Общая циркуляция атмосферы. Струйные течения. Пассаты. Муссоны. Виды струйных течений и их особенности

СТРУЙНЫЕ ТЕЧЕНИЯ, ИХ КЛ АССИФИКАЦИЯ, УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ И ПОЛ ЕТОВ В НИХ

Струйным течением (СТ ) называется узкая зона сильных вет ров со скорост ью

100 км/ч (30 м/с) и более большой горизонт альной протяженности.

Максимальная скорост ь ветра наблюдает ся в цент ральной части СТ, которая называется осью СТ . Вправо и влево от оси скорость ветра уменьшается. При эт ом горизонт альные сдвиги ветра могут достигать 10 м/с и более на 100 км расстояния, а вертикальные – 5…10 м/с и более на 100 м высоты.

СТ могут наблюдаться как в тропосфере (т ропосферные СТ), так и в ст ратосфере

(стратосферные СТ). При этом тропосферные СТ бывают: внет ропические, субтропические и экваториальные.

В Северном полушарии тропосферны е СТ направлены, как правило, с запада на восток,

но иногда они могут от клоняться к югу или к северу.

В поперечном сечении СТ может быть представлено в виде сильно сплющ енной

“т рубы” (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Схематическое изображение струйного течения

Тропосферны е СТ наблюдают ся на высотах 7…11 км. Ось СТ обычно располагается на

1,5…2,0 км ниже т ропопаузы.

На террит ории СНГ СТ чаще образуются в холодное время года. Максимальная

скорость ветра (до 300 км/ч и более) наблюдается над Дальним Востоком, над остальной т еррит орией она достигает поряд ка 200 км/ч.

Наиболее интенсивными и устойчивыми являются субт ропические СТ. Максимальные скорости (650…750 км/ч и более) наблюд аются над Японией и Тихим океаном.

Для СТ характерно неодинаковое распределение т емперат уры и давления на правой и

левой сторонах (рис. 10.3).

Рис. 10.3. Распределение температуры и дав ления в струйном течении

На правой стороне от оси находит ся ТВ и наблюдается высокое давление, поэтому э та сторона называется антициклонической или теплой. На левой стороне нах одится ХВ и наблюдается низкое давление, поэтому эта сторона называется циклонической и холодной. Такое распределение температуры и давления в СТ объясняется тем, что в ХВ барическая ступень значительно меньше, чем в ТВ. Поэтому, на высотах низкое давление буд ет наблюдаться в ХВ, а высокое – в ТВ. А так как СТ – эт о ветер, т о в Северном пол уш арии оно направлено таким образом, чтоб ы слева ост авалось низкое давление и, следовательно, ХВ, а справа – высокое давление и ТВ.

Внетропические СТ связаны с главными атмосферными фронтами и высот ными фронт альными зонами (ВФЗ). Процесс образования СТ можно объяснить следующим образом (рис. 10.4). Больш ие контрасты температуры (8°С…10°С и более), наблюдаемые по обе ст ороны фронта, являются причиной возникновения больших горизонтальных градиент ов давления, а значит, и силы горизонтального барического град иента. Под воздействием эт ой силы начинается восходящее движение ТВ по фронтальной поверхности. При эт ом, чем больше конт раст температ уры, тем интенсивнее движение. В верхних слоях тропосферы ТВ встречает мощный задерживающий слой – тропопаузу. Тропопауза сверху, а фронтальная поверхност ь снизу образуют своего рода воздушные барьеры, ограничивающие свободный подъем ТВ. Под напором поднимающихся снизу масс воздуха верхний ТВ, “зажатый” с одной стороны тропопаузой, а с другой – фронтальной поверхностью, приобрет ает большую скорость и проносится вдоль ВФЗ как бы вдоль своеобразной аэ родинамической трубы. Восход ящие д вижения ТВ могут “поднимат ь” тропопаузу над СТ. По этому на левой стороне СТ т ропопауза, как правило, имеет очень крутой наклон.

