Ветер в приземном слое воздуха

ВЕТЕР В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ ВОЗДУХА

.1. ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВЕТРА

Воздух лишь в редких случаях находится в состоянии покоя. Обычно он перемещается как в горизонтальном, так и в верти­кальном направлении. Движение воздуха в горизонтальном на­правлении называют ветром.

Причина возникновения ветра — неравномерное распределе­ние давления воздуха на поверхности Земли, вызываемое нерав­номерным распределением температуры воздуха.

В зависимости от географической широты и подстилающей поверхности, высоты над уровнем моря и т. п. одни участки зем­ной поверхности нагреваются больше, чем другие. Вследствие этого возникает разность температур, приводящая к образова­нию разности в давлении.

137

1010*

1010

1015

1015

Рис. 9.1. Изобары на уровне моря (гПа):

Я— центр низкого давления; В — центр высокого давления; /— горизонтальный барический

градиент

Чтобы получить наглядное представление о распределении атмосферного давления по земному шару или большому регио­ну, на географическую карту наносят давление, измеренное в одно и то же время в разных районах Земли. Затем пункты, в которых давление одинаково, соединяют плавными линиями. Эти линии называют изобарами (рис. 9.1).

Картирование распределения давления по территории позво­ляет установить расположение областей пониженного и повы­шенного давления, наблюдать за их передвижением, что важно для прогноза погоды (см. гл. 10).

По густоте расположения изобар можно судить о перепаде давления в горизонтальном направлении. Количественной ме­рой этого изменения на единицу расстояния является горизон­тальный барический градиент (Г), направленный по нормали к изобаре в сторону уменьшения давления (см. рис. 9.1). Баричес­кий градиент выражается в гектопаскалях или в миллибарах на Г меридиана или на 100 км. Обычно барический градиент со­ставляет 1...3 гПа на 100 км.

Горизонтальный барический градиент и является той силой, которая вызывает ветер.

138

9.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕТРА

Ветер характеризуется направлением, скоростью и порывистос­тью.

Движение воздуха, возникшее под действием силы горизон­тального барического градиента, происходит не точно по на­правлению градиента, т. е. не по перпендикуляру к изобаре от высокого давления к низкому, а по более сложной траектории, обусловленной взаимодействием силы градиента с отклоняющей силой вращения Земли, центробежной силой и силой трения. Под совокупным влиянием этих сил ветер в нижнем слое атмос­феры над сушей отклоняется от барического градиента на 50...60°, над морем —на 60...70°. Выше слоя трения (1000м) угол отклонения ветра от градиента приближается к 90°. При этом в Северном полушарии отклонение от барического градиента происходит вправо, а в Южном — влево.

За направление ветра принимают ту часть горизонта, откуда дует ветер. Направление ветра обычно определяют по восьми румбам горизонта (странам света) или в градусах, начиная от се­верного румба по часовой стрелке. Для обозначения главных румбов используют начальные буквы названий стран света: се­вер (С), юг (Ю), восток (В), запад (3). В международной класси­фикации используют латинские обозначения (N — норд, S — зюйд, Е — ост, W — вест). Для анализа повторяемости различно­го направления ветра применяют график, называемый розой ветров (графическое изображение направления ветра за месяц, сезон или год).

Для построения розы ветров рассчитывают повторяемость ветра для каждого из восьми румбов, т. е. вычисляют, сколько раз повторилось то или иное направление ветра за данный пери­од. Полученные значения выражают в процентах общего числа наблюдений. Число штилей в 100 % не входит (подсчитывают отдельно). Направление ветра и среднее число штилей за июль для Мичуринска приведены ниже.

На румбах в определенном масштабе откладывают (от цент­ра) повторяемость ветра данного направления. Эти точки после­довательно соединяют и получают розу ветров (рис. 9.2).

Роза ветров дает наглядное представление о том, какое на­правление ветра за данный период является господствующим.

