К числу основных характеристик высотных фронтальных зон относятся сравнительно большие градиенты температуры, давления и скорости ветра. В системе высотных фронтальных зон максимальные скорости ветра очень часто превышают 100 км/час, т. е. удовлетворяют принятым критериям скоростей струйных течений.
Согласно определения струйного течения, предложенного аэрологической комиссией Всемирной метеорологической организации в 1957 г. струйное течение - сильный узкий поток с квазигоризонтальной осью, расположенный в верхней тропосфере или стратосфере, характеризующийся большими вертикальными и боковыми сдвигами ветра с наличием одного или более максимумов скорости ветра. Струйные течения имеют в длину тысячи километров, сотни в ширину и несколько в толщину. Вертикальный сдвиг ветра составляет 5-10 м/сек. на 1 км и боковой сдвиг 5 м/сек. на 100 км. Нижний предел скорости ветра вдоль оси 30 м/сек.
Размеры струйных течений имеют порядок: по вертикали единицы, по ширине сотни и по протяженности тысячи километров.
При всем многообразии структуры струйные течения являются ветровой характеристикой хорошо выраженных высотных фронтальных зон. В системе фронтальных зон струйные течения, распространяясь на многие тысячи километров, окаймляют земной шар. Соотношение масштабов показывает, что струйное течение представляет сплюснутую сравнительно узкую зону больших скоростей ветра в относительно спокойной окружающей атмосфере.
В послевоенные годы в связи с требованиями авиации струйные течения изучались с неослабевающим интересом. Им посвящены сотни исследований. Изучаются такие характеристики струйных течений, как пространственная структура, условия формирования и перемещения их, связь с атмосферными фронтами и барическими образованиями, вертикальные и горизонтальные сдвиги ветра, вертикальные движения и изменения высоты тропопаузы, разрывы тропопаузы, влияние орографии на структуру струйных течений, облачность и турбулентность в струйных течениях и т. п.
Такой интерес к струйным течениям объясняется не только требованиями авиации, но и тем, что высотные фронтальные зоны со струйными течениями занимают важное место в системе общей циркуляции атмосферы. Ибо здесь происходит как наиболее интенсивный горизонтальный перенос, так и вертикальные перемещения воздуха. Высотные фронтальные зоны и струйные течения, непрерывно преобразовываясь вследствие цикло- и антициклонической деятельности, обеспечивают зональный и меридиональный обмен воздуха в планетарном масштабе.
Еще до открытия струйных течений было обнаружено, что сильные ветры в тропосфере наблюдаются обычно в бароклинных зонах. В 1046-1947 гг. было установлено, что средние за месяц контрасты температуры в тропосфере между низкими и высокими широтами концентрируются в узких зонах западного ветра большой скорости. В последующем многократна было подтверждено также, что скорости воздушных, течений на высотах зависят главным образом от характера поля температуры нижележащих слоев воздуха. Чем больше горизонтальные градиенты температуры в системе высотной фронтальной зоны, тем сильнее струйное течение, характеризующее ветровой режим в этой зоне.
Из теории термического ветра, как и данных шаропилотных наблюдений, было известно, что в соответствии с распределением температуры на высотах до уровня тропопаузы скорость ветра обычно возрастает, а в нижней стратосфере убывает, т. е. максимальные скорости воздушных течений располагаются на уровне 9-12 км вблизи тропопаузы. Градиентный ветер на любом уровне можно рассматривать как сумму двух составляющих: барического градиента на нижнем уровне и приращения ветра, пропорционального горизонтальному градиенту температуры нижележащего слоя. На основе анализа 290 случаев струйных течений в средних широтах, обнаруженных в 1956 г. с максимальными скоростями ветра в пределах 150-300 км/час, К. Угаровой была построена табл. 18.
Как следует из табл. 17, чаще всего нарастание средней скорости ветра с высотой происходит в 2-4-кратном размере что составило 71% изученных струйных течений. В 29% случаев нарастание скорости ветра от уровня 850 мб до уровня 300 мб происходило в 4 раза и более. Таким образом, величина нарастания скорости ветра в тропосфере колебалась в широких пределах от двукратного, составившего 18%, до десятикратного и более, составивших 10% от общего числа случаев.
Для тех же 290 случаев струйных течений были определены величины градиента давления у поверхности земли, для сравнимости выраженного в дкм/1000 км (табл. 18).
Из табл. 18 следует, что в 86% случаев приземный барический градиент под струйными течениями положителен, а в 14% случаев - отрицателен. В случаях лишь двукратного нарастания скорости ветра с высотой барический градиент у поверхности земли был положителен и составлял около 40% градиента на уровне 300 мб. Из таблицы также следует, что величина приземного барического градиента сравнительно небольшая. Поэтому она не должна существенно влиять на распределение ветра в зоне струйного течения.
Из анализа струйных течений было получено, что величины контрастов температуры в °/1000 км в нижней и верхней тропосфере приблизительно одинаковы. Аналогичные результаты уже были получены Г. Д. Зубяном и др. Оказалось, что при двукратном увеличении скорости ветра с высотой под струей контрасты температуры не достигают значительных величин. В этих случаях в слое 500 над 1000 мб контрасты температуры находятся в пределах 4-16 0 /1000 км, а в слое 300 над 500 мб - 4-15 0 /1000 км. При многократном увеличений скорости ветра с высотой в нижнем слое контрасты достигают 10-22 0 /1000 км, a в верхнем слое 8-19 0 /1000 км.
Вклад приземного поля давления в усиление струйных течений обычно является существенным в системе глубоких, но теряющих температурную асимметрию циклонов. При этом в той части мощных, но уже заполняющихся циклонов, при малых горизонтальных градиентах температуры в тропосфере у поверхности земли наблюдаются большие градиенты давления и скорости ветра, по направлению совпадающие с полем давления и ветра вблизи оси струйных течений.
В табл. 19 показана связь между величинами горизонтального контраста средней температуры между изобарическими поверхностями 300 и 1000 мб, между холодной и теплой частями высотной фронтальной зоны и скоростями на оси струйных течений.
Из табл. 19 следует, что в преобладающем числе случаев максимальные скорости ветра на оси струи тем больше, чем больше контрасты температуры. Лишь в одном случае из 68 максимальная скорость на оси струи достигала 130 км/час при контрасте средней температуры слоя, равной 4°.
Таким образом, в формировании струйных течений основное значение имеет характер поля температуры нижележащего слоя атмосферы.
Несмотря на очевидность термической основы возникновения и эволюции струйных течений, существуют различные гипотезы формирования их. Дж. Немайес и Ф. Клапп в 1949 г. предложили адвективную так называемую теорию слияния. Согласно этой теории формирование высотных фронтальных зон и струйных течений происходит главным образом в результате адвективного сближения различных по термическим свойствам воздушных масс. Это положение является одним из основополагающих начал адвективно-динамического анализа, сформулированного в начале сороковых годов. Однако дальнейшие исследования показали, что в преобразовании термобарического поля и эволюции струйных течений в определенных областях высотной фронтальной зоны неадвективные факторы изменения температуры играют важную роль, хотя роль адвекции в формировании и эволюции высотных фронтальных зон и струйных течений является главной.
Согласно теории бокового перемешивания К. Россби, горизонтальная циркуляция в средних широтах имеет характер волнообразных возмущений с гребнями и ложбинами, циклонами и антициклонами. Ими осуществляется перенос теплого воздуха к северу и холодного к югу. Нарушение зонального переноса, происходящее в результате потери устойчивости волн, приводит к усиленному горизонтальному перемешиванию, и в субтропической зоне образуется высотная фронтальная зона с большими контрастами температуры и струйное течение.
По теории Россби можно объяснить образование лишь субтропического струйного течения и то с оговорками. Субтропическое струйное течение должно обладать одинаковой интенсивностью на всем земном шаре. Между тем, по данным наблюдений, струйное течение, особенно зимой, различно по своей интенсивности не только над материками и океанами, но и на разных участках океанов. Теория Россби совершенно не объясняет струйные течения внетропических широт и связь их с циклонами и антициклонами.
