Ветер и его характеристика

9.3. Ветер и его характеристики

Неравномерное распределение давления у земной поверхности вызывает перемещение воздуха. Движение воздуха в горизонтальном направлении называется ветром. Ветер всегда дует из области повышенного давления в область пониженного давления. Как всякое движение, ветер имеет две характеристики: скорость и направление.

Скорость ветра — количество метров, проходимое воздухом в секунду (м/с). На метеорологических станциях ее определяют флю­гером Вильда и анеморумбометром (греч. anemos — ветер), в полевых условиях — анемометрами различной конструкции. Иногда скорость ветра, т. е. его силу, оценивают ви­зуально в баллах (по двенадцатибалльной шка­ле Бофорта), указывая название ветра.

На скорость ветра влияет разница в дав­лении, трение и плотность воздуха. Разность давления определяется горизонтальным ба­рическим градиентом. Это изменение давле­ния по нормали (т. е. перпендикулярно) к изо­баре в сторону уменьшающегося давления на единицу расстояния — длину 1° меридиана или 100 км. Чем больше разница в давлении, т. е. горизонтальный барический градиент, тем сильнее ветер. Трение уменьшает скорость ве­тра, поэтому с увеличением высоты над зем­ной поверхностью ветер сильнее. На высоте ветер усиливается и из-за меньшей там плот­ности воздуха. Это особенно ощущается в го­рах, на их вершинах или перевалах, где со­здаются условия аэродинамической трубы. Скорость ветра учитывается в повседневной жизни, особенно при строительстве высотных сооружений, например телебашен, труб и пр.

Направление ветра определяется по той стороне горизонта, откуда дует ветер. Оно обычно определяется по 16 румбам: северный, северо-северо-восточный, северо-восточный и т. д. Для более точного определения направ­ления ветра указывают азимут — угол, от­считываемый от точки севера до вектора ско­рости по часовой стрелке от 0° до 360°. На­правление ветра зависит от направления горизонтального барического градиента, откло­няющего действия вращения Земли, и от тре­ния. Ветер всегда направлен по нормали к изобаре в сторону убывающего давления. Но при движении воздуха сразу проявляется си­ла Кориолиса, в результате чего ветер откло­няется от первоначального направления: впра­во — в северном полушарии, влево — в юж­ном. Отклонение сильнее при больших скоростях и увеличивается от экватора к по­люсам. При этом скорость ветра и отклоне­ние его над водой больше, чем над сушей, где они снижены из-за неровностей земной по­верхности. В среднем трение наполовину уменьшает отклонение ветра в приземном слое тропосферы (в слое трения). Связь между рас­пределением атмосферного давления и направ­лением ветра в слое трения выражается ба­рическим законом ветра (закон Бёйс-Баллота). Он таков: в северном полушарии, если встать спиной к ветру, низкое давление окажется слева и несколько впереди, а высо­кое — справа и несколько позади. В южном полушарии, наоборот, низкое давление — справа, несколько впереди, а высокое — сле­ва, несколько позади.

На высоте более 1000—1200 м, выше слоя трения, в так называемой свободной атмосфе­ре, отклонение становится столь значитель­ным, что ветер практически дует вдоль изо­бар; его называют градиентным. Градиент­ный ветер, дующий вдоль прямолинейных изобар, называется геострофическим, а вдоль круговых изобар — геоциклострофическим: циклональным или антициклональным. Если движение воздуха происходит против часовой стрелки — в северном полушарии или по ча­совой стрелке — в южном полушарии, ветер называется циклональным. Если движение воздуха происходит по часовой стрелке — в северном полушарии или против часовой стрелки — в южном полушарии, ветер антициклональный.

