Циркуляция воздушных масс во внетропических широтах

Основную площадь внетропических широт занимают умеренные пояса. Именно в них протекают атмосферные процессы, играющие ведущую роль в циркуляции атмосферы, формировании погоды и климата этих и сопредельных широт. Умеренные широты характеризуются западным переносом воздуха во всей толще атмосферы, обусловленным термическими и динамическими причинами. Исключение составляют восточные окраины материков, где развит муссонный перенос воздушных масс.

В нижней тропосфере основу западного переноса составляют западные ветры внешних полярных периферий субтропических океанических барических максимумов. Последние являются как бы «ветроразделами» Земли, от которых ветры оттекают и к экватору (пассаты), и к умеренным широтам. Западные ветры лучше выражены и наиболее устойчивы в южном полушарии. Там, южнее субтропического пояса высокого давления, ярко выраженного зимой, но сохраняющегося в виде почти непрерывной полосы даже летом, находится постоянный пояс пониженного давления вокруг Антарктиды. В северном полушарии существенная неоднородность подстилающей поверхности (материки и океаны), значительные сезонные контрасты всех метеорологических характеристик и быстрая их изменчивость в

меридиональном направлении приводят к большой неустойчивости атмосферных процессов. Поэтому западные ветры здесь в чистом виде присущи океанам и западным половинам материков и выявляются лишь из статистического анализа многолетних данных.

Циклоны и антициклоны. Характерной особенностью умеренных широт является разнообразие воздушных масс: арктических (антарктических), полярных (они господствующие), тропических, как морских, так и континентальных, смещающихся с запада на восток и трансформирующихся при этом. Между различными воздушными массами постоянно возникают и также меняют свое положение атмосферные фронты, на которых образуются неустойчивые волны, дающие начало циклонам и антициклонам умеренных широт – крупномасштабным атмосферным вихрям с разными системами ветров, осложняющими западный перенос воздуха. Их постоянное возникновение, развитие, перемещение в восточном направлении и разрушение – основная особенность атмосферной циркуляции умеренных и сопредельных широт, которую называют циклонической деятельностью.

Рис. 65. Схема развития фронтального циклона (по С. П. Хромову)

Циклоны умеренных широт – огромные плоские восходящие воздушные вихри с системой ветров, дующих в северном полушарии против часовой стрелки, а в южном – по часовой стрелке и сходящихся к их центру. У земной поверхности они характеризуются пониженным давлением.

Циклоны – плоские вихри: их горизонтальные размеры достигают 1000 – 3000 км (в диаметре), тогда как вертикальные – от 2 до 10 км. Давление в циклонах колеблется от 1000 до 950 мб, ветры могут достигать скорости 25 м/с и более.

В своем развитии циклоны проходят несколько стадий – от зарождения до заполнения. Своим образованием циклоны обязаны волновым возмущениям атмосферы на фронтах в условиях вращающейся Земли, вследствие чего заметную роль в этом процессе играет сила Кориолиса. На поверхности раздела разных по температуре воздушных масс теплый воздух начинает внедряться в область холодного воздуха и отклоняться от субширотного направления в высокие широты. Нарушение равновесия вынуждает холодных воздух в тыловой части волны внедряться в низкие широты. Развивается циклоническое движение воздуха, и возникает циклонический изгиб фронта – огромная волна, которая начинает двигаться с запада на восток (рис. 65).

Различные значения барической ступени в холодном и теплом воздухе обусловливают уже на начальной стадии развития циклона низкое давление в его теплой части, из-за чего теплый воздух начинает подниматься и скользить по фронтальной поверхности в передней части волны. Такова первая стадия развития циклона – стадия волны.

Если длина вновь возникшей волны 1000 км и больше, то она оказывается неустойчивой в пространстве и продолжает свое развитие; при этом циклон смещается на восток со скоростью до 100 км в сутки. Давление продолжает понижаться, ветры – усиливаться, а амплитуда волны – увеличиваться, причем понижение давления распространяется вверх до высоты 5–6 км. Наступает вторая стадия – молодого циклона, при которой он обычно оконтуривается на приземных картах давления несколькими изобарами.

