Обувь

Высотные фронтальные зоны. Контрасты температуры в тропосфере

Атмосферные фронты

Фрагмент из руководства по краткосрочным прогнозам погоды под редакцией редакцией д-ра физ.мат. наук Н. Ф. Вельтищева

Классификация фронтов. Атмосферные фронты - переходные зоны или поверхности раздела между различными по свойствам воздушными массами, как правило, характеризующиеся относительно повышенными значениями горизонтальных градиентов температуры воздуха и давления, а также особенностями в полях ветра и влажности воздуха. С атмосферными фронтами связаны наиболее сложные условия погоды, опасные и особо опасные явления.
Атмосферные фронты разделены на группы в зависимости от различных условий и признаков:
а) по их перемещению относительно расположения разделяемых фронтами воздушных масс;
б) по пространственной (вертикальной и горизонтальной) протяженности и циркуляционной значимости;
в) по географическим признакам.
По относительному перемещению фронты разделяют на теплые, холодные, малоподвижные, фронты окклюзии (теплые, холодные и нейтральные).
По пространственной протяженности и циркуляционной значимости фронты разделяются на основные (тропосферные, высокие), вторичные (приземные, низкие) и верхние.
По географическим признакам фронты разделяются на арктические и полярные (фронты умеренных широт). Выделяется также внутритропическая зона конвергенции (ВЗК), называемая ранее тропическим фронтом.
Вертикальную протяженность фронтов определяют по полю температуры, используя для этого, в первую очередь, карту Вертикальную протяженность фронтов определяют по полю температуры, используя для этого, в первую очередь, карту ОТ5001000. Если по карте ОТ5001000 четко видна фронтальная зона, соответствующая фронту у поверхности Земли, то какой фронт называют основным (тропосферным, высоким). У основных фронтов скачок температуры при переходе через линию фронта у поверхности Земли обычно превышает 5°С. В высотной фронтальной зоне, связанной с основным фронтом, контрасты температуры в средней тропосфере обычно превышают 8°С/1000 км (градиент относительного геопотенциала ОТ5001000 более 16 гп. дам/1000 км). Фронты, определяемые по географическому признаку (арктические, полярные, а также ВЗК) являются основными.
Фронты, которые существуют у поверхности Земли, но в поле температуры на высотах либо совсем не обнаруживаются, либо прослеживаются до небольшой высоты (часто не видны уже на поверхности 850 гПа), относятся ко вторичным (приземным, низким). Холодные вторичные фронты чаще всего образуются в тылу циклонов при возникновении сходимости потоков в нижних слоях атмосферы.
Верхними называются фронты, отсутствующие у поверхности Земли, но достаточно хорошо выраженные на высотах. Они могут быть обнаружены только по характеру облачности и осадкам или одновременно и в поле температуры на каком-либо уровне. Причины образования верхних фронтов различны. Например, они могут образовываться вследствие фронтогенеза, возникшего лишь в верхних слоях тропосферы, или вследствие размывания фронта у поверхности Земли, но еще сохранившегося на высотах. Верхний фронт возникает также в процессе окклюдирования как один из компонентов фронта окклюзии. Наконец, зимой верхним может быть замаскированный у поверхности Земли фронт, перемещающийся над тонким приземным слоем сильно выхоложенного воздуха. Такой слой в течение длительного времени может сохраняться над одним и тем же районом, не участвуя в общем движении воздуха. В ряде случаев по данным на синоптических картах крупного масштаба, также по данным спутниковых и радиолокационных наблюдений обнаруживаются узкие зоны конвективной облачности, часто с грозами и шквалами (линии неустойчивости, линии шквалов), а также другие циркуляционные разделы (разделы вдоль берега моря, кромки арктических льдов и т.п.), по ряду признаков сходные с атмосферными фронтами, но не являющиеся ими. О линиях неустойчивости несколько подробнее будет сказано далее.

Высотные фронтальные зоны. Зоны относительно повышенных горизонтальных градиентов температуры (и давления), прослеживаемые на картах барической топографии, называют высотными фронтальными зонами (ВФЗ).
Прохождение ВФЗ вызывает значительные локальные изменения метеорологических величин не только в нижней и средней тропосфере, но и в верхней тропосфере и нижней части стратосферы.
Тропопауза в ВФЗ или сильно наклонена, или разорвана. Стратосфера в холодном воздухе начинается на меньшей высоте, чем в теплом. Таким образом, когда в холодной стороне ВФЗ понижение температуры с высотой прекращается, на противоположной ее стороне температура еще продолжает понижаться. Вследствие этого выше уровня тропопаузы в холодном воздухе горизонтальный градиент температуры быстро уменьшается. Затем его направление меняется на противоположное, а значение постепенно возрастает и достигает максимума в большинстве случаев на уровне тропопаузы теплого воздуха. Выше этого уровня горизонтальные градиенты температуры обычно снова уменьшаются.
В результате при большой разности высот тропопаузы с разных сторон тропосферной фронтальной зоны в нижней части стратосферы также возникает фронтальная зона. Она наклонена в противоположную сторону по сравнению с наклоном фронтальной зоны в тропосфере и отделена от нее слоем с малыми горизонтальными градиентами температуры. В стратосфере могут возникнуть зоны больших горизонтальных градиентов температуры, явно не связанные с тропосферными фронтальными зонами. Главную роль в их образовании играют радиационные факторы.
В ВФЗ направление изотерм с высотой изменяется мало; ветер стремится принять направление, параллельное изотермам средней температуры нижележащего слоя воздуха, и усиливается, переходя в верхней части тропосферы в струйные течения. Таким образом, фронтальные зоны характеризуются как большими горизонтальными градиентами температуры, так и значительными скоростями ветра. Однозначной связи между фронтальными зонами на высотах и атмосферными фронтами не существует. Нередко два примерно параллельных друг другу фронта, хорошо выраженных внизу, сливаются в верхних слоях в. одну широкую фронтальную зону. В то же время не всегда при наличии фронтальной зоны на высотах существует фронт у поверхности Земли. Фронт в нижних слоях отмечается, как правило, там, где наблюдается приземная конвергенция трения. При дивергенции ветра признаки существования фронта обычно отсутствуют.
Таким образом, фронтальная зона, непрерывная на большом протяжении на высотах, в нижнем слое тропосферы часто разделяется на отдельные участки - существует в циклонах и отсутствует в антициклонах. В средней и верхней тропосфере высотные фронтальные зоны часто опоясывают все полушарие Земли. Такие фронтальные зоны называются планетарными.
Изменение контраста температуры в области фронтальной зоны определяется в первую очередь характером горизонтального переноса воздуха с различной температурой. Существенную роль играют также вертикальные движения и трансформация воздуха. В обширных горных районах с высокими горными цепями на изменение контраста температуры сильно влияет рельеф.
В фронтальных зонах концентрируются большие запасы энергии, поэтому в них, как правило, сильно изменяется давление и происходят процессы цикло- и антициклогенеза. Здесь развиваются интенсивные вертикальные движения. С планетарными фронтальными зонами неразрывно связаны струйные течения.