Ветер — сложное воздушное течение, ско­рость его постоянно колеблется, направление частиц воздуха непрерывно меняется, поэто­му он дует порывисто. Турбулентность ветро­вого потока можно наблюдать во время падения снежинок при ветре, когда они со­вершают беспорядочные движения. Турбулент­ность ветра обусловлена неравномерным на­гревом и неровностями земной поверхности, т. е. она термического и динамического про­исхождения. Турбулентность ветра зависит так­же от соотношения температуры приходящего воздуха и подстилающей поверхности. Когда холодная воздушная масса приходит на теп­лую поверхность (например, на Восточно-Ев­ропейскую равнину летом с Арктики или Ат­лантики), она снизу подогревается, развива­ется конвекция и турбулентность усиливается. Когда относительно теплый воздух приходит на холодную поверхность (зимой с Атланти­ки), то он от снега охлаждается, стратифика­ция воздуха становится устойчивой, а турбу­лентность — незначительной.

Чтобы охарактеризовать ветровой режим местности, т. е. скорость или направление ве­тров, надо взять их осредненные значения за длительное время и построить диаграмму — розу ветров. С помощью розы ветров обыч­но определяют преобладающее направление ветров за год. Для этого от начала координат откладывают 8 или 16 отрезков по сторонам горизонта, длины которых пропорциональны повторяемости ветров соответствующего на­правления (%). Концы отрезков соединяют ло­маной линией. Повторяемость штилей указы­вают числом в центре диаграммы (рис. 55).

На Земле одновременно дуют ветры раз­ной протяженности, разной силы и разных направлений. Значительная их часть обусловли­вается динамикой воздушных масс в постоян­ных и сезонных центрах действия атмосферы, а также в циклонах и антициклонах умерен­ных широт на границах воздушных масс с раз­личными свойствами. В то же время сущест­вуют и локальные ветры, возникающие толь­ко в определенных районах и вызванные спецификой местных орогидрографических ус­ловий. Таким образом, все ветры Земли мож­но в первом приближении разделить на вет­ры планетарного масштаба — общую цирку­ляцию атмосферы, ветры атмосферных вихрей во фронтальных зонах и местные ветры.

Гл а в а 10

Воздушные массы и атмосферные фронты

10.1. Воздушные массы

Вследствие различий солнечного тепла на Земле и самой подстилающей поверхности (су­ша, океан), которые по-разному преобразуют солнечное тепло, основные свойства воздуш­ных масс — температура, влажность, про­зрачность — неодинаковы. В результате воз­дух тропосферы в горизонтальном направле­нии расчленяется на отдельные воздушные массы. Это крупные объемы воздуха, облада­ющие относительно однородными физически­ми свойствами и движущиеся как одно целое в одном из течений планетарной циркуляции атмосферы. Размеры воздушных масс опреде­ляются тысячами километров — по горизон­тали, т. е. соизмеримы с большими частями материков и океанов, и вплоть до тропопау­зы — по вертикали. Друг от друга они отде­ляются атмосферными фронтами.

Свойства воздушных масс несут отпечаток очага формирования — той территории или акватории, над которой они возникли. Для при­обретения определенных свойств воздушные массы, помимо формирования в однородных радиационных условиях над однотипной под­стилающей поверхностью, должны иметь воз­можность более или менее продолжительное время застаиваться в районе образования. Та­кие условия весьма характерны для областей высокого давления, которые являются типич­ными очагами формирования воздушных масс.

Воздушные массы не абсолютно однород­ны во всех своих частях, но более или менее длительно сохраняют свою индивидуальность при перемещении из одних районов Земли в другие. Однако поскольку они все-таки движутся, то свойства их изменяются. Процесс изменения свойств воздушных масс называет­ся трансформацией. Перерождение их тем значительнее, чем контрастнее разница ради­ационных условий и подстилающей поверхно­сти очага формирования и той территории, на которую пришла воздушная масса. Но при этом важна скорость ее движения. Если воздушная масса движется медленно, то изменения ее свойств весьма ощутимы, если быстро, то она дольше сохраняет первоначальные свойства, так как на трансформацию нужно время.

