Зоны давления и ветра в верхней тропосфере и в стратосфере
Зональность в распределении давления и ветра яснее и проще не у земной поверхности, а в верхней тропосфере и в стратосфере.
Как нам уже известно, высокое давление здесь более или менее близко совпадает с высокой температурой, а низкое давление — с низкой температурой. Поскольку температура в тропосфере в среднем падает от низких широт к высоким, то и меридиональный барический градиент направлен, начиная с высоты 4—5 км, также в общем из низких широт в высокие. В связи с этим, например, изобарическая поверхность 300 мб проходит зимою над экватором на высоте около 9700 м, над северным полюсом на высоте около 8400 м, а над южным полюсом даже на высоте около 8100 м. Летом эти разности. Меньше, но все-таки значительны.
Геострофический ветер при таком градиенте должен быть направлен с запада на восток. Так будет в обоих полушариях: в северном градиент будет направлен к северу, а ветер, отклоняясь от него на прямой угол вправо, — с запада на восток; в южном полушарии градиент будет направлен к югу, а ветер, отклоняясь от него влево, — опять-таки с запада на восток. Это относится не только к геострофическому ветру, но, с достаточной точностью, и к действительному ветру, поскольку он является квазигеострофическим.
Таким образом, в верхней тропосфере и в нижней стратосфере (рис. 88) мы имеем западный перенос воздуха вокруг полюса, где давление наиболее низкое — своего рода планетарный циклонический вихрь над каждым из полушарий: против часовой стрелки над северным и по часовой стрелке над южным. Исключением являются самые низкие широты. Дело в том, что самое высокое давление в верхней тропосфере обнаруживается не над экватором. Субтропические зоны высокого давления (о них дальше) смещаются с высотой в направлении к экватору; однако их оси в верхней тропосфере все-таки располагаются в некотором расстоянии от экватора.
Отсюда следует, что в сравнительно узкой зоне вблизи экватора, расположенной главным образом в летнем полушарии, барический градиент в верхней тропосфере будет направлен к экватору. Это значит, что в верхней тропосфере и в нижней стратосфере здесь господствует восточный перенос.
Рис. 88. Зональное распределение давления и переносов воздуха в верхней тропосфере и в нижней стратосфере (схема).
Справа — направление барических градиентов вдоль меридиана в соответствующих зонах.
В стратосфере среднее распределение температуры по меридиану летом противоположно тропосферному. Полярная стратосфера летом очень тепла в сравнении с тропической. Начиная с уровня 12—14 км самые низкие температуры приходятся над экватором и самые высокие — над полюсом. Поэтому меридиональный градиент давления в стратосфере летом также меняется с высотою на противоположный, направленный от полюса к экватору. Но это изменение происходит не от самой тропопаузы. Сначала меридиональный градиент давления ослабевает под влиянием изменившегося градиента температуры и только на высотах 18—20 км меняется на обратный. Возникает околополярный антициклон и, следовательно, восточный перенос воздуха на уровнях выше 20 км над летним полушарием. Это явление получило название стратосферного обращения ветра.
Рис. 89. Зональное распределение давления и переносов воздуха выше 20 км северным летом (схема). Справа — направление барического градиента вдоль меридиана.
Зимой распределение температуры в стратосфере сложнее, чем летом. Зимняя стратосфера в полярных широтах почти так же холодна, как над тропиками. Правда, от экватора к средним широтам температура растет, а от средних широт к полярным снова падает. В результате направление барического градиента верхней тропосферы, как и западное направление зонального переноса, сохраняется зимой во всей толще стратосферы. Эти условия представлены на рис. 89.
Западный перенос особенно силен в верхней части тропосферы, в широтах 30—35° в каждом полушарии. Скорость ветра на высотах около 12 км даже в многолетнем среднем достигает здесь более 35 м/сек. Это — отражение на многолетней средней карте струйных течений, которые наблюдаются не только в указанных широтах, но обладают в них наибольшей повторяемостью. Можно сказать, что мы имеем здесь на многолетних картах субтропическое струйное течение.
В западном переносе наблюдаются огромные волны, длиною в несколько тысяч километров, наиболее хорошо различимые в верхней тропосфере и особенно на картах, осредненных за несколько суток. Вокруг Земного шара их укладывается в каждый момент 4—6. Воздух в этих длинных волнах получает, в дополнение к западному переносу, меридиональные составляющие скорости, направленные попеременно к высоким и низким широтам. Длинные волны перемещаются с запада на восток, но медленнее, чем сам западный перенос.
Кроме того, на общий западный перенос налагаются в большом количестве циклоны и антициклоны. Они также перемещаются в направлении общего западного переноса. Ниже они будут рассмотрены подробнее.
Зональное распределение давления и ветра у земной поверхности и в нижней тропосфере
У земной поверхности и в нижней тропосфере зональное распределение давления и ветра сложнее, чем в вышележащих слоях.
Сначала мы рассмотрим многолетние средние величины давления по широтным кругам. Приведем график многолетних средних величин давления для широтных кругов на уровне моря в январе и в июле (рис. 90).
