Загальна характеристика основних кліматичних утворень (фронтів, циклонів та антициклонів)

 

Реферат

з курсу «Кліматологія  с основами мете реології » 

на тему:

 

«Загальна характеристика основних кліматичних утворень (фронтів, циклонів та антициклонів)»

 

 

Виконала:

Студентка ФПрН –ІV сп. «екологія»

 

 

 

КИЇВ   2012 

Зміст:

1. Основні характеристики циркуляції атмосфери
2. Атмосферні фронти
3. Загальна характеристика циклонів та антициклонів 
   
1. ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИРКУЛЯЦІЇ АТМОСФЕРИ

Синоптична метеорологія вивчає атмосферні процеси, що розвиваються на великих територіях, і по масштабах відносяться до ланок загальної циркуляції атмосфери. Дослідження цих процесів спираються на фізичні закони, що визначають зміни властивостей повітря і його рух, при цьому враховуються широта місця, з яким зв'язана кількість сонячної енергії, що притікає, а також характер і властивості поверхні, що підстилає (суша, характер її рельєфу, море) і реалізує цю енергію.

Циркуляція атмосфери - це система великомасштабних повітряних течій над земною кулею. У тропосфері, сюди відносяться пасати, мусони, повітряні  течії, пов'язані з циклонами й  антициклонами, у стратосфері - це переважно  західні переноси повітря з накладеними  на них довгими хвилями. Створюючи  перенос повітря, а з ним тепла  і вологи з одних широт і  регіонів в інші, циркуляція атмосфери  є найважливішим кліматотвірним процесом. Характер погоди і його зміни в будь-якім місці Землі визначаються не тільки місцевими умовами теплообміну між земною поверхнею й атмосферою, але і циркуляцією атмосфери.

Існування циркуляції атмосфери  обумовлено неоднорідним розподілом атмосферного тиску (наявністю баричного градієнта), викликаним насамперед неоднаковим  припливом сонячної радіації в різних широтах Землі і різних фізичних властивостей земної поверхні, особливо в зв'язку з її поділом на сушу і море. Нерівномірний розподіл тепла  на земній поверхні й обмін теплом між нею й атмосферою призводять у результаті до постійного існування  циркуляції атмосфери, енергія якої постійно витрачається на тертя і  безупинно поповнюється за рахунок  сонячної радіації. Унаслідок сили Коріоліса рух повітря при загальній циркуляції атмосфери є квазігеострофічним, тобто він досить близький до геострофічного вітру, спрямованого по ізобарах, перпендикулярно баричному градієнту. А так як атмосферний тиск розподіляється над земною кулею в загальному зонально (ізобари близькі до широтних кіл), то і перенос повітря має зональний характер. Розподіл атмосферного тиску над земною поверхнею, а з ним і течії циркуляції атмосфери зональні лише загалом. У дійсності циркуляція атмосфери знаходитися в безупинній зміні як у зв'язку із сезонними змінами в розподілі джерел і стоків тепла на земній поверхні й в атмосфері, так і в зв'язку з циклонічною діяльністю, яка здійснює обмін повітря між низькими і високими широтами Землі. У низьких широтах Земля одержує більше тепла від Сонця, ніж утрачає його шляхом власного випромінювання, у високих широтах - навпаки. Міжширотний обмін повітрям приводить до переносу тепла з низьких широт у високі і холоду з високих широт у низькі, чим зберігається теплова рівновага на всіх широтах Землі. Оскільки температура повітря в тропосфері в середньому убуває від низьких широт до високих, атмосферний тиск у середньому також убуває в кожній півкулі від низьких широт до високого. Тому починаючи приблизно з висоти 5 км, де вплив материків, океанів і циклонічної діяльності на структуру полів тиску і рухи повітря стає малим, установлюється західний перенос повітря (рис.1) (звідси «погода до нас йде з заходу»), майже над усією земною кулею, за винятком приекваторіальної зони.

Рис.1. ОСНОВНІ ПОЯСИ ВІТРІВ: в атмосфері утворяться завдяки обертанню Землі навколо своєї осі. Стрілками показані напрямки вітрів у приземному шарі атмосфери. У Північній півкулі обертання Землі відхиляє вітри, що спрямовуються на південь, до заходу, а прямуючі на північ – до сходу.

