Динаміка тропічної циркуляції. Сезонні коливання зон

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.

Устойчивое поле, описанное в предыдущей главе, представляет собой лишь основной аэрологический фон. На этом фоне развиваются изменения двух типов.

Во-первых, три зональные полосы перемещаются по широте от сезона к сезону; при этом одна и та же область Земли попадает поочередно под разные влияния атмосфер­ной циркуляции (явление муссона в значении Флона). Амплитуда изменений зависит от положения по долготе. В первом разделе этой главы будут рассмотрены различные механизмы (термические, динамические и орографические), порождающие долготные различия.

Во-вторых, все три зональные полосы во все сезоны попадают под влияние возмущений, вызывающих плохую погоду и дожди. Анализ этих нерегулярных изменений во втором разделе главы также затрагивает проблемы муссона. Этот анализ позволяет понять, почему классическое проти­вопоставление жаркого и влажного лета сухой и холодной зиме не всегда справедливо.

Факты

Летом северного полушария (июль) между тропические зоны давления перемещаются к северу; зимой (январь) они возвращаются к югу. Рис. 17 показывает переменную амплитуду перемещения для каждого мери­диана. Зональная ось междутропической депрессии располагается между 17° ю. ш. и 8° с. ш. в январе и между 2° с. ш. и 27° с. ш. в июле. В целом для Земного шара ее среднее широтное положение в январе 4° с. ш. и в июле 13° с. ш. Но сезонное перемещение по широте почти не превышает 5° в западном полушарии (между 0 и 180° з. д.), где наиболее велика площадь океанической поверхности. Напротив, в восточном полушарии (от 0 до 180° в. д.), где лежат Африка, Евразия и Австралия, амплитуда пре­вышает 30° широты, например на меридиане Мадраса 37°. Отсюда ясно, что эти контрасты вызваны меридиональным распределением материков и океанов. Ось междутропи­ческой депрессии как бы притягивается наиболее прогретой сушей летнего полушария.

Средние положения оси экваториальной депрессии

Классическая термическая гипотеза

Междутропическая зона конвергенции, будет ли она простой или двойной, всегда соответствует зоне депрессии у земной поверхности. Но летом над материками — Сахарой и Центральной Азией — устанавливаются термические депрессии. Поэтому прежние авторы обнаруживали прямую связь междутропи­ческой конвергенции с прогреванием нижних слоев (клас­сическая теория экваториального нагревателя). Термичес­кая гипотеза даже как будто подтверждается следующим фактом. Между кажущимся движением Солнца и переме­щением междутропической депрессии наблюдается запаз­дывание по фазе (1—2 месяца). Это запаздывание, особенно выраженное над морем, представляется следствием терми­ческой инертности воды. Однако уже в 1945 г. Икер отме­чал, что Южная Америка не оказывает никакого воздей­ствия на перемещение междутропической депрессии, не­смотря на высокие летние температуры внутри этого об­ширного континентального массива (перемещение всего на 5° между Лимой и мысом Сан-Роки). Междутропическая конвергенция к тому же очень слаба, а часто и вовсе отсутствует в Америке. Наконец, далее мы покажем, что подвижность междутропической конвергенции обуслов­лена преимущественно выносом воздуха из зимнего полу­шария, а не притяжением его летним полушарием.

Динамическая планетарная гипотеза

Современные работы по динамике атмосферы позволяют связать, с одной стороны, перемещения междутропической зоны конвергенции и, с другой стороны, изменения скорости зональной циркуляции во внетропических широтах. Известно, что быстрый западный перенос на уровне 500мб характеризуется «натянутыми» линиями тока, сдвинутыми в направлении к экватору. Струйное течение и полярный фронт, которые располагаются на экваториальной перифе­рии полярной зоны, также усилены и смещены к низким широтам. Замедленный западный перенос, напротив, созда­ет короткие и широкие волны, а струйное течение и поляр­ный фронт в этом случае проходят в высоких широтах.