Теория сезонных колебаний общей циркуляции атмосферы, предложенная автором в 1947 г., объясняет формирование полей температуры, давления, ветра и планетарных высотных фронтальных зон в различные сезоны неадвективными факторами изменения температуры и прежде всего притоком тепла от подстилающей поверхности.
Много общего с ней имеет идея, выдвинутая Р. Ф. Усмановым, о формировании струйного течения путем распределения суммарного притока тепла. Отмечая, что в декабре и январе медианная линия максимальных скоростей ветра находится близко к линии нулевого радиационного баланса, Усманов полагает, что при исследовании атмосферных процессов необходимо учитывать общий приток тепла, т. е. все составляющие теплового баланса. Таким образом, теоретическое определение сезонного положения струйных течений по существу автор сводит к расчету составляющих теплового баланса атмосферы. Успешное гидродинамическое решение задачи позволило бы теоретическим путем получить количественное согласование рассчитанных и фактических полей метеорологических элементов.
Исследования последних лет позволили получить близкие к действительности средние месячные температуры вдоль меридианов, как и асимметричное распределение температуры относительно географического экватора. На основе произведенных расчетов получено среднегодовое распределение зональной скорости ветра и максимума скорости, превышающей 30 м/сек. На высоте 10-12 км около 40° с. ш., т. е. субтропическое струйное течение. Согласно расчетам, западный ветер со скоростями более 15 м/сек. захватывает большую часть тропосферы средних широт. В январе зона сильных ветров расположена вдоль 40° с. ш. с максимальными значениями скоростей на высотах 10-12 км порядка 40 м/ ce к. В июле эта область располагается вблизи 50° с. ш., а скорости уменьшаются до 20 м/сек. Южнее 25° с. ш. появляется зона восточных ветров, скорость которых на уровне 12 км составляет приблизительно 15 м/сек.
Полученные результаты близки к действительности. Однако расчет формирования и эволюции индивидуальных струйных течений еще встречает значительные трудности.
Интересные идеи выдвинул в 1956-1957 гг. Е. П. Борисенков на основе исследования энергетики атмосферных процессов. Он исходит из положения, что изменение атмосферного давления, определяющее эволюцию барического поля, вызывается динамическими причинами и связано с отклонением ветра от геострофического. К основным его выводам можно отнести следующие: а) изменение давления будет неоднородным, если неоднородно распределение агеострофических отклонений скоростей ветра; б) на среднем энергетическом уровне агеострофическая составляющая скорости ветра однозначно определяется через адвекцию температуры, причем средний энергетический уровень совпадает с изопикническим уровнем и располагается на высоте около 7 км; в) образование очагов кинетической энергии в атмосфере и их эволюция определяется неравномерным характером распределения суммарной адвекции температуры и др. В результате (выполненного исследования Е. П. Борисенков предложил способ прогноза струйных течений.
Несмотря на различие у ряда авторов подходов к объяснению струйных течений, все же несомненно, что струйные течения, причинносвязанные с высотными фронтальными зонами, возникают, усиливаются или ослабевают как прямое следствие процессов возникновения и разрушения этих зон. В процессе возникновения вследствие сближения холодных и теплых воздушных масс горизонтальные градиенты температуры, давления и скорости ветра возрастают. В процессе разрушения вследствие удаления друг от друга холодного и теплого воздуха градиенты температуры и давления уменьшаются, ветры ослабевают.
В поле температуры и ветра фронты наиболее чётко выражены у поверхности Земли в системе развивающихся циклонов и барических ложбин. Этому способствует сходимость воздушных течений у поверхности Земли, вследствие которой в зоне фронта встречаются массы воздуха с различными характеристиками, в том числе, с различной температурой. В системе антициклонов и гребней фронты в приземном слое размываются. Это происходит при расходящихся воздушных течениях (дивергенции).
11.2. Классификация фронтов
Существует несколько общепринятых классификаций фронтов, основанных на циркуляционной значимости фронтов и их пространственной протяженности, особенностях перемещения, вертикального строения и условиях погоды
11.2.1. Географическая классификация атмосферных фронтов
По географическим признакам в соответствии с географической классификацией воздушных масс различают следующие фронты:
Арктический фронт (АФ) – фронт между арктическими и полярными (умеренными) воздушными массами северного полушария. Располагается на южной границе арктической воздушной массы. Обычно различают несколько одновременно существующих ветвей АФ, иногда АФ огибает непрерывно всё северное полушарие.
Полярный фронт или фронт умеренных широт – является южной границей умеренной воздушной массы, разделяющий воздушные массы умеренных широт и тропический воздух.
Пассатный фронт 1 – фронт в тропиках, разделяющий две массы тропического воздуха с различными свойствами – старый ТВ и более свежий ТВ, который недавно образовался путем трансформации массы полярного воздуха. Пассатный фронт обычно проходит в пассатной ложбине между двумя субтропическими антициклонами, являясь продолжением в тропиках полярного фронта. Осадки в пассатной зоне выпадают главным образом, в связи с пассатными фронтами.
Внутритропическая зона конвергенции (ВЗК)2 – достаточно узкая и выраженная зона сходимости между северным и южным пассатами (либо между пассатом и муссоном, или между пассатом и экваториальными западными ветрами).
Арктический, полярный, пассатный, тропический (ВЗК) фронты относятся к климатологическим фронтам.
i Климатологические фронты показывают среднее положение фронтов опре-
делённого типа в конкретном районе. Расположение климатологических фронтов тесно связано с центрами действия атмосферы.
Кроме географической, существуют и другие классификации атмосферных фрон-
11.2.2. Классификация фронтов по циркуляционной значимости
и пространственной протяжённости
По циркуляционной значимости и пространственной протяжённости выделяют: основные (тропосферные, высокие), вторичные (приземные, низкие) и верхние атмосферные фронты.
Основные атмосферные фронты. К основным относятся атмосферные фронты, имеющие большую горизонтальную (несколько тысяч километров) и вертикальную (несколько километров) протяжённость. Основные фронты разделяют воздушные массы, существенно различающиеся по своим свойствам. Прослеживаются на приземных и высот-
ных картах погоды. На высотах в тропосфере и на картах ОТ 1000 500 основной фронт отража-
ется как зона сгущения изогипс – высотная фронтальная зона (ВФЗ).
Контраст температуры в зоне основного фронта на приземной карте погоды превышает 5 °С на 100 км. В высотной фронтальной зоне, связанной с основным фронтом, градиенты геопотенциала в средней тропосфере (на карте ОТ 500/1000) составляют более 16 гп. дам/1000км и более (или 8 °С/100 км и более).
Фронты, определяемые по географическому признаку (арктические, полярные, а также ВЗК), относятся к основным.
Высотные фронтальные зоны. На картах барической топографии АТ500 , АТ300 ,
ОТ 1000 500 (т.е. в средней и верхней тропосфере) в виде области значительного сгущения изо-
гипс представлены зоны перехода между высокими холодными циклонами и высокими тёплыми антициклонами – высотные фронтальные зоны (рис. 11.4, 11.5 ).
11. Атмосферные фронты | ||
Рис. 11.4. Карта абсолютной топографии и температуры на уровне 500 гПа
Фронтальные зоны постоянно возникают, обостряются и разрушаются. Интенсивность их зависит от разности температур встречающихся воздушных масс.
В этих зонах концентрируются огромные запасы энергии. При нестационарности движения возникают крупнейшие атмосферные вихри – циклоны и антициклоны. Таким образом, фронтальные зоны играют огромную роль в развитии погодообразующих процессов.
Н Холод
Рис. 11.5. Участок высотной фронтальной зоны над Азиатско-Тихоокеанским регионом: поле изогипс (вверху), поле ветра, поле температуры (внизу)
11. Атмосферные фронты |
Центральная изогипса этой зоны сгущения называется осевой.
Часть ВФЗ слева от оси (по направлению переноса) называется циклонической периферией ВФЗ, справа от оси – антициклонической периферией ВФЗ.
Часть ВФЗ, где в направлении потока наблюдается сходимость изогипс, называется входом ВФЗ, часть, где в направлении потока наблюдается расходимость изогипс – дельтой ВФЗ.
