Дашко Н.А. Курс лекций по синоптической метеорологии

Подождите немного. Документ загружается.

13. Влияние орографии на атмосферные процессы

на подветренных склонах резко изменяется температура и влажность. Ветер приобрета-

ет характер бора или фёна.

Бора

Бора – это сильный порывистый ветер, направленный вниз по невысокому гор-

ному хребту и приносящий в зимнее время значительное похолодание. Наблюдается в

районах, где горный хребет граничит с морем (Новороссийская бора, байкальская бора,

или сарма

и др.). При зимних вторжениях холодного воздуха последний, переваливая

через хребет, приобретает большую нисходящую составляющую скорости из-за силы

барического градиента и силы тяжести при создающемся неустойчивом распределении

температуры (холодный воздух над тёплым). Например, в Новороссийске бора наблю-

дается в среднем около 50 дней в году, с половиной случаев при ветре 20 м

/с и более

(максимальным – до 40 м/с и даже 60 м/с).

Похолодание связано с низкой температурой вторгающегося воздуха, поскольку

динамическое нагревание из-за небольшой высоты хребта невелико, и поступающий

воздух оказывается значительно холоднее, чем воздух, занимавший данный примор-

ский район до развития эффекта боры. В тёплое время года бора может

наблюдаться

без понижения температуры или даже с её повышением, принимая характер фёна.

Фён

Фён – сильный и порывистый ветер с высокой температурой воздуха и пони-

женной влажностью воздуха, дующий с гор в долины. При достаточной высоте хребта

воздух адиабатически нагревается при нисходящем движении воздушной массы. Тем-

пература воздуха за короткое время (

часы) может повыситься на 10 °С и более. Фёны

наблюдаются на Северном Кавказе, Закавказье, в Альпах, в горах Средней Азии, на Ку-

рилах. Фён может вызвать быстрое таяние снега, летом оказывает вредное иссушающее

действие на растительность. С подветренной стороны хребта нередко образуется фёно-

вый циклон. В восходящем по наветренному склону воздухе образуется

масса облаков,

часто неподвижно стоящая над гребнем хребта (фёновая стена), поскольку здесь всё

время образуются новые облака. На подветренном склоне облака размываются.

13.2. Облакообразование и осадки

Горные массивы оказывают значительное динамическое и тепловое воздействие

на воздушные течения. Чем выше горы и круче склоны, чем больше нормальная к хреб-

Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии

13. Влияние орографии на атмосферные процессы

хребту составляющая скорости ветра и меньше устойчивость атмосферы, тем больше

обусловленные орографией скорости упорядоченных вертикальных движений, шире

зона их распространения на равнинные предгорные районы.

Орография местности оказывает влияние как на усиление облакообразования и

осадков, так и на их ослабление. У наветренной стороны хребта создаются благоприят-

ные условия для развития облачности и выпадения осадков. У подветренных склонов

усиливаются нисходящие движения и создаются условия для размывания облачности и

уменьшения осадков.

При динамическом влиянии хребтов на воздушные потоки усиление осадков над

наветренными склонами может сопровождаться ростом приземного давления, ослабле-

ние осадков и размывание облачности – падением давления.

Вынужденный подъём воздуха по склонам гор нередко вызывает орографиче-

ские ливни и грозы конвективного характера.

Термическое влияние гор выражается в дополнительном прогревании склонов

летом в дневные часы по сравнению с окружающим воздухом. Возникают термические

неоднородности, вызывающие циркуляцию с восходящими движениями над хребтами

и нисходящими в предгорьях. В итоге, над горами осадки усиливаются, а над предгор-

ными долинами – ослабевают. В ночное время картина должна быть обратной, но так

как дневной прогрев больше ночного охлаждения, то горы в основном играют роль на-

гревателей.

Зимой горы, наоборот, являются «холодильниками». Циркуляция воздуха об-

ратная по сравнению с летней.

Для некоторых районов, наряду с циклонической деятельностью основной при-

чиной формирования сезонных осадков является эффект

запруживания влажных воз-

душных масс, что вызывает заметное увеличение количества осадков по сравнению с

рядом расположенными районами.

