Струйные течения
Во время второй мировой войны было отмечено немало случаев, когда бомбардировщики, летавшие на больших высотах, значительно отклонялись от намеченного курса и, кроме того, наблюдались случаи потери скорости самолетов. В то время боевые машины летали обычно на высотах 5—10 км со скоростью 300—400 км/час. Естественно, что большие скорости встречного ветра противодействовали полетам самолетов. Над Японскими островами самолеты, шедшие на высоте 6—8 км со скоростью 300—400 км/час, иногда попадали в зону западного ветра такой силы, что оставались в воздухе почти в неподвижном состоянии. Большие скорости ветра вскоре были обнаружены и в других районах Земли. Было установлено, что большие скорости воздушных течений обычно наблюдаются в сравнительно узкой зоне в относительно спокойной окружающей атмосфере. Поэтому зоны больших скоростей ветра были названы струйными течениями. Эти ветры ураганной силы наблюдались в системе высотных фронтальных зон. Открытие струйных течений является одним из крупных достижений метеорологии послевоенных лет.
С развитием авиации возрастала необходимость изучения режима ветров на высотах. Было необходимо не только знать режим ветра на высотах, но и составлять прогноз его вдоль трассы полетов. Если такие требования вначале относились к средней тропосфере, т. е. к высотам 4—6 км, то с появлением реактивных самолетов появился интерес к верхним слоям тропосферы (8—10 км) и нижней стратосфере (15—25 км). Прогноз ветра на высотах стал одной из главных составных частей прогноза погоды для авиации.
Струйное течение обычно распространяется на тысячи километров в длину, сотни километров в ширину ч несколько километров в толщину (по вертикали). Наблюдаются они почти во всех районах земного шара. Соотношение масштабов показывает, что струйное течение представляет довольно сплюснутую, сравнительно узкую зону больших скоростей ветра. От центра струи, или оси ее, скорости ветра уменьшаются во все стороны. По вертикали сдвиг ветра равен 5 — 10 м/сек на километр, т. е. на каждый километр по вертикали от центра струи скорости ветра уменьшаются на 5—10 м/сек.
Боковой сдвиг равен 5—10 м/сек на 100 км, т. е. на каждые 100 км по горизонтали от центра струи скорости ветра усиливаются на 5—10 м/сек. Принято, что наименьшая скорость в центре струйного течения равна 30 м/сек, или 108 км/час.
Струйные течения формируются в тропосфере и стратосфере. В тропосфере они чаще возникают, усиливаются и разрушаются в северной и средней части умеренной зоны и в субтропиках. В них преобладает западное направление. Стратосферные струйные течения зимой имеют западное, а летом восточное направления.
Тропосферные, как и стратосферные струйные течения, возникают во фронтальных зонах между областями высокого и низкого давления. Они являются наиболее подвижными, а интенсивность их непрерывно изменяется в связи с возникновением и развитием циклонов и антициклонов. Ось струи располагается чаще всего на уровне 7—10 км зимой и 9 — 12 км летом. Максимальные скорости на оси струи колеблются в широких пределах.
Субтропические струйные течения в Северном полушарии формируются на северной периферии высоких субтропических антициклонов. Они являются менее подвижными, но при меридиональных преобразованиях заметно перемещаются, меняя интенсивность. Средние максимальные скорости на оси струи зимой местами превышают 50—60 м/сек, летом около 30—40 м/сек. Высота оси струи 12—14 км. Зимой субтропическая струя смещается в сторону тропиков и находится большей частью между широтами 25 и 35°. На материках она к лету смещается к северу на 10—15° меридиана, а на океанах—на 5—10°.
Струйные течения особенно интенсивны у восточных берегов материков Азии и Северной Америки и относительно слабее над восточными районами Атлантики и Тихого океана.
Выше, на рис. 1, была показана карта абсолютной топографии поверхности 300 мб (около 9 км высоты), где по сгущению изогипс можно определить районы расположения струйных течений. Для более детального изображения струй строятся разрезы атмосферы по вертикали (рис. 2).
Вертикальный разрез атмосферы от Финляндии до Индии…
За последние 10—15 лет построено много вертикальных разрезов вдоль различных меридианов от экватора до северного полюса и получены интересные характеристики струйных течений в разное время года.
