Погода. Периодические и непериодические изменения погоды

10.1. ПОГОДА. ПЕРИОДИЧЕСКИЕ И НЕПЕРИОДИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПОГОДЫ

Погодой называется состояние атмосферы над данной терри­торией в данное время, определяемое физическими процессами, происходящими в ней при взаимодействии с подстилающей по­верхностью. С качественной и количественной стороны физи­ческое состояние атмосферы и процессы, совершающиеся в ней, выражаются через так называемые метеорологические эле­менты: температуру и влажность почвы, атмосферное давление, температуру и влажность воздуха, облачность, осадки, ветер и др. Они находятся между собой в тесной взаимосвязи и всегда действуют совместно, проявляясь в сложных и изменчивых со­четаниях. Число сочетаний метеорологических элементов и, следовательно, вариантов погоды может быть очень большим.

В комплексе метеорологических элементов, характеризую­щих погоду, могут быть элементы, которые по тем или иным со­ображениям обращают на себя особое внимание. По этим эле­ментам иногда называют погоду данного дня или сезона. Напри­мер, бывает погода дождливая, солнечная, ветреная, засушли­вая, морозная, теплая и т. д.

Многие связывают представление о погоде не столько с фи­зическим состоянием атмосферы, сколько с взаимодействием между атмосферой и живой и неживой природой. Поэтому гово­рят, например, о хорошей или плохой погоде, смотря по тому, благоприятна она или неблагоприятна для человека. Большие перепады атмосферного давления, высокая влажность воздуха, сильный ветер плохо действуют на самочувствие больных людей.

Метеорологические элементы изменяются в пространстве и во времени, поэтому погода часто отличается большим разнооб­разием и изменчивостью. Различают периодические и неперио­дические изменения погоды.

Периодические изменения погоды — это изменения, обусловлен­ные суточным и годовым ходом метеорологических элементов, т. е. изменения, зависящие от суточного и годового вращения Земли. Суточный и годовой ход важнейших метеорологических характеристик описан в предыдущих главах.

Непериодические изменения погоды связаны с движением воз­душных масс различного географического происхождения. Эти массы обладают неодинаковыми физическими свойствами - температурой, влагосодержанием и т. д. Погода зависит от того, какая воздушная масса приходит в данное место. Перемещение воздушных масс вызывает в районах, через которые они прохо­дят, значительные изменения погоды. Некоторые воздушные массы, не свойственные географическому расположению како­го-либо региона, нарушают нормальный ход метеорологических элементов, т. е. уменьшают или даже перекрывают периодичес­кие изменения погоды.

Несовпадение фазы периодических и непериодических изме­нений обусловливает наиболее резкие изменения погоды. На­пример, весной постепенно увеличивается приход солнечной радиации, с каждым днем все больше прогреваются почва и воз­дух — происходит периодическое изменение погоды, обуслов­ленное годовым вращением Земли. Но если в какой-либо день в данный район с утра вторгается арктический воздух, то темпера­тура начинает резко снижаться, и в полдень может стать даже холоднее, чем было в прошлую ночь. Следовательно, нормаль­ный суточный ход температуры воздуха нарушается. В последу­ющие дни и недели может стать еще холоднее, тогда нарушается и ее годовой ход.

10.2. ВОЗДУШНЫЕ МАССЫ

В процессе общей циркуляции атмосферы (см. разд. 9.5) воз­дух тропосферы расчленяется на отдельные воздушные массы, занимающие по площади миллионы квадратных километров и отличающиеся одна от другой своими свойствами, а потому и характером погоды.

Воздушная масса характеризуется вполне определенными физическими свойствами — прозрачностью воздуха, температу­рой, влагосодержанием и т. д., по которым она отличается от другой воздушной массы. Так как воздушная масса обладает приблизительно однородными физическими свойствами, то и погода на территории, занимаемой данной воздушной массой, будет также более или менее однородной. Если же воздушная масса сменяется другой массой, с иными физическими свой­ствами, то следствием этой смены будет изменение погоды. Особенно резкие изменения погоды совершаются при прохож­дении через данное место поверхности раздела между двумя раз­личными массами.

Физические свойства воздушной массы зависят от того, в ка­ких условиях она формируется. Эти условия определяются гео­графическим положением очага формирования воздушной мас­сы, т. е. радиационными условиями и свойствами подстилаю­щей поверхности данного района.