Пространственная структура атмосферных фронтов. Атмосферный фронт не является геометрической поверхностью, не имеющей толщины, а представляет собой некоторый переходный слой, в котором происходит изменение основных метеорологических величин (температуры, ветра, влажности, давления), существенное для динамики атмосферы.

Вертикальный разрез фронтального переходного слоя (масштаб по вертикали и горизонтали различен). L - ширина переходной зоны, h - толщина переходного слоя.

На любом уровне фронт представляет собой не линию, а некоторую переходную зону, а условная линия фронта находится посреди этой зоны.
Переходная зона у поверхности Земли имеет ширину несколько десятков километров, а толщина переходного слоя в вертикальной плоскости составляет несколько сотен метров. Горизонтальная протяженность линии фронта составляет сотни и тысячи километров. При анализе синоптических карт фронт проводится в виде одной линии. Лишь на вертикальных разрезах атмосферы крупного масштаба иногда удается разделить нижнюю и верхнюю границы переходного слоя. Угол наклона фронтальной поверхности к горизонту составляет примерно 1°. Установлено, что тангенс угла наклона фронта имеет порядок 0,01-0,03, а для катафронтов - около 0,001.
Известные теоретические формулы наклона фронтальной поверхности неприменимы к пограничному слою атмосферы, так как при их получении не учитывались особенности распределения ветра в этом слое: здесь при прочих равных условиях в холодных фронтах профиль является более крутым, чем в теплых фронтах.
При сильных ветрах фронтальная поверхность вблизи линии приземного фронта в связи с турбулентным перемешиванием выражена нечетко и определение наклона ее затруднено.
Еще более важным следствием отклонения приземного ветра от геострофического является конвергенция ветра вдоль линии фронта. Вследствие конвергенции замедляется движение фронта и усиливается восходящее движение теплого воздуха вдоль фронтальной поверхности. По этой же причине в действительности отсутствуют абсолютно стационарные фронты. Если линия фронта параллельна изобарам, то все же происходит хотя бы и небольшое перемещение линии фронта. На наличие восходящих движений вдоль поверхностей малоподвижных фронтов, в частности, указывают наблюдающиеся здесь зоны облачности и осадков.

Высотные фронтальные зоны

Зоны относительно повышенных горизонтальных градиентов температуры (и давления), прослеживаемые на картах барической топографии, называют высотными фронтальными зонами (ВФЗ).

Прохождение ВФЗ вызывает значительные локальные изменения метеорологических величин не только в нижней и средней тропосфере, но и в верхней тропосфере и нижней части стратосферы.

Тропопауза в ВФЗ или сильно наклонена, или разорвана. Стратосфера в холодном воздухе начинается на меньшей высоте, чем в теплом. Таким образом, когда в холодной стороне ВФЗ понижение температуры с высотой прекращается, на противоположной ее стороне температура еще продолжает понижаться. Вследствие этого выше уровня тропопаузы в холодном воздухе горизонтальный градиент температуры быстро уменьшается. Затем его направление меняется на противоположное, а значение постепенно возрастает и достигает максимума в большинстве случаев на уровне тропопаузы теплого воздуха. Выше этого уровня горизонтальные градиенты температуры обычно снова уменьшаются.

В результате при большой разности высот тропопаузы с разных сторон тропосферной фронтальной зоны в нижней части стратосферы также возникает фронтальная зона. Она наклонена в противоположную сторону по сравнению с наклоном фронтальной зоны в тропосфере и отделена от нее слоем с малыми горизонтальными градиентами температуры. В стратосфере могут возникнуть зоны больших горизонтальных градиентов температуры, явно не связанные с тропосферными фронтальными зонами. Главную роль в их образовании играют радиационные факторы.

В ВФЗ направление изотерм с высотой изменяется мало; ветер стремится принять направление, параллельное изотермам средней температуры нижележащего слоя воздуха, и усиливается, переходя в верхней части тропосферы в струйные течения. Таким образом, фронтальные зоны характеризуются как большими горизонтальными градиентами температуры, так и значительными скоростями ветра. Однозначной связи между фронтальными зонами на высотах и атмосферными фронтами не существует. Нередко два примерно параллельных друг другу фронта, хорошо выраженных внизу, сливаются в верхних слоях в. Одну широкую фронтальную зону. В то же время не всегда при наличии фронтальной зоны на высотах существует фронт у поверхности Земли. Фронт в нижних слоях отмечается, как правило, там, где наблюдается приземная конвергенция трения. При дивергенции ветра признаки существования фронта обычно отсутствуют.

