2 года назад
Нету коментариев

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.