Атмосферная циркуляция. Центры действия атмосферы

Неравномерность поступления солнечной радиации в те или иные регионы Земли служит главной причиной циркуляции Вм атмосферы с образованием циклонов и антициклонов. Циркуляция атмосферы – важнейший климатообразующий процесс, способствующий переносу тепла и влаги из одних регионов в другие и определяющий характер К. в любой точке поверхности земного шара. Существование циркуляции атмосферы обусловлено, главным образом, неоднородным распределением атмосферного давления, вызванным в основном различным притоком солнечной радиации в тех или иных широтах, различными физическими свойствами земной поверхности (суши, моря и льда), а также отклоняющим влиянием вращения Земли на воздушные потоки.

Совокупность этих причин определяет местонахождение и перемещение постоянных и сезонных центров действия атмосферы, т.е. обширных областей атмосферы с преобладанием антициклонов (областей повышенного атмосферного давления) или циклонов (областей с пониженным атмосферным давлением). Размещение центров действия атмосферы отражает наиболее устойчивые особенности общей циркуляции атмосферы. Различают постоянные центры действия атмосферы, проявляющиеся в течение всего года – экваториальную депрессию; области высокого атмосферного давления над тридцатыми широтами северного и южного полушарий (Азорский антициклон (max) , Северо-Тихоокеанский / Гавайский max, Южно-Атлантический max, Южно-Индийский max, Южно-Тихоокеанский max); депрессии субполярных широт (Исландская депрессия (min), Алеутский min, Субантарктический min); полярные области высокого атмосферного давления (Арктический антициклон (max), Антарктический max), а также сезонные центры действия атмосферы, образование которых связано с интенсивным прогревом или охлаждением внутренних районов материков в летний и зимний сезоны – например, Азиатский антициклон, Канадский антициклон, Сахаро-Аравийский min, Южно-Азиатский min. Атмосферное давление само по себе не имеет большого непосредственного значения для климатов, но косвенное его значение нельзя недооценивать. В результате неравномерного распределения атмосферного давления возникает движение воздуха относительно земной поверхности, обычно горизонтальное, которое направлено от области высокого давления к низкому. Это движение не что иное, как ветер.

Существование постоянных центров действия определяет формирование постоянных ветров. Для тропического пояса характерна пассатная циркуляция.

Схема распределения давления и ветров на земной поверхности

Пассат – это постоянный ветер тропических широт, его возникновение связано с оттоком воздуха из области высокого давления над тридцатыми широтами в область экваториальной депрессии. Под воздействием силы Кориолиса пассаты в северном полушарии имеют северо-восточное направление, в южном полушарии – юго-восточное направление. Пассаты тропической зоны характеризуются удивительным постоянством направления и относительно равномерной скоростью. Поэтому в тропических широтах образуется пояс восточных ветров. Зона тропических восточных ветров по обе стороны экватора, включая и внутритропическую зону конвергенции, занимает самую большую площадь по сравнению с остальными звеньями общей циркуляции атмосферы.

Для внетропической зоны характерен западный перенос воздуха и в этих широтах формируется поле западных ветров. Западные ветры – это постоянные ветры умеренных широт. Их формирование обусловлено падением температуры воздуха и атмосферного давления от субтропиков (области высокого давления над тридцатыми широтами) к субполярным широтам. Меридионально направленные (вследствие существования барического градиента) воздушные течения отклоняются силой Кориолиса вправо в северном полушарии и влево – в южном, т.е. в обоих случаях с запада на восток. Зона западного переноса Вм отличается интенсивной циклонической деятельностью.

Зоны общей циркуляции меняют свое положение в соответствии с годовым ходом высоты Солнца, что является причиной устойчивого чередования преобладающих направлений ветра на окраинах этих зон. Хотя их смещение и незначительно, но оно играет большую роль в формировании климатических условий переходных климатических поясов (субарктического, субтропического, субэкваториального).

Ветер – одно из основных понятий метеорологии. Различают прямое воздействие ветра: рельефообразующий фактор, влияет на форму растений, способствует переносу семян растений, вызывает морские течения, регулирует дальность распространения морских и материковых влияний и т.д. Но большее значение, чем прямое воздействие ветра, имеют его косвенные эффекты, ибо именно ветру мы обязаны сменами погоды, связанными с перемещением различных Вм с их разнообразными свойствами.