Таким образом, фронтальная зона, непрерывная на большом протяжении на высотах, в нижнем слое тропосферы часто разделяется на отдельные участки -- существует в циклонах и отсутствует в антициклонах. В средней и верхней тропосфере высотные фронтальные зоны часто опоясывают все полушарие Земли. Такие фронтальные зоны называются планетарными.

Изменение контраста температуры в области фронтальной зоны определяется в первую очередь характером горизонтального переноса воздуха с различной температурой. Существенную роль играют также вертикальные движения и трансформация воздуха. В обширных горных районах с высокими горными цепями на изменение контраста температуры сильно влияет рельеф.

В фронтальных зонах концентрируются большие запасы энергии, поэтому в них, как правило, сильно изменяется давление и происходят процессы цикло- и антициклогенеза. Здесь развиваются интенсивные вертикальные движения. С планетарными фронтальными зонами неразрывно связаны струйные течения.

Пространственная структура атмосферных фронтов

Атмосферный фронт не является геометрической поверхностью, не имеющей толщины, а представляет собой некоторый переходный слой, в котором происходит изменение основных метеорологических величин (температуры, ветра, влажности, давления), существенное для динамики атмосферы.

Рис. 1

На любом уровне фронт представляет собой не линию, а некоторую переходную зону, а условная линия фронта находится посреди этой зоны.

Переходная зона у поверхности Земли имеет ширину несколько десятков километров, а толщина переходного слоя в вертикальной плоскости составляет несколько сотен метров. Горизонтальная протяженность линии фронта составляет сотни и тысячи километров. При анализе синоптических карт фронт проводится в виде одной линии. Лишь на вертикальных разрезах атмосферы крупного масштаба иногда удается разделить нижнюю и верхнюю границы переходного слоя. Угол наклона фронтальной поверхности к горизонту составляет примерно 1°. Установлено, что тангенс угла наклона фронта имеет порядок 0,01--0,03, а для катафронтов -- около 0,001.

Известные теоретические формулы наклона фронтальной поверхности неприменимы к пограничному слою атмосферы, так как при их получении не учитывались особенности распределения ветра в этом слое: здесь при прочих равных условиях в холодных фронтах профиль является более крутым, чем в теплых фронтах.

При сильных ветрах фронтальная поверхность вблизи линии приземного фронта в связи с турбулентным перемешиванием выражена нечетко и определение наклона ее затруднено.

Еще более важным следствием отклонения приземного ветра от геострофического является конвергенция ветра вдоль линии фронта. Вследствие конвергенции замедляется движение фронта и усиливается восходящее движение теплого воздуха вдоль фронтальной поверхности. По этой же причине в действительности отсутствуют абсолютно стационарные фронты. Если линия фронта параллельна изобарам, то все же происходит хотя бы и небольшое перемещение линии фронта. На наличие восходящих движений вдоль поверхностей малоподвижных фронтов, в частности, указывают наблюдающиеся здесь зоны облачности и осадков.

К числу основных характеристик высотных фронтальных зон относятся сравнительно большие градиенты температуры, давления и скорости ветра. В системе высотных фронтальных зон максимальные скорости ветра очень часто превышают 100 км/час, т. е. удовлетворяют принятым критериям скоростей струйных течений.

Согласно определения струйного течения, предложенного аэрологической комиссией Всемирной метеорологической организации в 1957 г. струйное течение - сильный узкий поток с квазигоризонтальной осью, расположенный в верхней тропосфере или стратосфере, характеризующийся большими вертикальными и боковыми сдвигами ветра с наличием одного или более максимумов скорости ветра. Струйные течения имеют в длину тысячи километров, сотни в ширину и несколько в толщину. Вертикальный сдвиг ветра составляет 5-10 м/сек. на 1 км и боковой сдвиг 5 м/сек. на 100 км. Нижний предел скорости ветра вдоль оси 30 м/сек.

Размеры струйных течений имеют порядок: по вертикали единицы, по ширине сотни и по протяженности тысячи километров.

При всем многообразии структуры струйные течения являются ветровой характеристикой хорошо выраженных высотных фронтальных зон. В системе фронтальных зон струйные течения, распространяясь на многие тысячи километров, окаймляют земной шар. Соотношение масштабов показывает, что струйное течение представляет сплюснутую сравнительно узкую зону больших скоростей ветра в относительно спокойной окружающей атмосфере.

В послевоенные годы в связи с требованиями авиации струйные течения изучались с неослабевающим интересом. Им посвящены сотни исследований. Изучаются такие характеристики струйных течений, как пространственная структура, условия формирования и перемещения их, связь с атмосферными фронтами и барическими образованиями, вертикальные и горизонтальные сдвиги ветра, вертикальные движения и изменения высоты тропопаузы, разрывы тропопаузы, влияние орографии на структуру струйных течений, облачность и турбулентность в струйных течениях и т. п.

Такой интерес к струйным течениям объясняется не только требованиями авиации, но и тем, что высотные фронтальные зоны со струйными течениями занимают важное место в системе общей циркуляции атмосферы. Ибо здесь происходит как наиболее интенсивный горизонтальный перенос, так и вертикальные перемещения воздуха. Высотные фронтальные зоны и струйные течения, непрерывно преобразовываясь вследствие цикло- и антициклонической деятельности, обеспечивают зональный и меридиональный обмен воздуха в планетарном масштабе.