Преобладающее направление ветра за год или за какой-либо сезон необходимо учитывать, например, при постройке живот­новодческих ферм и расположении навозных хранилищ в райо­не жилых домов. Важно расположить их так, чтобы ветер дул от жилых домов к фермам, а не наоборот. В пчеловодстве медонос-

139

ев

юз

ные растения нужно вы­севать на поле с навет­ренной стороны от распо­ложения пасеки. При та­ком расположении поля пчелы со взятком будут лететь при попутном вет­ре, а не наоборот. Розу ветров учитывают при выборе направлений вет­розащитных лесополос и при создании снежных валов на сельскохозяй­ственных полях в зимнее время.

Скорость ветра изме­ряют в метрах в секунду, реже — в километрах в час. Иногда оп­ределяют не скорость, а силу ветра по так называемой шкале Бо­форта. Силу ветра по этой шкале дают в баллах и определяют визуально (табл. 9.1).

9.1. Соотношение скорости ветра и силы ветра по шкале Бофорта

ЮВ

Рис. 9.2. Роза ветров за июль для Мичуринска

Скорость, м/с

Баллы Бофорта

Характеристика

Оценка ветра визуально

Дым поднимается вертикально, листья неподвижны Ветер ощущается как легкое дуновение, дым слегка отклоняется в сторону Дуновение ветра чувствуется лицом, листья шелестят Листья и тонкие ветки постоянно колышутся Приходят в движение тонкие ветки деревьев Качаются большие ветви Качаются толстые ветви деревьев, гудят телеграфные провода Качаются стволы деревьев, гнутся большие ветви, трудно идти против ветра Качаются большие деревья, ломаются ветви и сучья Ломаются большие сучья, сдвигаются с места легкие предметы

Вырываются с корнем деревья Большие разрушения Катастрофические разрушения

Самое ветреное место на земном шаре — Земля Адели в Ан­тарктике. На российской станции «Мирный» за год отмечается

140

около 250 дней со штормом, максимальная средняя суточная ско­рость ветра составляет 28 м/с, отдельные порывы — до 55 м/с.

В России самым ветреным местом можно считать седловину хребта Варада (Мархотский перевал, 435 м над уровнем моря) над Новороссийском. Средняя скорость ветра за год на Мархоте равняется 9 м/с. Бывают годы, когда в зимние месяцы средняя скорость достигает 14м/с.

В каждой точке пространства скорость и направление ветра быстро изменяются. Такое движение воздуха называют порывис­тостью ветра.

Порывистость ветра связана с небольшими вихрями, которые образуются при обтекании воздухом неровностей земной повер­хности или же при неодинаковом нагревании ее отдельных учас­тков, т. е. обусловлена атмосферной турбулентностью (см. разд. 4.1). Порывистость тем больше, чем больше турбулентность. Следовательно, она сильнее выражена над сушей, чем над мо­рем, и особенно велика в районах со сложным рельефом мест­ности, больше летом, чем зимой, и имеет послеполуденный мак­симум.

9.3. СУТОЧНЫЙ И ГОДОВОЙ ХОД СКОРОСТИ ВЕТРА

Наблюдения показывают, что при установившемся режиме погоды в приземном слое атмосферы над сушей отчетливо про­является суточный ход скорости ветра.

В приземном слое минимум скорости наблюдают ночью. После восхода Солнца ветер усиливается и после полудня дости­гает максимума, затем постепенно ослабевает. Такой суточный ход ветра летом наблюдают до высоты 100...300 м, а зимой — до 20...30 м.

Амплитуда суточного изменения скорости ветра составляет 3...5 м/с. Летом она больше, чем зимой, а в ясные дни больше, чем в пасмурные. Над океанами суточный ход ветра почти неза­метен.

Причина суточного хода ветра - суточное изменение интен­сивности турбулентного перемешивания атмосферного воздуха.

Резкая смена воздушных масс, прохождение фронтов и дру­гие причины могут нарушить суточный ход ветра и привести к значительным отклонениям в отдельные дни.

Годовой ход скорости ветра определяется закономерностями общей циркуляции атмосферы. В умеренных и полярных ши­ротах Северного полушария наибольшую скорость ветра на­блюдают зимой, когда разность температур между тропиками и полюсом наиболее значительна и соответственно велика раз­ность давлений. К лету с уменьшением контраста температур и, следовательно, градиентов давления ветер ослабевает. В то

же время большое значение при этом имеют климатические осо­бенности района и местные причины. Так, на европейской час­ти России летом средние скорости наименьшие, а в январе и феврале наибольшие. В Восточной Сибири, наоборот, в январе и феврале средние скорости ветра наименьшие, а летом наи­большие.