Отдельные ВФЗ, сливаясь друг с другом, образуют планетарную высотную фронтальную зону (ПВФЗ). ПВФЗ на огромных участках располагается преимущественно зонально, но может иметь волны большой амплитуды меридионального направления.
Существуют две основные ПВФЗ. Одна разделяет арктические воздушные массы и воздушные массы умеренных широт – опоясывает северное полушарие по периферии Полярного бассейна. Вторая – разделяет воздушные массы умеренных широт и субтропиков и проходит по северной периферии субтропических антициклонов.
Однозначной связи между высотными фронтальными зонами и атмосферными фронтами не существует. Нередко два примерно параллельных фронта, хорошо выраженных внизу, сливаются в верхних слоях атмосферы в одну широкую фронтальную зону. В то же время, при наличии фронтальной зоны на высотах у Земли фронт не всегда существует. Фронт в нижних слоях атмосферы отмечается, когда наблюдается приземная конвергенция трения. При дивергенции ветра признаки существования фронта обычно отсутствуют. ВФЗ. Непрерывная ВФЗ на большом протяжении в нижнем слое тропосферы часто разделяется на отдельные участки – существует в циклонах и отсутствует в антициклонах.
4 Вторичные атмосферные фронты. Фронты, которые существуют только в нижних слоях атмосферы – у поверхности Земли или у Земли и не выше АТ850 , а в поле температуры на высотах не обнаруживаются, относятся к вторичным (приземным, низким). Это, как правило, фронты внутри неоднородной воздушной массы, разделяющие её на две воздушные массы одного происхождения.
Наиболее частый случай вторичного фронта – фронт внутри горизонтально неоднородной холодной воздушной массы (арктического или полярного воздуха), за которым вторгается более “свежая” и более холодная часть этой же воздушной массы. Вторичные фронты нередко наблюдаются в тылу циклона за основным фронтом. Вторичные фронты существуют не более 1-2 суток, не связаны с ВФЗ и обычно не выходят за пределы циклона, с которым они связаны.
11. Атмосферные фронты |
Верхние атмосферные фронты. Верхними называются фронты, отсутствующие у поверхности Земли, но выраженные на высотах. Они могут образоваться вследствие размывания фронта у поверхности Земли, но сохраняющегося на высотах. Фронты также могут самостоятельно образовываться на высотах, не достигая Земли. Когда зимой фронт перемещается над приземным слоем очень выхоложенного воздуха, то он становится замаскированным и не прослеживается в поле температуры у поверхности Земли. В качестве верхнего фронта можно рассматривать и ВФЗ, с которыми не связаны атмосферные фронты у Земли.
11.2.3. Классификация фронтов по особенностям перемещения, вертикального строения и условиям погоды
В соответствии с данной классификацией атмосферные фронты подразделяются на тёплые, холодные, малоподвижные, фронты окклюзии (последние относятся к сложным фронтам и могут быть тёплыми, холодными и нейтральными).
Тёплыми называются фронты, перемещающиеся в сторону более холодного воздуха. За тёплым фронтом перемещается тёплая воздушная масса.
Холодными называются фронты, перемещающиеся в сторону более тёплой воздушной массы. За холодным фронтом движется холодная воздушная масса.
Такое перемещение фронтов определяется условиями атмосферной циркуляции – в случае тёплого фронта нормальная к линии фронта составляющая вектора ветра направлена в холодной массе от линии фронта, в тёплой – к линии фронта. В случае холодного фронта соотношение обратное.
В 20-х годах норвежские метеорологи предложили деление атмосферных фронтов на поверхности восходящего (анафронты) и нисходящего (катафронты) скольжения тёплого воздуха. К анафронтам относят все тёплые фронты и медленно смещающиеся холодные фронты, к катафронтам – быстро смещающиеся холодные фронты.
Фронты вместе с воздушными массами перемещаются со скоростью 30-35 км/ч. За сутки они могут пройти 600-800 км. При определённых условиях атмосферные фронты могут длительное время оставаться на месте. Если от срока к сроку фронт практически не перемещается, то его называютмалоподвижным (квазистационарным).
При изменении циркуляционных условий может измениться направление перемещения фронта (знак фронта): участок тёплого фронта может превратиться в участок хо-
Высотные фронтальные зоны
Зоны относительно повышенных горизонтальных градиентов температуры (и давления), прослеживаемые на картах барической топографии, называют высотными фронтальными зонами (ВФЗ).
Прохождение ВФЗ вызывает значительные локальные изменения метеорологических величин не только в нижней и средней тропосфере, но и в верхней тропосфере и нижней части стратосферы.
Тропопауза в ВФЗ или сильно наклонена, или разорвана. Стратосфера в холодном воздухе начинается на меньшей высоте, чем в теплом. Таким образом, когда в холодной стороне ВФЗ понижение температуры с высотой прекращается, на противоположной ее стороне температура еще продолжает понижаться. Вследствие этого выше уровня тропопаузы в холодном воздухе горизонтальный градиент температуры быстро уменьшается. Затем его направление меняется на противоположное, а значение постепенно возрастает и достигает максимума в большинстве случаев на уровне тропопаузы теплого воздуха. Выше этого уровня горизонтальные градиенты температуры обычно снова уменьшаются.
В результате при большой разности высот тропопаузы с разных сторон тропосферной фронтальной зоны в нижней части стратосферы также возникает фронтальная зона. Она наклонена в противоположную сторону по сравнению с наклоном фронтальной зоны в тропосфере и отделена от нее слоем с малыми горизонтальными градиентами температуры. В стратосфере могут возникнуть зоны больших горизонтальных градиентов температуры, явно не связанные с тропосферными фронтальными зонами. Главную роль в их образовании играют радиационные факторы.
В ВФЗ направление изотерм с высотой изменяется мало; ветер стремится принять направление, параллельное изотермам средней температуры нижележащего слоя воздуха, и усиливается, переходя в верхней части тропосферы в струйные течения. Таким образом, фронтальные зоны характеризуются как большими горизонтальными градиентами температуры, так и значительными скоростями ветра. Однозначной связи между фронтальными зонами на высотах и атмосферными фронтами не существует. Нередко два примерно параллельных друг другу фронта, хорошо выраженных внизу, сливаются в верхних слоях в. Одну широкую фронтальную зону. В то же время не всегда при наличии фронтальной зоны на высотах существует фронт у поверхности Земли. Фронт в нижних слоях отмечается, как правило, там, где наблюдается приземная конвергенция трения. При дивергенции ветра признаки существования фронта обычно отсутствуют.
Таким образом, фронтальная зона, непрерывная на большом протяжении на высотах, в нижнем слое тропосферы часто разделяется на отдельные участки -- существует в циклонах и отсутствует в антициклонах. В средней и верхней тропосфере высотные фронтальные зоны часто опоясывают все полушарие Земли. Такие фронтальные зоны называются планетарными.
Изменение контраста температуры в области фронтальной зоны определяется в первую очередь характером горизонтального переноса воздуха с различной температурой. Существенную роль играют также вертикальные движения и трансформация воздуха. В обширных горных районах с высокими горными цепями на изменение контраста температуры сильно влияет рельеф.
В фронтальных зонах концентрируются большие запасы энергии, поэтому в них, как правило, сильно изменяется давление и происходят процессы цикло- и антициклогенеза. Здесь развиваются интенсивные вертикальные движения. С планетарными фронтальными зонами неразрывно связаны струйные течения.
Пространственная структура атмосферных фронтов
Атмосферный фронт не является геометрической поверхностью, не имеющей толщины, а представляет собой некоторый переходный слой, в котором происходит изменение основных метеорологических величин (температуры, ветра, влажности, давления), существенное для динамики атмосферы.
Рис. 1
На любом уровне фронт представляет собой не линию, а некоторую переходную зону, а условная линия фронта находится посреди этой зоны.
Переходная зона у поверхности Земли имеет ширину несколько десятков километров, а толщина переходного слоя в вертикальной плоскости составляет несколько сотен метров. Горизонтальная протяженность линии фронта составляет сотни и тысячи километров. При анализе синоптических карт фронт проводится в виде одной линии. Лишь на вертикальных разрезах атмосферы крупного масштаба иногда удается разделить нижнюю и верхнюю границы переходного слоя. Угол наклона фронтальной поверхности к горизонту составляет примерно 1°. Установлено, что тангенс угла наклона фронта имеет порядок 0,01--0,03, а для катафронтов -- около 0,001.