При продвижении теплого воздуха в высокие широты формируется теплый фронт, при перемещении холодного воздуха в сторону тропиков – холодный фронт. Оба эти фронта сопрягаются в центре циклона и являются частями единого целого, подчеркивая волновое возмущение атмосферы. На космических снимках фронты в циклонах выражены в виде сплошной широкой полосы облачности в зоне теплого фронта в передней части циклона и в центре и более узкой полосы в зоне холодного фронта в тыловой части циклона.

В молодом циклоне выделяются различные части: передний край перед теплым фронтом, теплый сектор между двумя фронтами, тыловая часть – за холодным фронтом (рис. 66). На главных полярных фронтах теплый сектор образуется из тропического воздуха, а остальная часть циклона – из полярного воздуха. На арктическом (антарктическом) фронте теплый сектор циклона образуется из полярного воздуха, а остальная часть циклона – из арктического (антарктического) воздуха.

Холодный фронт всегда движется быстрее теплого, поэтому теплый сектор циклона постепенно сокращается. Когда холодный фронт догоняет теплый и смыкается с ним, образуется фронт окклюзии. При этом теплый воздух вытесняется вверх и закручивается в виде спирали против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой – в южном. Циклон достигает третьей стадии своего развития – окклюдирования. При этом давление в циклоне падает до 980 – 960 гПа, замкнутая циркуляция распространяется до высот более 5 км, диаметр достигает 1,5 – 2 тыс. км.

Затем наступает четвертая (заключительная) стадия развития циклона – его заполнение. Фронт окклюзии постепенно размывается, теплый воздух окончательно оттесняется вверх и при этом адиабатически охлаждается. Облачные системы заполняющихся циклонов приобретают вид закрученных спиралей. Температурные контрасты в циклоне исчезают, он становится холодным по всей своей площади и объему, замедляет движение и окончательно заполняется. Вся жизнь циклона от зарождения до заполнения длится 5–7 дней.

Рис. 66. Циклон умеренных широт в плане и его профили. Названия облаков указаны в таблице 2

С циклонами связаны пасмурная погода, прохладная летом и теплая зимой, и осадки.

С развитием циклонической деятельности связано также возникновение и развитие фронтальных антициклонов. Антициклоны – это нисходящие атмосферные вихри, соизмеримые по размерам с циклонами, с приземной областью высокого давления, с антициклонической системой ветров от центра к периферии по часовой стрелке в северном полушарии и против часовой – в южном. Возникновение и развитие антициклонов тесно связано с развитием циклонов – это единый процесс эволюции фронтальной зоны. Иными словами, циклоны и антициклоны – парагенетические (т. е. тесно связанные между собой) образования.

Антициклоны образуются в тылу холодного фронта молодого циклона в холодном воздухе и тоже проходят ряд стадий. Сначала возникает молодой низкий холодный антициклон, очень подвижный, смещающийся вслед за циклоном. Потом наступает стадия максимального развития: при этом антициклон становится высоким и малоподвижным. В нем образуется слой инверсии, выше которого воздух довольно теплый за счет адиабатического нагревания при опускании, а внизу холоднее из-за эффективного излучения, особенно зимой над сушей. В этой стадии антициклон называют блокирующим, поскольку он препятствует западному переносу воздушных масс вплоть до больших высот. Наконец, наступает заключительная стадия разрушения, когда опускание воздуха прекращается. Хотя антициклоны образуются во фронтальных зонах, фронт через них не проходит, а окаймляет их с трех сторон. С антициклонами связаны безоблачная сухая погода, жаркая летом, морозная зимой.

Рис. 67. Серия циклонов на климатическом фронте, находящихся на разных стадиях развития. 1–4 – стадии развития циклонов

Циклоны и антициклоны возникают над зонами контрастов температур и давлений. Поэтому на земном шаре внетропическая циклоническая деятельность осуществляется преимущественно на главных арктическом (антарктическом) и полярных фронтах, а наиболее активными местами циклогенеза являются зоны встреч воздуха над холодными и теплыми океаническими течениями. В северном полушарии это зоны конвергенции течений Лабрадорского и Гольфстрима, Курильского и Куросио. В южном полушарии основным местом циклогенеза являются «ревущие» (40 – 50°) широты, где встречаются теплые и холодные воздушные массы, особенно там, где в течение Западных ветров вливаются теплые течения вдоль западных окраин океанов.