Различают следующие основные типы воздушных масс:

арктические (антарктические), формирующиеся в Арктике (Антарктике);

умеренных широт (полярные), формирующиеся в умеренных широтах;

тропические, формирующиеся в субтропических и тропичес­ких широтах;

экваториальные, формирующиеся в экваториальном поясе Земли.

В каждом типе воздушных масс выделяют морской или кон­тинентальный подтип в зависимости от того, над океаном или над сушей сформировалась данная масса.

Арктический (антарктический) воздух формируется над ледяными полями Арктики и Антарктики. Воздух очень холодный, водяного пара в нем содержится мало. Вторжение его в умеренные широты вызывает резкие и быстрые понижения температуры, называемые волнами холода. С этими волнами холода связаны сильные морозы зимой при ясной погоде и значительные заморозки весной и осенью. Вертикальная мощность арктического воздуха невелика – в среднем около 2км, морского арктического –около 3-5 км. Проникая в более южные широты арктический воздух растекается и мощность его уменьшается.

Континентальный воздух умеренных широт является наиболее характерной воздушной массой на континентах в умеренных широтах, в частности на территории России. Формирование его идет за счет морского воздуха умеренных широт и актического воздуха, вторгшегося в эти широты. В зимнее время формирование протекает над сильно охлажденной поверхностью суши, покрытой снегом. Поэтому континентальный воздух умеренных широт зимой очень охлажден, особенно снизу. С высотой температура его повышается.

Морской воздух умеренных широт приходит из умеренных широт океанов. Перемещения его происходят главным образом вместе с циклонами.

Континентальный тропический воздух формируется в тропических пустынях и степях из экваториального воздуха. Он вызывает сухую жаркую погоду с суховеями. Очаги его формирования: Балканы, Малая Азия, юг ЕТС, Средняя Азия, Монголия, Северный Китай.

Экваториальный воздух формируется в экваториальной зоне из тропического воздуха пассатов. Он сильно увлажнен

Эти воздушные массы в зависимости от характера подстилающей поверхности, над которой они формируются, делятся еще на континентальные и морские. Различают также экваториальный воздух, формирующийся в экваториальной зоне. Он значительно увлажнен, так как увлажнение происходит над океанами и районами влажного тропического леса. Поэтому больших различий между морскими и континентальными массами экваториального воздуха не имеется.

Для каждого из этих типов и подтипов характерны свой ин­тервал значений температуры у земной поверхности и на высо­тах, свои значения влажности, дальности видимости и т. д.

Воздушные массы не остаются неподвижными, а непрерывно перемещаются над земной поверхностью. Как только меняется подстилающая поверхность, тут же начинают изменяться физи­ческие свойства массы. Например, летом континентальная воз­душная масса, переместившись на водную поверхность, посте­пенно начинает передавать часть своего тепла воде, и, следова­тельно, температура массы понижается. В то же время она обо­гащается водяным паром, ее влажность повышается. В результате взаимодействия с водной поверхностью континен­тальная воздушная масса начинает постепенно приобретать свойства морской воздушной массы. Такое перерождение воз­душных масс называют трансформацией.

Кроме того, есть более общая классификация воздушных масс — лишь по температуре. Воздушные массы, перемещаю­щиеся с более холодной подстилающей поверхности на более теплую, называют холодными массами. На своем пути холодная воздушная масса вызывает похолодание в тех районах, в кото­рые она приходит. Однако при продвижений она сама прогрева­ется от земной поверхности. Поэтому в ней обычно возникают большие вертикальные градиенты температуры и развивается конвекция с кучевыми и кучево-дождевыми облаками и ливне­выми осадками. Воздушные массы, перемещающиеся на более холодную подстилающую поверхность, называют теплыми мас­сами. Они приносят потепление, но сами охлаждаются снизу, отчего в нижних слоях создаются малые вертикальные градиен­ты температуры. Конвекция в них не развивается, преобладают слоистые облака и туманы.

10.3. АТМОСФЕРНЫЕ ФРОНТЫ

Различные воздушные массы разделены между собой сравни­тельно узкими переходными зонами — атмосферными фронтами. Длина таких зон — тысячи километров, ширина - всего лишь десятки километров, толщина в вертикальном направлении - несколько сотен метров. Так как ширина и толщина фронта очень невелики в сравнении с размерами воздушных масс, то фронт условно можно представить как поверхность раздела меж­ду воздушными массами, которая в пересечении с земной по­верхностью образует линию фронта.