Известные теоретические формулы наклона фронтальной поверхности неприменимы к пограничному слою атмосферы, так как при их получении не учитывались особенности распределения ветра в этом слое: здесь при прочих равных условиях в холодных фронтах профиль является более крутым, чем в теплых фронтах.
При сильных ветрах фронтальная поверхность вблизи линии приземного фронта в связи с турбулентным перемешиванием выражена нечетко и определение наклона ее затруднено.
Еще более важным следствием отклонения приземного ветра от геострофического является конвергенция ветра вдоль линии фронта. Вследствие конвергенции замедляется движение фронта и усиливается восходящее движение теплого воздуха вдоль фронтальной поверхности. По этой же причине в действительности отсутствуют абсолютно стационарные фронты. Если линия фронта параллельна изобарам, то все же происходит хотя бы и небольшое перемещение линии фронта. На наличие восходящих движений вдоль поверхностей малоподвижных фронтов, в частности, указывают наблюдающиеся здесь зоны облачности и осадков.
Во время предполетной подготовки командир ВС, второй пилот и штурман должны изучить на АМСГ метеорологическую обстановку и условия полета по маршруту, в аэропортах вылета и посадки, на запасных аэродромах, обратив внимание на основные атмосферные процессы, обуславливающие погоду:
На состояние воздушных масс;
На расположение барических образований;
На положение атмосферных фронтов относительно маршрута полета.
2.1. Воздушные массы и погода в них
Большие массы воздуха в тропосфере, обладающие однородными погодными условиями и физическими свойствами, называются воздушными массами (ВМ).Основой термодинамической характеристикой ВМ является их температурный режим, влагосодержание и движение. В связи с этим ВМ подразделяется:
Устойчивая ВМ - более теплая, чем подстилающая поверхность. В неге нет условия для развития вертикальных движений воздуха, так как охлаждение снизу уменьшает вертикальный градиент температуры за счет убывания температурного контраста между нижними и верхними слоями. Здесь образуются слои инверсии и изотермии. Наиболее благоприятным временем для приобретения устойчивости ВМ над континентом является в течение суток – ночь, в течение года - зима.
Характер погоды в УВМ зимой: низкие подинверсионые слоистые и слоисто-кучевые облака, морось, дымка, туман, гололед, в облаках обледенение (Рис. 3).
Рис. 3 Погода в УВМ зимой
Сложные условия только для взлета, посадки и визуальных полетов, от земли до 1-2 км, выше малооблачно. Летом в УВМ преобладает малооблачная погода или кучевые облака со слабой турбулентностью до 500 м, видимость несколько ухудшена за счет задымленности. Циркулирует УРМ и теплом секторе циклона в па западной периферии антициклонов.
Неустойчивая воздушная масса (НВМ) – это холодная ВМ, в которой наблюдаются благоприятные условия для развития восходящих движений воздуха, главным образом термической конвекции. При перемещении над теплой подстилающей поверхностью нижние слой ХВ прогреваются, что приводит к возрастанию вертикальных градиентов температуры до 0,8-1,5/100 м, как следствие этого, к интенсивному развитию конвективных движений в атмосфере. Наиболее активна НВМ в теплое время года. При достаточном влагосодержании воздуха развиваются кучево-дождевые облака до 8-12 км, ливни, град, внутримассовые грозы, шквалистые усиления ветра. Хорошо выражен суточный ход всех элементов. При достаточной влажности и последующем ночном прояснении утром могут возникать радиационные туманы. Полет в этой массе сопровождается болтанкой (Рис. 4).
Рис. 4 Погода в НВМ летом
В холодное время года в НВМ сложности с полетами не наблюдается. Как правило, ясно, поземок, низовая метель, при ветрах северных и северо-восточных, а при северо-западном вторжении ХВ наблюдаются облака с нижней границей не ниже 200-300 м типа слоисто-кучевая или кучево-дождливая со снежными зарядами.
В НВМ могут возникать вторичные холодные фронты. Циркулирует НВМ в тыловой части циклона и на восточной периферии антициклонов.
2.2. Атмосферные фронты
Для оценки фактического и ожидаемого состояния погоды на маршруте или в районе полетов большое значение имеет анализ положения атмосферных фронтов относительно маршрута полета и их перемещения.
Фронты являются зонами активного взаимодействия теплых и холодных ВМ. Вдоль поверхности фронта происходит упорядоченный подъем воздуха, сопровождающийся конденсацией содержащего в нем водяного пара.
Это приводит к формированию на фронте мощных облачных систем и осадков, вызывающих наиболее сложные для авиации условия погоды.
Перед вылетом необходимо оценить активность фронта по следующим признакам:
Фронты располагаются по оси ложбины, чем резче выражена ложбина, тем активен фронт;
Ветер претерпевает при переходе через фронт резкие изменения в направлении, наблюдается сходимость линий потока, а также изменения их по скорости;
Температура по обе стороны фронта претерпевает резкие изменения, контрасты температуры составляют 6-10 0 и более;
Барическая тенденция не одинакова по обе стороны фронта, перед фронтом падает, за фронтом растет, иногда изменение давления за 3 часа составляет 3-4 гПа и более;
Вдоль линии фронта располагаются характерные для каждого типа фронта облака и зоны осадков. Чем влажнее ВМ в зоне фронта, тем активнее погода. На высотных картах фронт выражен в сгущении изогипс и изотерм, в резках контрастах температуры и ветра.
Перемещение фронта происходит в направлении и со скоростью наблюдающегося в холодном воздухе градиентного ветра или его составляющей, направленной перпендикулярно к фронту. Если ветер направлен вдоль линии фронта, то он остается малоподвижным.
Смещение фронта определяется по воздушному потоку по карте АТ 700 ГПА со скоростью приблизительно равное 0,7-0,8 скорости ветра на уровне АТ700, а также методам экстраполяции, т.е. сравнение двух приземных карт погоды за разные сроки.
2.3 Теплый фронт
Характер погоды и условия полета в зоне теплого фронта определяются, как правило, наличием обширной зоны слоистообразных облаков, расположенных над фронтальной поверхностью впереди линии фронта, шириной до 700-1000 км. Фронтальная облачность формируется за счет адиабатического охлаждения теплого воздуха при его упорядоченном подъеме по клину отступающего холодного воздуха. При полете навстречу ТФ экипаж прежде всего встречают предвестники фронта – облака перистые, затем перисто-слоистые, высокослоистые, слоисто-дождевые. Из высокослоистых и слоисто-дождевых выпадают обложные осадки шириной до 300-400 км. Под слоисто-дождевыми, вследствие испарения выпадающих осадков, часто образуются разорванно-дождевые, высотой 50-150 м, а иногда переходят в туман. Наиболее сложные условия погоды, влияющие на взлет и посадку самолетов и визуальные полеты, отмечаются на расстоянии 300-400 км в зоне фронта вблизи центра циклона. Здесь наблюдаются низкая облачность, осадки, ухудшение видимости из-за фронтального тумана, в облаках и осадках зимой обледенение, гололед, общие метели (Рис. 5).
Рис. 5 Теплый фронт в зимнее время
Облака имеют достаточно большую вертикальную мощность и выход из этих облаков обычно осуществляется на высотах 5-6 км, а выше отмечаются безоблачные прослойки, достаточно устойчивые по времени, которые можно использовать для полета.
Летом ТФ слабо выраженный, но ночью обостряется особенно в тех случаях, когда ТВМ оказывается тропический воздух, в котором наблюдается значительные запасы влаги и большие вертикальные температурные градиенты, тогда на ТФ развивается кучево-дождливые облака с ливнями и грозами, замаскированные слоистообразными облаками, что представляет опасность для полетов самолетов (Рис. 6,7).
Рис. 6 Теплый фронт в летнее время
Рис. 7 Грозовые очаги на теплом фронте
Болтанка может наблюдаться лишь в отдельных случаях, когда в зоне фронта отмечаются струйные течения, расположенных перед линией фронта на 400-500 км на высоте 7-9 км.