Зимой над северным полушарием циркуляция очень быстра и западный перенос внетропических широт сильно отклонен к экватору (см. рис. 3). Экваториальный воздух, расположенный между двумя междутропическими зонами (линиями) конвергенции, таким образом, оттеснен к тепло­му полушарию, то есть северной зимой — к югу. Напротив, северным летом циркуляция в северном полушарии замед­ляется и полярный воздух отступает, позволяя экваториаль­ному воздуху распространяться к северу (см. рис. 4). Фактором этого перемещения является также усиление скорости западного переноса над южным полушарием зимой, что оттесняет теплый воздух к северу.

Возросшая скорость и отклонение западного переноса к экватору над зимним полушарием объясняются мощно­стью и частотой холодных вторжений из полярного бассейна (где стоит непрерывная полярная ночь), поддерживающих циклоны низких широт. Наоборот, замедление в летнем полушарии происходит из-за первоначальной слабости потоков (полюс менее холоден вследствие непрерывной инсоляции) и из-за быстрой дегенерации полярных вторже­ний над более теплой подстилающей поверхностью. Сезон­ное перемещение междутропических зон оказывается, таким образом, как бы следствием двух процессов одного и того же характера, действующих одновременно над обоими полушариями: это вынос полярного (умеренного) воздуха из зимнего полушария и отступание полярного воздуха в летнем полушарии. Поэтому можно понять, почему между­тропическая зона конвергенции чаще находится в северном полушарии, чем в южном. Действительно, внетропическая циркуляция быстрее над южным полушарием, которое, с одной стороны, холоднее, а с другой — обладает большой водной поверхностью, представляющей слабое сопротивле­ние для зонального переноса.

Эти процессы объясняют также отмеченный нами контраст между западной океанической (0—180° з. д.) и восточной континентальной (0—180° в. д.) частями северного полушария. В течение северного лета западная циркуляция на 500 мб замедляется над материками. Рис. 4 как раз показывает, что линии тока западного переноса изгибаются к северу и разрежаются, переходя с Атлан­тики на Европу (изогипсы 548, 552 и 556 декаметров). Эти два признака замедления, интегрируемые средней картой, еще более четко видны на большинстве ежедневных карт летнего сезона (характерные примеры можно найти в работе: Р. Рede1аbогde, Recherches sur les types de temps et le mecanisme des pluies en Algerie, «Ann. Geogr.», Paris). Этот факт является результатом, во-первых, торможения (увеличенного трения) воздуха над материками и вызванного им отклонения влево, во-вторых, следствием слабости холодных вторжений, которые быстрее прогреваются над сушей, чем над морем, а потому менее способны вызывать циклогенез. Евразия поэтому значительно лучше «защищена», чем океан. Над ней реже появляется циркумполярный циклонический вихрь, осо­бенно в средних и субтропических широтах. Жаркий тропический воздух в это время может легко распростра­няться к северу, захватывая Сахару и всю Азию до 35-й параллели. Отсюда вытекает и характерное для всех зон, а особенно для междутропической зоны конверген­ции, продвижение к северу. Зимой же полярный воз­дух, напротив, достигает над Евразией более низких широт, чем над Атлантикой (см. циклоническую лож­бину, ось которой пересекает Черное море, на рис. 3).

Тем не менее разрежение линий тока над Европой (см. тот же рисунок) свидетельствует о замедлении цирку­ляции. Как и летом, это замедление объясняется увеличен­ным трением над сушей и особенно слабостью циклонов, поступающих сюда после пересечения океана уже окклю­дированными. В следующем параграфе мы покажем также, что холодные вторжения предпочитают по причинам орографии северного полушария следовать над Америкой и Атлантикой.

Более медленная циркуляция над Евразией, во всяком случае, благоприятствует продолжительному сохранению восточноевропейского и сибирского термических антицик­лонов, и, как это ни парадоксально, этим определяется наибольшее распространение полярного воздуха к югу именно над Азией. В то время как западный фасад Европы получает с атмосферными возмущениями теплый океани­ческий воздух, мощный азиатский антициклон между Бай­калом и Тихим океаном сохраняется практически в течение всей зимы. Этот резервуар холода у земной поверхности, которому на высоте соответствует барическая ложбина (см. рис. 3 и 5), направляет полярный воздух вплоть до Индии и Южного Китая. Поэтому к востоку от 40° в. д. и происходит оттеснение междутропических зон давления к югу и отступание междутропической зоны конвергенции в южное полушарие. Прогиб линий тока западного переноса к югу, начиная с Европы, является зимней особенностью материков, еще более четко выраженной на востоке Азии. На рис. 3 видно, что циклоническая ложбина, ось которой идет от полюса до Кореи, более узка и глубока, чем ложби­на с осью над Черным морем.