Ось СТ, в основном, параллельна атмосферным фронтам, с кот орыми оно связано. Если

СТ связано с ТФ, то оно располагает ся в верхней тропосфере вперед и приземной линии теплого фронта на расстоянии 400…500 км. Если же участ ок СТ связан с ХФ, то СТ располагается в верхней тропосфере позади приземной линии ХФ на расстоянии 100…300 км (рис. 10.4).

Рис. 10.4. Синоптические условия образов ания струйного течения

СТ могут наблюдаться при ясном небе, но иногда они сопровождаются облаками верхнего яруса, которые располагаются преимущ ественно на правой стороне СТ. Сильными ветровыми потоками облака расчленяются на отдельные полосы, которые быстро перемещаются и своим движением указывают направление С Т. Облака обы чно располагаются ниже оси СТ на несколько сотен метров. В облаках возможна болтанка ВС, интенсивность которой можно определить по внешнему виду облаков – чем “неспокойнее” их вид, тем сильнее болт анка.

Наиболее опасным явлением в зоне СТ является возникновение на его периферии очагов т урбулентности. Причиной возникновения этих очагов является сильное торможение СТ на его внешних границах окружающим более спокойным возд ухом. В связи с резким т орможением пот ока образуются сд виги ветр а, приводящие к вихреобразованию. При этом очаги турб улентности черед уются со спокойными участками, их интенсивность и местоположение непрерывно изменяются. Наиболее интенсивными и опасными турбулентные очаги бывают на левой, циклонической стороне СТ, где горизонтальные сдвиги ветра в

1,5…2 раза больш е, чем на правой стороне (рисунки 10.5 и 10.6).

Рис. 10.5. Вихреобразование в струйном течении

Р ис. 10.6. Повторяемость болтанки в различных частях струйного течения

При от сут ствии облаков, ТЯН, вызывающая сильную болтанку, может начаться внезапно д ля экипажа и привест и к т яжелым последст виям. Опасная болт анка в зоне СТ наб людает ся в тех районах, гд е горизонт альные сдвиги вет ра более 6 м/с на 100 км расст ояния, и/или верт икальные – более 3 м/с на 100 м высот ы. Толщина слоя сильной б олтанки, как правило,

Самые благоприятные условия для полетов наблюдаются в цент ральной части СТ и на

его правой стороне. Но при этом необходимо учитыват ь, чт о при полет ах в СТ на высотах, б лизких к потолку, от клонение ВС в ст орону повыш ения температуры пред ставляет опасност ь, так как не исключена возможность его выхода в область значительных положительных от клонений температуры от стандартной атмосферы. В эт их сл учаях ВС может оказаться на высот е выше предельно допустимой, его уст ойчивост ь и управляемость б уд ут нарушаться, оно может непроизвольно терять высоту и “проваливаться”. Если при э том в атмосфере происход ят вертикальные пульсации ветра, ВС может попасть на критические углы атаки и срывные режимы.

Вы не видите их, но они там, на километровых высотах, дуют словно ураганы. Это струйные течения в атмосфере, и они без устали носятся вокруг планеты. Люди прятались от торнадо и спасались от ураганов с тех самых пор, как существует человечество.

Впервые высотные струйные течения наблюдал японский метеоролог Васабуро Уиси в 20-е годы XX века, когда запускал метеорологические зонды с горы Фудзияма. Но лучше всего их действие на себе почувствовали летчики бомбардировочной авиации в годы Второй мировой войны: из-за свирепых ветров не всегда было возможно попасть в цель при бомбометании с больших высот. Некоторые даже замечали, что при попытках влететь в эту воздушную стену самолеты зависали на месте. Позднее ученые окрестили эти ветры струйными течениями. Как и сильные потоки океанских течений, струйные течения в атмосфере представляют собой узкие стремительные потоки воздуха. Скорость ветра в этих атмосферных течениях обычно достигает 50-100 м/с, но на пике своей мощности может доходить и до 140 м/с.