2.4 Холодные фронты
В зависимости от скорости движения фронта, характеристика восходящих движений ТВ, а такие от расположения зон облачности и осадков относительно фронтальной поверхности, холодные фронты подразделяются:
Холодный фронт 1 рода – медленно движущийся (15-30 км/час)
Холодный фронт 2 рода – быстро движущийся фронт (30 км/час и более).
Холодные фронты наиболее выражены в теплое время и обостряются в середине дня.
Холодный фронт 1 рода чаще формируется в холодное полугодие. В восходящем теплом воздухе процесс конденсации не носит бурного характера и его облачная система сходна с ТФ, но ширина фронта 300-400 км, осадки обложные шириной 150-200 км, в/г облачной системы 4-5 км. В зоне ХФ 1 рода значительно усложнены полеты на малых высотах в связи с ограниченной видимостью и образованием низкой подфронтальной разорвано-дождевой облачности, которая иногда переходит во фронтальный туман (Рис. 8).
Рис. 8 Холодный фронт 1 рода в зимнее время
Летом в передней части фронта за счет развития конвекции образуются СВ с грозами, ливневыми осадками и шквалистым усилением ветра.
Конвективная облачность на ХФ 1 рода представляет собой ограниченную по ширине зону в виде отдельных очагов.
За фронтом СВ переходят в слоисто-дождевые, а затем в высокослоистые. Ливневые осадки сменяются обложными, полет сопровождается болтанкой (Рис. 9).
Рис. 9 Холодный фронт 1 рода в летнее время
Холодный фронт 2 рода представляет наибольшую опасность для полетов. Он характерен для молодого развивающего циклона. С этим фронтом связана узкая зона мощной кучево-дождевой облачности и интенсивных ливневых осадкой, которая располагается в основном на линии фронта шириной 50-100 км. Впереди фронта, под кучево-дождевыми, часто образуется вал низких разорвано-дождевых облаков, вращающихся вокруг горизонтальной оси, шквальный воротник, который очень опасен при попытке пересечения фронта. Летом сопровождается сильными шквалами, грозами, выпадением интенсивного града и возникновения пыльных бурь, сдвигов ветра, интенсивной болтанки, что резко усложняет условия полетов для всех типов самолетов (Рис. 10).
Рис. 10 Холодный фронт 2 рода а летнее время
Кучево-дождевые облака обычно на локаторе представляют из себя непрерывную цепь засветов с небольшими просветами. При полете навстречу фронту, вблизи от него, как правило будет наблюдаться гряда кучево-дождевых с полосами ливневых осадков и грозовыми очагами. Предвестником ХФ 2 рода являются высококучевые чечевицеобразные облака, которые появляются впереди фронта за 200-300 км. Зимой ХФ 2 рода вызывает резкое похолодание, усиление ветра, снежные заряды, метели (Рис. 11).
Рис. 11 Холодный фронт 2 рода в зимнее время
2.5 Фронты окклюзии
Холодный фронт, как более активный, имеет и большую скорость, чем теплый фронт, в результате происходит слияние. Образуется новый сложный фронт – фронт окклюзии. При процессе слияния фронтов теплый воздух вытесняется вверх, а в приземном слое встречаются холодные массы. Если тыловой ХФ оказывается более холодным, образуется фронт окклюзии по типу ХФ (Рис. 12, 13).
Рис. 12 Холодный фронт окклюзии зимой
Рис. 13 Холодный фронт окклюзии летом
Если же ХФ будет теплее отступающего, то образуется окклюзия по типу ТФ (Рис. 14, 15).
Рис. 14 Теплый фронт окклюзии зимой
Рис. 15 Теплый фронт окклюзии летом
Погодные условия типичны на фронтах окклюзии по типу ТФ или ХФ. Наиболее сложные условия погоды и полетов у точки окклюзии.
Здесь зимой низкая облачность, слоисто-дождевые и разорванно-дождевые облака, осадки, обледенение, гололед, туманы. Летом кучево-дождевые облака, грозы, ливни, болтанка. Условия погоды на окклюзиях зависят от степени устойчивости ВМ, их влагосодержания, рельефа местности, времени года и суток. Для облачной системы фронтов окклюзии характерна значительная расслоенность, до 5-7 слоев. Толщина слоев и прослоек между ними достигает 1 км, что дает возможность пересекать эти разделы, а также производить полеты в их зоне, но однако наличие на фронтах окклюзии кучево-дождевых требует повышенного внимания летного состава при полетах в облаках.
2.6 Вторичный холодный фронт
Вторичный холодный фронт является разделом между различными порциями одной и той же воздушной массы. Возникают в неустойчивых холодных воздушных массах за счет неоднородного прогрева ее от подстилающей поверхности в тыловой части циклона. Контрасты температуры в ео зоне порядка 3-5 0 С. Не следует недооценивать значение этих фронтов для производства полетов. С происхождением вторичного фронта летом наблюдаются кучево-дождевые облака с верхней границей 7-9 км, ливневые осадки, грозы, шквалистые усиления ветра. Ширина зоны влияния этого фронта 50-70 км. В холодное время года на этом фронте отмечается низкая облачность, плохая видимость за счет снеженных зарядов, метелей. Они проходят обычно за основными холодными фронтами.
2.7 Стационарные фронты
Фронт, который не испытывает заметного смещения ни в сторону ТВМ, ни в сторону ХВМ, называется стационарным. Такие фронты возникают в барических седловинах, на периферии области высокого давления и располагаются параллельно ветровому потоку. Ширина зоны фронта 50-100 км. Зимой полеты усложнены из-за низких слоистых, слоисто-кучевых, слоисто-дождевых облаков с моросью и обложным дождем, туманов, гололедом. Летом по фронту образуются отдельные очаги кучево-дождевых облаков с грозами и ливнями.
2.8 Высотные фронтальные зоны (ВФЗ)
ВФЗ - переходная зона между теплым антициклоном и холодным циклоном в средней или верхней тропосфере, обнаруживаемая по сгущению изогипс на картах абсолютной топографии. ВФЗ имеет вход и дельту, характеризуется большими значениями горизонтальных градиентов температуры и давления. Высотная фронтальная зона связана с атмосферными фронтами, которые выражены вплоть до тропопаузы, ширина переходной зоны между ВМ при этом увеличивается. Переход более плавный. Фронтальной облачности и других явлений, характерных для фронтов у поверхности земли, здесь может не быть. В верхней тропосфере сгущение изогипс и усиление ветра может наблюдаться и без связи с атмосферными фронтами. С ВФЗ связаны участки атмосферы с большими скоростями ветра более 100 км/час - струйными течениями, вызывающими опасную для полетов болтанку самолетов.
Все виды фронтов при подходе к горным хребтам и при их переваливании обостряются, изменяется конфигурация и вертикальная структура фронтов, замедляется скорость их перемещения, увеличивается мощность облаков, интенсивность осадков, что необходимо учитывать при полетах по горным маршрутам.
2.9. Барические системы
В формировании погоды и в общей циркуляции атмосферы большую роль играют циклоны и антициклоны, представляющие собой гигантские воздушные вихри, вовлекающие огромные массы воздуха, обладающие колоссальными запасами кинетической энергии. Метеоусловия, которые может встретить пилот при полете в той или иной барической системе, зависит от многих факторов: стадии развития данной барической системы, времени года и суток, положение маршрута полета относительно центра барического образования. Однако, несмотря на большое разнообразие погодных условий, все же можно указать характерные особенности в различных частях барических образований.
Циклоны.
В своем развитии циклоны проходят четыре стадии: волна, молодой циклон, окклюдированный циклон, достигающий максимального развития, и заполняющийся циклон (Рис. 16).
Рис. 16 Стадии циклона
Циклон сформирован из нескольких ВМ, разделенных атмосферными фронтами, поэтому характер погоды в нем весьма разнообразен. Циклон условно делят на четыре погодных зоны, где условия полетов будут различны (Рис. 17).