Воздушные массы по скорости пере­мещения делятся на местные (малоподвиж­ные) и движущиеся.

Местные воздушные массы длительно на­ходятся в одном районе. Свойства их опреде­ляются охлаждением или нагреванием снизу в зависимости от времени года. Поэтому они мо­гут быть устойчиво и неустойчиво стратифи­цированными. Над нагретой поверхностью (ле­том над сушей, зимой над океаном) воздуш­ные массы обладают неустойчивой стратифика­цией, над охлажденной поверхностью (зимой над сушей, летом над океаном) — устойчивой стратификацией. Мощная конвекция в связи с влажно-неустойчивым состоянием воздуха про­исходит весь год в экваториальных широтах.

Движущиеся воздушные массы по отно­шению к подстилающей поверхно­сти делятся на теплые (ТВ) и холодные (ХВ). Теплая воздушная масса та, которая приходит на холодную подстилающую поверх­ность, а холодная, наоборот, — на теплую подстилающую поверхность. Температуры здесь относительные, а не абсолютные. На­пример, воздух с Атлантики, приходящий на Восточно-Европейскую равнину зимой с тем­пературой около 0°С, теплый, а летом с тем­пературой около +15°С — холодный.

Теплая воздушная масса, приходящая на хо­лодную поверхность, способствует потепле­нию, но сама охлаждается и приобретает ус­тойчивую стратификацию. В ней возможны адвективные туманы, слоистые облака с мо­росящими осадками, температурная инверсия, так как снизу, особенно от снега, происходит сильное охлаждение.

Холодная воздушная масса, приходя на теп­лую поверхность, приносит похолодание (в уме­ренных широтах весной и осенью вплоть до заморозков), но и сама трансформируется. Вследствие прогревания снизу она становится неустойчиво стратифицированной, в ней раз­вивается конвекция, образуются кучевые и кучево-дождевые облака, которые, как правило, дают ливневые осадки.

По влажности воздушные массы де­лятся на относительно сухие и относительно влажные.

Приход тех или иных воздушных масс в ре­гион сопровождается не только их трансфор­мацией, но и изменением режима погоды: рез­ким или постепенным в зависимости от ско­рости их перемещения и степени контрастности прежних и новых условий.

Географическая (зональная) классифи­кация воздушных масс: по физическим свойствам различают четыре зональных типа воздушных масс: арктический (антарк­тический) воздух — АВ, полярный (по меж­дународной классификации) или воздух уме­ренных широт — ПВ (БУШ), тропиче­ский — ТВ и экваториальный — ЭВ. Пер­вые три типа делятся на континентальный и морской подтипы. В экваториальном возду­хе больших различий в свойствах нет, где бы он ни сформировался.

Эту классификацию с полным правом мож­но назвать и географической и генетиче­ской, поскольку в ней учитываются зональ­ные радиационные условия и характер подсти­лающей поверхности. Каждому типу и подти­пу воздушных масс присущи более или менее определенные интервалы температур, влажно­сти, прозрачности. Однако решить вопрос о принадлежности воздушной массы к тому или иному типу и подтипу не всегда просто, так как в атмосфере нет четких границ, а воздуш­ные массы постоянно движутся и трансфор­мируются.

Континентальный арктический и ан­тарктический воздух (кАВ) формируется на­до льдами Арктики и Антарктиды. Он облада­ет крайне низкой температурой, малым влагосодержанием, большой прозрачностью. Его вертикальная мощность около 2 км. Вторже­ния континентального арктического воздуха в умеренные широты Евразии и Северной Аме­рики называют волнами холода. Но, как правило, арктический воздух не переваливает Кавказ, горы Средней Азии и юга Сибири, так как, продвигаясь к югу, он уменьшается в мощ­ности из-за эффекта широты до 0,5 км. В Се­верной Америке по Центральным равнинам между меридионально расположенными хреб­тами он может распространяться вплоть до Мексиканского залива, по пути трансформи­руясь в воздух умеренных широт. Весной и осенью с вторжениями кАВ связаны заморозки.

