Загальною циркуляцією атмосфери називають сукупність основних повітряних течій, які втілюють горизонтальний та вертикальний обмін мас повітря. Це великомасштабні компоненти атмосфери. Під великомасштабними компонентами розуміють просторові неоднорідності глобальних полів, що описують стани атмосфери, які мають масштаби, набагато більші за ефективну товщину атмосфери [1].

Циркуляція атмосфери

Атмосферна циркуляція, викликана тим, що Сонце нагріває Землю більше на екваторі, ніж на полюсах. На нього також впливає обертання Землі.

У тропіках, недалеко від екватора, піднімається тепле повітря. Коли воно затримується на висоті близько 10-15 км (6-9 миль) над поверхнею Землі, повітря починає текти від екватора і до полюсів. Повітря, що піднімалося на північ від екватора, тече на північ. Повітря, що піднімалося на південь від екватора, тече на південь. Коли повітря охолоджується, воно опускається назад на землю, тече назад до екватора і знову нагрівається. Тепер утеплене повітря знову піднімається, і рух повторюється. Ця закономірність, відома як конвекція, відбувається в глобальному масштабі.

Але оскільки Земля обертається, повітря, яке рухається на північ і південь від екватора, також обертається.

Повітря, що йде на північ, повертає праворуч. Повітря, що рухається на південь, повертає ліворуч. Сила обертання Землі для повороту текучого повітря відома як ефект Каріоліса. Якби Земля не обертатися, між екватором і Північним полюсом була б тільки одна велика конвективна комірка і одна велика конвективна комірка між екватором і Південним полюсом. Але оскільки Земля обертається, конвекція ділиться на три комірки на північ від екватора і три на південь від екватора [2].

Комірка Хедлі

Перші точки називаються коміркою Хедлі. На екваторі Земля інтенсивно нагрівається сонцем. Це призводить до підйому повітря, що створює зону низького тиску на поверхні Землі. У міру підйому повітря він охолоджується і утворює густі купчасті (грозові) хмари. Повітря продовжує підніматися до верхніх шарів атмосфери, і потім відбувається наступне:

1. Повітря відокремлюється і починає рухатися як на північ, так і на південь до полюсів.
2. Коли він досягає близько 30 ° північної і південної, повітря охолоджується і опускається до землі, утворюючи субтропічну зону високого тиску.
3. Коли повітря тоне, воно стає тепліше і сухіше. Це створює область невеликої хмари і низьких опадів, де знаходяться пустелі.
4. Потім клітина Хедлі завершена. Повітря завершує цикл і тече назад до екватора, як торгові вітри.
5. У північній півкулі вітри течуть вправо і називаються північно-східними торговими вітрами. У південній півкулі вітри течуть вліво і називаються південно-східними торговими вітрами. Це зводиться до Сили Каріоліса і тертя.

Комірка Феррела

Комірка Феррела зустрічається на більш високих широтах (від 30 градусів до 60 градусів N і 30 градусів і 60 градусів S):

1. Повітря на поверхні тягнеться до полюсів, утворюючи теплі південно-вестерні вітри в північній півкулі і північно-західні вітри в південній півкулі.
2. Ці вітри підбирають вологу, коли вони подорожують по океанах. При близько 60 градусів N і 60 градусів S вони зустрічають холодне повітря, яке дрейфувало з полюсів.
3. Тепліше повітря з тропіків легше, ніж щільне, холодне полярне повітря, і тому воно піднімається, коли зустрічаються дві повітряні маси.
4. Це підняття повітря викликає низький тиск на поверхні і нестабільні погодні умови, які пов’язані з западинами середньої широти.

Полярна комірка

На полюсах повітря охолоджується і опускається до Землі, утворюючи високий тиск, цей відомий як Полярний високий. Потім він тече до нижчих широт. При близько 60 градусів N і S холодне полярне повітря змішується з більш теплим тропічним повітрям і піднімається вгору, створюючи зону низького тиску, звану субполярним низьким. Межа між теплим і холодним повітрям називається полярним фронтом. На нього припадає велика кількість нестабільної погоди, що спостерігається в цих широтах.

Атмосферні рухи мають вихровий характер і характеризуються нестаціонарністю. Це приводить до того, що атмосферна циркуляція, її структурні елементи безперервно змінюються. У результаті вертикальної неоднорідності атмосфери, характеристики якої змінюються з широтою, відбувається змінювання напрямку і швидкості повітряних течій, що поряд зі змінюванням у вертикальному та горизонтальному напрямках густини повітря створює нерівномірний розподіл кінетичної енергії як по вертикалі, так і по горизонталі. Енергетичний внесок різних шарів атмосфери змінюється також при переході від одного сезону до іншого.