.

ВЕТРЫ ОБЩЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ

В атмосфере существует сложная система постоянно меняю­щихся воздушных течений большого масштаба, переносящих ог­ромные массы воздуха из одних широт и областей в другие. Со­вокупность основных воздушных течений на земном шаре назы­вают общей циркуляцией атмосферы.

Представление об общей циркуляции атмосферы можно со­ставить по средним многолетним картам распределения атмос-

г Субтропический максимум Экваториальный минимум

Субтропический максимум

Рис. 9.6. Распределение атмосферного давления и ветров у земной поверхности; справа — меридиональный разрез направления ветра (по ):

1 — направление ветра; 2 — направление горизонтального барического градиента ферного давления и ветра, на которых отчетливо проявляется их зональность (рис. 9.6). В экваториальном поясе шириной при­мерно 10° широты в течение года существует экваториальная депрессия (экваториальный минимум), от которой давление сначала растет к субтропикам (субтропический максимум), за­тем падает к субполярным широтам (минимум умеренных ши­рот) и снова растет к полюсам.

С учетом того что направление движения воздуха отклоняет­ся от горизонтального барического градиента (см. разд. 9.2), в высоких широтах преобладает восточный, в умеренных — запад­ный, в тропических — снова восточный перенос воздуха.

Рис. 9.7. Схемы барических систем:

а — циклон; б — антициклон и направление ветра в них (Северное полушарие, приземный слой)

Пояса давлений, конечно, не сплошные «ленты». Неоднород­ность подстилающей поверхности (океаны — материки, равни­ны — горы и т. п.) приводит к тому, что пояса «разрываются» на центры действия атмосферы, т. е. области повышенного и пони­женного давления с замкнутыми изобарами. Замкнутую бари­ческую систему с низким давлением в центре называют циклоном (Н), с высоким давлением в центре — антициклоном (В) (рис. 9.7).

Например, в январе (рис. 9.8, а,6) экваториальная депрессия распадается на три центра низкого давления: над Южной Аме­рикой, Южной Африкой, Австралией и Индонезией, в июле формируются два центра: Южноазиатский и Мексиканский ми­нимумы. В субтропическом поясе выделяются такие центры вы­сокого давления, как Азорский и Гонолулский антициклоны и т. д. С такими крупномасштабными циклонами и антицикло­нами и связаны воздушные течения общей циркуляции атмос­феры, определяющие климатические особенности в зонах их действия.

Пассаты — это устойчивые восточные ветры в обращенных к экватору частях субтропических антициклонов умеренной ско­рости (в среднем 5...6 м/с у земной поверхности).

Муссоны — это устойчивые сезонные воздушные течения с резким изменением преобладающего направления от зимы к лету и от лета к зиме. Причина их — различия в нагревании и охлаждении материков и океанов в течение года. В летнее время суша нагревается сильнее, чем океан, зимой же она, наоборот, охлаждается больше. Температурные различия, образующиеся между сушей и океаном, создают различия в распределении дав­ления воздуха. Над сушей летом устанавливается область пони­женного давления, зимой — повышенного давления; над океана­ми же, наоборот, летом господствует высокое давление, зимой — низкое. Вследствие этого летом создается ток воздуха с океана на сушу в виде океанического муссона, зимой — с суши на океан в виде материкового муссона.

В тропиках муссонная циркуляция наблюдается в Экватори­альной Африке, в северной части Индийского океана и Южной Азии, в Северной Австралии; в умеренных широтах — на рос­сийском Дальнем Востоке, на северо-востоке Китая, в Корее, в Японии.

Интенсивная циклоническая деятельность, т. е. постоянное возникновение, развитие и перемещение циклонов и антицик­лонов, характерна для умеренных широт. В течение года во вне-тропических широтах каждого полушария возникают сотни под­вижных циклонов и антициклонов, что вызывает частую и рез­кую смену направления ветра у земной поверхности и погоды в целом.