Узимку в одній з  півкуль західний перенос захоплює не тільки верхню тропосферу, але і всю стратосферу і мезосферу. Однак улітку стратосфера над полюсом сильно нагрівається і стає значно тепліше, ніж над екватором, тому меридіональний градієнт тиску, починаючи приблизно з 20 км, змінює свій напрямок і зональний перенос повітря відповідно міняється з західного на східний. Поблизу земної поверхні й у нижній тропосфері зональний розподіл тиску складніший, оскільки він в більшому ступені визначається циклонічною діяльністю. У процесі останньої циклони, переміщаючись у загальному до сходу, у той же час відхиляються в більш високі широти, а антициклони - у більш низькі. Тому в нижній тропосфері (і біля земної поверхні) утворюються дві субтропічні зони підвищеного тиску по обидві сторони від екватора, уздовж якого тиск знижений (екваторіальна депресія); у субполярних широтах утворяться дві зони зниженого тиску (субполярні депресії); у найвищих широтах тиск підвищений. Цьому розподілу тиску відповідають західний перенос у середніх широтах кожного з півкуль і східний перенос у тропічних і високих широтах. Між поверхнею, що підстилає, і атмосферою існує безупинний обмін теплом, вологою і домішками різного роду. У різних областях Землі під впливом теплообміну з земною поверхнею формуються повітряні маси тропосфери з різними властивостями.

2. АТМОСФЕРНІ ФРОНТИ

Повітряна маса – величезний обсяг повітря, властивості якого (головним чином температура і  вологість) сформувалися під впливом  поверхні, що підстилає, у визначеному  регіоні і поступово міняються  в міру його переміщення з вогнища  формування в горизонтальному напрямку. Повітряні маси виділяються насамперед по термічних характеристиках районів  формування, наприклад тропічні і  полярні. Переміщення з одних  областей в інші повітряних мас, що зберігають багато первісних характеристик, можна простежити по синоптичних  картах. Наприклад, холодне і сухе повітря з Канадської Арктики (рис.2), переміщаючи над територією США, повільно прогрівається, але залишається сухим. Аналогічним образом теплі вологі тропічні повітряні маси, що формуються над Мексиканською затокою, залишаються вологими, але можуть нагріватися або прохолоджуватися в залежності від властивостей поверхні, що підстилає. Звичайно, така трансформація повітряних мас підсилюється в міру зміни умов, що зустрічаються на їхньому шляху. Коли із різними властивостями повітряні маси з вилучених вогнищ формування вступають у контакт, вони зберігають свої особливості. Більшу частина часу свого існування вони розділені більш-менш чітко вираженими перехідними зонами, де різко змінюються температура, вологість і швидкість вітру. Потім повітряні маси перемішуються, розсіюються і, зрештою, перестають існувати як відособлені тіла. Перехідні зони між повітряними масами, що рухаються, називаються «фронтами».

 

Рис.2 ПОВІТРЯНІ МАСИ: західної частини Північної півкулі, що формують погоду в материковій частині США. Положення цих повітряних мас більш-менш постійний характер. На півдні тропічні континентальні повітряні маси є джерелом гарячих, сухих вітрів, а інші три – теплі вологі повітря. Полярні канадські повітряні маси є джерелом холодного сухого повітря, а дві інші – прохолодного вологого повітря.

Зона атмосферних фронтів  дуже вузька в порівнянні з поділюваними нею повітряними масами, тому її приблизно розглядають, як поверхню розділу двох повітряних мас різної температури і називають фронтальною  поверхнею. Існує чотири типи фронтів. Стаціонарний фронт формується на більш-менш стабільній границі між полярними  і тропічними повітряними масами. Якщо в приземному шарі холодне повітря  відступає, а тепле насувається, утвориться теплий фронт. Звичайно перед  теплим фронтом, що наближається, небо закрите суцільною хмарністю, йдуть  дощі або падає сніг, а температура  поступово підвищується. Коли фронт  проходить, дощ припиняється, а температура  залишається високою. При проходженні  холодного фронту холодне повітря  насувається, а тепле відступає. Дощова, вітряна погода спостерігається  у вузькій смузі уздовж холодного  фронту. Навпроти, теплому фронтові передує широка зона хмарності і  дощів. Фронт оклюзії поєднує  у собі риси як теплого, так і холодного  фронтів і звичайно зв'язаний зі старим циклоном.