Закономірності сезонних змінювань циркуляції атмосфери пов’язані з нерівномірним надходженням сонячної енергії до різних півкуль у один і той же сезон і в різні сезони у визначеній півкулі. Особливо інтенсивно цей ефект проявляється у північній півкулі, де великі простори займають материки. Відносне охолодження зимою материків і перегрів їх літом чинять через різниці в енергетичній взаємодії атмосфери з материками і океанами сезонні особливості поля тиску і, як наслідок, поля течій.

Зв’язок компонентів атмосферної циркуляції

Як зазначалося вище, загальна циркуляція атмосфери включає ряд великомасштабних рухів.

У тропосфері до атмосферної циркуляції відносяться пасати, мусони, повітряні течії, пов’язані з циклонами і антициклонами, в стратосфері – переважно зональні повітряні течії (західний – взимку і східний – влітку).

У нижній тропосфері тропічної зони переважає циркуляція, що викликається пасатами – стійкими вітрами: північно-східним – в Північній півкулі і південно-східним – в Південній півкулі. Пасат рух повітря від тропічних поясів високо тиску у бік екватора в області низького тиску(спостерігаються протягом цілого року, їхня швидкість становить у середньому 5-6 м/с, а вертикальна потужність сягає 2-4 км і збільшується в напрямку екватора). Над областю пасатів в середній і верхній тропосфері переважають західний повітряні течії.

Над деякими ділянками тропічної зони, особливо в басейні Індійського океану, переважає режим мусонної циркуляції (зимовий мусон збігається з пасатом, літній мусон зазвичай має протилежний зміст). Мусон – вітер сезонного характеру, який регулярно двічі на рік змінює свій напрямок на протилежний. У зоні його дії виділяють сухий та вологий періоди.

У тропосфері помірних широт на периферії субтропічних антициклонів обох півкуль переважає західний перенос. У нижній частині тропосфери полярних районів переважають східні вітри. У середніх широтах, в зоні великих горизонтальних градієнтів температури і тиску, виникають тропосферні фронтальні зони, струменеві течії, циклони і антициклони, якими здійснюється міжширотний повітрообмін. Атмосферна циркуляція в тропіках також не є ізольованою від позатропічної циркуляції. Високі циклони і антициклони простираються в верхню тропосферу і нижню стратосферу, проте в середньому внаслідок загального узгодженого зменшення тиску і температури від низьких до високих широт в цій частині атмосфери переважає західний перенос. Вище 20 км атмосферна циркуляція носить сезонний мусонний характер, що зумовлено радіаційним балансом стратосфери. Наслідком цього є переважання влітку східного, а взимку західного повітряного течії.

Існують різні методи вивчення загальної циркуляції атмосфери: синоптичний, статистичний та гідродинамічний. Синоптичний метод розуміє вивчення великомасштабних повітряних течій за допомогою карт погоди різних рівнів. Статистичний метод базується на аналізі характеристик полів великомасштабних течій, отриманих за допомогою методів математичної статистики. Нарешті, гідродинамічний метод має в своїй основі математичне моделювання атмосферних процесів за допомогою рівнянь гідродинаміки, які відбивають фізичні закономірності, притаманні атмосфері Землі.[5, 6].

Центри дії атмосфери

На картах середнього атмосферного тиску виділяються області високого та низького тиску із замкненими ізобарами. Ці області називаються центрами дії атмосфери. Одні центри зберігаються на кліматологічних картах усіх місяців року і їх називають перманентними або постійними. Інші центри виділяються на картах лише літніх або зимових місяців і їх називають сезонними центрами дії атмосфери. Перманентні центри дії атмосфери – це Азорський, Гавайський, Південнотихоокеанський, Південноіндійський, Південноатлантичний субтропічні антициклони, Арктичний та Антарктичний антициклони та Ісландський і Алеутський мінімуми. Сезоні центри дії атмосфери – це Азіатський і Канадський антициклони та Південноазіатський і Мексиканський мінімуми.

Пояси високого та низького тиску формуються під дією термічних та динамічних факторів. Над охолодженими районами в нижніх шарах атмосфери виникають сприятливі умови для підвищення тиску, а над нагрітими – зниження тиску. Тому над термічним екватором утворюється пояс низького тиску, а навколо полюсів – області високого тиску. Над материками атмосферний тиск змінюється за сезонами – взимку високий тиск, влітку низький.