Морской арктический и антарктиче­ский воздух (мАВ) образуется над периоди­чески замерзающими морями Арктики и во­круг Антарктиды. Его температура несколько выше, чем кАВ, влагосодержание больше, про­зрачность хуже.

Континентальный полярный (умеренных широт) воздух (кПВ) формируется над ма­териками в северном полушарии. Его свойст­ва по сезонам года неодинаковые: летом ха­рактерны довольно высокая температура, зна­чительная абсолютная влажность, наблюдается подъем воздуха при нагреве от подстилающей поверхности и выпадение осадков, прозрач­ность воздуха средняя; зимой характерны низ­кие и крайне низкие (в Восточной Сибири) температуры, невысокая абсолютная влаж­ность, большая прозрачность.

Морской полярный (умеренных широт) воздух (мПВ) образуется над незамерзающи­ми океанами с теплыми течениями в север­ном полушарии и безраздельно господствует над океаническими просторами южного полу­шария с нейтральным по температуре течени­ем Западных ветров. Летом мПВ прохладнее, чем кПВ; зимой теплее, температура его вы­ше 0°С, влажность большая, прозрачность низкая. Вторгаясь зимой в циклонах на запад­ные окраины и в глубь материков, он прино­сит потепление, осадки и пасмурную погоду.

Вторжения мПВ летом на западные и вос­точные окраины материков вызывают похоло­дания, способствуют выпадению фронтальных осадков из кПВ. Нагреваясь, он сам стано­вится неустойчиво стратифицированным, об­разуются конвективные облака и осадки.

Континентальный тропический воздух (кТВ) формируется над тропическими и суб­тропическими пустынями и полупустынями Се­верной и Южной Африки, Передней и Цент­ральной Азии, Северной Америки и Австра­лии. У него высокая температура, особенно летом, средняя абсолютная влажность, неболь­шая прозрачность из-за пыли. Вторжения тро­пического воздуха в умеренные широты, особенно летом, называют волнами тепла. При этом устанавливается жаркая сухая погода, осенью — теплое сухое бабье лето.

Морской тропический воздух (мТВ) об­разуется в барических субтропических макси­мумах над океанами. Температура его по срав­нению с кТВ ниже, влажность больше, про­зрачность хуже. Его вторжения на сушу зимой вызывают оттепели.

Экваториальный воздух (ЭВ) образуется в полосе пониженного давления вдоль эква­тора над влажными вечнозелеными лесами и океанами с теплыми течениями. Он обладает большой мощностью — вплоть до тропопау­зы, высокими, ровными температурами. Причем ЭВ прогрет до больших высот — до верх­ней границы кучевых и кучево-дождевых об­лаков благодаря выделению скрытой теплоты парообразования выше уровня конденсации. У него большая абсолютная и относительная влажность, малая прозрачность. Летом соот­ветствующего полушария в виде экваториаль­ных муссонов он проникает в сторону тропи­ков, особенно далеко в Индии (до 30° с.ш.). Типичные воздушные массы со всеми при­сущими им характерными свойствами наблю­даются лишь в очагах формирования. Ввиду большого объема, протяженности и подвиж­ности они не могут иметь абсолютных стан­дартных характеристик.