Рис. 3 ТИПИ АТМОСФЕРНИХ  ФРОНТІВ

На синоптичних картах атмосферні фронти зображують у виді лінії (лінія фронту). Якби повітряні  маси були нерухомі, поверхня атмосферного фронту була б горизонтальною, з холодним повітрям внизу і теплим над ним, але оскільки обидві маси рухаються, вона розташовується похило до земної поверхні, причому холодне повітря лежить у вигляді дуже положистого клина під теплим. Тангенс кута нахилу фронтальної поверхні (нахил фронту) - порядку 0,01. Розміри атмосферного фронту: по горизонталі - від 500 км до 5000 км і більш, по вертикалі - до висот 5000-7000 м. На картах погоди: теплий атмосферний фронт наносять лінією червоного, холодний атмосферний фронт - синього, а фронт оклюзії коричневого кольору. У земної поверхні атмосферні фронти характеризуються збільшеними горизонтальними градієнтами температури повітря - у вузькій зоні фронту температура різко переходить від значень, властивій одній повітряній масі, до значень, властивим іншій, причому зміна іноді перевищує 10°С. Змінюються у фронтальній зоні також вологість повітря і його прозорість. Хмарна система холодного фронту не така широка, як теплого і для неї характерно переважання або, в усякому разі, наявність купчасто-дощових хмар, що дають зливові опади; перед атмосферним фронтом нерідко виникають шквали і грози. При оклюзії циклона  теплий й холодний атмосферні фронти сполучаються і утворюють фронт оклюзії з відповідними змінами хмарних систем, опадів, вітру й т.д. Перед лінією фронту вітер підсилюється і трохи повертає вліво. За фронтом слабшає і повертає вправо. У баричному полі атмосферні фронти зв'язані з улоговинами пониженого тиску в циклонах, тому при проходженні атмосферного фронту відбуваються відповідні зміни атмосферного тиску і вітру. Над фронтальними поверхнями утворюються великі хмарні системи, що включають шарувато-дощові (Ns), купчасто-дощові (Сb) хмари, що дають опади. Атмосферні фронти переміщаються зі швидкістю, рівною нормальній складовій до фронту швидкості вітру, тому проходження атмосферного фронту через місце спостереження приводить до швидкої (протягом годин) і часом різкої зміни важливих метеорологічних елементів і до зміни всього режиму погоди. Атмосферні фронти характерні для позатропічних широт Землі, особливо для помірних широт, де між собою граничать основні повітряні маси тропосфери.

 Основна причина виникнення  атмосферних фронтів - фронтогенез  - наявність таких систем руху  в тропосфері, що приводять до  зближення (збіжності) мас повітря, що мають різну температуру. Спочатку широка перехідна зона між повітряними масами стає різким фронтом. У процесі загальної циркуляції атмосфери між повітряними масами різних широтних зон з досить великими контрастами температури виникають довгі (тис. км), витягнуті переважно по широті головні фронти - арктичні, антарктичні, полярні, на яких відбувається утворення циклонів і антициклонів.

3. ЦИКЛОНИ ТА АНТИЦИКЛОНИ

Циклон - (від грец. kyklon - що кружляється, обертовий), атмосферне збурення зі зниженим тиском у центрі і вихровим рухом повітря. На картах позначається літерою Н. Розрізняють циклони позатропічні і тропічні. Останні мають особливі властивості і виникають набагато рідше. Мінімальний атмосферний тиск у циклоні припадає на центр циклону, до периферії воно зростає, тобто горизонтальні баричні градієнти спрямовані зовні циклона всередину. Замкнуті ізобари (лінії рівного тиску) неправильної, але в загальному овальної форми обмежують область зниженого тиску {баричну депресію) поперечником від декількох сотень км до 2-3 тисяч км. У цій області повітря знаходиться у вихровому русі. У вільній атмосфері, вище прикордонного шару атмосфери (біля 1000 м) він рухається приблизно по ізобарах, відхиляючись від баричного градієнта на кут, близький до прямого, вправо в Північній півкулі і вліво в Південній (внаслідок впливу сили Коріоліса і відцентрової сили, що виникає при русі по криволінійних траєкторіях). У земної поверхні вітер утворює з баричним градієнтом кут порядку 60°, тобто до обертального руху повітря приєднується плин повітря всередину циклону. Швидкості вітру в циклоні сильніше, ніж у суміжних областях атмосфери; іноді вони досягають більш 20 м/с (шторм) і навіть більш 30 м/с (ураган). У зв'язку з висхідними складовими руху повітря, особливо поблизу фронтів, у циклонах переважає хмарна погода і випадає основна частина опадів.  