Дія динамічних факторів складніша. Наука механіка показує, що в результаті добового обертання Землі з великою швидкістю на широтах 30-350накопичується надлишок повітря. В реальних умовах атмосфери це відбувається завдяки надходженню на широти 30-350антициклонів з помірних широт. Завдяки великій повторюваності цих антициклонів тут і формуються пояси високого тиску. Області низького тиску в субполярних широтах обох півкуль формуються завдяки інтенсивній циклонічній діяльності на цих широтах. Завдяки великій повторюваності циклонів на середній багаторічній карті і формуються тут зони низького атмосферного тиску [8].

Циклон та антициклон

Циклон – це область зниженого тиску з мінімальним значенням у центрі і замкнутими ізобарами, що представляє собою атмосферний вихор з циркуляцією повітряних мас проти годинникової стрілки у північній півкулі і за годинниковою стрілкою у південній, специфічною структурою полів метеорологічних величин, визначеними комплексами погодних умов, які відносно повільно змінюються протягом існування цього об’єкта.

Антициклон – це область підвищеного тиску з максимальним значенням у центрі. Ізобари в антициклоні замкнуті, ізобаричні поверхні підвищуються від периферії до центру. Антициклон – гігантський повітряний вихор з циркуляцією повітря за годинниковою стрілкою в північній півкулі і проти в південній.

Циклони і антициклони звичайно мають одну точку з екстремальним значенням тиску. Такі баричні утворення називають одноцентровими. Іноді циклон (антициклон) може мати кілька точок з відносно низьким (високим) тиском. Такі баричні утворення називають багатоцентровими. У середній і верхній тропосфері повторюваність багатоцентрових баричних систем різко зменшується, таким чином циклони і антициклони на картах баричної топографії мають більш просту структуру, ніж на приземній карті.

Два циклони з приблизно однаковою глибиною, об’єднані загальними ізобарами, називаються сполученими. Якщо ж один з них має менші розміри і тиск у центрі вище в порівнянні з іншим, то такий циклон називається вторинним або частинним, а сполучений з ним циклон – основним.

У залежності від географічного району, особливостей виникнення і розвитку розрізняють:

1) циклони помірних широт – фронтальні і нефронтальні (місцеві, термічні);

2) тропічні циклони – ураганні (урагани, тайфуни) і слабкі циклонічні утворення екваторіальної зони;

3) антициклони помірних широт – проміжні, заключні і нефронтальні (місцеві, термічні);

4) субтропічні антициклони.

Циклони помірних широт

Нефронтальні (термічні) циклони виникають переважно влітку над сушею, взимку над теплими морями. Вони не пов’язані з атмосферними фронтами, мають звичайно невеликі горизонтальні розміри і слабко розвинуті по вертикалі (до 1 – 1,5 км). Причиною виникнення термічних 41 циклонів є нерівномірне нагрівання підстильної поверхні і утворення стійких місцевих висхідних рухів повітря над порівняно великими площами (у радіусі 100 – 200 км), а також поява місцевих областей падіння тиску. В окремих випадках термічні циклони можуть мати великі розміри й окреслюватися декількома замкнутими ізобарами. При сприятливих умовах, коли в систему такого циклона входить фронт, він може одержати подальший розвиток і перетворитися на звичайний фронтальний циклон.

Фронтальні циклони виникають на малорухомих, холодних і теплих фронтах, а також біля точки оклюзії існуючого циклону. В усіх випадках для виникнення і подальшого розвитку циклону необхідні такі циркуляційні умови, при яких забезпечується відносне зниження тиску у районі виникнення циклону. Найбільш сприятливими умовами зниження тиску в даному районі є такі, при яких у середній тропосфері здійснюється додатна адвекція вихору швидкості, дивергенція швидкості має від’ємне значення і величина, що відповідає вихору термічного вітру, з часом зменшується. Циклогенез має місце тоді, коли збільшується з часом антициклонічна або зменшується циклонічна кривизна ізотерм та коли в даному районі виникає або підсилюється термічний гребінь або коли слабшає улоговина холоду середньої температури шару[12].