Еще до открытия струйных течений было обнаружено, что сильные ветры в тропосфере наблюдаются обычно в бароклинных зонах. В 1046-1947 гг. было установлено, что средние за месяц контрасты температуры в тропосфере между низкими и высокими широтами концентрируются в узких зонах западного ветра большой скорости. В последующем многократна было подтверждено также, что скорости воздушных, течений на высотах зависят главным образом от характера поля температуры нижележащих слоев воздуха. Чем больше горизонтальные градиенты температуры в системе высотной фронтальной зоны, тем сильнее струйное течение, характеризующее ветровой режим в этой зоне.

Из теории термического ветра, как и данных шаропилотных наблюдений, было известно, что в соответствии с распределением температуры на высотах до уровня тропопаузы скорость ветра обычно возрастает, а в нижней стратосфере убывает, т. е. максимальные скорости воздушных течений располагаются на уровне 9-12 км вблизи тропопаузы. Градиентный ветер на любом уровне можно рассматривать как сумму двух составляющих: барического градиента на нижнем уровне и приращения ветра, пропорционального горизонтальному градиенту температуры нижележащего слоя. На основе анализа 290 случаев струйных течений в средних широтах, обнаруженных в 1956 г. с максимальными скоростями ветра в пределах 150-300 км/час, К. Угаровой была построена табл. 18.

Как следует из табл. 17, чаще всего нарастание средней скорости ветра с высотой происходит в 2-4-кратном размере что составило 71% изученных струйных течений. В 29% случаев нарастание скорости ветра от уровня 850 мб до уровня 300 мб происходило в 4 раза и более. Таким образом, величина нарастания скорости ветра в тропосфере колебалась в широких пределах от двукратного, составившего 18%, до десятикратного и более, составивших 10% от общего числа случаев.

Для тех же 290 случаев струйных течений были определены величины градиента давления у поверхности земли, для сравнимости выраженного в дкм/1000 км (табл. 18).

Из табл. 18 следует, что в 86% случаев приземный барический градиент под струйными течениями положителен, а в 14% случаев - отрицателен. В случаях лишь двукратного нарастания скорости ветра с высотой барический градиент у поверхности земли был положителен и составлял около 40% градиента на уровне 300 мб. Из таблицы также следует, что величина приземного барического градиента сравнительно небольшая. Поэтому она не должна существенно влиять на распределение ветра в зоне струйного течения.

Из анализа струйных течений было получено, что величины контрастов температуры в °/1000 км в нижней и верхней тропосфере приблизительно одинаковы. Аналогичные результаты уже были получены Г. Д. Зубяном и др. Оказалось, что при двукратном увеличении скорости ветра с высотой под струей контрасты температуры не достигают значительных величин. В этих случаях в слое 500 над 1000 мб контрасты температуры находятся в пределах 4-16 0 /1000 км, а в слое 300 над 500 мб - 4-15 0 /1000 км. При многократном увеличений скорости ветра с высотой в нижнем слое контрасты достигают 10-22 0 /1000 км, a в верхнем слое 8-19 0 /1000 км.

Вклад приземного поля давления в усиление струйных течений обычно является существенным в системе глубоких, но теряющих температурную асимметрию циклонов. При этом в той части мощных, но уже заполняющихся циклонов, при малых горизонтальных градиентах температуры в тропосфере у поверхности земли наблюдаются большие градиенты давления и скорости ветра, по направлению совпадающие с полем давления и ветра вблизи оси струйных течений.

В табл. 19 показана связь между величинами горизонтального контраста средней температуры между изобарическими поверхностями 300 и 1000 мб, между холодной и теплой частями высотной фронтальной зоны и скоростями на оси струйных течений.

Из табл. 19 следует, что в преобладающем числе случаев максимальные скорости ветра на оси струи тем больше, чем больше контрасты температуры. Лишь в одном случае из 68 максимальная скорость на оси струи достигала 130 км/час при контрасте средней температуры слоя, равной 4°.

Таким образом, в формировании струйных течений основное значение имеет характер поля температуры нижележащего слоя атмосферы.

Несмотря на очевидность термической основы возникновения и эволюции струйных течений, существуют различные гипотезы формирования их. Дж. Немайес и Ф. Клапп в 1949 г. предложили адвективную так называемую теорию слияния. Согласно этой теории формирование высотных фронтальных зон и струйных течений происходит главным образом в результате адвективного сближения различных по термическим свойствам воздушных масс. Это положение является одним из основополагающих начал адвективно-динамического анализа, сформулированного в начале сороковых годов. Однако дальнейшие исследования показали, что в преобразовании термобарического поля и эволюции струйных течений в определенных областях высотной фронтальной зоны неадвективные факторы изменения температуры играют важную роль, хотя роль адвекции в формировании и эволюции высотных фронтальных зон и струйных течений является главной.

Согласно теории бокового перемешивания К. Россби, горизонтальная циркуляция в средних широтах имеет характер волнообразных возмущений с гребнями и ложбинами, циклонами и антициклонами. Ими осуществляется перенос теплого воздуха к северу и холодного к югу. Нарушение зонального переноса, происходящее в результате потери устойчивости волн, приводит к усиленному горизонтальному перемешиванию, и в субтропической зоне образуется высотная фронтальная зона с большими контрастами температуры и струйное течение.

По теории Россби можно объяснить образование лишь субтропического струйного течения и то с оговорками. Субтропическое струйное течение должно обладать одинаковой интенсивностью на всем земном шаре. Между тем, по данным наблюдений, струйное течение, особенно зимой, различно по своей интенсивности не только над материками и океанами, но и на разных участках океанов. Теория Россби совершенно не объясняет струйные течения внетропических широт и связь их с циклонами и антициклонами.

Теория сезонных колебаний общей циркуляции атмосферы, предложенная автором в 1947 г., объясняет формирование полей температуры, давления, ветра и планетарных высотных фронтальных зон в различные сезоны неадвективными факторами изменения температуры и прежде всего притоком тепла от подстилающей поверхности.