Внутрисезонные перемещения, усиление и ослабление субтропических струйных течений тесно связаны с междуширотным воздухообменом. Исследование струйных течений над Кавказом, Армянским нагорьем, севером Африки, Средиземным морем, Индией, Средней Азией, южнее 40° с. ш. над Дальним Востоком показало, что размывание фронтов в нижних слоях и устойчивое сохранение контрастов температуры на высотах характерно и для этих районов. Как правило, размываясь в нижних слоях, фронты продолжают существовать на высотах, хотя вследствие нисходящих движений происходит удаление воздуха от состояния насыщения, поэтому осадки и облака не образуются.
Стратосферные струйные течения образуются при меридиональном преобразовании барического поля зимой в широтной зоне 50—70° на высотах 25—30 км. В этих случаях возникают небольшие ячейки максимальных скоростей ветра около 40—50 м/сек, Летом для данных высот характерны течения восточного направления с наибольшими скоростями в низких широтах. Вместе с тем значительные скорости ветра наблюдаются на высоте около 60 км, т. е. у верхней границы стратосферы и нижней границы мезосферы. Зимой западные струйные течения характеризуются средними скоростями до 100 м/сек, а летом восточные — средними скоростями выше 60—70 м/сек. В соответствии с атмосферной циркуляцией, на этих высотах максимальные скорости воздушных течений зимой и в переходные сезоны года иногда превышают 100— 120 мкек. Нередко над отдельными районами изменяется и направление струйных течений. Так, зимой западные ветры могут смениться на восточные и северо-восточные.
Поле температуры и струйные течения. Выше уже говорилось о связи между полями температуры и ветра. Ветер на любом уровне можно рассматривать как сумму двух составляющих: 1 — ветер на нижнем уровне и 2 — приращение ветра, пропорциональное горизонтальному градиенту средней температуры нижележащего слоя. Приращение ветра играет большую роль в создании струйных течений. Поэтому чем больше горизонтальные градиенты температуры между теплым и холодным воздухом, тем сильнее струйное течение.
В соответствии с характером поля температуры между поверхностью земли и уровнем максимума скоростей в струйных течениях обычно происходит увеличение скорости. В частности, в системе струй над Европой и севером Атлантики характерно большое увеличение скорости ветра от 1 до 9 км высоты, т. е. до высоты оси струй. Наблюдения над ветром показывают, что в 71% случаев в этом районе происходило 2—4-кратное нарастание скоростей ветра, в 29% — средняя скорость возрастает более чем в 4 раза. Как видно, увеличение скорости ветра с высотой в тропосфере хотя и значительно, но колеблется. При нарастании ветра с высотой в системе струй характерны большие величины горизонтальных контрастов температуры. При многократном увеличении скорости контрасты температуры под струей в нижней и верхней тропосфере превышают 1—2° на 100 км.
Возникновение и эволюция струйных течений тесно связаны с увеличением и уменьшением горизонтального градиента температуры под их осью, которая находится в сердцевине струи и направлена вдоль течения. В системе струйного течения скорости ветра с высотой возрастают до уровня поворота градиента температуры на обратное направление. На уровне максимальной скорости ветра горизонтальный градиент температуры исчезает. Выше этого уровня скорости в системе струйного течения уменьшаются. Поэтому ось струйного течения, т. е. уровень максимального ветра, лежит вблизи тропопаузы (обычно под ней), так как при переходе из тропосферы в стратосферу направление градиента температуры меняется на обратное. Это относится ко всем видам тропосферных и стратосферных струйных течений.
Некоторые характеристики струйных течений над Европой и Азией. К главным характеристикам струйных течений относятся: высота оси струйных течений, величины максимальных скоростей ветра, вертикальная и горизонтальная протяженность струй, сдвиги ветра в их системе, турбулентные движения и др.
Высота оси струйных течений. Высота оси внетропических струйных течений изменяется по сезонам года и ежедневно, зимой ось чаще располагается на меньшей высоте, чем летом. Исследования показали, что зимой очень часто ось струи можно обнаружить на высоте 7—10 км. Летом почти всегда высота оси равна 9—12 км. Средняя высота зимой равна примерно 9, летом — 10 км. Соответственно меняются максимальные и минимальные высоты струйных течений.
