованием или исчезает совсем.

В антициклонах, наоборот, от момента возникновения до стадии наибольшего развития давление в центре повышается. Горизонтальные градиенты давления, а соответственно и ско­рости ветра на его периферии возрастают, облака рассеива­ются и наступает ясная погода. Во второй половине жизни антициклона давление в центре начинает понижаться, ветры ослабевают, обычно до штиля. При разрушении антициклона нередко появляется облачность и в отдельных частях его на­чинают выпадать осадки.

Наиболее часто давление в центре циклонов, развиваю­щихся над Европой, составляет 980—1000 мбВ отдельных случаях они углубляются настолько, что давление в центре понижается до 950 мб и ниже. Чем ниже давление в центре, тем мощнее циклон, тем сильнее ветры в его системе. Мощ­ные циклоны чаще всего возникают на севере Атлантики и Тихого океана. В этих случаях ветер достигает разрушитель­ной силы.

Погода в антициклонах, как правило, малооблачная или ясная, со слабыми ветрами или штилевая. Осадки редки, и если они выпадают, то обычно на периферии в виде мороси. В зависимости от происхождения и времени года погода в системе антициклонов может быть различная. Зимой в систе­ме антициклонов, образующихся в Сибири или на европей­ской территории СССР, Канаде и США, характерны сильные морозы. Особенно безветренная погода наблюдается в Сиби­ри при температурах — 40—50°. Летом, наоборот, погода жаркая. Это и понятно, если учесть, что в антициклоне при ясной погоде зимой вследствие радиационного выхолажива­ния происходит понижение температуры подстилающей по­верхности и воздуха, а летом благодаря нагреванию — повы­шение температуры.

При охлаждении поверхности Земли и приземного слоя воздуха образуется инверсия температуры, т. е. вместо пони­жения температуры с высотой наблюдается ее повышение. Инверсии температуры в системе антициклона нежелательны в промышленных районах и городах, так как они препятст­вуют развитию восходящих движений. При штилевой погоде отработанные промышленностью копоть и газы не выносятся за пределы района или города и происходит невероятное за­грязнение воздуха. Над промышленными городами висит тем­ная завеса дыма. В этих условиях в промышленных городах возникает густой туман, так называемый смог. В Лондоне в результате отравления смогом иногда погибают сотни людей.

От центра антициклонов к их периферии скорость ветра возрастает иногда до шторма. На южной периферии антицик­лонов, возникающих на европейской части СССР, ветры зи­мой возрастают до таких скоростей, что вызывают штормы на Каспийском, Азовском и Черном морях.

Летом и весной на юге Украины, в низовьях Дона и в Став­рополье, на Нижней Волге и в Казахстане сильные ветры на южной периферии антициклона приносят огромный ущерб сельскому хозяйству. Эти ветры, называемые суховеями, с вы­сокой температурой и низкой относительной влажностью гу­бительны для полевых культур. Суховейные ветры обычно восточного и юго-восточного направления. Высокая темпера­тура и низкая относительная влажность создаются в результате прогревания воздуха арктического происхождения над степями юга и особенно юго-востока европейской части СССР, где почва сухая, а испарение незначительное.

Зимой при отрицательных температурах воздуха в системе развивающихся циклонов, как правило, возникают метели. Скорость ветра возрастает до 20—25 м/сек и более.

В Англии, Дании, Франции и Западной Германии почти ежегодно бывают сильные снегопады и снежные бури. При этом железные и шоссейные дороги становятся непроходимы­ми для транспорта. Сильные ветры вызывают волнение на море. Иногда в течение суток выпадает снег метровой тол­щины.

На рис. 3 представлен небольшой отрезок схематической приземной карты погоды Северного полушария. На всей тер­ритории находятся несколько циклонов (Н) и антициклонов (В). В областях, где изобары расположены густо, ветры до­стигают штормовой и ураганной силы. В частности, в Запад­ной Сибири скорость ветра превышала 20—25 м/сек, местами достигая 30 м/сек, в Павлодарской области — до 34 м/сек а в районе Абакана —до 40 м/сек. Такая же скорость ветра наблюдалась и в последующие дни — 20 и 21 апреля. Силь­ные ветры в системе циклонов сопровождались дождем и сне­гом.

Упрощенная приземная синоптическая карта погоды...

Упрощенная приземная синоптическая карта погоды…

Гипотезы о возникновении циклонов и антициклонов. О природе циклонов начиная с середины XIX в. и до настоя­щего времени было высказано много различных теорий. Не­которые из этих теорий существовали довольно длительное время, но законченной математически строгой и физически стройной теории, которая правильно и полно описывала бы процесс возникновения и развития циклонов и антициклонов, не создано до настоящего времени.