Много общего с ней имеет идея, выдвинутая Р. Ф. Усмановым, о формировании струйного течения путем распределения суммарного притока тепла. Отмечая, что в декабре и январе медианная линия максимальных скоростей ветра находится близко к линии нулевого радиационного баланса, Усманов полагает, что при исследовании атмосферных процессов необходимо учитывать общий приток тепла, т. е. все составляющие теплового баланса. Таким образом, теоретическое определение сезонного положения струйных течений по существу автор сводит к расчету составляющих теплового баланса атмосферы. Успешное гидродинамическое решение задачи позволило бы теоретическим путем получить количественное согласование рассчитанных и фактических полей метеорологических элементов.

Исследования последних лет позволили получить близкие к действительности средние месячные температуры вдоль меридианов, как и асимметричное распределение температуры относительно географического экватора. На основе произведенных расчетов получено среднегодовое распределение зональной скорости ветра и максимума скорости, превышающей 30 м/сек. На высоте 10-12 км около 40° с. ш., т. е. субтропическое струйное течение. Согласно расчетам, западный ветер со скоростями более 15 м/сек. захватывает большую часть тропосферы средних широт. В январе зона сильных ветров расположена вдоль 40° с. ш. с максимальными значениями скоростей на высотах 10-12 км порядка 40 м/ ce к. В июле эта область располагается вблизи 50° с. ш., а скорости уменьшаются до 20 м/сек. Южнее 25° с. ш. появляется зона восточных ветров, скорость которых на уровне 12 км составляет приблизительно 15 м/сек.

Полученные результаты близки к действительности. Однако расчет формирования и эволюции индивидуальных струйных течений еще встречает значительные трудности.

Интересные идеи выдвинул в 1956-1957 гг. Е. П. Борисенков на основе исследования энергетики атмосферных процессов. Он исходит из положения, что изменение атмосферного давления, определяющее эволюцию барического поля, вызывается динамическими причинами и связано с отклонением ветра от геострофического. К основным его выводам можно отнести следующие: а) изменение давления будет неоднородным, если неоднородно распределение агеострофических отклонений скоростей ветра; б) на среднем энергетическом уровне агеострофическая составляющая скорости ветра однозначно определяется через адвекцию температуры, причем средний энергетический уровень совпадает с изопикническим уровнем и располагается на высоте около 7 км; в) образование очагов кинетической энергии в атмосфере и их эволюция определяется неравномерным характером распределения суммарной адвекции температуры и др. В результате (выполненного исследования Е. П. Борисенков предложил способ прогноза струйных течений.

Несмотря на различие у ряда авторов подходов к объяснению струйных течений, все же несомненно, что струйные течения, причинносвязанные с высотными фронтальными зонами, возникают, усиливаются или ослабевают как прямое следствие процессов возникновения и разрушения этих зон. В процессе возникновения вследствие сближения холодных и теплых воздушных масс горизонтальные градиенты температуры, давления и скорости ветра возрастают. В процессе разрушения вследствие удаления друг от друга холодного и теплого воздуха градиенты температуры и давления уменьшаются, ветры ослабевают.

С. В. Морозова. О влпянпп планетарной высотной фронтальной зоны

перепад высот на местности и расстояние просмотра, можно рассчитать полученную глубину изображения и вертикальный масштаб стереомо-дели. Глубина изображения (А1), параллакс (р1) и расстояние просмотра (г) связаны соотношением:

А1/(г-А1)=р1/Б,

где В - глазной базис . Путем простых преобразований получим:

А1=р1Я/(Б+р1).

В нашем случае параллакс кадров в стереопаре составил 4 мм (910-0,04/9). При расстоянии просмотра 2000 мм и глазном базисе 65 мм получим глубину изображения относительно стереоокна равную115 мм. Принимая во внимание центральное положение стереоокна, перепад высот на местности составил (250-15)/2 = 117,5 м. Таким образом получим вертикальный масштаб модели приблизительно равный 1: 1 000. Следует, однако, отметить, что подобные расчеты носят приблизительный характер, поскольку восприятие стереомодели во многом зависит от индивидуальных особенностей зрителя.

Разработанная методика может быть использована для создания и визуализации стереоскопи-

ческих моделей местности в целях:

Визуальной оценки современного состояния и использования территории;

Предварительной оценки территории при проектировании;

Представления проекта застройки. Кроме того, созданные модели могут быть

использованы в качестве наглядного пособия в образовательных учреждениях.

Библиографический список

1. Аккерманн Ф. Современная техника и университетское образование // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2011. № 2. С. 8-13.

2. Тюфлин Ю. С. Информационные технологии с применением фотограмметрии // Геодезия и картография. 2002. № 2. С. 39-45

3. Тюфлин Ю. С. Фотограмметрия - вчера, сегодня и завтра // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2011. № 2. С. 3-8.

4. Цифровая стереоскопическая модель местности: экспериментальные исследования / Ю. Ф. Книжников, В. И. Кравцова, Е. А. Балдина [и др.]. М. : Научный мир, 2004. 244 с.

5. Валюс Н. А. Стереоскопия. М. : АН СССР, 1962. 380 с.

О ВЛИЯНИИ ПЛАНЕТАРНОЙ ВЫСОТНОЙ ФРОНТАЛЬНОЙ ЗОНЫ НА ИЗМЕНЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КЛИМАТИЧЕСКОГО РЕЖИМА НА СЕВЕРНОМ ПОЛУШАРИИ

С. В. Морозова

Саратовский государственный университет E-mail: [email protected]

в настоящей статье рассматриваются вопросы влияния планетарной высотной фронтальной зоны (ПвФЗ) на климатический режим Северного полушария. Показана динамика площадей ПвФЗ относительно естественных климатических периодов состояния земной климатической системы (ЗкС). найдена связь динамики площадей ПвФЗ с изменением ветрового режима на полушарии.