В общем изменения скорости циркумполярного вихря, сезонные или связанные с влиянием земной поверхности, соответствуют перемещению междутропической зоны кон­вергенции. Во всяком случае, здесь речь идет обо всем атмосферном механизме, и, поскольку эта гипотеза правдо­подобна, остается ее детально проверить. Будущие исследо­вания должны систематически сопоставить изменения зонального индекса циркуляции в пространстве и во време­ни с изменениями интенсивности и широтного положения междутропической зоны конвергенции на всех меридианах. Такое исследование для каждого типа циркуляции во все сезоны должно быть более успешным, если оно будет опираться на действительно репрезентативный параметр зональной скорости (бюро погоды США берет сейчас за зональный индекс циркуляции среднюю скорость западного переноса в декаметрах в секунду (дам/сек) над определенной зоной. Этот метод предпочтительнее, чем измерение барического градиента между двумя широтами или даже иногда между двумя станциями (например, для Западной Европы между Азорскими и Фарерскими островами). Мы убедились из опыта, что градиент между двумя окраинами умеренной зоны не всегда соответствует зональной интенсивности западного потока).

Орографическая гипотеза

Предыдущие соображения не объясняют двух существенных фактов, которые, между прочим, подчеркивают все своеобразие азиатского мате­рика.

Во-первых, годовое перемещение междутропической зоны конвергенции над Азией очень значительно, особенно за счет продвижения на север во время лета северного полушария (см. рис. 17).

Мы говорили, что летнее перемещение есть следствие зонального замедления, происходящего благодаря конти­нентальному трению и прогреванию. Но над Северной Аме­рикой, где западный поток встречается с огромной прегра­дой в виде Скалистых гор и где высокие температуры могут соперничать с Индией, перемещение не превышает несколь­ких градусов широты. Изогипсы даже выгибаются к югу после пересечения Скалистых гор, вместо того чтобы от­клоняться к северу, как в Европе (см. рис. 4). Материковое прогревание не вызывает здесь антициклонической кри­визны изотерм и изогипс, как в Евразии: к востоку от Скалистых гор во все сезоны существует барическая ложбина (ср. рис. 3 и 4). Таким образом, видно, что два материка оказывают влияние не только своими температу­рами и неровностью поверхности. Противоположность режимов объясняется направлением форм рельефа (мери­диональным в Америке и широтным в Азии).

Во-вторых, перемещение междутропической зоны конвергенции над Азией как летом, так и зимой гораздо значительнее, чем над Сахарой. Однако летняя жара в Африке не меньше, чем в Азии. Сахара даже оказывается особенно защищенной от полярной циркуляции, так как жаркий воздух создает повышенное давление на высоте (см. рис. 4). Но эти условия, усиливаемые еще приземными термическими депрессиями, сохраняющимися все лето, не вызывают исключительного перемещения междутропи­ческой зоны конвергенции к северу. Зимой же полярный воздух почти никогда не проникает дальше Высоких плато Алжира, тогда как в Азии его вторжения регулярно достигают Ганга и Шанхая, то есть много более низких широт. Ясно, что орография Азии не только играет роль защитных барьеров, но, напротив, сама усиливает годовое смещение всей планетарной циркуляции.

Новейшие работы по приложению гидродинамики к атмосфере дают совершенно новые решения проблем общей циркуляции атмосферы, и в частности проблемы муссона. Сейчас известно, что меридиональное препятствие масшта­ба Скалистых гор, Анд или Гренландии вызывает устой­чивую антициклоническую кривизну зонального потока и что этот эффект имеет большее значение, чем термические воздействия, различные в разные сезоны (Болин). Полярная барическая ложбина, которая как летом., так и зимой располагается над востоком США, оказывается, таким образом, следствием антициклональной волны, начинаю­щейся несколько западнее, над Скалистыми горами (см. рис. 3 и 4). Аналогичная ложбина существует к востоку от Анд(Боффи). Становится понятным, почему изменения ско­рости зонального переноса остаются слабыми над обеими Америками. Здесь сезонный термический эффект материка уничтожен постоянным гидродинамическим влиянием рельефа, и перемещения междутропической зоны кон­вергенции не отличаются от тех, которые наблюдаются над соседними океанами. Африка с ее столовым рельефом, продолжающим невысокий рельеф Южной Европы, наобо­рот, не производит никакого заметного динамического воздействия. Термический эффект поэтому проявляется здесь в чистом виде, и планетарное перемещение становится более значительным, чем над Атлантикой. Над Азией гидродинамические процессы, отличные от тех, которые действуют в Америке, усиливают термический эффект, чем можно было бы объяснить своеобразие условий над этим материком. Два исследования доказывают значительную роль широтных форм рельефа — Гималаев и Тибета.