Вместе с тем зимой, когда контрасты температур и других свойств различных воздушных масс максимальны, циклоническая деятельность проявляется и в других местах. В частности, активный циклогенез происходит в это время над Северным, Средиземным и Черным морями, на внутримассовом полярном фронте между теплым морским и холодным континентальным полярным воздухом.

Циклоны и антициклоны возникают на климатических фронтах один за другим, т. е. последовательно во времени. Наиболее типичной является картина, когда на арктическом или полярном фронте последовательно расположены серии разновозрастных циклонических вихрей, находящихся на разных стадиях своего развития – от самых молодых на западных краях фронтов до заполняющихся на восточных (рис. 67). Так же последовательно возникают антициклоны.

И циклоны, и антициклоны (точнее, их центры) перемещаются в умеренных широтах в направлении общего переноса воздуха с запада на восток, т. е. под перемещением циклонов и антициклонов подразумевается движение их как единой системы (при этом ветры в разных частях этих вихрей могут иметь различное направление). Однако при движении на восток циклоны уклоняются к высоким широтам, а антициклоны – в сторону тропиков.

Поступательное движение циклонов в северном полушарии на северо-восток (см. рис. 67) обусловлено отчасти тем, что ветры в них, дующие против часовой стрелки, на южных перифериях усиливаются западным переносом и как бы оттесняют циклоны к северу (рис. 68, а). В южном полушарии циклоны смещаются к юго-востоку. Существует также мнение, что отклонению циклонов к высоким широтам способствует вторжение теплого воздуха в теплые сектора соответственно с юга в северном полушарии и с севера в южном.

Развиваясь и перемещаясь, циклоны в конце концов достигают заключительных стадий, нагоняют друг друга и становятся малоподвижными. Циклоны при этом образуют одну общую глубокую обширную область низкого давления в субарктических широтах, которую называют центральным циклоном. В северном полушарии они образуются на севере Атлантического и Тихого океанов, где на климатических картах отмечаются такие центры действия атмосферы, как Исландский и Алеутский минимумы. Активная циклоническая деятельность зимой в умеренных широтах и на арктическом фронте в районе Баренцева и Карского морей формирует там глубокую барическую ложбину, протягивающуюся от Исландского минимума. Вторая аналогичная ложбина простирается от него до моря Баффина. Оси ложбин совпадают с теплыми течениями.

Рис. 68. Схема перемещения фронтальных циклонов (а) и антициклонов (б) в умеренных и сопредельных широтах северного полушария

Циклоны, возникающие на внутримассовом полярном фронте между атлантическим морским и континентальным полярным воздухом, смещаются через Центральную Европу на Восточно-Европейскую равнину и далее – на север Западной Сибири. Путь зимних циклонов Средиземноморской ветви полярного фронта лежит через Балканский полуостров, Украину, центральные районы европейской России и далее на северо-восток. С этими циклонами зимой связаны оттепели и выпадение большого количества осадков. На степень проявления циклогенеза отчасти влияют и орографические особенности материков: так, в Северной Америке некоторой преградой на пути северотихоокеанских циклонов к востоку служат Кордильеры.

В южном полушарии циклоны образуют пояс низкого давления вокруг Антарктиды с цепочкой обособленных внутри него барических минимумов.

Таким образом, барические минимумы субполярных широт, особенно хорошо выраженные зимой над океанами и совпадающие с районами положительных температурных аномалий, формируются и поддерживаются приходящими сюда циклонами.

Отклонение антициклонов из умеренных широт к тропикам можно объяснить тем, что ветры в них, дующие по часовой стрелке в северном полушарии и против часовой стрелки в южном, усиливаются западным переносом на их полярных окраинах, что придает движению антициклонов меридиальную составляющую (см. рис. 68, б). В северном полушарии антициклоны смещаются к юго-востоку, в южном – к северо-востоку. Замыкающие антициклоны, вторгаясь из умеренных широт в субтропические, постоянно регенерируют и поддерживают там области повышенного давления – океанические субтропические барические максимумы: Северо-Атлантический, Северо-Тихоокеанский, Южно-Атлантический, Южно-Тихоокеанский и Южно-Индийский. Таким образом, все центры действия атмосферы – постоянные и сезонные барические минимумы и максимумы имеют комплексное – и термическое, и динамическое происхождение.