Хотя метеорологи по телевизору часто говорят о циклонической струе воздуха, в атмосфере их много. Струйные течения обычно находятся на высоте от 9144 до 18 288 м. Два основных течения в обоих полушариях дуют с запада на восток, через теплые субтропики и холодные полярные области. Эти струи постоянно циркулируют вокруг Земли, меняя направление и иногда сливаясь в один поток. Летом третья струя течет над Индией, Юго-Восточной Азией и частью Африки. Так что иногда в одном полушарии действуют три струи одновременно.

Что вызывает эти потоки свирепого ветра? Ученые говорят, Что причиной является нагревание Земли, вращающейся вокруг Солнца. Теплые ветры, дующие с экватора, встречаются с холодными ветрами с полюсов, и возникает большая разница в давлении. Именно в таких областях и образуются струйные течения. Как высотные изгороди, эти течения являются разделительной чертой между холодными и теплыми областями. И чем больше разница температур, тем сильнее эти ветры. (Вот почему эти течения особенно сильны зимой, когда теплые ветры с экватора встречаются с ледяными ветрами, дующими с полюсов.) Струйные течения - хорошие регуляторы, распределяющие жару от экватора далее, по направлению к полюсам, и смягчающие климатические различия.

Метеорологи много говорят об этих потоках, потому что их ежедневные изменения отражаются на погоде, влияя на области высокого и низкого давления и штормы. Когда струйное течение отклоняется далеко на север или юг от своего привычного маршрута, погода сильно меняется - становится очень дождливой или страшно засушливой, неимоверно холодной или, наоборот, жаркой.

Бывает, что теплое океанское течение Эль-Ниньо становится особенно протяженным. Когда над водой нагревается воздух, струйные течения и штормовые облака движутся на север, принося проливные дожди зимой на западе США.

На других планетах также есть высотные струйные течения, например, очень мощные атмосферные течения были обнаружены на Марсе. А недавно ученые открыли, что такие потоки есть и на Солнце. Там они представляют собой реки горячего заряженного газа, протекающие под поверхностью нашей звезды. (Ведь Солнце, в отличие от твердой Земли, - это огромный шар раскаленных газов.) По сравнению с Солнцем они маленькие, но каждая из этих струй достаточно широка, чтобы поглотить две Земли.

Аэрологические наблюдения помогли изучить многие особенности ураганных ветров на высотах – струйных течений в атмосфере.

На ежедневных картах барической топографии в средней и верхней тропосфере, как и в нижней стратосфере, обнаруживаются переходные зоны между высокими холодными циклонами и тёплыми антициклонами. Это уже знакомые нам фронтальные зоны. Высотные фронтальные зоны окаймляют земной шар в обоих полушариях.

К числу основных характеристик высотных фронтальных зон относят градиенты температуры, влажности, давления и ветра. Во фронтальных зонах очень часто скорости ветра на высотах превышают 30 м/с (108 км/ч).

Своё название струйные течения получили в 1940-х гг. Они представляют собой сильные воздушные течения (струи) в середине воздушных потоков, имеющих малые скорости. Они быстро перемещаются вместе с высотными фронтальными зонами, усиливаясь или ослабевая.

Струйное течение (по определению Аэрологической комиссии ВМО) – сильный узкий поток с квазигоризонтальной осью, расположенной в верхней тропосфере или стратосфере, и характеризующийся большими горизонтальными и вертикальными изменениями градиента скорости ветра с наличием одного или нескольких максимумов скорости ветра.

Длина струйного течения – порядка тысяч километров, ширина – сотен километров, вертикальная мощность – несколько километров. От оси струйного течения к его периферии скорости ветра быстро уменьшаются. Максимальные скорости ветра на оси могут достигать 50–100 м/с, за нижний предел условно принимается 30м/с. Изменение градиента скорости ветра называется сдвигом ветра . Сдвиг ветра в зоне струйных течений достигает больших величин, как в горизонтальном (10 м/с и более на 100 км), так и в вертикальном направлении (около 5–10 м/с на 1 км).