1. Зимой 1945/46 г. Е Ду-чен (Т. С. Yeh) наблюдал установление сильного струйного течения на южном склоне Гималаев (См. также Чодьюри (А. М. Chaudhury, «Tellus», 1950)). Он делал выводы из карт поверхности 300 мб (9 км), построенных в Чикагском университете по американским и китайским зондированиям. Зимний режим начинается в половине октября. Струйное течение, которое летом располагалось над северной окраиной Тибета, продвигается сначала к югу при увеличении зональной скорости. Над Красным бассейном (ниже района с высоким рельефом) образуется циклоническая волна, свидетель­ствующая о тенденции к перемещению в южном направле­нии. Затем скорость доходит до 80—120 км/час и течение резким рывком переносится через Гималаи. Представля­ется, таким образом, что огромная широтная система Тибета и Гималаев усиливает нормальное перемещение планетарной циркуляции. Это становится ясным, если сравнить широтное положение струйного течения в Аме­рике (40° с. ш.) и в Азии (30° с. ш.). В продолжение всей зимы струйное течение и соответствующий ему в нижних слоях полярный фронт находятся над северной Индией и Южным Китаем. Скорость увеличивается вниз по течению (от Юньнаня к Японскому архипелагу) вследствие слияния с более слабой полярной ветвью струйного течения, сох­раняющейся на севере Тибета (часто имеет место наличие нескольких струйных течений. Это следствие внутренних различий полярной зоны. Для Азии Е. Ду-чен указывает, что южное течение является наиболее мощным и быстрым и потому играет главную роль).

Южное положение главного струйного течения и по­лярного фронта приводит к двум последствиям. Во-пер­вых, это регулярные вторжения холодного воздуха на равнину Ганга и в Южный Китай, а во-вторых, циклонические дожди в этих областях. Слияние струй­ных течений над Китаем и Японией объясняет, кроме того, возрастание зональной скорости и большую частоту возмущений по окраине Тихого океана (см. рис. 3). Становятся понятными контрасты температуры и влажно­сти, которые могут проявляться внутри зимней области азиатского муссона.

2. Инь (М. Т. Yin) описал все фазы взрыва (burst) индийского муссона летом 1946 г. Его синоптический анализ опирался на ежедневные карты ветра на высотах 1500, 3000 и 6000 м в мае и июне. Резкий прорыв западного экваториального потока в начале июня был вызван гидродинамическим воздействием Гималаев, а не термичес­кой депрессией на северо-западе Индии. В мае струйное течение занимает еще то же положение, что и зимой, то есть около 30-й параллели (рис. 18). Обе кривизны, последова­тельно наложенные на полярный поток южным краем горной цепи, определяют динамическую депрессию над Тибетом (рис. 18, Н) и динамический антициклон над Афганистаном (рис. 18, В). С конца апреля тибетская депрессия (в сочетании с приземной депрессией) втягивает влажный экваториальный воздух на Бирму. В течение этого периода Индия, наоборот, получает очень сухой континентальный воздух, огибающий афганский анти­циклон. Однако этот антициклон соответствует приземной термической депрессии, так как верхний антициклоничес­кий воздух, очень прозрачный, благоприятствует сильной инсоляции (абсолютные максимумы температуры около 50°). Но приземная депрессия неспособна вызвать муссон. Индия остается сухой в течение всего мая, когда уже идут дожди над Бирмой. В начале июня струйное течение резко переходит на северный склон Тибета вдоль Астин-Тага у 40-й параллели (рис. 18). Инь показал, что это перемещение соответствует замедлению западного пере­носа над всей Евразией. Но совершенно очевидно, что огромный зональный барьер, который образуют Гималаи и Тибет, усиливает обычное отступание струйного течения к северу, так же как он вызывает его резкое и далекое продвижение к югу в середине октября. Линии тока сле­дуют рельефу, что ведет к образованию динамической депрессии, обозначенной на рис. 18 буквой Н. Этот новый центр действия располагается над приземной термической депрессией. Мощный циклон (депрессия на всех уровнях) сменяет, таким образом, антициклон В и вызывает «взрыв» индийского муссона. На рис. 19 показано, по данным Иня, что быстрое перемещение междутропической зоны конвергенции в течение первых двух недель июня совпадает с быстрым разрушением зимнего струйного течения и с появлением нового течения в более высоких широтах.