Ключевые слова: глобальный климат, планетарная высотная фронтальная зона, климатические изменения, ветровой режим.

on the Influence of the Planetary Front High-Rise Zone to Change some Characteristics of the Climatic Regime in the Northern Hemisphere

This article considers the questions of influence of the planetary high-rise frontal zones (PVFS) on the climatic regime of the Northern hemisphere. Shows the dynamics of the areas PVFS relatively natural climatic periods state the earth"s climate system. The connection of the

speakers areas PVFS with the wind regime change in the hemisphere. Key words: global climate, planetary high-rise frontal zone, climatic changes, wind regime.

Известно, что региональные климатические изменения в первую очередь вызываются аномалиями режима общей циркуляции атмосферы (ОЦА). Климатические гребни и ложбины мигрируют в течение десятилетий, участвуя в формировании циркуляционных эпох . Однако спорным до сих пор остаётся вопрос о влиянии циркуляции на глобальный климат. Автором данной статьи опубликованы некоторые результаты исследований влияния общей циркуляции атмосферы на глобальный климат. Настоящая статья является продолжением исследований возможности влияния глобальных объектов циркуляции на климатические процессы в масштабах полушария.

В качестве исследуемой характеристики глобального объекта циркуляции - планетарной высотной фронтальной зоны - выбрана её площадь,

ограниченная осевой линией. Исходными материалами послужили значения средних месячных площадей ПВФЗ, опубликованные в справочной монографии . На основании этих данных рассчитаны средние многолетние значения площадей в различные естественные климатические периоды состояния ЗКС.

Динамика площадей ПВФЗ относительно естественных климатических периодов состояния ЗКС - периода стабилизации (1949-1974 г.г.) и второй волны глобального потепления (19752010 гг.) - представлена в табл. 1.

На основе анализа табл. 1 заметим, что наиболее сильная изменчивость площадей ПВФЗ проявилась в период стабилизации (1949-1974 гг.). На фоне второй волны глобального потепления

наблюдаем уменьшение изменчивости площадей. Заслуживает внимания тот факт, что от первого периода ко второму произошло увеличение площади ПВФЗ, что предполагает расширение области отрицательных аномалий температур.

Поскольку исследование динамики ПВФЗ проводится статистическими методами, представляется необходимым оценить статистическую значимость полученных результатов, что можно сделать с помощью стандартных процедур математической статистики. Для каждого временного отрезка рассчитаны доверительные интервалы с использованием критерия Стьюден-та при 95%-ном уровне значимости. Доверительные интервалы для каждого периода приведены в табл. 2.

Таблица 1

Динамика площадей планетарной высотной фронтальной зоны относительно естественных климатических периодов состояния ЗКС

Период Значение площади ПВФЗ, млн км2 а2, млн км2 а, млн км2 Cv

1-й, 1949-1974 гг. (стабилизация) 56,97 13,32 3,65 0,06

2-й, 1975-2010 гг. (вторая волна глобального потепления) 57,77 (увелич. на 1,5%) 2,82 1,68 0,03

Таблица 2

Оценка статистической значимости динамики ПВФЗ

Период Доверительные интервалы

1-й, 1949-1974 гг. (стабилизация)

2-й,1975-2010 гг. (вторая волна глобального потепления)

Видим, что границы интервалов перекрываются, причём второй интервал даже входит в первый, что говорит о статистической незначимости обнаруженных изменений. Таким образом, изменение площадей на 1,5% вряд ли может приводить к каким-либо климатически значимым изменениям в ЗКС. Однако делать однозначные выводы об отсутствии влияния планетарной высотной фронтальной зоны на глобальный климат не стоит, так как применение статистических методов к природным процессам имеет известную долю условности . Иногда очень малые начальные возмущения какого-либо компонента в земной климатической системе могут получить большой резонанс и вызвать довольно заметные изменения в ней. В связи с этим интересно узнать, в каких пределах изменения площадей ПВФЗ оказываются значимыми. Для этого решалась обратная задача, условием которой было отсутствие перекрытия интервалов при самых крайних возможных положениях математического ожидания на числовой прямой. Необходимые расчёты выполнялись по формуле (1) , что позволило получить среднюю широту расположения ПВФЗ при условии неперекрытия интервалов:

S = 2nR2 (1 - sin фс.„), (1)

где п = 3,14159;

R = 6378.245 км - радиус Земли у экватора;

Фс.и - средняя широта осевой изогипсы ПВФЗ по Северному полушарию.

Оказалось, что для достижения статистической значимости изменений область локализации ПВФЗ должна находиться в пределах 30-35° северной широты. В настоящее время планетарная высотная фронтальная зона расположена в области пятидесятых широт Северного полушария. Таким образом, выявлено, что для достижения статистической значимости изменений площадей планетарная высотная фронтальная зона должна сместиться на 15-20° южнее, соответственно на столько же окажутся смещёнными траектории циклонов, что, в свою очередь, приведёт к изменению положения аридных и гумидных областей, а следовательно, и природных зон. Таким образом, статистически значимая динамика ПВФЗ соответствует климатическим изменениям в масштабах крупных геологических эпох. Климатические реконструкции, выполненные по геологическим источникам и историческим материалам, показывают, что исключительно влажные условия, господствовавшие в засушливом ныне тропическом поясе, имели место при разрушении четвертичного оледенения и в ранний период эпохи голоцена. Следовательно, траектории циклонов и область локализации ПВФЗ располагались гораздо южнее, что способствовало хорошему увлажнению этих ныне засушливых областей . Таким образом,

С В. Морозова. О влиянии планетарной высотной фронтальной зоны

при существующих климатических изменениях статистическая значимость не может быть обнаружена, но заметные климатические изменения в земной климатической системе, проявившиеся в ходе глобальной температуры, имеют место.