Сезонные и ежедневные изменения высоты тропосферных струйных течений вызваны изменениями температуры. Чем ниже температура в тропосфере, тем ниже положение оси струи. Поэтому средняя высота оси струи зимой в сравнении с летом ниже приблизительно на 1 км. Еще более велики междусуточные изменения высоты оси струйного течения. В зависимости от развивающихся процессов высота оси может оказаться на уровне 7—8 и 9—12 км. В тылу углубляющихся крупнейших атмосферных вихрей — циклонов в зоне перемещающегося холодного воздуха она обычно лежит ниже, чем в зоне переноса теплого воздуха. Поэтому поверхность максимальных скоростей ветра в системе струйных течений не горизонтальна. Даже в системе одной струи уровень максимальных скоростей в одной части на несколько сот метров выше, чем в другой, он колеблется в пределах 1—2 км и более. Особенно значительны разности высот этих скоростей в системе струйных течений умеренных широт, что связано с возникновением и развитием атмосферных фронтов и атмосферных вихрей.
Поэтому максимальные скорости струйных течений не совпадают с поверхностью одинакового давления, хотя ось внетропической струи близка по высоте к изобарической поверхности 300 мб, а субтропической струи — к поверхности 200 мб.
Средние месячные скорости на оси струйных течений и их повторяемость зависят от характера атмосферной циркуляции и сезона. Поэтому не только повторяемость струй в том или ином районе, но и средние месячные скорости ветра от года к году подвергаются изменениям. Однако, как правило, струйные течения с большими скоростями ветра зимой повторяются чаше, чем летом.
В табл. 2 приведены данные о повторяемости различных скоростей максимума ветра на оси струйных течений севера и средней полосы умеренной зоны субтропических струйных течений.
Вертикальная протяженность струйных течений. Наиболее вероятная вертикальная протяженность струйных течений, рассчитанная по скоростям, превышающим 30 м/сек, колеблется в пределах 6—10 км. Однако встречаются и маломощные струи вертикальной протяженностью 1—3 км и, наоборот, мощные струи протяженностью до 10—12 км.
Горизонтальная протяженность струйных течений более значительна и меняется в широком диапазоне. Иногда наблюдаются струи, имеющие ширину менее 300 км и более 3 тыс. км. Малая горизонтальная протяженность характерна для единичных слабых струйных течений; большая протяженность — для мощных слившихся 2—3 струй. Однако наиболее часто струи имеют ширину порядка 300—2000 км. Горизонтальная протяженность струйных течений зимой больше, чем летом.
Особенно мощные по размерам и интенсивные по скоростям ветра струйные течения образуются зимой на Дальнем Востоке.
Из сравнения вертикального и горизонтального масштабов следует, что тропосферные струйные течения имеют довольно сплюснутую форму. Такая их структура определяется характером распределения температуры. В тропосфере направление горизонтального градиента температуры приблизительно одинаково до тропопаузы. Выше направление градиента меняется на обратное и в соответствии с законом термического ветра скорости в струе с высотой уменьшаются.
В средних широтах, как и следовало ожидать, уменьшение скоростей ветра с высотой происходит уже с уровня 8—10 км. Однако зимой на севере скорость ветра с высотой не подвергается существенным изменениям, а выше слоя 12—14 км она, как правило, возрастает. При этом большие величины сдвига ветра приходятся на слои между 15 и 30 км. Это полностью согласуется с характером распределения температуры с высотой. Объясняется это тем, что в полярной области направление горизонтального градиента температуры в стратосфере совпадает с тропосферным, так как в условиях полярной ночи в полярной стратосфере воздух охлаждается, а ветры с высотой усиливаются. Уже на высоте 25—30 км ясно вырисовывается нижняя часть стратосферного струйного течения.
Летом в условиях полярного дня воздух в стратосфере нагревается, а горизонтальный градиент температуры бывает направлен от полюса в сторону низких широт, т. е. противоположно градиенту в тропосфере. Поэтому режим ветра в стратосфере иной, чем зимой. Выше тропопаузы скорости ветра быстро убывают и на высотах 16—20 км меняют направление на обратное, т. е. вместо западных ветров в тропосфере в стратосфере появляются элементы восточной циркуляции.
Наибольшее приращение скорости ветра в тропосфере осуществляется летом в. зоне субтропической струи — на широте 40—45°. Даже средние величины вертикального сдвига ветра здесь достигают 3—4 м/сек на 1 км. Почти так же быстро уменьшаются скорости ветра выше оси тропосферного струйного течения, а на высоте около 20 км ветры становятся восточными.
В экваториальной зоне уже в средней тропосфере летом появляются устойчивые восточные ветры, скорость которых с высотой увеличивается. Выше 20—22 км на всем полушарии устанавливается восточная циркуляция. Восточные ветры на высоте 50—60 км достигают в среднем 60 — 70 м/сек. При этом ось восточного стратосферного струйного течения располагается над широтами 30—40°. Однако в экваториальной зоне уже на высоте 9—12 км скорость восточного ветра становится ураганной (более 30 м/сек). В умеренной зоне такая скорость ветра наблюдается лишь на высоте около 30 км.