Рис. 17 Погода в циклоне
1. Центральная часть охватывает территорию в радиусе 300-500 км, характеризуется наиболее неблагоприятными условиями погоды для полетов. В центре развивающегося циклона (стадия волны и молодого циклона), как правило, наблюдается хорошо развитая по вертикали облачность до 6-9 км и выше без прослоек типа слоисто-дождевых, кучево-дождевых, с разорванно-дождевыми с высотой 50-100 м, интенсивные осадки, ухудшение видимости до 1-2 км и менее, гололед, в осадках и облаках интенсивное обледенение самолетов, летом грозы, ливни, возможны броски самолета. В центре заполняющегося циклона облачность постепенно размывается, расслаивается и осадки прекращаются.
2. Передняя часть – характеризуется сплошной облачностью и погода этой части зависит от активности ТФ. Облака перистые, перисто-слоистые, высокослоистые, слоисто-дождевые, нижняя кромка понижается к центру циклона, обложные осадки, ухудшающие видимость, фронтальные туманы, гололед.
Ветры преобладают ЮВ и В. Полеты на всех эшелонах ниже 6-8 км, как правило, в облаках с обледенением. Возникают иногда летом замаскированные очаги кучево-дождевых облаков.
3. Тыловая часть циклона. Погода определяется циркуляцией холодных неустойчивых ВМ, преобладает переменная облачность, кучевые, кучево-дождевые с кратковременными осадками, летом внутримассовые грозы, ветер сильный, порывистый северного и северо-западного направления. Полет всегда сопровождается болтанкой.
4. Теплый сектор – в нем циркулируют теплые устойчивые ВМ. В холодное полугодие наблюдается сплошная низкая облачность (слоисто-кучевые, слоистые) с моросящими осадками и адъективными туманами. Вся эта погода наблюдается в приземных слоях до 500-1500 м, выше ясно.
Усложняются визуальные полеты, а также взлет и посадка ВС, на эшелонах сложности в полетах не наблюдается. Летом – малооблачно.
При полетах в области циклонов следует помнить, что наиболее активны фронты и велика скорость восходящих движений и сложнее погода – это ближе к центру циклона, а наиболее благоприятные условия полета на периферии.
Ложбина – это узкая вытянутая полоса пониженного давления, направленная от центра циклона. Погода в ее области имеет циклонический характер и определяется тем типом фронта, с которым она связана. В приземном слое наблюдается сходимость воздушных течений, что создает условия для возникновения по оси восходящих движений воздуха. Последние проводят к образованию облаков и выпадению осадкой, к болтанке самолетов при пересечении ложбины (Рис. 18).
Рис. 18 Ложбина
Антициклоны – метеоусловия полетов в антициклоне в целом значительно лучше, чем в циклоне. Это относится, в первую очередь, к теплому времени года, когда по всей площади его преобладает малооблачная погода. В центре антициклона в утренние часы, при достаточном влагосодержании воздуха, местами образуются радиационные туманы. Если антициклон сформирован в массах неустойчивого влажного воздуха, то во вторую половину дня в нем могут развиваться мощно-кучевые и кучево-дождевые облака с грозами, особенно на его восточной периферии. В холодное время года для полетов на малых высотах сложность представляет адъективные туманы, низкие подинверсионные облака, густые дымки, моросящие осадки, гололед, особенное такие условия наблюдаются на западной и юго-западной периферии антициклонов, где наблюдается вынос теплых устойчивых ВМ (Рис. 19).
Рис. 19 Погода в антициклоне
Гребень – это вытянутая область повышенного давления, ориентированная от центра антициклона и расположенная между двумя областями низкого давления. В гребне наблюдается расходимость воздушных течений от оси его, поэтому по оси гребня ветры слабые, усиления ветра происходит на его периферии. Погода малооблачная, но в утренние часы может возникать подинверсионная низкая облачность (слоистая) и радиационные туманы.
Рис. 20 Гребень
Седловина – это барическая система, заключенная между двумя областями высокого давления и двумя областями низкого давления, расположенными крест-накрест. Погода седловины определяется влагосодержанием ВМ, если она сформирована сухими ВМ погода малооблачная. В седловине при достаточном влагосодержании летом развиваются мощно-кучевые и кучево-дождевые облака с грозами и ливнями, зимой радиационно-адвективные туманы, низкая слоистая облачность с моросящими осадками, гололед (Рис. 21).
Рис. 21 Седловина
2.10 Перемещение и эволюция барических систем
Для определения направления и скорость перемещения барических систем используются методы:
1. метод экстраполяции, т.е. путем сравнения приземных карт за разные сроки.
2. Циклон перемещается в направлении изобар его теплого сектора, оставляя сектор справа (Рис. 22а).
3. Центр циклона движется параллельно линии, соединяющей очаги падения и роста давления в сторону падения давления (Рис. 22б).
4. Два циклона, имеющие общие замкнутые изобары, совершают вращательное движение друг относительно друга против часовой стрелки (Рис. 22в).
5. Ложбина перемещается вместе с циклоном, с которым она соединена и вращается вокруг него против часовой стрелки.
6. Антициклон перемещается параллельно линии, соединяющей очаги роста и падения, в направлении очага роста давления (рис. 22г).
7. Гребень перемещается вместе с антициклоном, с которым он связан, и вращается вокруг него по часовой стрелке.
8. Приземные центры барических систем смещаются в направлении воздушных течений (ведущего потока), наблюдающихся над этими центрами на высотах 3-6 км, т.е. в направлении изогипс на карте АТ 700 со скоростью 0,8 на этом уровне и на карте АТ 500 со скоростью 0,5 на этом уровне (рис. 22д).
9. Высокие циклоны и антициклоны с вертикальной пространственной осью остаются малоподвижными (рис. 22е). Большой наклон пространственной оси указывает на быстрое перемещение барического образования.
10. Циклон углубляется, если падение давления захватывает центр и его теплый сектор, рост давления указывает на его заполнение. Циклон и ложбина углубляются, если на картах АТ 700 и АТ 500, АТ 400 наблюдается расходимость потоков и заполняется, если сходимость потоков.
11. Если в центре антициклона наблюдается положительные тенденции (рост давления), то это указывает на усиление его, давление в центре падает - антициклон разрушается.
Антициклоны и гребни усиливаются, если па АТ 700, АТ 500 и АТ 400 наблюдается сходимость потоков, и разрушается, если есть расходимость потоков.
С. В. Морозова. О влпянпп планетарной высотной фронтальной зоны
перепад высот на местности и расстояние просмотра, можно рассчитать полученную глубину изображения и вертикальный масштаб стереомо-дели. Глубина изображения (А1), параллакс (р1) и расстояние просмотра (г) связаны соотношением:
А1/(г-А1)=р1/Б,
где В - глазной базис . Путем простых преобразований получим:
А1=р1Я/(Б+р1).
В нашем случае параллакс кадров в стереопаре составил 4 мм (910-0,04/9). При расстоянии просмотра 2000 мм и глазном базисе 65 мм получим глубину изображения относительно стереоокна равную115 мм. Принимая во внимание центральное положение стереоокна, перепад высот на местности составил (250-15)/2 = 117,5 м. Таким образом получим вертикальный масштаб модели приблизительно равный 1: 1 000. Следует, однако, отметить, что подобные расчеты носят приблизительный характер, поскольку восприятие стереомодели во многом зависит от индивидуальных особенностей зрителя.
Разработанная методика может быть использована для создания и визуализации стереоскопи-
ческих моделей местности в целях:
Визуальной оценки современного состояния и использования территории;
Предварительной оценки территории при проектировании;
Представления проекта застройки. Кроме того, созданные модели могут быть
использованы в качестве наглядного пособия в образовательных учреждениях.
Библиографический список
1. Аккерманн Ф. Современная техника и университетское образование // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2011. № 2. С. 8-13.
2. Тюфлин Ю. С. Информационные технологии с применением фотограмметрии // Геодезия и картография. 2002. № 2. С. 39-45
3. Тюфлин Ю. С. Фотограмметрия - вчера, сегодня и завтра // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2011. № 2. С. 3-8.
4. Цифровая стереоскопическая модель местности: экспериментальные исследования / Ю. Ф. Книжников, В. И. Кравцова, Е. А. Балдина [и др.]. М. : Научный мир, 2004. 244 с.
5. Валюс Н. А. Стереоскопия. М. : АН СССР, 1962. 380 с.
