Местные ветры

Местные ветры относятся к атмосферным явлениям, горизонта­льная протяженность (масштаб) которых изменяется от нескольких сотен метров до десятков и первых сотен километров. Такие явле­ния и процессы, наблюдаемые в атмосфере, называют мезометеоро - логическими. Возникают местные ветры под влиянием неоднородностей земной поверхности на воздушный поток более крупного масштаба.

Существуют два вида воздействия земной поверхности на атмо­сферу — термическое и механическое. Различие в теплофизических, радиационных и других свойствах соседних частей земной по­верхности ведет к возникновению горизонтальной разности темпе­ратур, которая, в свою очередь, порождает барический градиент, яв­ляющийся непосредственной причиной возникновения ветра. К та­ким ветрам относятся бризы, горно-долинные (склоновые) и ледни­ковые ветры. Эти ветры выражены тем отчетливее, чем меньше ско­рость воздушного потока более крупного масштаба.

Под влиянием механических воздействий со стороны местных препятствий (гор, возвышенностей, лесов, строений) воздушный по­ток также испытывает возмущения: на наветренной стороне он со­вершает восходящие, на подветренной — нисходящие движения; в долинах, горных ущельях скорость потока увеличивается и т. п. Та­кие местные ветры выражены тем отчетливее, чем больше скорость набегающего на препятствия воздушного потока. Эти ветры носят название фена, боры, стокового ветра и ветра горных проходов. Наибольших значений скорость ветра достигает в тех частях пре­пятствий, где воздух совершает нисходящее движение.

Местные ветры термического происхождения обладают хорошо выраженной периодичностью: в течение суток изменяется не только скорость ветра, но и направление. Закономерности суточного хода и распределения с высотой метеорологических величин над неодно­родной земной поверхностью существенно отличаются от рассмот­ренных в предыдущих параграфах закономерностей изменения этих величин над однородной поверхностью.

Рассмотрим кратко механизм возникновения наиболее широко распространенных местных движений воздуха.

В утренние часы, после восхода Солнца, суша и воздух над ней прогреваются значительно быстрее, чем море. Поскольку в более теплом воздухе давление падает с высотой медленнее, чем в холод­ном, изобарические поверхности приобретают наклон в сторону моря (рис. 21.10), тем более значительный, чем выше расположена изобарическая поверхность. Под влиянием барического градиента G ₂ на высотах начинается отток воздуха с суши на море (стрелка 1),

а над сушей возникает восходящее движение (стрелка 2). Вследст­вие увеличения массы воздуха над морем давление здесь на нижних уровнях повысится, а изобарические поверхности приобретут, на­клон в сторону суши. Под влиянием барического градиента в нижнем слое возникает движе­ние воздуха с моря на сушу (стрелка 3) — ветер, кото­рый носит название дневного бриза. Таким образом, когда установится замкнутая цир­куляция, называемая бризовой, изобарические поверх­ности будут располагаться так, как показано на рис. 21.10: одна из поверхностей (р*) горизон­тальна, выше нее поверхности наклонены в сторону моря, ниже — в сторону суши.

В слое от земной поверхности до высоты в среднем около 200 м (на которой располагается изобарическая поверхность р *) ветер на­правлен с моря на сушу (дневной или морской бриз). В глубь суши и моря бризовая циркуляция распространяется в зависимости от раз­ности температур между сушей и водоемом на 10—20 км (иногда до 100 км). Скорость ветра при морском бризе в среднем составляет 3—5 м/с.

Ночью вследствие сильного выхолаживания суши возникает цир­куляция, противоположная по направлению дневной: в нижнем слое ветер направлен с суши на море (ночной бриз), в верхнем — с моря на сушу. В тропических широтах бризовая циркуляция наблюдается круглый год, в умеренных и высоких широтах — только летом.

Горно-долинным (склоновым) ветром называется ветер, возника­ющий под влиянием горизонтальной разности температур между склоном горы и атмосферным воздухом на той же высоте над доли­ной. Днем склоны гор, обращенные в сторону Солнца, имеют более высокую температуру, чем воздух на той же высоте над долиной, т. е. наблюдается горизонтальный градиент температуры, направ­ленный от склона горы в сторону долины. Под влиянием этого гра­диента возникает замкнутое движение (циркуляция) воздуха: в нижнем слое ветер направлен из долины вдоль склона горы, в верх­нем — от склона горы в сторону долины. Ночью склоны горы охлаждаются быстрее, чем воздух на той же высоте. Следствием этого процесса является движение воздуха, которое по направлению противоположно дневному.

Обратим внимание на то, что, поскольку долины, как правило, не горизонтальны, а имеют уклон в ту или другую сторону, то, наря­ду с составляющей скорости ветра, перпендикулярной оси долины, возникает движение воздуха вдоль оси долины: в сторону подъема долины днем и в обратном направлении ночью.