Воздушные массы – относительно однородные части тропосферы, соизмеримые с большими частями материков и океанов и обладающие определенными общими свойствами (температурой, влажностью, давлением и т.д.); формируются над однородной подстилающей поверхностью, в однородных радиационных условиях; перемещаются как целое в одном из течений общей циркуляции атмосферы (что в значительной степени определяет характер климатических условий) и отделяются друг от друга атмосферными фронтами. По происхождению различают: арктические, антарктические, умеренных широт, тропические и экваториальные Вм с подразделением их (кроме экваториальных) на морской и континентальный типы.

Фронтальные зоны, формирующиеся в зоне контакта Вм, обладают большой неустойчивостью атмосферы. Для арктического и полярного атмосферных фронтов характерно образование циклонов, крупных атмосферных вихрей. Циркуляция воздуха в вихрях направлена в северном полушарии против, а южном – по часовой стрелке, с отклонением к центру циклона в нижних слоях атмосферы. В различных частях циклона отмечаются значительные температурные контрасты. Прохождение циклонов обычно сопровождается усилением облачности и осадков, изменением температуры воздуха и резкой сменой погоды.

Схема развития фронтального циклона (по С.П. Хромову)

Во внутритропической зоне конвергенции (зоны столкновения в атмосфере пассатов Северного и Южного полушарий, или пассата и экваториального муссона) наблюдаются сильные восходящие токи воздуха, приводящие к образованию мощной облачности и выпадению обильных ливневых осадков.

На территории Северных материков, большая часть которых располагается в умеренном, субарктическом и субтропическом поясах, господствует западный перенос Вм умеренных широт. Исландский и Алеутский барические минимумы, которые формируются над океаническими бассейнами в районе 60⁰с.ш., служат зонами конвергенции Вм, развития фронтальных процессов и формирования циклонов, которые смещаются с запада на восток, с океанов на материки и определяют режим погод на значительных пространствах Северных материков. Наиболее сильно влияние западных ветров проявляется в западно-приокеанических секторах Евразии и Северной Америки в субарктическом, умеренном поясах, где формируются морские типы климата, отличающиеся теплой для данных широт зимой, прохладным летом и большим количеством осадков, выпадающих в течение всего года с небольшим преобладанием зимних осадков. В западно-приокеаническом секторе субтропического пояса формируется средиземноморский климат с влажной зимой (влияние западных ветров) и сухим жарким летом (из-за летнего положения субтропических антициклонов).

В пределах южных тропических материков, основная площадь территории которых расположена в экваториально-тропических широтах, господствует пассатная циркуляция. В тропических широтах всех южных тропических материков пассаты непосредственно участвуют в образовании климатов восточных побережий. На восток Южной Америки, Австралии и Южной Африки пассаты приносят мТВ. Они способствуют выпадению осадков на восточных склонах береговых поднятий. В летнее время количество осадков увеличивается, т.к. усиливается пассатная циркуляция и влагосодержание Вм возрастает. С продвижением вглубь континентов, Вм трансформируются и количество осадков снижается. Более быстрое превращение мТВ в кТВ происходит в холодный период. Для этих районов характерны тропические влажные (пассатно влажные) климаты.

Особенно большую роль циркуляция пассатного типа играет в формировании климата северной, наиболее широкой части Африки, которая к тому же расположена в непосредственном соседстве с огромным материковым блоком Евразии. Северо-восточный пассат устойчиво наблюдается в течение всего года между 30⁰ и 17⁰ с.ш. над территорией северной Африки. Вм, перенесенные пассатным потоком, формируются в области повышенного давления тридцатых широт, располагающейся над севером Африки и Аравией. По своим свойствам это кТВм, которые очень сухие и осадков не дают. Поэтому, в зоне влияния этого воздушного потока формируется самая большая по площади пустыня мира – Сахара. Сахару называют «детищем северо-восточного пассата».

В зимний период над внутренними районами Северных материков развиваются обширные области с высоким атмосферным давлением: Канадский, Северо-Американский, Азиатский антициклоны. Наибольшей устойчивостью отличается Азиатский антициклон, центр которого расположен над северной Монголией и южным Забайкальем. Вм, формирующиеся в этих областях повышенного давления, отличаются сухостью и очень низкими температурами. Растекание Вм из Азиатского антициклона обусловливает снижение температур и отсутствие зимних осадков на огромных пространствах Северной, Центральной, Восточной Азии.