О ВЛИЯНИИ ПЛАНЕТАРНОЙ ВЫСОТНОЙ ФРОНТАЛЬНОЙ ЗОНЫ НА ИЗМЕНЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КЛИМАТИЧЕСКОГО РЕЖИМА НА СЕВЕРНОМ ПОЛУШАРИИ
С. В. Морозова
Саратовский государственный университет E-mail: [email protected]
в настоящей статье рассматриваются вопросы влияния планетарной высотной фронтальной зоны (ПвФЗ) на климатический режим Северного полушария. Показана динамика площадей ПвФЗ относительно естественных климатических периодов состояния земной климатической системы (ЗкС). найдена связь динамики площадей ПвФЗ с изменением ветрового режима на полушарии.
Ключевые слова: глобальный климат, планетарная высотная фронтальная зона, климатические изменения, ветровой режим.
on the Influence of the Planetary Front High-Rise Zone to Change some Characteristics of the Climatic Regime in the Northern Hemisphere
This article considers the questions of influence of the planetary high-rise frontal zones (PVFS) on the climatic regime of the Northern hemisphere. Shows the dynamics of the areas PVFS relatively natural climatic periods state the earth"s climate system. The connection of the
speakers areas PVFS with the wind regime change in the hemisphere. Key words: global climate, planetary high-rise frontal zone, climatic changes, wind regime.
Известно, что региональные климатические изменения в первую очередь вызываются аномалиями режима общей циркуляции атмосферы (ОЦА). Климатические гребни и ложбины мигрируют в течение десятилетий, участвуя в формировании циркуляционных эпох . Однако спорным до сих пор остаётся вопрос о влиянии циркуляции на глобальный климат. Автором данной статьи опубликованы некоторые результаты исследований влияния общей циркуляции атмосферы на глобальный климат. Настоящая статья является продолжением исследований возможности влияния глобальных объектов циркуляции на климатические процессы в масштабах полушария.
В качестве исследуемой характеристики глобального объекта циркуляции - планетарной высотной фронтальной зоны - выбрана её площадь,
© Морозова С. В., 2014
ограниченная осевой линией. Исходными материалами послужили значения средних месячных площадей ПВФЗ, опубликованные в справочной монографии . На основании этих данных рассчитаны средние многолетние значения площадей в различные естественные климатические периоды состояния ЗКС.
Динамика площадей ПВФЗ относительно естественных климатических периодов состояния ЗКС - периода стабилизации (1949-1974 г.г.) и второй волны глобального потепления (19752010 гг.) - представлена в табл. 1.
На основе анализа табл. 1 заметим, что наиболее сильная изменчивость площадей ПВФЗ проявилась в период стабилизации (1949-1974 гг.). На фоне второй волны глобального потепления
наблюдаем уменьшение изменчивости площадей. Заслуживает внимания тот факт, что от первого периода ко второму произошло увеличение площади ПВФЗ, что предполагает расширение области отрицательных аномалий температур.
Поскольку исследование динамики ПВФЗ проводится статистическими методами, представляется необходимым оценить статистическую значимость полученных результатов, что можно сделать с помощью стандартных процедур математической статистики. Для каждого временного отрезка рассчитаны доверительные интервалы с использованием критерия Стьюден-та при 95%-ном уровне значимости. Доверительные интервалы для каждого периода приведены в табл. 2.
Таблица 1
Динамика площадей планетарной высотной фронтальной зоны относительно естественных климатических периодов состояния ЗКС
Период Значение площади ПВФЗ, млн км2 а2, млн км2 а, млн км2 Cv
1-й, 1949-1974 гг. (стабилизация) 56,97 13,32 3,65 0,06
2-й, 1975-2010 гг. (вторая волна глобального потепления) 57,77 (увелич. на 1,5%) 2,82 1,68 0,03
Таблица 2
Оценка статистической значимости динамики ПВФЗ
Период Доверительные интервалы
1-й, 1949-1974 гг. (стабилизация)
2-й,1975-2010 гг. (вторая волна глобального потепления)
Видим, что границы интервалов перекрываются, причём второй интервал даже входит в первый, что говорит о статистической незначимости обнаруженных изменений. Таким образом, изменение площадей на 1,5% вряд ли может приводить к каким-либо климатически значимым изменениям в ЗКС. Однако делать однозначные выводы об отсутствии влияния планетарной высотной фронтальной зоны на глобальный климат не стоит, так как применение статистических методов к природным процессам имеет известную долю условности . Иногда очень малые начальные возмущения какого-либо компонента в земной климатической системе могут получить большой резонанс и вызвать довольно заметные изменения в ней. В связи с этим интересно узнать, в каких пределах изменения площадей ПВФЗ оказываются значимыми. Для этого решалась обратная задача, условием которой было отсутствие перекрытия интервалов при самых крайних возможных положениях математического ожидания на числовой прямой. Необходимые расчёты выполнялись по формуле (1) , что позволило получить среднюю широту расположения ПВФЗ при условии неперекрытия интервалов:
S = 2nR2 (1 - sin фс.„), (1)
где п = 3,14159;
R = 6378.245 км - радиус Земли у экватора;
Фс.и - средняя широта осевой изогипсы ПВФЗ по Северному полушарию.
Оказалось, что для достижения статистической значимости изменений область локализации ПВФЗ должна находиться в пределах 30-35° северной широты. В настоящее время планетарная высотная фронтальная зона расположена в области пятидесятых широт Северного полушария. Таким образом, выявлено, что для достижения статистической значимости изменений площадей планетарная высотная фронтальная зона должна сместиться на 15-20° южнее, соответственно на столько же окажутся смещёнными траектории циклонов, что, в свою очередь, приведёт к изменению положения аридных и гумидных областей, а следовательно, и природных зон. Таким образом, статистически значимая динамика ПВФЗ соответствует климатическим изменениям в масштабах крупных геологических эпох. Климатические реконструкции, выполненные по геологическим источникам и историческим материалам, показывают, что исключительно влажные условия, господствовавшие в засушливом ныне тропическом поясе, имели место при разрушении четвертичного оледенения и в ранний период эпохи голоцена. Следовательно, траектории циклонов и область локализации ПВФЗ располагались гораздо южнее, что способствовало хорошему увлажнению этих ныне засушливых областей . Таким образом,
С В. Морозова. О влиянии планетарной высотной фронтальной зоны
при существующих климатических изменениях статистическая значимость не может быть обнаружена, но заметные климатические изменения в земной климатической системе, проявившиеся в ходе глобальной температуры, имеют место.
Важно отметить, что замеченный рост средней площади ПВФЗ, предполагающий продвижение ПВФЗ в более южные широты и расширение зоны отрицательных аномалий температур, имел место при переходе от более холодного периода к более тёплому, что представляется не совсем логичным. Одним из возможных объяснений такого необычного поведения ПВФЗ может быть то, что ее смещение к югу приводит не столько к снижению средней полушарной температуры, сколько к изменению каких-либо других характеристик климатического режима, одной из которых может быть ветровой режим. Тогда влияние ПВФЗ на глобальный климат может проявиться в изменении активности и интенсивности одного из компонентов ЗКС - общей циркуляции атмосферы. Одним из объяснений несогласованности динамики площади ПВФЗ и хода глобальной температуры в естественные климатические периоды может быть произошедшее изменение каких-либо индивидуальных параметров ПВФЗ (размеров, интенсивности, извилистости и т. п.), что, безусловно, сказывается на активности и интенсивности циркуляции и отражается на ветровом режиме. Так, продвижение ПВФЗ в более южные или более северные широты может приводить к сужению или расширению зоны локализации ПВФЗ, что, в свою очередь, ведёт к обострению или ослаблению градиентов, повышению или снижению активности циркуляции и, следовательно, усилению или ослаблению скоростей ветра.
