|
8.3. Циркуляция в тропосфере и нижней стратосфере
Основы представлений о циркуляции атмосферы были заложены в
работах Э. Галлея, развиты Дж. Гадлеем (Hadley). Позднее американский
метеоролог В. Феррель впервые последовательно применил математические
методы к задачам метеорологии и построил на основе уравнений
гидродинамики теоретическую трех ячеистую модель общей циркуляции
атмосферы, получившую дальнейшее развитие в результате исследований,
проведенных К. Россби. Эта модель позволяет объяснить распределение
средних меридиональных составляющих для всего земного шара.
В нижней тропосфере тропиков существует перенос воздуха к экватору,
где происходит его подъем, а в верхней – происходит перенос к
субтропическим широтам и опускание воздуха (первое кольцо). Так в каждом
полушарии (Северном и Южном) образуются замкнутые кольца циркуляции
воздуха, которые называются ячейками Хэдли (Гадлея).
Подобным образом представляли условия циркуляции и в умеренных
широтах, т.е. с образованием замкнутых колец. В нижележащих слоях
атмосферы существует перенос воздуха от субтропических широт к умеренным
широтам. Где происходит его подъем в верхние слои, в которых
осуществляется обратный перенос воздуха к субтропическим широтам и его
опускание. Кольцо замкнутой циркуляции умеренных широт (второе кольцо)
называется ячейкой Ферреля.
Третье кольцо образует подъем воздуха в умеренных широтах, а также
его перенос к полярным широтам в верхних слоях атмосферы, опускание в
полярных и возврат к умеренным широтам.
Воздушные течения возникают из-за неодинакового нагревания и
охлаждения земной поверхности, отклоняющего действия вращения Земли
вокруг своей оси (ускорение Кориолиса), влияния силы трения. Действительно,
в слое атмосферы выше 10 км над экватором и выше 2–4 км между полюсами и
тропиками, − давление от экватора по направлению к полюсам, постепенно
падает. Изобары располагаются близко к параллелям, барический градиент
125
направлен по меридиану к полюсам, в этом направлении и должен двигаться
воздух. Однако если, сохранив пока предположение об однородности
подстилающей поверхности, учесть вращение Земли, то окажется, что воздух,
постепенно отклоняясь от направления барического градиента, двигается вдоль
изобар с запада на восток (геострофический ветер). И зимой, и летом в
тропосфере умеренных широт действительно господствуют западные
воздушные течения. В каждом полушарии наверху возникает движение воздуха
вокруг полюсов, т.е. две циклонические системы с центрами низкого давления
над полюсами. Внизу, наоборот, должны быть две антициклонические системы
с центром высокого давления у полюсов.
Воздух, перемещающийся вне слоя трения по изобарам, образует
воздушные потоки, повторяющие в своем движении изгибы изобар. Наиболее
благоприятны для образования таких потоков условия во фронтальных зонах,
где изменения температуры (и давления) на небольшом расстоянии очень
значительны.
Здесь
концентрируются
большие
запасы
энергии,
способствующей образованию циклонов и антициклонов. Их возникновение
непосредственно связано с процессами, происходящими в верхних потоках
воздуха. При незначительной скорости движения поток обтекает гребни и
ложбины или движется вместе с ними. Быстро
I
движущийся поток воздуха,
сохраняя скорость, по инерции стекает в ту часть волны, где изобары
расходятся (умеренные широты, где скапливаются циклоны), и сжимается в той
ее части, где изобары сближаются (тропические широты, где скапливаются
антициклоны). Низкое давление на экваторе и высокое в полярных областях
связаны с изменением температуры воздуха (в первом случае – нагревание, во
втором – охлаждение воздуха от поверхности). Низкое давление в умеренных
широтах и высокое в субтропических широтах, – является результатом
скопления соответственно циклонов и антициклонов. Волновое движение
воздуха объясняется вращением Земли вокруг своей оси, а формирование
гребней и ложбин – это результат наклона земной оси к плоскости орбиты.
126
В настоящее время высказывается мнение, что неодинаковое сгущение
изогипс в субтропических широтах и широтном поясе 50–60° – это отражение
субтропического струйного течения и планетарной высотной фронтальной
зоны полярного фронта.
Такая же атмосферная циркуляция, что и в верхней тропосфере, т. е.
западный перенос, сохраняется в нижней стратосфере, кроме узкой полосы
восточных ветров вдоль экватора. Наличие этой полосы связано со смещением
в стратосфере субтропических зон высокого давления к экватору и
расположением их по обе стороны от экватора, вблизи от него; в летнем
полушарии в стратосфере выше 20 км господствует восточный перенос.
Барический градиент здесь направлен к экватору, так как температура от
полюса, где она максимальная, в этом направлении убывает; в зимнем
полушарии стратосфера, вся холодная, поэтому западные воздушные течения
господствуют в стратосфере, приобретая особенно большие скорости на
границе области полярной ночи. Упрощенная модель общей циркуляции
атмосферы включает: циркуляционные области, циркуляционные ячейки и
зональные воздушные потоки.
Согласно планетарной схеме зонального распределения атмосферного
давления и в соответствии с его распределением у земной поверхности, в
общей циркуляции атмосферы образуется по три кольца (слоя) циркуляции
воздуха в каждом полушарии (см. рис. 8.3), которые устойчиво выражены и
способствуют формированию движений воздуха, повторяющихся из года в год.
Циркуляционные области – зоны повышенного и пониженного давления,
опоясывающие Землю. К ним относятся: внутритропическая зона конвергенции
(5° с. и 5° ю. ш.), субтропический пояс высокого давления (30–35° с. и ю. ш.),
субполярный пояс низкого давления (60–70° с. ш. и ю. ш.), полярный пояс
высокого давления (90° с. и ю. ш.).
Циркуляционные ячейки – два противоположно направленных потока
воздуха у земной поверхности и на некоторой высоте, соединяющихся
восходящим движением у экватора и нисходящим в субтропиках, и т.д.
127
Рис. 8.3. Упрощенная модель общей циркуляции атмосферы
Зональные воздушные потоки, или постоянные ветры, – это го-
сподствующие ветры, формирующиеся у земной поверхности под влиянием
термического фактора, осевого вращения Земли и силы трения. Постоянными
ветрами как звеньями общей циркуляции атмосферы являются: пассаты,
западные, полярные (восточные) ветры.
В соответствии с отклоняющей силой вращения Земли вокруг своей оси
ветры с одинаковой скоростью отклоняются от направления барического
градиента тем значительнее, чем больше широта.
Do'stlaringiz bilan baham: |