В современных теоретических исследованиях проблема возникновения и развития вихрей отождествляется с пробле­мой изменения давления. Теория, объясняющая изменение да­вления на основе законов гидродинамики, позволяет охватить столь большой круг атмосферных процессов, что в принципе стало возможно предвычисление давления в любой точке. Казалось бы, если возможно вычислить изменение давления на большой территории, то тем самым легко можно прогно­зировать развитие и движение существующих циклонов и ан­тициклонов. Однако это не получается, так как учет пониже­ния давления (для образования циклона) и рост его (для об­разования антициклона) важное, но не единственное условие. Требуется учесть ряд дополнительных факторов, которые точ­но определить невозможно. Например, не учитываются харак­тер подстилающей поверхности, ее температурные условия, облачность и ее отражательная способность и многие другие факторы.

И все же за последние 20 лет значительное развитие по­лучили методы численного прогноза полей давления, темпе­ратуры, ветра и вертикальных скоростей воздуха. Прибли­женные расчеты этих элементов производятся с помощью самых совершенных электронных вычислительных машин, спо­собных производить сотни тысяч действий в секунду.

Благодаря новым техническим средствам и успешному раз­витию метеорологии появилась возможность несколько об­легчить труд прогнозистов. Однако впереди еще много труд­ностей по усовершенствованию численных методов прогноза погоды, так как такие элементы, как облачность и осадки, влияние рельефа местности на погоду и другие, еще не под­даются численному прогнозированию. В то же время достиг­нутые успехи в разработке и усовершенствовании численных, методов прогноза погоды позволяют надеяться, что трудности будут преодолены и в ближайшем будущем на смену каче­ственному синоптическому анализу и прогнозу придут чис­ленные методы прогноза погоды.

Зондирование атмосферы с помощью радиозондов, метео­рологических ракет, искусственных спутников Земли позво­лило глубже и всесторонне исследовать атмосферу и процес­сы в ней развивающиеся, а также открыло пути развития чис­ленных методов прогноза. Благодаря данным аэрологических наблюдений в настоящее время метеорологи располагают бо­лее ясными представлениями о структурных особенностях циклонов и антициклонов. Возникая в результате падения или роста атмосферного давления у поверхности Земли в виде небольших по размерам вихрей (в диаметре до 400—600 км), по мере развития они постепенно расширяются, вовлекая в свою систему огромные массы воздуха.

Стадии развития циклонов и антициклонов. Жизнь каждого циклона или антициклона характеризуется обычно тремя стадиями: возникновение, развитие и старение. Продолжительность каждой стадии колеблется от нескольких часов до I—2 суток. В тех случаях когда энергетические воз­можности не способствуют развитию циклона или антициклона, они не проходят всех стадий и быстро исчезают.

В первой, начальной стадии они являются небольшими барическими образованиями, очерченными одной-двумя изобарами, с разностью давле­ния между центром и периферией до 5—10 мб и с определившейся систе­мой ветра у поверхности Земли. На высотах 2—3 км замкнутые изобары еще не обнаруживаются. Над приземным центром их на высоте 9—10 км находится ось струйного течения с максимальными скоростями ветра бо­лее 100 км/час. При таких скоростях ветра в циклоне происходит разви­тие восходящих движений воздуха и падение давления — циклон углуб­ляется. В антициклоне, наоборот, развиваются нисходящие движения, дав­ление растет — антициклон усиливается. Разность давления между цент­ром и периферией в их системе увеличивается, а скорости ветра возра­стают.

Вторая стадия развития барических образований происходит различ­но. Это стадия наибольшего их развития. В центре циклона давление достигает минимума, а в антициклоне — максимума. Разность давления между центром и периферией часто превосходит 20—30 мбВ этой ста­дии соответствующая система циркуляции обнаруживается в верхней тро­посфере и нижней стратосфере. Благодаря большой разности давления ветры достигают скорости штормовых.

В третьей стадии — стадии заполнения циклона и разрушения анти­циклона замкнутая система изобар прослеживается не только у поверхно­сти Земли, но и на высотах. В этих случаях циклоническая и антицик­лоническая циркуляция обычно охватывает не только всю тропосферу, но и нижние слои стратосферы.

Перемещение циклонов, и антициклонов происходит до тех пор, пока над ними имеется сильный воздушный поток (струйное течение), когда же они становятся самостоятельными образованиями (в третьей стадии), то движение их обычно прекращается. В результате растекания воздушных течений в приземном слое давление в системе антициклона понижается, постепенно он разрушается. То же происходит с циклонами, с той. лишь разницей, что вследствие конвергенции ветра в приземном слое давле­ние в центре циклона растет и он постепенно исчезает.

Движение циклонов и антициклонов происходит в направлении воз­душных течений на высоте (в средней и верхней тропосфере), т. е. по так называемому «ведущему потоку». В случаях изменения ведущего по­тока — при перестройке поля течений в тропосфере — наиболее трудно правильно рассчитать скорость и направление их движения.

В большинстве случаев падение атмосферного давления в каком-ли­бо пункте указывает на приближение циклона, ухудшение погоды, а рост давления, наоборот, на удаление циклона, приближение антициклона и улучшение погоды. Но не всегда эти правила оправдываются. В отдель­ных случаях погода может ухудшиться и при росте давления, как и улучшиться при его падении. Это зависит главным образом от влагосо­держания воздуха и скорости вертикальных движений.