Эффект запруживания воздушных масс заключается в возрастании восходящей

составляющей движения при замедлении горизонтального воздушного потока, связан-

ного с изменениями условий трения при переходе воздушных масс с суши на море, пе-

ред горными хребтами и

массивами, динамической конвергенцией вектора скорости

ветра.

Например, направление перемещения воздушных масс зимнего континентально-

го муссона в большинстве оказывается перпендикулярным береговой линии восточного

Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии

13. Влияние орографии на атмосферные процессы

побережья Японского моря, вдоль которого проходят системы горных хребтов, ориен-

тированных параллельно береговой линии.

При пересечении теплого Японского моря континентальный умеренный воздух

трансформируется: прогревается и увлажняется. И к восточному побережью приходят

уже воздушные массы, близкие по свойствам к морскому умеренному воздуху. В отно-

сительно теплом морском умеренном воздухе создаются благоприятные условия для

развития восходящих движений воздуха.

При приближении к высокому восточному побережью воздушные массы испы-

тывают динамическое торможение, и накапливаются, набегая друг на друга, что приво-

дит к возникновению дополнительной вертикальной составляющей движения. При пе-

реходе через береговую линию меняются условия трения. Тормозящее влияние подсти-

лающей поверхности, последующее накапливание воздушных масс перед горными

хребтами и переваливание воздуха через них также благоприятствуют организации вы-

нужденного подъёма воздуха.

Играет роль и некоторое повышение давления в накапливающемся перед горами

воздухе. Под влиянием орографического фактора, динамический рост давления в этом

случае сопровождается развитием восходящих движений воздуха (в отличие от общих

термодинамических факторов, когда при росте давления происходит развитие нисхо-

дящих движений) и образованием облачности и осадков (рис. 13).

орное препятствие

ор

Рис. 13. Схема эффекта запруживания у побережья

Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии

13. Влияние орографии на атмосферные процессы

Эффект запруживания прослеживается в распределении облачности и осадков

раньше и распространяется дальше на побережье, чем в случае собственно орографиче-

ских осадков, связанных с вынужденным подъёмом воздуха при его переваливании че-

рез хребет и достижения им условий насыщения. Количество осадков становится за-

метным уже над морем возле побережья.

Эффекты запруживания проявляются также в обострении циклонических осад-

ков, связанном с дополнительным вынужденным подъёмом воздуха при приближении

фронтальной воздушной массы к горному препятствию и дальнейшем её перемещении.

13.3. Влияние орографии на атмосферные фронты

Значительной деформации при переваливании через горный хребет подвергают-

ся атмосферные фронты.

Например, при переваливании тёплого фронта, восходящие движения воздуха на

наветренной стороне гор приводят к расширению зоны предфронтальных осадков. С

подветренной стороны фёновое нагревание тёплого воздуха приводит к разрушению

нижней части фронтальной поверхности, размыванию облачности и прекращению

осадков. В дальнейшем, в

отдалении от гор нормальная структура фронта восстанавли-

вается, и на нём снова начинают выпадать осадки.

При переваливании холодного фронта через низкие горные цепи он не испыты-

вает особой деформации. На наветренной стороне осадки могут усиливаться, на под-

ветренной – ослабевать, но заметного размывания фронта не происходит.

Если холодный фронт переваливает через высокий хребет, и располагается при-

мерно параллельно оси хребта, то участок фронта, подошедшего к хребту, задержива-

ется, соседние участки фронта справа и слева от гор продолжают свое движение и, обо-

гнув хребет, переходят на его подветренную сторону, смыкаясь. Таким образом, горная

цепь оказывается окружённой холодным воздухом. Осадки выпадают по обеим сторона

хребта. Этот процесс носит название орографической окклюзии (по внешнему сходству

с окклюзией циклона).