Наиболее часто струйные течения бывают зимой в тропосфере над Японскими островами; затем следуют юго-восточные районы Северной Америки и частично Британские острова. Такое распределение струй над Японией, востоком США и севером Атлантики в зимние месяцы носит постоянный характер. Объясняется это сезонными условиями притока тепла и трансформацией масс воздуха над материками и океанами в общем западном переносе.
Указанных три главных района наибольшего распространения струйных течений зимой лежат на стыке холодных материков Азии, Северной Америки, а также Гренландии, с одной стороны, и теплых океанов — с другой. Поэтому районы большой повторяемости струйных течений у восточных берегов материков совпадают с областями больших горизонтальных градиентов температуры зимой.
Большая стабильность струйных течений наблюдается также над севером Африки и Южной Азии, Для этой полосы типичны субтропические струйные течения.
На высоте 9—12 км ветры, превышающие по скорости 108 км/час (30 м/сек), над востоком Азии наблюдаются за зиму почти в 100% случаев. При этом в среднем за зиму в 76% случаев скорость ветра превышает 140 км/час (около 47 м/сек), а в 26% случаев превышает 200 км/час (60 м/сек).
Зона сильных ветров вдоль 140° в. д. очень устойчива. Наиболее часто струйные течения повторяются ежемесячно в районе между 50 и 30° с. ш. К северу от 50° с. ш. сильные ветры резко сокращаются — примерно до 10%. К югу от 30° с. ш. наблюдается уменьшение сильных ветров и на широте 20° ветры обычно не отмечаются.
Часто теплые западные и холодные северо-западные воздушные течения сталкиваются. Происходит это над восточными районами Северной Америки, где на широтах 25—40° формируются зоны больших контрастов температуры и имеет место интенсивная повторяемость струйных течений.
Сравнительно часто струйные течения возникают над Северной Атлантикой, в районе Исландии, где встречаются западные холодные воздушные течения со стороны Канады и Гренландии с юго-западными теплыми воздушными течениями Атлантического океана.
По данным ряда исследований, больших величин достигают струйные течения над Британскими островами. Например, в сентябре 1950 г. максимальная скорость ветра 140 км/час была в 70% случаев, 180 км/час в 40% случаев, в январе 1950 г. максимальная скорость, ветра 180 км/час наблюдалась ежедневно, а скорость 250 км/час — 14 раз.
Полученные данные говорят о том, что струйные течения над Британскими островами не отличаются такой устойчивостью, как над Японскими островами. Значительные колебания в положении струйного течения происходят в течение одного месяца или в течение одного сезона.
Усиление струйных течений над Средиземным морем и севером Африки происходит при меридиональных, преобразованиях атмосферной циркуляции, сопровождающихся вторжением к югу холодных масс воздуха.
Над большей частью территории СССР сильные ветры колеблются в пределах 20—30%. Такая сравнительно небольшая повторяемость сильных ветров в слое тропопаузы на высоте около 9 км объясняется большой изменчивостью положения струйных течений в умеренных широтах.
Относительно быстрое перемещение воздушных масс и фронтальных разделов приводит к тому, что струйные течения непрерывно перемещаются из одного района в другой. Поэтому в среднем повторяемость струйных течений распределяется довольно равномерно над всей рассматриваемой территорией.
Однако в зависимости от циркуляционных условий повторяемость струйных течений над территорией СССР колеблется в довольно больших пределах. Так, например, в январе 1955 г. над Европой и Западной Сибирью преобладал западный перенос воздуха. Сильные ветры наблюдались вдоль широт 55—65° с. ш. и доходили до 64% при скорости более 100 км/час и 26% — при скорости более 140 км/час. В январе 1964 г. наблюдалась иная картина. В течение всего января сохранялся преимущественно меридиональный тип циркуляции. В этом случае основная зона сильных ветров была направлена от Британских островов к юго-востоку, где она сливалась с сильными ветрами субтропической зоны. Поэтому над европейской частью СССР и Западной Сибирью сильные ветры не превышали 10—20%.
Приведенные примеры указывают на большую изменчивость положения и повторяемости струйных течений в средних широтах, зависящих от характера преобладающих крупномасштабных процессов. Но даже в крайних аномальных случаях месячные карты повторяемости сильных ветров достаточно хорошо отражают сезонность процессов формирования фронтальных зон и струйных течений, поскольку последние зависят от сезонных условий притока тепла.