В зоне фронта при переходе от одной воздушной массы к другой метеорологические элементы (температура и влажность воздуха, ветер и др.) резко меняются.

Фронты бывают теплыми и холодными. Фронт, перемещаю­щийся в сторону холодного воздуха, называют теплым. При этом теплый воздух натекает на холодный, холодный же воздух отступает перед ним (рис. 10.1). Одновременно теплый воздух медленно и спокойно скользит вверх над поверхностью фронта и охлаждается. Это приводит к конденсации водяного пара и образованию облаков. В нижнем ярусе образуются слоисто-дождевые

а

/// /// 777

Рис. 10.1. Схема вертикального строения теплого фронта (по )

155

облака (Ns), из которых выпадают обложные осадки. При дальнейшем поднятии и охлаждении воздуха образуются облака высокослоистые (As). Из этих облаков осадки (тоже обложные) выпадают, но летом они, как правило, не достигают земной по­верхности, испаряясь по пути. В верхнем ярусе при дальнейшем скольжении воздуха образуются перисто-слоистые (Cs) и перис­тые (Ci) облака. Эти облака осадков не дают. Ширина облачной зоны теплого фронта достигает 600...900 км, зоны осадков -300...400 км.

При приближении теплого фронта сначала появляются пери­стые облака, сменяющиеся затем перисто-слоистыми. Давление воздуха понижается, и тем значительнее, чем больше разность температур между теплым и холодным воздухом. Температура воздуха медленно повышается. Перисто-слоистые облака при дальнейшем продвижении фронта сменяются высокослоисты­ми, а последние — слоисто-дождевыми.

Холодным фронтом называют фронт, перемещающийся в сто­рону теплого воздуха, вытесняя его. Поверхность раздела между теплым и холодным воздухом у земли в данном случае очень круто опускается вниз (рис. 10.2). Облачная система такого фронта аналогична системе облаков теплого фронта, но прохо­дит в обратном порядке. Непосредственно перед фронтальной поверхностью в результате большой ее кривизны возникают бур­ные восходящие движения воздуха. Вследствие этого передняя часть облачной системы состоит из кучево-дождевых (СЬ) обла­ков. За линией фронта облачная система переходит в слоисто-дождевые (Ns), а затем по мере удаления от линии фронта в вы­сокослоистые (As) и перисто-слоистые (Cs) облака.

Осадки при прохождении холодного фронта носят вначале ливневый характер, они часто сопровождаются грозами, затем могут перейти в обложные.

Рис. 10.2. Схема вертикального строения холодного фронта первого рода (по )

Ширина зоны осадков вследствие более крутого наклона фронтальной поверхности меньше, чем у теплого фронта (до 100 км).

Чаще всего приближение холодного фронта сопровождается более или менее сильным понижением давления, появляются кучевые облака, быстро развивающиеся в высоту, затем кучево-дождевые. С первыми редкими крупными каплями дождя (сне­жинками) налетает первый порыв ветра, затем ветер усиливает­ся, начинаются сильные ливневые осадки, температура понижа­ется.

10.4. ПОГОДА В ЦИКЛОНЕ И АНТИЦИКЛОНЕ

Перенос воздушных масс происходит в системе циклонов и антициклонов. Как отмечалось в разд. 9.5, в центре циклона со­здается область пониженного давления, а к его периферии оно возрастает. Поэтому воздух со всех сторон стекает к центру цик­лона по спиралеобразным кривым, закручивающимся в Север­ном полушарии против часовой стрелки. В центре циклона эти сходящиеся потоки вынуждены подниматься вверх. Поднима­ясь, воздух попадает в слои атмосферы с меньшим давлением и расширяется. При расширении он охлаждается и образуются об­лака и осадки. Поэтому погода в центре циклона всегда бывает ненастной.

Циклоны возникают на атмосферных фронтах, при этом в циклон вовлекаются обе воздушные массы, разделяемые фрон­тами.

Схема строения циклона и распределения погоды в различных частях его показана на рисунке 10.3, где в центре дана общая схе­ма типичного циклона, вверху — вертикальное сечение, сделан­ное севернее центра циклона по линии а—б, внизу — вертикаль­ное сечение, проведенное южнее его центра по линии в—г.