Если фронт перемещается под большим углом к оси горного хребта, то часть

фронта, достигшая гор, задерживается (тормозится) в своем движении. Задержка хо-

лодного воздуха приводит к усилению роста давления, увеличиваются барические гра-

диенты на ещё не подошедшем к горам участке, который идет от гор в сторону низкого

давления, что приводит к возрастанию скорости ветра и увеличению скорости переме-

Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии

13. Влияние орографии на атмосферные процессы

щения данного участка фронта. Фронт как бы «прижимается» хребту с наветренной

стороны.

Движение участка фронта, идущего в сторону высокого давления, будет замед-

ляться.

13.4. Влияние орографии на перемещение и эволюцию

барических образований

Горные хребты оказывают влияние на траектории барических образований. Ба-

рические центры стремятся обогнуть горы по часовой стрелке. Наблюдается также за-

медление перемещения барических образований перед горами, а низкие холодные ан-

тициклоны могут быть задержаны высокими горами.

Наиболее сильное торможение воздушного потока наблюдается у подножия

хребта, как на наветренной, так и на подветренной его сторонах. В наветренной облас-

ти имеет место рост давления и восходящие движения воздуха, в подветренной – паде-

ние давления и нисходящие движения воздуха. Следовательно, накопление воздуха по

одну сторону хребта приводит к резкому перепаду давления при переходе через горы.

Влияние гор проявляется не только в областях, непосредственно примыкающих

к ним, но и распространяется на несколько сот километров на прилегающие районы.

Чем выше горный массив, чем круче склоны хребта, тем более мощный слой охвачен

орографическим возмущением потока и интенсивнее его влияние на атмосферные про-

цессы.

На практике чаще всего приходится встречаться с орографической эволюцией

циклонов, низких подвижных антициклонов и барических ложбин с атмосферными

фронтами. В центральной части высокого антициклона ветры слабые, поэтому при его

перемещении через горный хребет чаще всего происходит лишь соответствующая де-

формация барического поля над периферийными областями.

При приближении циклона к горному хребту в передней его части вследствие

конвергенции потока происходит рост давления. Рост давления под влиянием орогра-

фических факторов сопровождается восходящими движениями и развитием облачности

и осадков, а падение – нисходящих, размыванием облачности и прекращением осадков

(в отличие от общих термодинамических факторов, когда рост давления в нижней тро-

посфере обычно сопровождается нисходящими движениями воздуха, а падение – вос-

ходящими). Далее по мере перемещения циклона начинается падение давления на под-

Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии

13. Влияние орографии на атмосферные процессы

ветренном склоне хребта. Поэтому образуются два центра пониженного давления –

один у наветренного склона, другой у подветренной стороны хребта. Дальнейшее пе-

ремещение циклона сопровождается увеличением и углублением области пониженного

давления у подветренной стороны при исчезновении циклона у наветренной стороны.

Обычно циклон перед хребтом существует не более суток. Данный процесс носит на-

звание сегментации циклона.

Если циклон встречается с хребтом, расположенным широтно, то его центр так-

же раздваивается – один центр располагается севернее хребта, другой – южнее. При

дальнейшем развитии циклона оба центра сохраняются и действуют как самостоятель-

ные циклоны. Этот процесс называется раздваиванием циклона.

Кроме орографического циклогенеза, в некоторых районах имеет место и оро-

графический антициклогенез. Процесс орографического антициклогенеза выражается в

образовании у поверхности Земли самостоятельного анциклонического центра на на-

ветренной стороне горного хребта. Этот процесс наблюдается перед хребтами, ориен-

тированными обычно с севера на юг.

Если бы земная поверхность была бы однородной, то распределение давления,

как указано выше, имело бы зональный характер. Материки существенно нарушают эту

картину за счёт эффектов как динамического и термического происхождения. Эти эф-

фекты максимальны в случаях, когда на материке есть горные хребты, которые оказы-

вают существенное влияние на сезонное распределение барических минимумов и мак-

симумов.

Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии

14. Струйные течения

14. СТРУЙНЫЕ ТЕЧЕНИЯ

Ранние визуальные наблюдения за дрейфом перистых облаков указывали на су-

ществование сильных и преобладающе зональных ветров в верхней тропосфере. Визу-

альные наблюдения серебристых облаков (после извержения Кракатау в 1883 г.) также

обнаружили существование на больших высотах сильных ветров восточного направле-

ния над экваториальной полосой и западного направления в средних широтах.