Мы видим, что имеется зона с пониженным давлением по обе стороны экватора. В этой зоне в январе между 15° с. ш. и 25° ю. ш., а в июле между 35° с. ш. и 5° ю. ш. давление ниже 1013 мб (760 мм). При этом параллель с самым низким давлением Приходится в январе на 5—10° ю. ш., а в июле — на 15° с. ш. Это — зона экваториальной депрессии, распространяющаяся больше на то полушарие, в котором в данном месяце лето. В направлении к высоким широтам от этой зоны давление в каждом полушарии растет, и максимальные значения давления мы находим в январе под 30—32° северной и южной широты, а в июле — под 33—37° с. ш. и 26—30° ю. ш. Это — две субтропические зоны, повышенного давления; от января к июлю они несколько смещаются к северу, а от июля к январю — к югу.
От субтропиков к еще более высоким широтам давление падает, особенно сильно в южном полушарии. Под 75—65° с. ш. и под 60—65° ю. ш. наблюдается минимальное давление в двух субполярных зонах низкого давления, а еще дальше в направлении к полюсам давление снова растет.
В среднем годовом мы получаем следующее зональное распределение давления на уровне моря:
с. ш. 80° 60 30 10 0 10 30 60 80° ю. ш.
1014 1012 1019 1012 1010 1012 1018 989 991
NE SW NE ENE ESE SE NW SE
В нижней строке приведены преобладающие направления ветра у земной поверхности в зонах между указанными параллелями. Меридиональные составляющие из них не исключены.
Рис. 90. Зональное распределение атмосферного давления в январе и в июле.
Итак, зональность в распределении давления на уровне моря (и в нижней тропосфере) сложнее, чем в распределении температуры. Температура у земной поверхности непрерывно падает от низких широт к высоким (если отвлечься от возмущений, вносимых распределением суши и моря). Давление же от экваториальной зоны сначала растет к субтропикам, затем падает к субполярным широтам и снова растет к полюсам.
return false">ссылка скрытаПри этом меридиональный барический градиент направлен от субтропиков к экватору, от субтропиков же к субполярным широтам и от полюса к субполярным широтам; направление барического градиента, таким образом, несколько раз меняется вдоль меридиана (рис. 91). С этим согласуется и зональное распределение ветра, о чем будет сказано ниже.
Причины образования зон высокого давления в субтропиках и зон низкого давления в субполярных широтах заключаются в особенностях циклонической деятельности. Здесь кратко укажем, что антициклоны, возникающие в общем западном переносе умеренных широт, при своем движении с запада на восток в то же время смещаются к более низким широтам и там усиливаются. Они и образуют в каждом полушарии субтропическую зону высокого давления с осью около 35-й параллели. Напротив, циклоны, возникающие в тех же средних широтах, при своем движении к востоку отклоняются к более высоким широтам и сосредоточиваются там, образуя субполярную зону низкого давления около 60—65-й параллели. Такая сепарация циклонов от антициклонов зависит от изменения отклоняющей силы вращения Земли с широтой.
Рис. 91. Зональное распределение давления и переносов воздуха у земной поверхности и в нижней тропосфере (схема). Справа — направление барических градиентов вдоль меридиана в соответствующих зонах.
По обращенной к полюсу периферии субтропической зоны в средних широтах создается западный перенос; он простирается до оси субполярной зоны низкого давления, т. е. до 60— 65° широты. Таким образом, в средних широтах западный перенос характерен не только для верхней тропосферы, но и для нижней тропосферы и для земной поверхности (если отвлечься от меридиональных составляющих, создаваемых трением). Правда, повторяемость западных ветров вблизи земной поверхности все-таки значительно меньше, чем в высоких слоях; с высотою она растет. Наиболее хорошо этот западный перенос у земной поверхности выражен над океанами, особенно в южном полушарии.
Рис. 92. Среднее распределение зональной составляющей скорости ветра в м/сек в северном полушарии в январе (по И. Г. Гутерману).
Точками выделены области восточного переноса, без точек — западный перенос.
Рис. 93. Среднее распределение зональной составляющей скорости ветра в м/сек в северном полушарии в июле (по И. Г. Гутерману).
Точками выделены области восточного переноса, без точек — западный перенос.
Но по периферии субтропической зоны высокого давления, обращенной к экватору т. е. в тропиках, барический градиент у земной поверхности и в нижней тропосфере в среднем направлен к экватору, что и создает здесь восточный перенос, в общем охватывающий всю тропическую зону. Это так называемые пассаты — тропические восточные ветры.
Наиболее низкое давление у земной поверхности и в нижней тропосфере обнаруживается в субполярных широтах, вблизи 60—65-й параллели. Отсюда в направлении к полюсу давление растет. Следовательно, средний барический градиент направлен в нижней тропосфере от полюса к субполярным широтам, что создает в полярном районе также восточный перенос воздуха. В Арктике восточные направления ветра в нижних слоях лишь несколько преобладают над западными. Но в Антарктиде по окраине материка наблюдаются устойчивые, а в Восточной Антарктиде — даже постоянные восточные ветры.
Среднее распределение зональных составляющих ветра в вертикальном разрезе над северным полушарием представлено на рис. 92 и 93.