Струйные течения характерны для всех районов земного шара. По высоте расположения их делят на тропосферные и стратосферные.

Тропосферное струйное течение – перенос воздуха в виде узкого течения с большими скоростями ветра в верхней тропосфере или нижней стратосфере, с осью вблизи тропопаузы; в полярных широтах – также и на более низких уровнях.

Тропосферные струйные течения делятся на:

Струйные течения умеренных широт (полярно-фронтовые),

Субтропические струйные течения,

Арктические струйные течения.

Тропосферные струйные течения характеризуются западным направлением ветров в течение года.

Струйные течения умеренных широт возникают между высокими антициклонами и циклонами (рисунок 67). Они являются наиболее подвижными, а по интенсивности наиболее изменчивы. Высота оси струи располагается чаще всего на уровне 7–10 км зимой и 8–10 км летом. Максимальные скорости на оси изменяются в широких пределах в зависимости от контрастов температуры в высотных фронтальных зонах. Средние мах скорости ветра обычно равны 40–50 м/с, иногда превышают 80–100 м/с.

Рисунок 67 – Струйное течение умеренных широт

Субтропические струйные течения в Северном полушарии формируются на северной периферии высоких субтропических антициклонов. Они менее подвижны. Высота оси течения 12–14 км. Средний максимум скорости ветра зимой превышают 50–60 м/с, летом – 30–40 м/с. Зимой течения смещаются в сторону тропиков и находятся над широтами 25–35°. Летом она (зона течений) смещена к северу над океанами на 50–10°, над материками – на 10–15°. Струйные течения особенно интенсивны у восточных берегов Азии и Северной Америки и относительно слабее выражены над восточными районами Атлантики и Тихого океана.

Стратосферные струйные течения – струйные течения с осью выше тропопаузы. Такие течения наблюдаются на всех широтах. Среди них различают:

ü струйное течение на краю полярной ночи. Западное течение в верхней стратосфере и мезосфере планетарного характера, возникает зимой вблизи полярного круга, в зоне больших меридиональных градиентов температуры между приполюсной областью, где господствует полярная ночь, и более низкими широтами, где наблюдается суточная смена дня и ночи. Ось его расположена на высоте около 60 км.

ü летнее стратосферное струйное течение. Восточное струйное течение планетарного характера в стратосфере, оно возникает на обращённой к экватору периферии летнего стратосферного антициклона, ось его расположена в среднем на широте 45° и высоте около 60 км, средняя скорость ветра на оси около 50 м/с.

ü экваториальное струйное течение. Восточное струйное течение в стратосфере вблизи экватора (не далее, чем под 15–20° широты), его ось расположена на высоте около 20–30 км, максимум скорости ветра 50 м/с. Режим его неустойчив.

Струйные течения обычно изображают на вертикальных разрезах атмосферы. На них наносятся изотахи (линии равных скоростей ветра), изотермы, атмосферные фронты, тропопауза.

Струйные течения играют важную роль в режиме атмсферной циркуляции. Они – главные артерии атмосферы. Знание их особенностей важно для авиации, особенно для безопасности полётов.

Воздушные потоки могут спровоцировать разрушительные погодные аномалии

Существуют такие погодные аномалии, которые предсказать заранее невозможно, например, из-за недостатка знаний о некоторых явлениях в атмосфере Земли. Европейская жара в 2003 году, засуха в Калифорнии в 2014-м, суперураган Сэнди в 2012-м – все эти катастрофические события, унёсшие немало человеческих жизней, были спровоцированы феноменом блокировки струйных течений. Но до сих пор учёные не могли найти убедительный способ объяснить происходящее.

Струйные течения впервые были обнаружены метеорологом Чикагского университета Карлом Россби в первой половине двадцатого века. Под этим термином понимаются узкие потоки сильного ветра (в среднем 45-50 метров в секунду) в верхней тропосфере и нижней стратосфере, имеющие довольно сложную структуру в горизонтальном и вертикальном направлениях. Практически одновременно с открытием струйных течений стало известно, что они могут весьма резко "тормозить".