По мере развития циклона в его систему вовлекаются все новые влажные массы воздуха, приносящие с собой водяной пар. Последующая конденсация водяного пара нередко приводит к обильным осадкам, выпа­дающим на огромной территории. Например, было рассчитано, что в од­ном циклопе, пришедшем с Балканского полуострова на европейскую тер­риторию СССР, в течение трех дней выпало около 40 млрд. м3 воды. Такого количества воды достаточно, чтобы наполнить водоем глубиной около 50 м и площадью более 1200 км2.

По мере развития антициклонов в систему их циркуляции также во­влекаются значительные массы воздуха.

Высокие теплые антициклоны и холодные циклоны — очаги тепла и холода. В районах между этими очагами создаются новые фронтальные зоны, усиливаются контрасты температуры, образуются струйные течения и снова возникают атмосферные вихри, проходящие тот же цикл жизни.

Струйные течения в системе циклонов и антициклонов. Между эволюцией атмосферных вихрей и деформацией струй­ного течения связь достаточно тесная. Под высотной фрон­тальной зоной и струйными течениями возникают циклоны и антициклоны в тех случаях, когда зоны эти интенсивны, т. е. контрасты температуры и скорости течений значительны.

В начале возникновения циклона ось струйного течения находится слева от приземного его центра (если смотреть вдоль потока) непосредственно за холодным и перед теплым участками фронтов, т. е. в зоне наибольших контрастов тем­пературы. С развитием (углублением) циклона в результа­те главным образом горизонтальной адвекции и адиабатиче­ского охлаждения воздуха в центральной и тыловой частях высотная фронтальная зона со струйным течением деформи­руется и ось струйного течения постепенно отходит в сторону теплой части циклона. В этот период максимальные скорости на оси струи обычно превышают 120—150 км/час (35—45 м/сек). Процесс деформации струи тесно связан с усло­виями дальнейшего углубления циклона. В углубляющемся циклоне наиболее значительные контрасты температуры, как и скорости в системе струйного течения, наблюдаются в ты­ловой его части. С другой стороны, чем больше углубляется циклон, тем значительнее происходит деформация высотной фронтальной зоны и струйного течения. По мере углубления, а затем заполнения циклона холодным воздухом струйное те­чение перемещается на периферию циклона и теряет с ним связь.

Ось струйного течения в системе циклона в различных стадиях его развития (схема)...

Ось струйного течения в системе циклона в различных стадиях его развития (схема)…

Аналогичный процесс происходит и в системе антицикло­на, с тем лишь существенным различием, что по мере усиле­ния антициклона струя перемещается в холодную его часть. Так, например, в стадии возникновения ось струи находится почти над приземным центром антициклона. После усиления антициклона струя перемещается в сторону холодного возду­ха, а в последней стадии разрушения антициклона она вовсе уходит за его пределы.

К настоящее время структура этих крупных атмосферных вихрей изучена довольно подробно. Между тем лет 100 на­зад о них имелись весьма смутные представления.

Интересно, что в историю метеорологии вошла балаклав­ская буря, которая разразилась 14 ноября 1854 г. у берегов Крымского полуострова. Было это в Крымскую войну. Англо-французский флот, осадивший Севастополь, готовился к вы­садке десанта вблизи Балаклавской бухты. Неожиданно на­летел шторм, превратившийся в ураган, которым флот со­юзников был почти полностью уничтожен.

Несколько позже было установлено, что накануне такая же буря свирепствовала в районе Средиземного моря. Заин­тересовавшись происшедшими событиями, французский астро­ном У. Ливерье с помощью приземной синоптической карты погоды обнаружил, что шторм, разразившийся в Балаклаве и на Средиземном море, был одного происхождения. А имен­но он возник в виде огромного циклона над Средиземным морем, а затем, перемещаясь в восточном направлении, достиг Черного моря, где и произошла катастрофа с союзным фло­том. Этот факт навел на мысль, что приближение шторма можно прогнозировать.

За пять лет до этого события — в 1849 г. в России был создан специальный научный метеорологический центр — Главная физическая обсерватория (ГФО), которая возглав­ляла организацию метеорологических станций и уже в 1856 г. приступила к составлению синоптических карт погоды. Од­нако систематическое составление этих карт и регулярное опубликование данных о погоде началось лишь в 1872 г. Ос­новная работа службы погоды того времени заключалась в составлении штормовых предупреждений судам Балтийского флота.

В наши дни не только штормы и ураганы, но и все изме­нения погоды, вызванные циклонами, прогнозируются на ос­новании расчетов перемещения и изменения их интенсивно­сти. Правда, вместо 20—30 метеорологических станций, суще­ствовавших 100 лет назад, сейчас на той же, территории Европы их несколько сот плюс несколько десятков аэрологи­ческих станций, систематически выпускающих радиозонды для определения температуры, давления, влажности и ветра на высотах.