В том случае, когда склоны гор покрыты ледником, горизонта­льный градиент температуры днем и ночью направлен от долины в сторону ледника. Поэтому ледниковый ветер в нижнем слое всегда направлен от ледника к долине, в верхнем — от долины к леднику, при этом над ледником наблюдается нисходящее, а над долиной — восходящее движение воздуха. Скорость ветра увеличивается но­чью и уменьшается днем (под влиянием термических факторов).

Пусть воздушный поток встречает на своем пути некоторый гор­ный хребет. При вынужденном подъеме по наветренному склону хребта воздух будет охлаждаться сначала сухоадиабатически, а за­тем (выше уровня конденсации) псевдоадиабатически. Из образо­вавшегося на наветренном склоне облака должен выпадать дождь с тем, чтобы понизилось влагосодержание воздуха. Последующее опускание воздуха по подветренному склону будет происходить су­хоадиабатически, если вся капельная вода выпала на наветренном склоне. В результате к основанию подветренного склона хребта воз­дух придет более теплым и сухим, чем пришел к основанию навет­ренного склона. Этот теплый и сухой воздух на подветренном скло­не хребта и называют феном или фёновым ветром.

Так, если на некотором уровне р = 970 гПа, Т = 25 "С и / = 60 % (s = 12 %о), то после подъема и опускания температура воздуха по­высится до 34,6 °С, а относительная влажность уменьшится до 20 % (при условии, что при подъеме за счет выпадения осадков массовая доля водяного пара уменьшилась до 7 %о).

Следует подчеркнуть, что для возникновения фёнового ветра не­обходимо не только наличие горы, но и вполне определенное распре­деление атмосферного давления в горизонтальной плоскости, а именно: оно должно быть высоким по одну сторону хребта и низким по другую. Так, когда южнее Альп располагается антициклон, а се­вернее — циклон, то на южных склонах гор наблюдаются осадки, а на северных сильный и сухой фён с юга. При повышенном давлении к северу от Альп и пониженном — к югу от них на северных скло­нах выпадают сильные осадки, а на южной стороне Альп наблюда­ется безоблачная погода при северном сухом и горячем ветре. Ино­гда феном называют движение, возникающее под влиянием общего опускания воздуха в антициклоне. В этом случае фён наблюдается на обеих сторонах горного хребта (можно только отметить, что при этом высокие температуры и низкая относительная влажность на­блюдались бы и при отсутствии гор).

Следует иметь в виду, что подъем воздуха по склону горы сопро­вождается уменьшением кинетической энергии, которая переходит в потенциальную. Вследствие этого скорость движения воздуха по мере подъема по склону замедляется и на некотором уровне обраща­ется в нуль, в результате чего происходит накопление воздуха и рас­тет давление на наветренном склоне хребта. Поэтому нередко, в процессе переваливания воздушного потока через горы, часть его начинает стекать обратно по горному склону навстречу общему на­правлению переноса воздушной массы. При этом воздух также на­гревается и иссушается, а скорость ветра может достигать больших значений (таково происхождение известного своей сухостью и поры­вистостью сильного юго-восточного ветра в районе Алма-Аты).

Продолжительность фена колеблется от нескольких часов до не­скольких суток; периоды усиления ветра сменяются периодами его ослабления; наибольших значений скорость ветра достигает в доли­нах, по которым на подветренной стороне хребта поток стекает в виде струй.

Характерная особенность фена — образование плотных облаков, которые наблюдаются на наветренной стороне хребта и нависают в виде шапки (стены) на подветренной стороне, где их нижняя грани­ца и вертикальная поверхность резко очерчены. Иногда фёновые об­лака имеют вид вала (воротника), висящего над горным хребтом. Отметим, что фёновое облако только внешне кажется неподвижно висящим над горным хребтом. В действительности происходит не­прерывное обновление этого облака: воздушным потоком капли вы­носятся на подветренную сторону и, опустившись ниже уровня кон­денсации, испаряются; на наветренной же стороне и над хребтом об­разуются все новые и новые капли.

Под влиянием осадков на наветренной и отчасти на подветрен­ной стороне хребта, высоких температур и сухости воздуха при фене наблюдается стремительное таяние и испарение снежного покрова, сопровождающиеся наводнениями, обвалами и селевыми потоками в горах. Фёновые явления широко распространены на всех матери­ках планеты.

В усилении ветров механического происхождения большую роль играет сила тяжести. Это относится к боре — штормовому холодно­му ветру, направленному вдоль склона горы или возвышенности в сторону моря (например, в районе Новороссийска). Бора формирует­ся преимущественно зимой, когда над холодным материком уста­навливается антициклон, а над теплым водоемом — область низкого давления (на Черном море это чаще всего глубокий циклон, при­шедший со Средиземного моря). Воздушный поток, переваливший через невысокий хребет, будет усиливаться при опускании вдоль поверхности склона, если стратификация атмосферы над морем не­устойчивая (такие условия как раз и наблюдаются зимой): в этом случае кинетическая энергия возрастает за счет энергии неустойчи­вости.

Скорость ветра при боре достигает 30—40 м/с, при порывах она может быть вдвое и даже втрое больше.