60 30

90 60

Рис. 9.8. Давление воздуха на уровне моря (гПа) (по ):

а — январь; б — июль

9.6. МЕСТНЫЕ ВЕТРЫ

Воздушные течения в нижнем слое атмосферы, характерные для определенных ограниченных географических районов, на­зывают местными ветрами. Происхождение их различно.

Местные ветры могут быть результатом разного нагревания земной поверхности (ветры термического происхождения: бри­зы, горно-долинные), механического возмущения воздушных течений, вызванных рельефом местности (фён, бора) и т. д.

Бризами называют ветры, наблюдающиеся на побережьях мо­рей, озер и характеризующиеся сменой их направления в тече­ние суток: ночью они направлены с суши на водные поверхнос­ти, днем, наоборот, с водной поверхности на сушу (рис. 9.9).

Бризы связаны с суточным ходом температуры деятельной поверхности. Днем поверхность суши нагревается больше, чем водоема, поэтому атмосферное давление над ней понижается, и в слое до 1...2 км возникает перенос воздуха с водоема на сушу — дневной (морской) бриз. Ночью, наоборот, водоем теплее суши и распределение давления обратное: над сушей больше, чем над водой. И в нижних слоях создается перенос воздуха с суши на водоем — береговой (ночной) бриз. Береговой бриз меняется на морской незадолго до полудня, морской на береговой — вече­ром. Выше 1...2 км наблюдается перенос воздуха в обратном на­правлении — антибриз, образующий вместе с бризом замкнутую циркуляцию.

От береговой линии бризы распространяются в глубь суши или моря на десятки километров. Скорость ветра при бризах 3...5 м/с.

Морские бризы оказывают заметное влияние на условия по­годы в прибрежной полосе суши: понижают температуру (на 2...3 °С и более) и повышают влажность воздуха (на 10...20 % и более). Особенно резко это выражено в тропиках, в областях ан­тициклонов.

Рис. 9.9. Схема бризов

1Г~1,5°С;/=100%;е=5,5гПа

t=20JTC, f=

t=29,5 °C;f=l

е=П,1гПа;1=9,3'С

e=8,leIIa;td=3,9°C

Рис. 9.10. Схема образования фена

В России бризы наблюдаются в теплое время года на побере­жьях Черного, Азовского, Каспийского и Балтийского морей. На побережьях больших озер бризы выражены слабо и распрост­раняются на сушу лишь на небольшое расстояние от побережья.

Горно-долинные ветры представляют собой местную циркуля­цию с суточной периодичностью, возникающую вследствие раз­личий в нагревании и охлаждении воздуха над хребтом и над до­линой. Днем долина и нижние части склонов нагреваются силь­нее, чем вершины, и теплый воздух поднимается по склонам вверх, формируя долинный ветер. Ночью со склонов гор стекает холодный, тяжелый воздух — горный ветер. Если долина слабо продуваема, то воздух здесь застаивается и еще больше охлажда­ется. Весной горный ветер может вызвать понижение темпера­туры, опасное для цветущих садов.

Фён — теплый, иногда горячий, сухой и порывистый ветер, дующий временами с гор в долины. Фён образуется при перете­кании воздуха через высокие горные хребты, расположенные перпендикулярно к воздушному потоку. Поднимаясь по навет­ренной стороне горы, воздух охлаждается, пар в нем конденси­руется, образуются облака, могут выпасть осадки. Перевалив че­рез хребет и опускаясь по склону, воздух нагревается, оставший­ся в нем водяной пар удаляется от состояния насыщения, и воз­дух приходит в долину с низкой относительной влажностью и высокой температурой (рис. 9.10). Чем больше высота, с которой опускался воздух, тем выше температура фена.

Фены наблюдаются в течение всего года, но наиболее час­то — зимой и весной. Весной продолжительные и интенсивные фены ускоряют таяние снега в горах, что приводит к повышению уровня и разливу рек. Зимой фены нередко вызывают снежные обвалы в горах. Летом фён своей высокой температу­рой и низкой влажностью отрицательно действует на раститель­ность, а длительные сильные фены могут вызвать засуху на зна­чительной территории. Чаще всего фён продолжается менее су­ток, в отдельных случаях — до 5 сут и более.