Унаслідок вихрового руху повітря в область циклону  втягуються різні по температурі  повітряні маси з різних широт  Землі. З цим зв'язана температурна асиметрія циклону; у різних його секторах температури повітря різні. З висотою ізобари втрачають замкнуту форму. Це відбувається в залежності від стадії розвитку циклону і розподілу температури в ньому. У початковій стадії розвитку рухливий (фронтальний) циклон охоплює лише нижню частину тропосфери. У стадії найбільшого розвитку циклон може поширюватися на всю висоту тропосфери і навіть простиратися в нижню стратосферу. Рухливі циклони переміщаються в атмосфері в загальному з заходу на схід. У кожному окремому випадку напрямок переміщення визначається напрямком загального переносу повітря у верхній тропосфері. Середні швидкості переміщення циклону порядку 30-45 км/год., але зустрічаються циклони, що рухаються швидше (до 100 км/год.). Переміщуючись, циклон сприяє переносу теплого повітря в передній (східній) частині до високих широт і холодного повітря в тиловій частині (західній) до низьких широт. У південній частині циклону у нижніх шарах створюється теплий сектор, обмежений теплим і холодним фронтами (стадія молодого циклону). У наступному, при змиканні холодного і теплого фронтів (оклюзія циклону) холодного фронту, що відбувається внаслідок більшої швидкості ніж теплого, він завжди доганяє останній; змішуючись, вони утворюють складний фронт, іменований фронтом оклюзії. Тепле повітря відтісняється холодним від земної поверхні у високі шари. Теплий сектор ліквідується й у циклоні встановлюється більш рівномірний розподіл температури (стадія оклюдованого циклону). Запас потенційної енергії, здатної перетворитися в кінетичну, у циклоні виснажується; циклон загасає, розмивається або поєднується з іншим циклоном (стадія старого циклону). На головному фронт звичайно розвивається серія (сімейство) циклонів, що складає з декількох циклонів, що переміщаються один за одним. Наприкінці розвитку серії окремі ще не загаслі циклони, поєднуючись, утворюють великий, малорухомий, глибокий і високий центральний циклон, що складається з холодного повітря по усій своїй товщині. Поступово і він загасає. Одночасно з утворенням циклону виникають між ними проміжні антициклони з високим тиском у центрі. Весь процес еволюції окремого циклону займає кілька днів; серія циклонів і центральний циклон можуть існувати один-два тижня. У кожній півкулі в кожен момент можна знайти кілька головних фронтів і зв'язаних з ними серій циклонів; загальне число циклонів за рік складає багато сотень над кожною півкулею. Циклон несе похмуру, дощову (снігову) вітряну в передній і південній частині теплу погоду і холодну в тиловій частині.

• Тропічні циклони

Тропічні циклони –  це загальна назва для циклонів, що формуються над океанами в зоні тропіків.Тропічні циклони виникають через зіткнення сухих повітряних мас, що йдуть згори, вологих повітряних мас, що піднімаються вгору, та конденсацію водяних пар у вигляді опадів.

Тропічні циклони обрушуються  переважно на східні і приекваторіальні райони материків, долаючи відстань у декілька тисяч кілометрів від місця формування. Тропічні циклони набирають свою силу над океаном, але над суходолом вони швидко втрачають цю силу, тому зазвичай страждають від руйнівного впливу ураганів і тайфунів прибережні райони, а середина материка знаходиться у безпеці.

У різних районах Землі  назви тропічних циклонів можуть звучати по різному. Наприклад, ураганами  тропічні циклони називають в  Північній Атлантиці і Мексиканській  затоці, кордонасо – на західному узбережжі Мексики, тайфунами – у західних і більшості південних районів, на Філіппінах тропічні циклони звуть багуйо або баруйо, в Австралії – вілі-вілі.

Тропічний циклон може мати діаметр від 100 до 1600 км, зазвичай цей  атмосферний вихор супроводжується  сильними руйнівними вітрами, зливами  і високим підвищенням рівня  води під дією вітру (рис.4).

Рис.4 Розвиток тропічного циклону.

 

Під час руху тропічні циклони  збільшують свої розміри та швидкість. Напрям руху тропічних циклонів переважно  на захід, трохи відхиляючись на північ. Тропічний циклон може змінити напрям руху, досягши помірних широт і  злившись в західний атмосферний  потік. Вітри циклонів, що рухаються  у Північній півкулі, мають максимальну  силу у поясі 35-40 км від «ока бурі».

«Оком бурі» називають  вільну від хмар зону від 8 до 30 км в  середині тропічного циклону, в якій небо переважно буває чистим, а  вітер слабким. Від 40 км від «ока бурі» починається зона руйнівних  вітрів тропічного циклону, яка може простягатися на 800 км.

Ураганні вітри тропічного циклона досягають величезної швидкості - до 240 км/год, сам тропічний циклон може рухатися досить повільно і навіть зупинятися на деякий час.

Класифікація  тропічних циклонів:

1. тропічна депресія – швидкість вітру до 63 км/год;
2. тропічний шторм – швидкість вітру від 64 до 119 км/год;
3. тропічні урагани, або тайфуни – швидкість вітру понад 120 км/год.