Положение струйного течения и динамических центров действия

Изоплеты скорости среднего зонального (широтного) ветра на 500 мб

Вторжения и засасывания воздуха, оказывающие влияние на междутропическую зону конвергенции

Если резкое продвижение междутропической зоны конвергенции к северу в начале северного лета можно объяснить засасы­ванием воздуха афгано-индийской депрессией, то прорывы пассата (surges у англосаксонских авторов) из южного полушария, наоборот, должны приводить к сохранению междутропической конвергенции. Синоптические анализы, собранные Икером, действительно показывают, что между­тропическая зона конвергенции непрерывно колеблется около ее среднего летнего положения. Каждое такое движение соответствует усилению или ослаблению кон­вергенции. Два факта показывают при этом ведущую роль зимнего полушария.

Во-первых, подвижные депрессии, которые проходят по северному фронту междутропической зоны конвергенции и вызывают усиление конвергенции, происходят из про­рывов пассата, проявляющихся над Индийским океаном ускорением ветра и появлением крупной и мощной зыби. Нельзя сказать, что депрессии засасывают воздух с юго-запада и вызывают эти прорывы пассата. Последние действительно появляются над морскими просторами (Мальдивские и Лаккадивские острова) задолго до зарож­дения индийских депрессий. Это динамическое явление напоминает то, что наблюдается в Средиземноморье: ли-гурийские и балеарские депрессии не втягивают мистраль, а формируются после его появления.

Во-вторых, при своем продвижении к северу между­тропическая зона конвергенции четко проявляется на всех ежедневных синоптических картах. Затем, когда ее поло­жение становится слишком северным, она распадается на отдельные участки, а новая междутропическая зона кон­вергенции формируется ближе к экватору без всякого пе­ремещения. Другими словами, междутропическая зона конвергенции прекрасно прослеживается при ее переме­щении с юга на север, но никогда не наблюдается ее обрат­ного перемещения с севера на юг (по вопросу о типах погоды в Индии см. также работу Рахматуллы (М. Rahmatullah, Synoptic aspects of the mousson circulation and rainfall over Indo-Pakistan, «J. of Met.», 1952, p. 176— 179). Все происходит так, как если бы главным агентом конвергенции был импульс из зимнего (южного) полушария. Северное полушарие, нао­борот, представляется пассивным. Если бы это было не так и если бы обратное движение междутропической зоны конвергенции вызывалось северными прорывами к югу, то карты позволили бы проследить регулярное отступление зоны к экватору.

Поставленная проблема (относительное влияние вторже­ний и засасываний воздуха в каждом полушарии) имеет самое основное значение. Она, естественно, связывается с проблемой динамики и происхождения субтропических антициклонов, где прорывы пассата берут свое начало. Точное знание этих процессов, безусловно, позволило бы понять и предсказать существенные черты каждого сезона в интересующих нас зонах. Наблюдавшиеся до настоящего времени корреляции между мощностью антициклонов южного полушария и интенсивностью индийского муссона уже дают ободряющие результаты (см. работу Риля (Н. Rieh1, р. 268, 279), где имеются де­тальные библиографические ссылки). Ежедневные синопти­ческие карты северного полушария, с другой стороны, позволяют предпринять ряд исследований о связях по­лярных вторжений, субтропических антициклонов и меж­дутропической зоны конвергенции.

• ← Основні квазіперманентні особливості тропічної циркуляції
• Міжтропічні збурення →