В летний период внутренние районы материков прогреваются, над ними формируются барические депрессии, в которые затягиваются Вм с окраин материков. Например, летние муссонноподобные ветры с Мексиканского залива, столкновение тихоокеанский и атлантических Вм над внутренними районами Мексиканского нагорья с развитием внутритропической конвергенции; аналогичные процессы развиваются летом южного полушария над внутренними районами Южной Африки.

На фоне общей циркуляции атмосферы в ряде регионов проявляется местная циркуляция, обусловленная географическими особенностями соответствующей территории: характером рельефа, резкими контрастами температуры воздуха, подстилающей поверхностью и др. Существует много локально обусловленных ветров, носящих местные наименования. Среди местных ветров обособленные группы образуют бризовые ветры, горно-долинные ветры, нисходящие (фёновые) ветры, синоптические региональные ветры (их формирование связано со специфической, чаще других повторяющейся, синоптической ситуацией): сирокко, самум, хамсин, вилли-вилли и др.; штормовые (торнадо, смерч, тайфун) ветры.

Глобальная циркуляция в атмосфере – это система ветров

Ветер – горизонтальное перемещение воздушных масс. Движение воздушных масс обусловлено особенностями барического поля в пределах которого наблюдается различное атмосферное давление.

Между температурой воздуха и атмосферным давлением существует следующая зависимость: чем выше t^о, тем ниже атмосферное давление или чем ниже t^о, тем выше атмосферное давление.

При нагревании воздуха, происходит его расширение, то есть увеличение объема и, как следствие, уменьшение веса единицы объема (за нее принят 1 кубический метр). При охлаждении воздуха наблюдается его уплотнения, вес единицы объема увеличивается.

Температура воздуха изменяется поширотно. Поэтому атмосферное давление, также изменяется поширотно.

В экваториальной полосе круглый год наблюдается очень большой приток солнечной энергии к земной поверхности - сильное ее нагревание - устойчивая высокая среднегодовая температура воздуха - низкое атмосферное давление. Экваториальный пояс пониженного атмосферного давления получил название экваториальная депрессия или экваториальный min.

В приполюсных областях полгода притока солнечной энергии вовсе не наблюдается, а другие полгода ее величина очень маленькая - земная поверхность охлаждена - температуры атмосферного воздуха очень низкие - воздух плотный, тяжелый - формируется область высокого атмосферного давления. Это область полярных антициклонов или max атмосферного давления. И экваториальный min и полярные max имеют термическое происхождение.

Температура воздуха помимо широты места зависит и от характера поверхности (вода или суша).

На побережьях крупных водоемов наблюдается разница атмосферного давления в течение суток:

• днем суша прогрета лучше водной массы - t^о воздуха над сушей выше, чем над водой - перемещение воздушных масс с водоема на сушу;
• ночью суша остывает быстрее чем вода - t^о воздуха на суше ниже, а атмосферное давление выше - ветер с суши в сторону водоема.

Таким образом, в течение суток направление ветра меняется 2 раза. Этот ветер получил название бриз.

Схема бриза

На побережьях океанов, наблюдается сезонная разница атмосферного давления:

• летом суша прогрета лучше водной массы - t? воздуха над ней выше, а атмосферное давление ниже - ветер с океана на сушу;
• зимой водная масса остывает медленнее - t? воздуха над океаном выше, атмосферное давление ниже - ветер с суши в сторону океана.

В течение года направление ветра меняется 2 раза. Этот ветер получил название муссон. Эти ветры наиболее характерны для восточных побережий материков. Ярче всего они выражены на Тихоокеанском побережье Азии.

При нагревании воздуха происходит увеличение его объема и, как следствие, возникают конвективные, т.е. восходящие, потоки воздуха. Другими словами, в областях пониженного атмосферного давления наблюдается восходящее движение воздуха.

При охлаждении воздуха объем воздуха уменьшается и воздух устремляется вниз, т.е. для областей повышенного атмосферного давления характерно нисходящее движение воздуха.

Свободно перемещающиеся в горизонтальном направлении воздушные массы испытывают воздействие силы Кориолиса (центробежная сила, возникающая из-за вращения Земли вокруг своей оси).

Под ее действием происходит разворот (отклонение) воздушных масс от направления их перемещения – в северном полушарии вправо, в южном полушарии – влево.