Приведенная схема наглядно показывает, какие характерные изменения погоды будут совершаться в случае, если циклон при своем перемещении захватывает местность северной или южной частью. Если циклон захватывает местность южной частью (разрез по линии в—г), то в этой местности происходят изменения погоды, свойственные изменениям ее при прохождении теплого и холод­ного фронтов. Сначала через данную местность проходит теплый фронт, затем теплый сектор циклона и, наконец, холодный фронт. Перед прохождением теплого фронта появляются перистые облака (Ci), быстро перемещающиеся с запада, северо-запада или юго-за­пада. Затем эти облака постепенно переходят в перисто-слоистые (Cs), последние — в высокослоистые (As) и, наконец, появляются слоисто-дождевые облака (Ns), из которых выпадают осадки. Ветер постепенно усиливается, давление понижается, температура повы­шается, и район «накрывает» теплый сектор. Обычно воздушная

157

-б

воздух

~70км ~200км

-300 км

-500 км

Рис. 10.3. Схема строения циклона (по ). Заштрихованная часть в центре рисунка (план) - зона выпадения осадков

масса теплого сектора устойчивая, т. е. с небольшими верти­кальными градиентами температуры. Поэтому погода в теплом секторе характеризуется слоистыми, высококучевыми облаками, туманами, моросящими осадками, плохой видимостью. В нем наблюдаются самые высокие температуры для данного циклона. Циклон в этой стадии развития (с теплым сектором) называют молодым циклоном. Затем через данную местность проходит хо­лодный фронт с сильными ливневыми осадками. Ветер перед прохождением фронта усиливается, делается порывистым, а во время прохождения фронта резко меняет направление, чаще всего на северо-западное. Давление перед фронтом понижается, а после прохождения фронта быстро повышается. Температура воздуха после прохождения фронта сильно понижается.

Если центр циклона проходит южнее данного места, т. е. циклон захватывает местность своей северной частью (разрез по линии а—б), где фронтов нет, то резких изменений погоды не наблюдается, так как внизу, у земной поверхности, все время остается холодный воздух, теплый же воздух располагается в бо­лее высоких слоях.

Вместе с циклоном перемещаются и фронты. Однако холод­ный фронт вследствие непрерывного подтока холодного воздуха перемещается быстрее теплого фронта. Поэтому теплый сектор циклона суживается, фронты постепенно сближаются и, нако­нец, смыкаются. Соединяются также в одну зону осадки теплого и холодного фронтов. Теплый воздух при смыкании фронтов вытесняется кверху. Явление смыкания фронтов в циклоне но­сит название окклюзии или закрытия циклона. Циклон затухает, воздух у поверхности становится однородным, давление и тем­пература выравниваются: весь теплый воздух поднялся вверх.

Скорость движения циклонов в среднем составляет 30км/ч, или 700...900 км/сут. Цикл развития циклона 4...7 сут.

В Северном полушарии одновременно бывает до 20 цикло­нов. В Северной Атлантике в течение года наблюдается около 1000 циклонов, а в северной части Тихого океана - до 1500. На Земле в целом ежегодно регистрируется доциклонов.

После прохождения циклона в тыл его внедряются холодные массы воздуха и образуют область повышенного давления — так называемый антициклон с высоким давлением в центре и ветра­ми, направленными в Северном полушарии к периферии по ча­совой стрелке (см. рис. 9.7).

В связи с нисходящими движениями воздуха, развивающими­ся в центральной части антициклона, здесь создается сухая яс­ная или малооблачная погода. Летом она может вызвать атмос­ферную засуху. Зимой в антициклоне образуются глубокие при­земные инверсии, стоит морозная погода. Ветер в центральной части антициклона обычно слабый.

Различают подвижные и стационарные антициклоны. Пер­вые образуются в Арктике и перемещаются в умеренные широ­ты, принося сюда холодный сухой воздух, вторые - преимуще­ственно над океанами (Азорский, Гонолулский и др.) и зимой в умеренных широтах над материками, удерживаются они в одной и той же области по нескольку недель и даже месяцев. Пример последнего — Сибирский (Азиатский) антициклон, формирую­щий здесь зимой очень морозную погоду.

На европейской части России погода и ее изменения определя­ются циклонической деятельностью (чередованием циклонов и ан­тициклонов). Циклоны поступают сюда чаще всего с северной час­ти Атлантического океана через Скандинавию или Прибалтику. Но некоторые циклоны приходят сюда также со Средиземного и Чер­ного морей, антициклоны — чаще с северо-востока и востока.