10.2. Атмосферные фронты

Различные воздушные массы находятся обычно в постоянном движении. При этом они могут сближаться и встречаться, образуя так называемые фронтальные зоны — переход­ные зоны между воздушными массами с раз­ными физическими свойствами. Ширина их — первые сотни километров, длина — тысячи километров. В них наблюдаются быстрые из­менения всех метеорологических величин по горизонтали — температуры, давления, влаж­ности, так как фактически они представляют собой «поле битвы» между теплым и холод­ным воздухом. Во фронтальных зонах возни­кают поверхности раздела между теплыми и холодными воздушными массами, которые на­зываются фронтальными поверхностями (лат. frons (род. п. front is) — лоб, передняя сторона). Эта поверхность — неширокая по­лоса в несколько десятков километров, но по сравнению с размерами воздушных масс, ко­торые ею разграничиваются, она представля­ется плоскостью. Угол между фронтальной пло­скостью и земной поверхностью очень мал, менее 1°, но на рисунках для наглядности он преувеличен. Фронтальная поверхность всегда наклонена в сторону холодного воздуха, так что холодный плотный воздух располагается внизу, под нею, а теплый, менее плотный и легкий воздух — вверху, над нею. Линия пе­ресечения фронтальной плоскости с поверхно­стью Земли образует линию фронта, кото­рую кратко также называют фронтом. Все эти перечисленные понятия часто объединяются выражением атмосферный фронт.

Так как барическая ступень в теплом воз­духе больше, чем в холодном, то расстояние между изобарическими поверхностями по обе стороны фронтальной поверхности будет раз­личным. Изменение свойств воздуха в услови­ях его неразрывности в атмосфере достигается образованием в зоне фронта ложбины всех изобарических поверхностей. Она проявляет­ся у земной поверхности в виде ложбины, очерченной изобарами (рис. 56). Таким обра­зом, все атмосферные фронты лежат в бари­ческих ложбинах.

Атмосферные фронты бывают стационар­ные и движущиеся.

Если воздушные течения направляются с обеих сторон вдоль линии фронта и она не перемещается заметно ни в сторону теплого, ни в сторону холодного воздуха, то фронт на­зывается стационарным.

Движущийся фронт образуется в том слу­чае, если одна из воздушных масс имеет со­ставляющую скорости, перпендикулярную ли­нии фронта. В зависимости от направления перемещения движущиеся фронты подразде­ляют на теплые и холодные. Теплый фронт образуется при натекании теплого воздуха на холодный. Линия фронта при этом перемеща­ется в сторону холодного воздуха. После про­хождения теплого фронта наступает потепле­ние (рис. 57). Холодный фронт образуется при подтекании холодного воздуха под теплый.

При этом линия фронта перемещается в сто­рону теплого воздуха, который вытесняется на­верх. После прохождения холодного фронта наступает похолодание. Различают холодные фронты первого и второго рода. Холодный фронт первого рода образуется в случае мед­ленного наступания холодного воздуха. При этом теплый воздух спокойно поднимается по фронтальной поверхности и линия фронта дви­жется медленно (рис. 58). Холодный фронт второго рода возникает при быстром движе­нии холодного воздуха и резком подтекании его под теплый воздух, который подбрасыва­ется вверх. Фронтальная поверхность при этом круто поднимается над земной поверхностью из-за того, что приземные слои воздуха тор­мозятся трением. Линия фронта движется бы­стро (рис. 59).

В атмосфере нередко возникают и более сложные комплексные фронты при смыкании (объединении) двух основных фронтов — теплого и холодного. Это фронты окклюзии (лат. occlusio — запирание). При их образо­вании соединяются две холодные воздушные массы, а теплый воздух вытесняется в верх­ние слои тропосферы и теряет связь с зем­ной поверхностью. Если наступающий холод­ный воздух менее холодный, чем предыдущий, образуется фронт окклюзии по типу теп­лого фронта. Если наступающий воздух бо­лее холодный, чем предыдущий, возникает фронт окклюзии по типу холодного фрон­та (рис. 60).

Фронтальная деятельность наиболее интен­сивна в умеренных и близлежащих широтах. Здесь систематически возникают, движутся (преимущественно с запада на восток) и раз­рушаются на протяжении нескольких дней ат­мосферные фронты. С ними связано образование атмосферных возмущений вихревого характера — циклонов (восходящих вихрей) и антициклонов (нисходящих вихрей), которые определяют различные типы погоды.