В горах фёновая погода наблюдается часто: в Кутаиси (Кав­каз) — около 115, в Инсбруке (Альпы) — 80 сут в году. В каждой стране этот ветер имеет свое название, например в Италии — сирокко.

На территории России фены хорошо выражены на Кавказе и Алтае.

Бора — штормовой, порывистый и холодный ветер, дующий с низких горных хребтов в сторону теплого моря. Образуется бора преимущественно в холодное время года, когда над охлажден­ным континентом устанавливается область повышенного давле­ния. При таком распределении давления холодный воздух начи­нает двигаться в сторону моря.

Благоприятные условия для развития боры в России имеют­ся, например, в районе Новороссийска, расположенного на се­веро-восточном берегу Черного моря и отделенного сравнитель­но невысоким горным хребтом от внутреннего нагорья. Зимой это нагорье сильно охлаждается и возникает большая темпера­турная разница с теплым морским побережьем. Если с севера к Черному морю приближается еще и холодный арктический воз­дух, то возникает большой барический градиент, обусловливаю­щий ветры со скоростями до 40 м/с и более. Холодный ветер,

Рис. 9.11. Обледенение набережной во время боры (г. Новороссийск)

врываясь в бухту, разбрызгивает воду, которая, оседая на судах и береговых сооружениях, замерзает и покрывает их льдом. На на­бережной слой льда иногда достигает толщины 2...4 м (рис. 9.11). Бора наносит значительный ущерб городу и порту: срывает крыши, разрушает линии связи и электропередачи, небольшие суда выбрасывает на берег и т. д.

В Новороссийске ее называют норд-остом, на Апшеронском полуострове — нордом, на Байкале — сармой, в долине Роны (Франция) — мистралью. Сильная бора бывает также на Новой Земле и в других местах. Дует бора от одних суток до недели.

9.7. ЗНАЧЕНИЕ ВЕТРА В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

Ветер способствует перемешиванию воздуха, поддерживая постоянство газового состава атмосферы. Он переносит влаж­ный воздух с океанов и морей в глубь материков, обеспечивая растения влагой.

Благоприятность воздействия его на растения, животных и состояние деятельной поверхности зависят главным образом от скорости, времени появления и продолжительности.

Ветер имеет и чисто биологическое значение для ветроопы-ляемых культур.

Энергию ветра широко используют в сельском хозяйстве. Ее применяют для выполнения различных работ. Ветер вращает двигатели мельниц и электростанций, что позволяет снабжать водой из колодцев и рек огороды, поля и животноводческие фермы.

Во влажные вёсны ветер благоприятствует подсыханию верх­них слоев почвы, зерна в валках при раздельной уборке хлебов, что позволяет проводить выборочные полевые работы в более ранние сроки.

Отрицательное действие ветра заключается в увеличении не­продуктивного испарения с поверхности почвы, обусловливаю­щего почвенную засуху, и в усилении повреждения растений при атмосферной засухе. Сильные ветры (ураганы) разрушают постройки, мосты, линии связи и электропередачи, вызывают метели, пыльные бури, эрозию почвы, наводнения, полегание хлебов и т. д.

Ветер часто причиняет плодовым деревьям механические по­вреждения: ломает ветви, сучья, а иногда опрокидывает деревья с корнями. Явление поломки деревьев ветром называют бурело­мом, явление же опрокидывания деревьев с корнями — ветрова­лом. От ветровала наиболее сильно страдают деревья со слабо­развитой корневой системой, например яблони на карликовом подвое.

Ветер иногда является большой помехой садоводству и пчеловодству. Сильные ветры препятствуют лёту насекомых и пчел, что ухудшает условия опыления садов; вызывают иссечение лис­тьев, обрыв цветков и плодов. Поэтому с давних времен сады для защиты от ветра обсаживают деревьями и кустарниками.

Большое зло причиняет ветер при переносе семян сорняков, а также вредителей сельскохозяйственных растений с одного поля на другое. В период созревания зерновых культур сильный ветер выбивает зерно из метелки или колоса и осыпает его на землю.

Скорость ветра и его направление необходимо учитывать при подкормке полей удобрениями и при опылении ядохимикатами садов с самолетов и вертолетов.