Тропічні циклони

Тропічний циклон – це вихор, який швидко обертається і виникає в тропічних широтах над поверхнею океанів, з яких він отримує енергію для розвитку. У центрі циклону утворюється область низького тиску з хмарами, які рухаються по спіралі до «стінки ока», що оточує саме «око» – центральну частину системи з переважно спокійною погодою і ясним небом. Діаметр циклону зазвичай становить близько 200-500 км, але може досягати 1000 км. У Північній півкулі вітри крутяться проти годинникової стрілки, а в Південній півкулі – за годинниковою стрілкою. В інтересах громадської безпеки тропічним циклонам даються особисті імена сильніше певної інтенсивності.

Залежно від місця формування таке погодне явище називається по-різному:

1. в Карибському морі, Мексиканській затоці, Північній Атлантиці, східній і центральній частині Тихого океану його називають «ураганом»;
2. у північно-західній частині Тихого океану його називають «тайфуном»;
3. в Бенгальській затоці і Аравійському морі його називають «циклоном»;
4. в південно-західній частині Тихого океану і південно-східній частині Індійського океану його називають «сильним тропічним циклоном»;
5. у південно-західній частині Індійського океану його називають «тропічним циклоном».

Вони супроводжуються надзвичайно сильними дощами, які можуть призвести до затоплення величезних територій. Циклони також приносять руйнівні і руйнівні вітри: в найбільш інтенсивних системах поверхневі вітри можуть досягати швидкості понад 300 км / год.

Залежно від максимальної стійкої швидкості вітру тропічні циклони визначаються наступним чином:

1. тропічна депресія – система з максимальною стабільною швидкістю вітру менше 63 км / год;
2. тропічний шторм – система з максимальною стабільною швидкістю вітру понад 63 км / год, такі системи дають назви;
3. ураган, тайфун, тропічний циклон, дуже сильний штормовий циклон (назва залежить від басейну) – це системи з максимальною стійкою швидкістю вітру понад 116 км / год (63 вузли).

За шкалою Саффіра-Сімпсона, яка заснована на швидкості вітру і використовується в Карибському морі, Мексиканській затоці, Північній Атлантиці, східних і центральних регіонах північної частини Тихого океану, сила урагану вимірюється за шкалою від 1 до 5:

1. ураган 1 категорії – ураган з максимальною стійкою швидкістю вітру 119-153 км / год;
2. ураган 2 категорії – ураган з максимальною стабільною швидкістю вітру 154-177 км / год;
3. ураган 3 категорії – ураган з максимальною стійкою швидкістю вітру 178-209 км / год;
4. ураган 4 категорії – ураган з максимальною стабільною швидкістю вітру 210-249 км / год;
5. ураган 5 категорії – ураган з максимальною стійкою швидкістю вітру, що перевищує 249 км / год.

Вплив тропічного циклону і прогнозованого збитку залежать не тільки від швидкості вітру, але і від таких факторів, як швидкість, тривалість сильних вітрів, кількість опадів під час і після посадки, різкі зміни траєкторії та інтенсивності, структури (наприклад, розміру та інтенсивності) тропічного циклону, а також реагування на катастрофи, викликані тропічними циклонами.

Антициклони помірних широт

За структурою та загальною поведінкою антициклоні розділяють на 5 основних типів.

1. Проміжні антициклони – це швидко рухомі зони підвищеного тиску між окремими циклонами однієї і тієї ж серії, що виникають на одному і тому ж головному фронті. Зазвичай вони мають вигляд гребенів підвищеного тиску без замкнутих ізобар. Рідше це відокремлені системи із замкнутими ізобарами, які за розмірами не перевищують рухомі циклони. Проміжні антициклони розвиваються всередині холодної повітряної маси, яка попереду обмежена холодним фронтом попереднього циклону, в тилу – теплим фронтом наступного циклону.
2. Завершальні антициклони обмежують розвиток серії циклонів, тобто розвиваються в тилу не окремого циклону, цієї циклонічної серії. Антициклони цього типу мають спільні риси з проміжними антициклонами – вони також розвиваються всередині холодного повітря, але зазвичай мають декілька замкнутих ізобар і можуть мати значні горизонтальні розміри. Ці антициклони, як і проміжні, відносяться до 36 середніх або низьких баричних утворень і є термічно неоднорідними. Завершальні антициклони виявляють тенденцію уповільнювати свій рух по мірі розвитку до стаціонування.
3. Стаціонарні антициклони помірних широт – це тривало існуючі малорухливі антициклони, які сформувались в арктичній повітряній масі або в повітрі помірних широт. Поява антициклонів цього типу є, зазвичай, результат уповільнювання та стабілізації антициклонів перших двох типів. Швидкість руху антициклону в цьому випадку значно зменшується, тиск в центрі зростає, площа антициклону збільшується, іноді до розмірів частин материка. Стаціонування антициклонів відбувається в холодний період року над вихолодженими частинами континентів, в теплий період – над океанами. Іноді високі теплі і малорухомі антициклони, що розвиваються в помірних широтах, на тривалий час (тиждень і більше) створюють макромасштабні порушення зонального перенесення і відхилюють траєкторії рухливих циклонів і антициклонів від західно-східного напряму. Такі антициклони носять назву блокуючих антициклонів.
4. Арктичні антициклони – це більш менш стійкі зони підвищеного тиску в арктичному басейні. Вони є холодними баричними утвореннями, тому вертикальна потужність їх обмежується нижньою тропосферою. У верхній частині тропосфери вони змінюються на полярний циклон. У виникненні арктичних антициклонів велику роль грає охолоджування від підстильної поверхні, тобто вони є місцевими антициклонами [14].