На климатических картах выделяются зо­ны, где, по средним многолетним данным, ча­ще встречаются воздушные массы различных типов и подтипов и где наиболее активно об­разуются атмосферные фронты. Такие стати­стически устойчивые фронтальные зоны назы­ваются климатическими фронтами. В этих зонах больших горизонтальных контрастов тем­пературы, давления и сильных ветров концен­трируются большие запасы энергии, которые расходуются на образование циклонов и антициклонов. Таким образом, эти зоны отра­жают среднее многолетнее наиболее типич­ное положение серий подвижных атмосферных фронтов.

Среди климатических фронтов выделяют главные и вторичные фронты.

Главные фронты являются зонами разде­ла и взаимодействия основных типов воздуш­ных масс, контрастных прежде всего по тем­пературе. Между арктическим (антарктиче­ским) и полярным (умеренных широт) возду­хом они называются соответственно аркти­ческим и антарктическим фронтами, меж­ду полярным и тропическим воздухом — по­лярным фронтом. Раздел между теплыми воздушными массами — относительно сухой тропической и влажной экваториальной, — считавшийся ранее тропическим фронтом, представляет собой зону сходимости пассатов северного и южного полушарий и называется в настоящее время внутритропической зо­ной конвергенции (ВЗК) (рис. 61, 62).

Особенности главных фронтов таковы. Во-первых, они прослеживаются вверх до самой стратосферы, часто вызывая образование так называемых струйных течений — очень силь­ных ветров, которые достигают наибольшей величины близ тропопаузы. Во-вторых, они не образуют на Земле сплошных полос, а разры­ваются на отдельные ветви (отрезки), которые носят собственные названия. Особенно это заметно на примере полярного фронта, который разделяется на целый ряд ветвей. В-третьих, эти ветви смещаются по сезонам вслед за Солнцем: летом фронты вместе с воз­никающими на них сериями циклонов мигри­руют в сторону полюсов, зимой — к эквато­ру, причем некоторые из них в определенные сезоны размываются. На рисунке 62 видно, что зимой ветвь полярного фронта, отделяю­щая морской полярный воздух Атлантики от морских тропических масс Северо-Атлантиче­ского максимума, располагается на широте Франции. Средиземноморская ветвь полярно­го фронта, которая отделяет тропический воз­дух от континентальных воздушных масс уме­ренных широт, зимой пролегает над Среди­земным морем и далее к востоку переходит в Иранскую ветвь, но летом обе ветви размы­ваются. Над восточным Забайкальем и севе­ром Приморья летом формируется Монголь­ская ветвь полярного фронта, разделяющая континентальные полярную и тропическую воз­душные массы, а над Японским морем — Ти­хоокеанская ветвь между морскими полярны­ми и тропическими массами.

Концы полярных фронтов, проникающих да­леко в глубь тропиков, называются пассатными фронтами. Они разделяют в тропиках уже не полярный и тропический воздух, а раз­личные по свойствам массы тропического воз­духа, приносимого из разных океанических суб­тропических максимумов ветрами, называемы­ми пассатами. Нередко они возникают между двумя мТВ, одна из которых сформировалась из ЭВ над теплыми морскими течениями за­падной периферии субтропических максиму­мов, а вторая — из мПВ над холодными те­чениями восточной их периферии (например, летом вблизи Мексиканского нагорья, полу­пустыни Калахари и др.).

Вторичные фронты (фронты второго по­рядка) образуются обычно между воздушными массами разных подтипов одного и того же географического типа

Они часто возникают между морским и кон­тинентальным полярным воздухом, прежде всего зимой, когда температурная разница между ними достигает наибольших значений. Такой полярный фронт намечается над цент­ром Восточно-Европейской равнины, в связи с чем Москву образно называют «прифронто­вым» городом. Вторичные фронты прослежи­ваются на меньшую высоту, чем главные, — на несколько километров в пределах тропо­сферы.