Важно отметить, что замеченный рост средней площади ПВФЗ, предполагающий продвижение ПВФЗ в более южные широты и расширение зоны отрицательных аномалий температур, имел место при переходе от более холодного периода к более тёплому, что представляется не совсем логичным. Одним из возможных объяснений такого необычного поведения ПВФЗ может быть то, что ее смещение к югу приводит не столько к снижению средней полушарной температуры, сколько к изменению каких-либо других характеристик климатического режима, одной из которых может быть ветровой режим. Тогда влияние ПВФЗ на глобальный климат может проявиться в изменении активности и интенсивности одного из компонентов ЗКС - общей циркуляции атмосферы. Одним из объяснений несогласованности динамики площади ПВФЗ и хода глобальной температуры в естественные климатические периоды может быть произошедшее изменение каких-либо индивидуальных параметров ПВФЗ (размеров, интенсивности, извилистости и т. п.), что, безусловно, сказывается на активности и интенсивности циркуляции и отражается на ветровом режиме. Так, продвижение ПВФЗ в более южные или более северные широты может приводить к сужению или расширению зоны локализации ПВФЗ, что, в свою очередь, ведёт к обострению или ослаблению градиентов, повышению или снижению активности циркуляции и, следовательно, усилению или ослаблению скоростей ветра.

Попытаемся выяснить, как выявленная динамика площади ПВФЗ связана с изменением её активности. Для этого рассмотрим интенсивность планетарной высотной фронтальной зоны по данным справочной монографии с 1949 по 2010 г. Авторами справочной монографии интенсивность высотной фронтальной зоны определялась как разность широт (Дф) расположения двух изогипс на меридиане южнее и севернее осевой изогипсы, при этом разность геопотенциальных высот расположения северной и южной изогипсы бралась одинаковой - 8 гп. дам. Если интенсивностью считать разность широт, то получается, что средняя интенсивность в июле (8° широты) оказывается больше, чем в январе (5° широты). Поэтому автор настоящего исследования для оценки интенсивности ПВФЗ отошёл от обратно пропорциональной зависимости активности ОЦА и разности широт, приняв для оценки интенсивности циркуляции величину геострофического ветра (У^) на среднем уровне тропосферы, рассчитав её по формуле (2):

градиент геопотенциала,

Уё I дп, где I - параметр Кориолиса (I = 2ю sinф),

ю - угловая скорость вращения Земли;

ф - широта расположения осевой изогипсы.

Однако прежде чем переходить к анализу интенсивности ОЦА на фоне естественных климатических периодов состояния ЗКС, обратим внимание на интересные факты динамики площадей ПВФЗ и изменения разности широт, между которыми располагается планетарная высотная фронтальная зона.

Известно, что интенсивность планетарной высотной фронтальной зоны определяется градиентом температур экватор - полюс. Чем больше градиент, тем активнее протекают процессы в области её локализации. Зимой, когда контраст температур экватор-полюс гораздо больше, чем летом, циркуляционные процессы протекают намного активнее. Кроме того, зимой ПВФЗ смещается к югу, летом поднимается к северу, тогда вполне логично предположить, что южное смещение ПВФЗ должно приводить к усилению её активности, при этом область её локализации должна сужаться, а северное, наоборот, - к ослаблению активности ОЦА и расширению зоны локализации ПВФЗ.

Для подтверждения или опровержения такого предположения построены графики изменения среднегодовой разницы широт локализации планетарной высотной фронтальной зоны за период с 1949 по 2010 г. . Попутно заметим, что на всех этих графиках для большей наглядности добавлена кривая линейной фильтрации, а для того, чтобы погасить высокочастотные колебания, к исходному ряду применена процедура скользящего осреднения.

Среднегодовые разности широт расположения ПВФЗ приведены на рис. 1, а. Видна непериодичность изменений, однако бросается в глаза увеличение разности широт при переходе от периода стабилизации к началу второй волны глобального потепления, после чего направленность изменений исчезает. Гораздо чётче это проявляется на рис. 1, б, где видно, что в более холодный период зона локализации ПВФЗ уже, а это указывает на обострение градиентов в области ПВФЗ, а следовательно, на увеличение её активности. В последующий более тёплый период разность широт больше, а значит, активность ПВФЗ снижается. Всё это нагляднее видно на рис. 2, где представлены рассчитанные среднегодовые значения средней скорости геострофического ветра, проведены статистические процедуры линейной фильтрации и выделены низкочастотные колебания методом скользящего осреднения.

Таким образом, имеем, что при переходе от более холодного к более тёплому периоду (от стабилизации ко второй волне глобального потепления) происходит расширение площади ПВФЗ, продвижение самой ПВФЗ к югу и снижение её активности. Выявленная особенность динамики

Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Науки о Земле. 2014. Т. 14, вып. 2

Рис. 1. Изменение разности широт локализации ПВФЗ на полушарии: а -линейная фильтрация; б - скользящее осреднение

14,0 13,0 -12,0 11,0 ■ 10.0

13,0 -> 12,5 -12,0 -11,5 -11,0 ■ 10,5 -10,0

1969 1973 1 989 1 999 2009

Рис. 2. Изменение средней по полушарию скорости геострофического ветра: а - линейная фильтрация; б - скользящее осреднение

С В. Морозова. О влпянпп планетарной высотной фронтальной зоны

ПВФЗ косвенно отражает общеизвестный факт теории климата о том, что при переходе от холодных периодов к более тёплым снижается активность ОЦА .

