Движение воздуха относительно земной поверхности

Глава 1. Движение воздуха относительно земной поверхности

Ветром называется движение воздуха, относительно земной поверхности, которое возникает под влиянием сил, действующих в атмосфере. Непосредственной причиной возникновения движения воздуха является неравномерное распределение давления в горизонтальном направлении, т. е. наличие разностей давления в точках, расположенных на одном и том же уровне поверхности, в частности, на уровне моря. Большое влияние на движение воздуха оказывают отклоняющая сила вращения Земли и сила трения.

Вблизи земной поверхности скорость ветра сильно ослаблена вследствие влияния сил трения. В приземном слое (от 0 до 1,5км) скорость ветра растет с высотой сначала быстро, а затем замедляется. В горной и пересеченной местности, вблизи берегов морей и озер закономерности изменения ветра с высотой в пограничном слое (до 150м) более сложны, чем над однородной поверхностью. Выше пограничного слоя в умеренных широтах преобладает западное направление ветра, т. е. наблюдается преобладающий перенос воздуха с запада на восток. Атмосфера как бы перегоняет Землю в ее суточном вращении.
Изменение ветра с высотой выше пограничного слоя происходит в основном под влиянием термической неоднородности атмосферы по горизонтали (горизонтального градиента температуры).
При наличии значительных горизонтальных контрастов температуры между воздушными массами в тропосфере образуются струйные течения ― сравнительно узкие в поперечном направлении и большой протяженности в продольном направлении зоны сильных ветров. При этом скорости ветра преобладает более 100км/час.
Основное струйное течение наблюдается в субтропических широтах. Центральная часть субтропических струйных течений располагается на широте 25°-45°. Также струйные течения бывают внетропические, образуются между высокими антициклонами и циклонами в умеренных и высоких широтах, а также экваториальные.[1]

.1 Пространственное и временное распределение и изменчивость скорости ветра

Современный анализ поля ветра у поверхности Земли и на различных высотах показывает, что поле ветра по мере удаления от подстилающей поверхности становится более гладким. При этом скорость ветра с высотой в среднем возрастает, достигая максимума чаще всего вблизи тропопаузы. В умеренных широтах примерно в 80% случаев максимум скорости ветра находится в верхней тропосфере или в слое тропопаузы. Характерный вертикальный профиль скорости ветра приведен на рис. 1. На нем видно резкое возрастание скорости ветра с высотой, вблизи подстилающей поверхности, а максимум скорости ветра в слое 9-10км.

Характер изменения скорости и направления ветра с высотой определяется различием степени влияния на него основных сил, действующих на воздушный поток. В приземном слое наиболее значительное воздействие на движение воздуха оказывает турбулентное трение. Здесь скорость ветра быстро возрастает с высотой, мало меняя своё направление. В этом слое толщиной 50-100м распределение скорости ветра в наибольшей степени зависит от интенсивности обмена количеством движения с более высокими слоями.
В пограничном слое атмосферы на воздух совместно действуют силы барического градиента, Кориолиса и трения, причем влияние последней уменьшается с высотой, скорость ветра продолжает возрастать, но возрастание меньше, чем в приземном слое.
В свободной атмосфере основное влияние на характер изменения ветра с высотой оказывает структура барического поля.
Временная изменчивость направления ветра существенно зависит от его скорости: чем больше скорость, тем устойчивее направление ветра. Такой характер связи между скоростью и направлением ветра сохраняется в пределах всей тропосферы.
Временная изменчивость скорости ветра в умеренных широтах мало зависит от времени года. Она возрастает с увеличением скорости ветра, поэтому в свободной атмосфере наибольшая изменчивость скорости ветра наблюдается вблизи тропопаузы.
При анализе скорости и направления ветра приходится учитывать суточный ход. Амплитуда суточного хода больше летом, чем зимой. При ясной погоде амплитуда суточного хода больше, чем при пасмурной погоде. При сильном прогреве подстилающей поверхности летом и ясной погоде развиваются активные конвективные токи, способствующие обмену количеством движения между приземным слоем и более высокими слоями, где ветер сильнее.
Зимой, особенно при пасмурной погоде, когда амплитуда суточного хода температуры не превышает нескольких градусов, амплитуда суточного хода скорости ветра составляет всего 2-3м/с.[1]

.2 Основные воздушные течения в системе общей циркуляции атмосферы

Основным видом циркуляции воздуха на вращающейся Земле является зональный перенос, отчетливее проявляющийся в свободной атмосфере. В тропосфере умеренных широт преобладают западные ветры, причем зимой их средняя скорость на всех высотах больше, чем летом.

Из-за возникающих разностей температуры, вследствие неодинакового нагревания и охлаждения материков и океанов между ними возникает муссонная циркуляция. По определению известного советского метеоролога С. П. Хромова, муссоном называется такой режим воздушных течений в системе общей циркуляции атмосферы в большой географической области, при котором ветры одного направления в каждом месте этой области резко преобладают над остальными. А само преобладающее направление ветра от зимы к лету и от лета к зиме меняется на направление, близкое противоположному.
В муссонных областях, примером которых на территории России является Дальний Восток, летом преобладают ветры с океана, а зимой с континента.
В полярных областях обоих полушарий преобладает высокое давление, а ветры из этих областей направлены в сторону умеренных широт. Для умеренных зон характерно частое возникновение циклонов, в результате чего в среднем здесь преобладает пониженное давление и сюда направлены воздушные течения не только из высоких широт, но и из тропиков, где находятся субтропические антициклоны. Из тропиков, с южных периферий субтропических антициклонов, ветры направлены в сторону экваториальной зоны. Эти ветры называются пассатами. Во многих районах они устойчивы и не меняют своего направления в течение всего года. [1]
Поскольку с высотой структура поля давления становится сравнительно проще, а ветер в свободной атмосфере близок к градиентному ветру, то поле ветра в свободной атмосфере в большей степени, чем у земной поверхности, отражает основную планетарную систему тропосферной циркуляции - зональный перенос.