И вот, наконец, геофизик Нобору Накамура (Noboru Nakamura) и его аспирантка Клэр Хуан (Clare Huang) связали события в единое целое. Интересно, что решением задачи стала математическая модель, описывающая своего рода образование автомобильной пробки на высокоскоростном многополосном шоссе.

Одной из проблем в описании процесса "торможения" стал подбор параметров, которые наиболее точно характеризовали бы движение воздушных масс. Авторам новой работы пришлось добавить несколько не использовавшихся ранее параметров, в частности, меандр, то есть степень извилистости струйного течения. (Подобная характеристика обычно используется при описании русла реки.)

Возвращаясь к аналогии с дорожным трафиком, исследователи обнаружили у струйного течения пропускную способность воздушных масс. Очевидно, что, когда пороговое значение этого показателя превышается, скорость потока снижается. Аналогичный эффект возникает при слиянии нескольких воздушных "магистралей".

В пресс-релизе университета учёные отмечают, что их неожиданно простая модель не только объясняет блокировку струйных течений, но и даёт долгожданную возможность её предсказать. Более того, речь идёт как о краткосрочном прогнозировании погоды, так и о моделях долгосрочного поведения воздушных масс в регионах, которые подвержены частым засухам или наводнениям.

"Это один из самых неожиданных моментов просветления в моей карьере учёного – поистине, дар от Бога, – говорит Накамура. – Очень сложно что-то прогнозировать, пока вы не поймёте, почему это происходит. Вот почему наша модель должна быть чрезвычайно полезна".

Немаловажно, что новая модель, в отличие от большинства современных климатических расчётов, оказалась проста с точки зрения вычислений. При этом авторы отмечают, что при её использовании стоит максимально внимательно отнестись к метеорологическим особенностям конкретного региона. В частности, в Тихом океане "воздушные пробки" могут рассасываться десятилетиями.

Более подробно с достижениями чикагских геофизиков можно познакомиться, прочитав их статью, опубликованную в издании Science.

Описание других важных открытий и исследований в области метеорологии и прочих климатических наук можно найти в соответствующем разделе проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru).

Интересно, почему отечественные климатологи и метеорологи всячески избегают упоминания волн Россби и Джет Стрима, как одного из определяющих факторов погодной кухни!?

Как видите, весеннее тепло в Центральной России, сопровождалось аномально холодной штормовой погодой в Европе. И объяснение этому, нехарактерное для сезона положение высотных струйных течений. Зато позже атмосферная ситуация изменилась в обратную сторону, в Европу пришло тепло, зато в Центральную Россию пошел заток арктического воздуха, принесший осадки и пониженную температуру. Вот как это выглядело:

Температурная карта конца мая.

Струйное течение в высоких слоях атмосферы. Вы видите, как его волны соответствуют затоку арктических масс.

Струйные течения в средних слоях атмосферы. Хорошо видно зарождение циклонов и антициклонов в изгибах джет стрима - в зависимости от их направления, по часовой или против часовой стрелке.

Будем надеяться, что анонсированная новым главой Минприроды реформа, улучшит качество прогнозов и приведет к более современным методам.

Минприроды предложило ликвидировать Росгидромет

Минприроды выступило с инициативой распустить Федеральную службу по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет). На ее основе планируется создать отдельную госкомпанию. Об этом сообщил глава ведомства Сергей Донской, передает «Интерфакс».

"В качестве приоритетной мы рассматриваем задачу по реформированию системы Росгидромета и создания на его базе соответствующей государственной компании", - заявил он.

Ранее глава Росгидромета Максим Яковенко сообщил агентству, что служба внесла в правительство РФ предложение о слиянии метеорологических служб России в единую госкорпорацию.