Благодаря меридиональной составляющей фронтальные циклоны и антициклоны участвуют в междуширотном обмене воздуха от субтропиков до субполярных широт. В этом обмене немаловажную роль играют и ветры внутри циклонов и антициклонов. По тыловой западной периферии антициклонов и передней восточной периферии циклонов они переносят теплые массы воздуха от низких широт в сторону полюсов. По тыловой западной периферии циклонов и передней восточной периферии антициклонов холодные массы воздуха вторгаются вплоть до тропиков.

Так сами циклоны и антициклоны, наряду с ветрами по их периферии, осуществляют обмен воздушными массами в меридиональном направлении. Но зональная составляющая все же преобладает, что выражается в перемещении циклонов и антициклонов в умеренных и сопредельных широтах с запада на восток.

Иная – муссонная – циркуляция возникает во внетропических (прежде всего в умеренных и субтропических) широтах на восточных побережьях материков. Здесь четко выражено резкое изменение преобладающего направления ветров зимой и летом на противоположное, что связано с различным сезонным нагреванием суши и океана и перестройкой вслед за температурой давления и изменения положения центров действия атмосферы в этих широтах. Подобные ветры называются муссонами внетропических широт (см. рис. 64). Рассмотрим их на примере северного полушария. Летом циркуляция здесь определяется субтропическими океаническими максимумами, смещающимися к северу, и барическими минимумами над континентами. По западным перифериям Северо-Атлантического и Северо-Тихоокеанского максимумов относительно теплые морские тропические и полярные воздушные массы перемещаются с юга и юго-востока на нагретые континенты – Азию и Северную Америку. Это перемещение осуществляется в виде серий циклонов, зарождающихся на контакте морского и континентального воздуха и следующих по направлению воздушных потоков к северу и северо-западу. С циклонами на континенты приходят массы морского тропического или полярного (в зависимости от широты места) воздуха, насыщенного влагой, которая изливается в виде обильных муссонных дождей, особенно на восточных склонах гор и их предгорьях.

Зимой в этих районах циркуляция воздушных масс определяется сезонными континентальными Канадским и Азиатским максимумами и ярко выраженными Исландским и Алеутским минимумами над океанами. Устойчивые северо-западные ветры приносят с материков на их восточные побережья сухой и холодный континентальный полярный воздух, снижая температуру зимой нередко до отрицательных

значений даже на Великой Китайской равнине. Китайские метеорологи установили, что между зонами экваториально-тропических муссонов (с повторяемостью более 60%) и вне-тропических муссонов (с повторяемостью менее 40%) существует узкая полоса без муссонов. Это свидетельствует о различной природе этих муссонных полей.

В Северной Америке на восточных побережьях внетропических широт муссонная циркуляция ослаблена и муссонность климата почти не выражена.

Своеобразна атмосферная циркуляция в высоких широтах. Здесь проявляется ее термическая составляющая, которая выражается в преобладании ветров восточных направлений. Особенно хорошо выражены юго-восточные ветры по окраинам Антарктиды; там они усиливаются стоковым эффектом (стеканием холодного воздуха вниз с высокого ледникового щита) и устойчиво дуют со скоростью до 20 м/с. В северном полушарии устойчивые северо-восточные ветры отмечаются лишь по южной окраине Гренландии, где они дуют из Гренландского максимума в Исландский минимум. В высоких широтах Азии и Северной Америки в циркуляции атмосферы отмечена муссонная тенденция (повторяемость ветров – менее 40%). Зимой там дуют холодные и сухие южные ветры из Азиатского и Канадского максимумов. Летом направление ветров меняется на обратное – они дуют с холодного Северного Ледовитого океана на прогретую сушу в направлении термических депрессий над Сибирью и Северной Канадой. Однако эти ветры не дают муссонного климатического эффекта, в частности обилия и сезонности в количестве осадков.

Внетропические муссоны занимают важное место в системе обшей циркуляции атмосферы и в районах их устойчивого развития оказывают большое влияние на климат.