При переходе от зимы к лету в соответствии с сезонной перестройкой термического и барического полей атмосферы характер циркуляционных процессов подвергается заметным изменениям. Основные черты этой перестройки определяются прежде всего уменьшением междуширотных градиентов по сравнению с зимой.
Летом над Северо-Восточной Азией воздух нагревается. Поэтому средняя сезонная повторяемость ветров над Японскими островами со скоростями более 100 км/час и более 140 км/час значительно уменьшается по сравнению с зимним сезоном. Летом скорость ветра более 100 км/час составляет уже 31%, более 140 км/час—14%, ветры скоростью более 200 км/час наблюдаются редко При этом уменьшение повторяемости сильных ветров продолжается в течение всего летнего сезона с 67% в июне до 31—33% в июле и августе; повторяемость скорости ветра более 140 км/час уменьшается с 39% в нюне до 13—11% в июле и августе.
Вместе с тем зона наибольшей повторяемости сильных ветров над Японией и побережьем Тихого океана перемещается от зимы к лету в северном направлении. Максимальная повторяемость сильных ветров в июле и августе сдвигается на широту 40—45°. На широте 35° с. ш., где зимой наиболее часто отмечаются сильные ветры, в августе их нет. В среднем за лето наибольшая повторяемость сильных ветров отмечается на широтах 40—45° Аналогичные изменения в положении и интенсивности субтропического струйного течения происходят на юге Северной Америки. Сезонные перемещения зоны субтропического струйного течения объясняются большим прогревом воздуха в субтропической зоне. По этой же причине исчезает зона сильных западных ветров на севере Индии.
Над Средиземным морем наибольшая повторяемость струйных течений также перемещается в более северные районы и располагается летом примерно вдоль 40° с. ш.
Скорость ветра летом над Северной Африкой и Средиземным морем также существенно ослабевает. Ветры со скоростями более 100 км/час составляют в среднем за сезон около 30%, а более 140 км/час — лишь 1 %.
Летом, по сравнению с зимой, над Кавказом и Средней Азией струйные течения наблюдаются чаще.
В районе Москва—Ленинград часто располагается второй максимум скорости ветра.
Весной и осенью распределение сильных ветров имеет переходные черты от зимы к лету и наоборот. Еще сохраняются особенности предшествующего сезона и вместе с тем появляются новые, которые в последние месяцы переходного сезона преобладают.
Изменение интенсивности струйных течений связано с происходящими изменениями высотных фронтальных зон, это зависит от процессов возникновения и развития атмосферных вихрей циклонов и антициклонов. В этих процессах большая роль принадлежит адвекции (Адвекция — горизонтальный перенос воздуха) холодного и теплого воздуха, а также изменениям температуры, обусловленным вертикальными движениями воздуха (При восходящих движениях, попадая в более разреженную среду, воздух, расширяясь, охлаждается, а при нисходящих движениях, наоборот, он сжимается и нагревается. Эти изменения температуры называются адиабатическими). Все это ускоряет преобразование полей температуры и давления, деформирует и меняет интенсивность струйного течения. При преобразовании термобарического поля адиабатическое охлаждение воздуха в циклоне способствует углублению высотной ложбины, а адиабатическое нагревание в антициклоне — усилению высотного гребня. Вследствие этого ускоряется и процесс изменения интенсивности и деформации высотных фронтальных зон и струйных течений. Поэтому при прогнозе струйных течений учитываются не только адвективные, но и адиабатические изменения температуры.
Струйные течения в стратосфере особенно интенсивны зимой. Средние максимальные скорости на оси струи на высоте около 60 км достигают 100 м/сек. Как правило, направление струйного течения — западное, но при крупных преобразованиях поля давления иногда возникают и струи восточного направления.
Летом в стратосфере преобладает восточный перенос воздуха. Струйные течения являются сравнительно слабыми. Средняя максимальная скорость располагается также на высоте около 60 км, но по величине не превышает 60—70 м/сек. На высотах 25—30 км скорости восточного ветра в умеренной зоне не превышают 10—15 м/сек, но в экваториальной зоне, на юге Азии, они превосходят 20—25 м/сек, т. е. являются ураганными.
Исследования струйных течений продолжаются. Большое внимание уделяется разработке методов прогноза струйных течений. Уже разрабатываются методы прогноза сильных ветров не только в тропосфере, но и в нижней половине стратосферы, т, е. на высотах 12—30 км.