Сравнивая особенности динамики планетарной высотной фронтальной зоны в естественные климатические периоды с её сезонной динамикой, можно обнаружить сходство изменений, проявляющееся в том, что при переходе от холодных периодов к тёплым (от зимы к лету и от стабилизации к потеплению) происходит снижение активности общей циркуляции атмосферы. Но следует указать и на существенное различие, заключающееся в том, что при климатическом переходе ЗКС от более холодного к более тёплому периоду площадь ПВФЗ растёт, в то время как при сезонных климатических изменениях от холодного периода к тёплому (от зимы к лету) ее площадь сокращается.

Таким образом, климатически значимым следствием может быть то, что при переходе климатической системы из одного качественного состояния в другое происходят изменения не только глобальной температуры, но и ветрового режима, а роль глобальных объектов циркуляции в формировании климатической изменчивости заключается в изменениях такой климатической характеристики, как планетарный ветровой режим.

По данным , на территории России произошло уменьшение скорости ветра, причину которого связывают с изменением режима общей циркуляции атмосферы. Однако выяснение причин ослабления скоростей далеко не однозначно. Так, в исследованиях Бардина , Мещерской с соавтораим показано, что в последнее время (два - три десятилетия) наблюдается увеличение числа дней с циклонической циркуляцией, следствием чего является усиление скоростей ветра в связи с частым прохождением атмосферных фронтов. Однако эти же авторы делают вывод о противоречии фактов увеличения повторяемости циклоничности и уменьшения скоростей ветра. Уменьшение скорости ветра на территории России иногда объясняют снижением повторяемости формы ^-циркуляции . Тем не менее с 70-х гг. отмечается рост повторяемости зональных процессов, что также не позволяет объяснить снижение скорости ветра этим фактором. Вполне возможно, что причиной ослабления ветра является изменение качественного состояния глобального объекта циркуляции - планетарной высотной фронтальной зоны. Как показано выше, её динамика напрямую связана с интенсивностью общей циркуляции атмосферы.

Библиографический список

1. Полянская Е. А., Морозова С. В. Характеристика барического поля на АТ-500 в первом ЕСР в 1971-1989 гг. // География в вузах России. СПб., 1994. С. 86-88.

2. Morozova S. V. Circulation of the atmosphère as a factor of régional climate variability [Электронный ресурс] // Global and régional climate changes: International Conférence, 16-19 november 2010. Kyiv, 2010. 1 электрон. опт. диск (CD-ROM)

3. Морозова С. В. Циркуляция атмосферы как фактор изменчивости регионального климата // Глобальные и региональные изменения климата. Киев, 2011. С. 96-10.

4. Морозова С. В. Роль циркуляции в формировании изменчивости глобального и регионального климата // Тез. докл. Междунар. науч. конф. по региональным проблемам гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды. Казань, 2012. C. 172-173.

5. Мониторинг общей циркуляции атмосферы. Северное полушарие: справочная монография / А. И. Неушкин, Н. С. Сидоренков, А. Т. Санина, Т. Б. Иванова, Т. В. Бережная, Н. В. Панкратенко, М. Е. Макарова. Обнинск, 2013. 200 с.

6. Малинин В. Н. Статистические методы анализа гидрометеорологической информации. СПб., 2007. 407 с.

7. Сикан А. В. Методы статистической обработки гидрометеорологической информации. СПб., 2007. 280 с.

8. Будыко М. И. Изменение климата. Л., 1974. 280 с.

9. БудыкоМ. И. Климат в прошлом и будущем. Л., 1980. 351 с.

10. МонинА. С., ШишковЮ. А. История климата. Л., 1979. 407 с.

11. Ясаманов Н. А. Древние климаты Земли. Л., 1985. 295 с.

12. Изменения климата / под ред. Ж. Гриббина. Л., 1980, 360 с.

13. Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации: в 2 т. Т. I. Изменения климата. М., 2008. 228 с.

14. БардинМ. Ю. Изменчивость характеристик циклоничности в средней тропосфере умеренных широт Северного полушария // Метеорология и гидрология. 1995. № 11. С. 24-37.

15. Мещерская А. В., Ерёмин В. В., Баранова А. А., Май-строва В. В. Изменение скорости ветра на севере России во второй половине XX века по приземным и аэрологическим данным // Метеорология и гидрология. 2006. № 9. С. 46-58.

16. Белокрылова Т. А. Об изменении скоростей ветра на территории СССР // Тр. / ВНИМИ-МЦД. 1989. Вып. 150. С. 38-47.

Таким образом, фронтальная зона, непрерывная на большом протяжении на высотах, в нижнем слое тропосферы часто разделяется на отдельные участки - существует в циклонах и отсутствует в антициклонах. В средней и верхней тропосфере высотные фронтальные зоны часто опоясывают все полушарие Земли. Такие фронтальные зоны называются планетарными.

Человеческий потенциал республики Удмуртия
Численность населения к 2010 году составила - 1 526 304. Удмуртия занимает 29 место по численности населения. Плотность населения - 36,3 чел./км², удельный вес городского населения - 67,8 %. Национальный состав В республике проживают представители более ста национальностей. Для приграничных ра...

Демографическая ситуация в России
По численности населения (142,2 млн. человек на 1 января 2007 г.) Российская Федерация занимает седьмое место в мире после Китая, Индии, США, Индонезии, Бразилии и Пакистана. Таблица 1.1. Численность населения Годы Все население, млн. человек в том числе В общей численности населения, процентов...

Колизей
Амфитеатр строился при трех императорах. Император Веспасиан начал строительство в 72 г. н.э. силами пленных иудеев, пригнанных из покоренного его сыном Титом Иерусалима. Для постройки амфитеатра Веспасиан выбрал территорию искусственного озера, вырытого когда-то в садах Золотого дома, гранди...