Ураганные ветры на высотах впервые были зарегистрированы в 20-х годах, но

это были эпизодические наблюдения, и им не придали большого значения. Точных

знаний о распределении сильных потоков в верхних слоях тропосферы не было полу-

чено вплоть до 1933 г., когда Бьеркнес построил меридиональные разрезы, используя

температурное зондирование нескольких, удаленных друг от друга станций. Бьеркнес

вычислил по градиенту изогипс геострофический ветер и подтвердил ранние качест-

венные и эпизодические количественные наблюдения.

Но открытиям Бьеркнеса также не было уделено должного внимания до 1940 г.,

когда появилась довольно густая и обширная сеть зондирующих станций. Полученные

наблюдения подтвердили, что в верхней тропосфере почти всегда существуют сильные

узкие потоки больших скоростей

ветра.

В 1945 г. американские пилоты над Японией встретили исключительно сильную

струю, скорость в которой была около 250 миль/час (около 140 км/час). Тяжелые аме-

риканские бомбардировщики, летавшие со скоростями 350-400 км/ч на высоте около 8

км, часто отклонялись от взятого курса или теряли скорость, иногда попадая в зону

встречных ветров такой силы, что оставались в воздухе почти в неподвижном состоя-

нии, зависая над теми или иными объектами.

Эти встречи породили интерес к струйным течениям и привели к обширным си-

ноптическим исследованиям верхних ветров.

По определению Всемирной метеорологической организации «Струйное тече-

ние – это сильный узкий поток с почти горизонтальной осью в верхней тропосфере или

нижней стратосфере, характеризующийся большими вертикальными и горизонтальны-

ми сдвигами ветра и одним или более максимумами скорости».

Длина струйного течения порядка тысяч километров, ширина – сотен километ-

ров, вертикальная мощность – нескольких километров.

Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии

14. Струйные течения

Условно за нижний предел струйного течения принимаются скорости 30 м/с.

Указанный предел скорости выбран с учетом того, что ветер, превышающий 100 км/ч,

оказывает заметное влияние на путевую скорость самолетов, летающих в зоне струй-

ных течений.

Области максимальных ветров на картах представлены в виде систем замкнутых

изотах эллиптической формы, вытянутых вдоль потока (рис. 14). Эти подвижные мак-

симумы перемещаются вдоль оси струйного течения в направлении потока. Они очень

изменчивы и имеют продолжительность по времени от нескольких часов до суток.

Циклоническая сторона

Изотахи

Ось струйного течения

Сердцевина

нтициклоническая сторона

Рис. 14. Схема струйного течения

Центральную часть струйного течения, в которой скорости ветра наибольшие,

называют сердцевиной. Поперечное сечение сердцевины не превышает 50-100 км по

горизонтали и 1-2 км по вертикали.

Линия максимального ветра внутри сердцевины называется осью струйного те-

чения. Максимальные скорости на оси струйного течения могут достигать 50-100 м/с.

Ось струйного течения

не строго горизонтальна, поэтому не прослеживается на какой-

либо изобарической поверхности.

Сдвиг ветра в области струйного течения около 5-10 м/с на 1 км по вертикали и

5-10 м/с и более в горизонтальном направлении.

Слева от оси, если смотреть по направлению потока, расположена циклониче-

ская сторона струйного течения, справа – антициклоническая. Для тропосферных

Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии

14. Струйные течения

струйных течений применяют названия «тёплая» (антициклоническая сторона струйно-

го течения) и «холодная» (циклоническая сторона струйного течения).

Поверхность, которая проходит через точки с максимальной скоростью на вер-

тикальных профилях ветра в разных частях струйного течения, называется поверхно-

стью максимального ветра. Ось струйного течения лежит на этой поверхности. Часто

для отображения струйных течений используют поверхность АТ300, которая располо-

жена вблизи оси струйных течений умеренных широт.