Он напомнил, что Росгидромет управляет разветвленной структурой подведомственных учреждений, которых у ведомства около 50 по всей России, пояснив, что в целом ряде регионов их работа приносит убытки, но в каких-то может приносить прибыль.

Конечно, формально заявленные причины оптимизации имеют место, но мы помним, какой скандал с последующим выходом на пенсию главы Росгидромета последовал за смертельным штормом в Москве, который метеорологи прозевали самым печальным образом.

Климат меняется по всей планете, и служба его мониторинга получает такое же важное значение, как и МЧС, в предупреждении последствий погодных аномалий. Государство не может позволить себе содержать неэффективное ведомство, пользующееся старинными методами предсказания погоды, что негативно сказывается на народном хозяйстве и приводит к серьезным разрушениям и смертям жителей России.

Что мы знаем о голубой атмосфере Земли? Давайте совершим небольшое путешествие в ее глубины.

Когда говорят об атмосфере в целом, ее делят на четыре большие области, на четыре «этажа». Первый — самая нижняя часть атмосферы — тропосфера. Верхняя граница этой области в разных местах различна. У экватора она простирается до высоты 15-18 км, а у полюсов — только до 7-9. Здесь находится четыре пятых всей массы воздуха, и именно здесь формируется погода.

Второй этаж атмосферы носит название стратосферы. Интересно, что она лежит не сразу за тропосферой, а отделена от нее промежуточным слоем воздуха (1-3 км толщиной) — тропопаузой, или субстратосферой. Это, как бы, небольшой переход между этажами. Положение этого перехода не остается постоянным. Он, то понижается, то повышается.

С тропопаузой связаны особые струйные течения в атмосфере. С этим загадочным явлением столкнулись, например, во время американской интервенции в Корее. Бойцы Народной армии наблюдали с земли очень странную картину. Некоторые американские бомбардировщики, летевшие на большой высоте, вдруг останавливались в воздухе, и иногда даже начинали медленно пятиться назад! Напуганные необычным явлением, американские летчики думали, что Народная армия Северной Кореи применяет против них какое-то новое, секретное оружие. Оказалось, что самолеты попадали в «воздушные реки»- своеобразные воздушные потоки, текущие с очень большой скоростью.

Изучение этих необычных потоков показало, что они образуются, как правило, у тропопаузы. Воздушные потоки действительно во многом напоминают большие реки. Ширина их составляет 100 и более километров, а глубина — несколько километров. Необыкновенно высока скорость течения «воздушных рек». Она достигает, порой -350-400 км в час. Чтобы представить себе эту скорость, достаточно вспомнить, что при сильнейших тропических ураганах скорость ветра редко превышает 200-250 км в час. Такой ветер вырывает с корнем могучие деревья, разрушает очень прочные постройки, гонит воду рек вспять. А течение «воздушных рек» еще быстрее!

Не удивительно, что самолеты, попадая в эту «реку», не могут лететь против течения. Страшной силы ветер гасит почти всю их скорость. «Воздушные реки» возникают в различных районах и быстро перемешаются. Они довольно извилисты и тянутся на сотни и тысячи километров. Известны и стратосферные струйные течения, возникающие на высоте 25-30 км.

Замечено, что в наших умеренных широтах «воздушных рек» значительно больше, чем над тропиками и у полюсов. Когда самолет летит по течению такой «воздушной реки», он резко увеличивает скорость. Известен случай, когда рейсовый самолет, летевший из США в Англию, неожиданно прибыл к месту назначения на 3 часа раньше расписания. Выяснилось, что он попал в «воздушную реку» и ее стремительные «волны» прибавили ему дополнительно несколько сотен километров скорости.

Стратосферный этаж поднимается до 80-90 км над земной поверхностью. Здесь стоит неизменно ясная погода, но часто дуют сильнейшие ветры. Исследования последних лет показали, что в стратосфере существует своя зима и свое высотное лето. Здесь обнаружены полярные области, умеренные широты и зона экватора.