Субтропічні антициклони

Субтропічні антициклони представляють собою тривало існуючі малорухливі антициклони, що спостерігаються над океанічними поверхнями. Вони зосереджені близько 25 ° N-45 ° N і 25 ° S-45 ° S в обох півкулях(малюнок 9)і займають близько 40% загальної площі поверхні Землі [15]. Субтропічні антициклони відіграють життєво важливу роль в існуванні світових субтропічних пустель [16],головним чином через просідання, пов’язане з їх провідними краями. На них також припадає значна частина короткострокових погодних змін у позатропічних регіонах [17]. Ці антициклони періодично посилюються завдяки вторгненням з помірних широт полярного повітря із завершальними антициклонами. Субтропічні антициклони є високими і теплими баричними утвореннями. Субтропічні антициклони час від часу зміщуються на схід; так, від азорського антициклону (що існує в Атлантичному океані) на південну Європу розповсюджуються відроги або ядра підвищеного тиску.

Використана література

1. Клімат і загальна циркуляція атмосфери: Навчальний посібник/Гончарова Л.Д., Серга Е.М., Школьний Є.П.− Одеса: Вид-во “ТЭС”, 2005. – 251 с. Перейти до джерела
2. UCAR. Center for science education / A Global Look at Moving Air: Atmospheric Circulation Перейти до джерела
3. BBC.Bitesize / Atmosphere and climate / Global atmospheric circulation – Polar, Ferrel and Hadley cells: веб-сайт. Перейти до джерела
4. WikimediaCommons / NASA depiction of earth global atmospheric circulation Перейти до джерела
5. VseslovA / Циркуляція атмосфери Перейти до джерела
6. Географія : Комплексна підготовка до зовнішнього незалежного оцінювання / А. Кузишин, О. Заячук.— Тернопіль : Підручники і посібники, 2019. – 496 с.
7. VseslovA / Синоптичні карти Перейти до джерела
8. Проценко Г.Д. Метеорологія та кліматологія: Навчальний посібник. – К. 2007– 265 с. Перейти до джерела
9. StonyBrookUniversity / What are the Centers of Action? Перейти до джерела
10. Wikipedia / Cyclone Перейти до джерела
11. Wikipedia / Anticyclone Перейти до джерела
12. Нажмудінова О.М. Синоптична метеорологія: Конспект лекцій. – Одеса, 2010, 77 с. Перейти до джерела
13. Всемирная метеорологическая организация (BMO) / Тропические циклоны Перейти до джерела
14. Семенова І.Г. Циклони і антициклони помірних широт: конспект лекцій з дисципліни „Синоптична метеорологія”. – Одеса: Екологія, 2009. – 77 с. Перейти до джерела
15. Черчі А.; Амбріцці Т.; Бехера С.; Фрейтас А.; Моріока, Ю.; Чжоу Т. Реакція субтропічних максимумів на зміну клімату. Курка. Клим Чанг. Республіка 2018, 4, 371–382.
16. Міясака Т.; Накамура Г. Структура і механізми літньої субтропічної антициклони Південної півкулі. Дж. 2010, 23, 2115–2130.
17. Сінклер, М.Р. Кліматологія субтропічних антициклонів і блокування для Південної півкулі. Погода Rev. 1996, 124, 245-263.
18. MPDI/ Climatology of the Mascarene High and Its Influence on Weather and Climate over Southern Africa Перейти до джерела