Попытаемся выяснить, как выявленная динамика площади ПВФЗ связана с изменением её активности. Для этого рассмотрим интенсивность планетарной высотной фронтальной зоны по данным справочной монографии с 1949 по 2010 г. Авторами справочной монографии интенсивность высотной фронтальной зоны определялась как разность широт (Дф) расположения двух изогипс на меридиане южнее и севернее осевой изогипсы, при этом разность геопотенциальных высот расположения северной и южной изогипсы бралась одинаковой - 8 гп. дам. Если интенсивностью считать разность широт, то получается, что средняя интенсивность в июле (8° широты) оказывается больше, чем в январе (5° широты). Поэтому автор настоящего исследования для оценки интенсивности ПВФЗ отошёл от обратно пропорциональной зависимости активности ОЦА и разности широт, приняв для оценки интенсивности циркуляции величину геострофического ветра (У^) на среднем уровне тропосферы, рассчитав её по формуле (2):
градиент геопотенциала,
Уё I дп, где I - параметр Кориолиса (I = 2ю sinф),
ю - угловая скорость вращения Земли;
ф - широта расположения осевой изогипсы.
Однако прежде чем переходить к анализу интенсивности ОЦА на фоне естественных климатических периодов состояния ЗКС, обратим внимание на интересные факты динамики площадей ПВФЗ и изменения разности широт, между которыми располагается планетарная высотная фронтальная зона.
Известно, что интенсивность планетарной высотной фронтальной зоны определяется градиентом температур экватор - полюс. Чем больше градиент, тем активнее протекают процессы в области её локализации. Зимой, когда контраст температур экватор-полюс гораздо больше, чем летом, циркуляционные процессы протекают намного активнее. Кроме того, зимой ПВФЗ смещается к югу, летом поднимается к северу, тогда вполне логично предположить, что южное смещение ПВФЗ должно приводить к усилению её активности, при этом область её локализации должна сужаться, а северное, наоборот, - к ослаблению активности ОЦА и расширению зоны локализации ПВФЗ.
Для подтверждения или опровержения такого предположения построены графики изменения среднегодовой разницы широт локализации планетарной высотной фронтальной зоны за период с 1949 по 2010 г. . Попутно заметим, что на всех этих графиках для большей наглядности добавлена кривая линейной фильтрации, а для того, чтобы погасить высокочастотные колебания, к исходному ряду применена процедура скользящего осреднения.
Среднегодовые разности широт расположения ПВФЗ приведены на рис. 1, а. Видна непериодичность изменений, однако бросается в глаза увеличение разности широт при переходе от периода стабилизации к началу второй волны глобального потепления, после чего направленность изменений исчезает. Гораздо чётче это проявляется на рис. 1, б, где видно, что в более холодный период зона локализации ПВФЗ уже, а это указывает на обострение градиентов в области ПВФЗ, а следовательно, на увеличение её активности. В последующий более тёплый период разность широт больше, а значит, активность ПВФЗ снижается. Всё это нагляднее видно на рис. 2, где представлены рассчитанные среднегодовые значения средней скорости геострофического ветра, проведены статистические процедуры линейной фильтрации и выделены низкочастотные колебания методом скользящего осреднения.
Таким образом, имеем, что при переходе от более холодного к более тёплому периоду (от стабилизации ко второй волне глобального потепления) происходит расширение площади ПВФЗ, продвижение самой ПВФЗ к югу и снижение её активности. Выявленная особенность динамики
Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Науки о Земле. 2014. Т. 14, вып. 2
Рис. 1. Изменение разности широт локализации ПВФЗ на полушарии: а -линейная фильтрация; б - скользящее осреднение
14,0 13,0 -12,0 11,0 ■ 10.0
13,0 -> 12,5 -12,0 -11,5 -11,0 ■ 10,5 -10,0
1969 1973 1 989 1 999 2009
Рис. 2. Изменение средней по полушарию скорости геострофического ветра: а - линейная фильтрация; б - скользящее осреднение
С В. Морозова. О влпянпп планетарной высотной фронтальной зоны
ПВФЗ косвенно отражает общеизвестный факт теории климата о том, что при переходе от холодных периодов к более тёплым снижается активность ОЦА .
Сравнивая особенности динамики планетарной высотной фронтальной зоны в естественные климатические периоды с её сезонной динамикой, можно обнаружить сходство изменений, проявляющееся в том, что при переходе от холодных периодов к тёплым (от зимы к лету и от стабилизации к потеплению) происходит снижение активности общей циркуляции атмосферы. Но следует указать и на существенное различие, заключающееся в том, что при климатическом переходе ЗКС от более холодного к более тёплому периоду площадь ПВФЗ растёт, в то время как при сезонных климатических изменениях от холодного периода к тёплому (от зимы к лету) ее площадь сокращается.
Таким образом, климатически значимым следствием может быть то, что при переходе климатической системы из одного качественного состояния в другое происходят изменения не только глобальной температуры, но и ветрового режима, а роль глобальных объектов циркуляции в формировании климатической изменчивости заключается в изменениях такой климатической характеристики, как планетарный ветровой режим.
По данным , на территории России произошло уменьшение скорости ветра, причину которого связывают с изменением режима общей циркуляции атмосферы. Однако выяснение причин ослабления скоростей далеко не однозначно. Так, в исследованиях Бардина , Мещерской с соавтораим показано, что в последнее время (два - три десятилетия) наблюдается увеличение числа дней с циклонической циркуляцией, следствием чего является усиление скоростей ветра в связи с частым прохождением атмосферных фронтов. Однако эти же авторы делают вывод о противоречии фактов увеличения повторяемости циклоничности и уменьшения скоростей ветра. Уменьшение скорости ветра на территории России иногда объясняют снижением повторяемости формы ^-циркуляции . Тем не менее с 70-х гг. отмечается рост повторяемости зональных процессов, что также не позволяет объяснить снижение скорости ветра этим фактором. Вполне возможно, что причиной ослабления ветра является изменение качественного состояния глобального объекта циркуляции - планетарной высотной фронтальной зоны. Как показано выше, её динамика напрямую связана с интенсивностью общей циркуляции атмосферы.
Библиографический список
1. Полянская Е. А., Морозова С. В. Характеристика барического поля на АТ-500 в первом ЕСР в 1971-1989 гг. // География в вузах России. СПб., 1994. С. 86-88.
2. Morozova S. V. Circulation of the atmosphère as a factor of régional climate variability [Электронный ресурс] // Global and régional climate changes: International Conférence, 16-19 november 2010. Kyiv, 2010. 1 электрон. опт. диск (CD-ROM)
3. Морозова С. В. Циркуляция атмосферы как фактор изменчивости регионального климата // Глобальные и региональные изменения климата. Киев, 2011. С. 96-10.
4. Морозова С. В. Роль циркуляции в формировании изменчивости глобального и регионального климата // Тез. докл. Междунар. науч. конф. по региональным проблемам гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды. Казань, 2012. C. 172-173.
5. Мониторинг общей циркуляции атмосферы. Северное полушарие: справочная монография / А. И. Неушкин, Н. С. Сидоренков, А. Т. Санина, Т. Б. Иванова, Т. В. Бережная, Н. В. Панкратенко, М. Е. Макарова. Обнинск, 2013. 200 с.
6. Малинин В. Н. Статистические методы анализа гидрометеорологической информации. СПб., 2007. 407 с.
7. Сикан А. В. Методы статистической обработки гидрометеорологической информации. СПб., 2007. 280 с.
8. Будыко М. И. Изменение климата. Л., 1974. 280 с.
9. БудыкоМ. И. Климат в прошлом и будущем. Л., 1980. 351 с.
10. МонинА. С., ШишковЮ. А. История климата. Л., 1979. 407 с.
11. Ясаманов Н. А. Древние климаты Земли. Л., 1985. 295 с.
12. Изменения климата / под ред. Ж. Гриббина. Л., 1980, 360 с.
13. Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации: в 2 т. Т. I. Изменения климата. М., 2008. 228 с.
14. БардинМ. Ю. Изменчивость характеристик циклоничности в средней тропосфере умеренных широт Северного полушария // Метеорология и гидрология. 1995. № 11. С. 24-37.
15. Мещерская А. В., Ерёмин В. В., Баранова А. А., Май-строва В. В. Изменение скорости ветра на севере России во второй половине XX века по приземным и аэрологическим данным // Метеорология и гидрология. 2006. № 9. С. 46-58.
16. Белокрылова Т. А. Об изменении скоростей ветра на территории СССР // Тр. / ВНИМИ-МЦД. 1989. Вып. 150. С. 38-47.