Схема распределения давления и ветров на земном шаре

В области пониженного давления над экватором хорошо нагретые воздушные массы поднимаются (конвективные токи) и на высоте растекаются в сторону полюсов.

создавая у поверхности область высокого атмосферного давления, которая получила название – область повышенного атмосферного давления над 30^о или субтропический динамический антициклон (max).

Из этой области повышенного атмосферного давления воздух (воздушные массы) растекаются в обе стороны: к экватору и в сторону полюсов.

Перемещение воздушных масс из области высокого атмосферного давления над 30-ыми широтами в область низкого атмосферного давления над экватором называют – пассатом.

Пассат – это постоянный ветер, сохраняющий свое направление в течение всего года. Направление пассата в северном полушарии – северо-восточное, в южном – юго-восточное (результат отклоняющего действия силы Кориолиса).

Из областей повышенного атмосферного давления над 30-ыми параллелями в обоих полушариях воздушные массы оттекают и в сторону полюсов. На направление их движение также оказывает влияние сила Кориолиса и к 40-50-м широтам воздушные массы начинают двигаться в западно-восточном направлении так образуется постоянный ветер умеренного пояса Западный перенос.

Из области высокого атмосферного давления над полюсами оттекают воздушные массы. Под действием силы Кориолиса направление их движения в северном полушарии – северо-восточное, в южном – юго-восточное (св/юв). Это постоянные веры высоких широт.

Область низкого давления над экватором лучше выражена над материками, хотя наблюдается и над океанами.

Область высокого давления над 30^о лучше выражена над океанами, ее центры получили свои собственные названия: Северо-Атлантический или Азорский max, Северо-Тихоокеанский или Гавайский max, Южно-Атлантический max, Южно-Тихоокеанский max, Южно-Индийский max. Пояса повышенного давления 30-х широт прослеживаются и над материками, четче в зимний период.

Характер циркуляции (горизонтальное и вертикальное движение воздушных масс) между экватором и тропиками доказано инструментально. А в умеренных и высоких широтах движение воздуха в высоких слоях тропосферы не отличается четко выраженным постоянством.

Области низкого атмосферного давления в умеренных широтах (40^о – 50^о с/ю ш.) четко выражены только в северном полушарии. Причем их образование связано с кольцами теплых океанических течений у о. Исландия (Исландский min) и у Алеутских островов (Алеутский min).

Планетарные области повышенного и пониженного атмосферного давления в течение года смещаются вслед за зенитальным положением Солнца. В июне, когда Солнце стоит в зените над северным тропиком, все пояса атмосферного давления смещается к северу, а в январе к югу. Поэтому возникают широтные пояса, где в течение года меняется характер воздушных потоков – это так называемые переходные пояса: субэкваториальные, субтропические, субарктический и субантарктический.

Субэкваториальная зона циркуляции наблюдается приблизительно между 5^о и 19^о северного и южного полушарий.

Летом соответствующего полушария экваториальная депрессия будет располагаться в районе 5^о широты этого полушария, кроме, того все полушарие будет прогрето лучше, вследствие этого возникает разница атмосферного давления между полушариями и пассаты из другого полушария переходят через экватор.

Перешедшие в чужое полушарие пассаты получают название экваториальный муссон, а сила Кориолиса меняет их направление: с с-в на с-з, с ю-в на ю-з. Экваториальный муссон это ветер летнего сезона данного полушария.

Субтропическая зона циркуляции наблюдается приблизительно ме жду 30^о и 40^о широты в каждом полушарии.

Летом своего полушария в эту зону смещается центральная область субтропического антициклона, с ярко выраженными нисходящими токами воздуха. Зимой эта зона оказывается под воздействием западных ветров.

Субарктическая/субантарктическая циркуляционная зона (70-60^о с/ю.ш.). Летом это зона оказывается под влиянием западных ветров, а зимой – постоянных ветров полярных областей (с-в в северном полушарии и ю-в в южном полушарии).

Прямое воздействие самих ветров в целом на климатические условия незначительно. Важнее их косвенное влияние – это характер воздушных масс, переносимых воздушными течениями.

Литература

1. Зубащенко Е.М. Региональная физическая география. Климаты Земли: учебно-методическое пособие. Часть 1. / Е.М. Зубащенко, В.И. Шмыков, А.Я. Немыкин, Н.В. Полякова. – Воронеж: ВГПУ, 2007. – 183 с.