Детали закономерностей
Первая закономерность обусловлена тем, что движение воздуха происходит в поле силы тяжести, когда вертикальная составляющая силы барического градиента практически уравновешивается действием силы тяжести.
Вторая закономерность, отражает общую тенденцию распределения областей высокого и низкого давления в соответствии с географическим положением основных областей холода и тепла и связана с влиянием вращения Земли.
В среднем в тропосфере преобладают горизонтальные барические градиенты, направленные от тропиков (области тепла) к полюсам (области холода), что под влиянием отклоняющего действия вращения Земли обусловливает преобладание в тропосфере и нижней стратосфере западных ветров. Так, основная масса атмосферы совершает вращательное движение с запада на восток, обгоняя собственное вращение Земли в этом же направлении. Конечно, в ряде случаев на определенных уровнях меридиональная циркуляция может преобладать над зональной.
На картах погоды (особенно на картах AT верхних уровней тропосферы) вблизи полюса располагается центр обширного циркумполярного циклона. В масштабах всего земного шара можно говорить о планетарном циклоническом вихре – это западный перенос воздушных масс, господствующий над земным шаром, который связан с наличием междуширотной разности температуры, с убыванием температуры от низких широт к высоким. Этот вихрь и составляет основу ОЦА в средней и верхней тропосфере и стратосфере. Изогипсы этого циклона в общем близки к параллелям, что и характеризует зональность воздушных течений. Меридиональные течения в верхней тропосфере наблюдаются преимущественно там, где располагаются высотные гребни и ложбины, или там, где располагаются высокие циклоны и антициклоны (по их западной и восточной периферии).
В систему планетарного циклонического вихря входят планетарные высотные фронтальные зоны (ПВФЗ), ориентированные преиму
щественно вдоль широтных кругов. Дополнительные источники тепла и холода, связанные с материками и океанами, усложняют картину атмосферной циркуляции.
Третья закономерность является результатом сложного взаимодействия атмосферы и ДП, а также взаимодействия соседних воздушных течений. Помимо планетарного вихря, имеются вихри меньшего размера: внетропические циклоны и антициклоны, тропические циклоны (тайфуны, ураганы), смерчи (торнадо, тромбы), т. к все они имеют вертикальную ось вращения. К вихрям с горизонтальной осью вращения относятся местные циркуляции типа бризов, горно-долинных ветров.
Можно рассматривать вихревые движения как проявление турбулентных движений различного масштаба, относя Zn и Az к макротурбулентным движениям.
Имеются существенные отличия атмосферных вихрей от вращения твердого тела.
1. В атмосферных вихрях угловая скорость вращения сложным образом меняется в зависимости от расстояния рассматриваемой частицы воздуха от оси вращения и испытывает изменения во времени.
Рекомендуемые материалы
2. Ось вращения крупных вихрей (циклоны, антициклоны) не остается единой для всех уровней (см. п. 8.1); если же рассматривать высотную (пространственную) ось, то по отношению к ней вращение может совершаться в плоскости сильно отклоняющейся от нормали к оси. Возможные отклонения плоскости вращения от горизонтальной тем больше, чем меньше диаметр вихря.
3. Скорость вращения и вид вихря меняются с высотой.
4. Время существования вихря в среднем обратно пропорционально его диаметру.
5. Соседние вихри могут объединяться (сливаться) в один вихрь, и, наоборот, один вихрь может преобразовываться в несколько вихрей.
Помимо вихревых движений, атмосфере свойственны волновые движения. Сюда относятся малоизученные приливо-отливные движения атмосферы, аналогичные приливам в океанах, чередования зон положительных и отрицательных значений вертикальной составляющей скорости, колебания высоты тропопаузы и волновые движения на границах слоев атмосферы различной плотности, а также вблизи поверхности земли.
Барические гребни и ложбины можно в определенном смысле рассматривать как проявление волновых процессов. Например, Россби различал в системе ПВФЗ длинные волны (λ > 5000 км), которым соответствуют семейства циклонов, и короткие волны (λ < 5000 км), которым соответствуют отдельные Zn и Az.
Такого рода волны, в отличие от гравитационных волн, где колебания частиц воздуха происходят в вертикальной плоскости, характеризуют волнообразные сдвиги воздушных потоков преимущественно в горизонтальной плоскости.
Впрочем, формально любые более или менее периодические колебания давления можно рассматривать как волновой процесс (последовательное прохождение Zn и Az). Известно, что волновая теория связывает зарождение внетропических циклонов с волновыми колебаниями фронтальной поверхности.
Во всяком случае, следует учитывать, что атмосферные движения, с одной стороны, имеют свойства вихрей различного масштаба, с другой — свойства волн различного масштаба.
Четвертая закономерность характеризует неустойчивость равновесия действующих сил. Нестационарность атмосферных движений является непосредственной причиной изменений барического поля, включая наиболее существенные его преобразования при развитии циклонов и антициклонов. Изменения барического поля вызывают нестационарность атмосферных движений, т.к. появляются ускорения, обусловленные изменениями барического градиента.
В лекции "10.8. Методика расследования преступлений" также много полезной информации.
В результате этого общая картина атмосферной циркуляции непрерывно меняется, никогда не повторяясь полностью. Однако в ОЦА можно отметить так называемые климатические центры, ЦДА, (преобладание циклонических систем в одних районах и антициклонических в других).
Пятая закономерность отражает изменения свойств атмосферы в горизонтальном и вертикальном направлениях.
Чередование Zn и Az создает неоднородности воздушных течений и распределения кинетической энергии. Это в еще большей степени относится к ВФЗ и струйным течениям, где наибольшая концентрация кинетической энергии.
Одним из замечательных свойств атмосферы при всей ее подвижности является способность образовывать относительно устойчивые и достаточно четко разграниченные слои с различными физическими свойствами. Помимо общего различия тропосферы и стратосферы, пограничного слоя атмосферы и свободной атмосферы, внутри тропосферы имеются фронтальные слои и слои инверсии (то возникающие, то исчезающие). При переходе от слоя к слою часто также происходит и резкое изменение ветра. Рассматривая различные слои атмосферы, не следует, конечно, забывать, что никаких твердых перегородок в атмосфере нет, что все слои взаимодействуют между собой и что атмосфера, в конечном счете является единой газовой оболочкой, окружающей земной шар.
Основная масса атмосферы сосредоточена в весьма тонком (по сравнению с радиусом Земли) слое. Около 50% массы атмосферы сосредоточено в нижнем 5 км слое, 90% —в слое 16 км, 99% — в слое 32 км, что составляет лишь 0,005 радиуса Земли (а=6370 км).
Закономерности сезонных изменений атмосферной циркуляции связаны с изменениями притока солнечного тепла от сезона к сезону. Особенно резко это сказывается в северном полушарии, где материки занимают значительные пространства. Относительное охлаждение материков зимой и прогрев летом приводят к смене знака контрастов температур между материками и океанами. Соответственно меняются и условия атмосферной циркуляции. Особенно резко проявляются сезонные изменения атмосферной циркуляции в некоторых районах, где при смене сезонов происходит изменение преобладающих ветров на противоположные (муссоны.).