Наименьшие высоты поверхности максимального ветра обычно наблюдаются

левее оси струйного течения. Чем сильнее ветер на данном участке струи, тем ниже

располагается уровень его максимальной скорости. Наиболее низко ось струйного те-

чения лежит в барических ложбинах, наиболее высоко – в барических гребнях.

Одновременно с изменением высоты оси струйного течения вдоль потока изме-

няется и скорость ветра на оси: образуются подвижные области повышенных скоростей

ветра, а в промежутках между ними – области более слабых ветров. Причины такой не-

однородности связаны, главным образом, с неоднородной адвекцией ветра и темпера-

туры в нестационарных процессах, а также с мезомасштабными явлениями.

Главной причиной изменения скорости ветра вдоль оси струйного течения и об-

разования подвижных областей максимальных ветров и областей более слабых ветров

между ними являются динамические факторы (дивергенция, перенос вихря, процессы

вихреобразования и диссипации вихря); играет роль и термический фактор – адвекция.

В струйных течениях сконцентрирована максимальная кинетическая

энергия

атмосферы.

Положение струйных течений совпадает с положением области наиболее силь-

ных меридиональных градиентов температуры и давления в тропосфере, т.е. с положе-

нием высотной фронтальной зоны. Струйные течения умеренных широт связаны с

главными фронтами тропосферы – полярными и арктическими.

Всякое струйное течение является составной частью планетарной высотной

фронтальной зоны (ПВФЗ), состоящей

из нескольких (обычно, из 3-5) высотных фрон-

тальных зон. Длина ВФЗ может достигать 5 000-12 000 км.

Над каждым полушарием всегда можно найти несколько тропосферных струй-

ных течений, в общем направленных с запада на восток. Однако, ориентировка их мо-

жет сильно меняться и отличаться от зональной, они могут значительно перемещаться

Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии

14. Струйные течения

по широте, меандрировать. Подобно слиянию и раздвоению ВФЗ, возможно и слияние,

и раздвоение струйных течений

Каждому типу ПВФЗ соответствует характерный диапазон высот струйного те-

чения и ряд других характеристик.

По условиям географической локализации различают:

• Струйное течение арктического фронта (арктическое СТ), располагающееся на

высотах 6-8 км с максимальными скоростями, достигающими 60-100 м/с

и выше.

• Струйное течение полярного фронта (струйное течение умеренных широт), ко-

торое наблюдается в зоне 65-45 ° с.ш. Оно располагается на высотах 9-12 км. Макси-

мальные скорости достигают 80-100 м/с, иногда 120-130 м/с. Наибольшие скорости

ветра отмечаются над восточным побережьем Северной Америки и особенно Азии.

Струйное течение хорошо выражено на ежедневных

картах максимальных ветров.

• Субтропическое струйное течение располагается на высотах 11-16 км. Наи-

большие скорости отмечаются на восточном побережье Азии, преимущественно над

югом Японии, а также на восточном побережье США. Над Японией максимальная ско-

рость ветра иногда достигает 180-200 м/с.

Субтропическое струйное течение относится к наиболее устойчивым и просле-

живается в виде

почти непрерывного пояса сильных западных ветров на северной пе-

риферии субтропических областей высокого давления. Положение его оси испытывает

значительные сезонные изменения.

• Экваториальное струйное течение с максимальной скоростью 40-50 м/с обычно

имеет восточное направление и может наблюдаться в течение всего года на уровнях

100-10 гПа. Экваториальное СТ наблюдается над Африкой, Юго

-Восточной Азией, Ав-

стралией, Атлантическим и Тихим океанами в полосе между экватором и 15 ° обоих

полушарий.

В северном полушарии экваториальное СТ далее всего от экватора отмечается в

июле, ближе к экватору оно в январе.

Оси арктического, полярного и субтропического струйных течений практически

всегда находится в верхней тропосфере, хотя сами они могут

охватывать как верхнюю

тропосферу, так и нижнюю стратосферу. Эти СТ называют тропосферными струйными

течениями.

Ось экваториального СТ всегда наблюдается выше 20-30 км (50-10 гПа), и его

относят к стратосферным СТ.

Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии