Добовий та річний хід швидкості вітру
У приземному шарі атмосфери швидкість вітру постійно змінюється. Але все ж таки на фоні цих змін спостерігається досить чіткий добовий хід швидкості вітру. Це помітно не лише в середньому за багато років, а й в окремі сонячні дні влітку. На суходолі найсильніший вітер спостерігається в середині дня, найчастіше між 12 та 16 годинами. Найменша швидкість вітру (аж до нуля) спостерігається вночі та вранці. Амплітуда добового ходу швидкості вітру на суходолі становить близько половини середньої добової швидкості вітру. Над морем добовий хід незначний.
Добовий максимум швидкості вітру пояснюється нерівномірністю нагрівання різних ділянок земної поверхні в результаті чого виникають місцеві горизонтальні баричні градієнти. Другою причиною денного посилення вітру є інтенсивний турбулентний обмін. Посилене денне переміщування вирівнює швидкості вітру в приземному шарі і вищими шарами. Повітря із значною швидкістю вітру зверху в процесі турбулентного обміну опускається вниз і збільшує швидкість вітру.
Посилення швидкості вітру до середини дня супроводжується поворотом напрямку вітру праворуч, за годинниковою стрілкою. Зменшення швидкості вітру увечері та вночі супроводжується поворотом вітру ліворуч. Це в північній півкулі, у південній – навпаки. Це також пов’язано із збільшенням турбулентності. При вирівнюванні швидкості вітру на різних рівнях відбувається наближення приземного вітру до геострофічного, тобто до напрямку ізобар.
У річному ході найбільша швидкість вітру спостерігається взимку. Це пов’язано з тим, що в цей час спостерігаються найбільші горизонтальні градієнти температури між полюсом та екватором. Крім того, взимку значно зменшується шорсткість земної поверхні: все вкрито снігом, на деревах відсутнє листя і вітру є де розгулятись.
Повітряні маси. Атмосферні фронти
Повітряні маси
Повітряні маси – це великі об’єми повітря у тропосфері з порівняно однаковою температурою, вмістом вологи та пилу. У процесі загальної циркуляції атмосфери великі об’єми повітря можуть тривалий час перебувати над однорідними ділянками земної поверхні. Під впливом радіаційного та теплового балансів цих ділянок поверхні це повітря набуває певних властивостей. Зміщуючись в інші райони земної кулі, повітряні маси переносять сюди свої властивості, а отже змінюють тип погоди. Переважаючи у певному районі протягом усього року чи окремих сезонів, повітряні маси формують характерний клімат даної місцевості. Звичайно, у процесі перенесення з одних районів в інші поступово змінюються їх властивості, тобто відбувається трансформація повітряних мас.
Відповідно до районів формування на земній кулі існує чотири типи повітряних мас. Це арктична (у південній півкулі антарктична), помірна (або полярна), тропічна та екваторіальна повітряні маси. Усі вони мають свої характерні властивості. Так, екваторіальне повітря дуже тепле з великим вмістом водяної пари, тропічне повітря так само дуже тепле, але дуже сухе, особливо на суходолі, помірне повітря дуже змінюється упродовж основних сезонів, а арктичне (антарктичне) холодне і має дуже мало водяної пари.
Усі ці типи повітряних мас у свою чергу поділяються на морські та континентальні. Особливо дуже відрізняються підвиди морського та континентального повітря тропічної повітряної маси та помірної.
За своїми термічними властивостями повітряні маси можуть бути теплими та холодними. Повітряні маси, які рухаються на холодніші ділянки (у вищі широти), називаються теплими. Вони зумовлюють підвищення температури, але самі охолоджуються у нижніх шарах. Тому тут бувають малі вертикальні градієнти температури, а часто навіть інверсії температури. Отже, це стійка стратифікація атмосфери, конвекція не розвивається, переважають шаруваті хмари та тумани .
Повітряні маси, які переносяться з холодної земної поверхні на теплу (з високих широт у нижчі), називаються холодними. У нових широтах вони знижують температуру повітря, часто дуже різко. Але на шляху перенесення холодна повітряна маса у нижніх шарах нагріваються від земної поверхні і в ній виникають великі вертикальні градієнти температури. Це призводить до розвитку конвекції, формування конвективних хмар і, як наслідок, випадіння опадів зливового характеру.
Інколи виділяють ще так звані місцеві повітряні маси, які довго перебувають у даному районі. Їхні властивості визначаються нагріванням чи охолодженням у нижніх шарах залежно від сезону.
Атмосферні фронти
Коли дві сусідні повітряні маси з різними характеристиками перебувають у спокійному стані, то між ними є широка перехідна зона, в якій поступово змінюється температура, вологість та інші характеристики. Якщо ж під дією різних чинників повітряні маси починають рухатись, то перехідна зона між ними різко скорочується, або іншими словами між ними утворюється фронтальна поверхня (мал. 6.19).
У місці перетину фронтальної поверхні з земною поверхнею утворюється атмосферний фронт. У зоні фронту при переміщенні від однієї повітряної маси до іншої досить різко змінюється температура, вологість, вітер та характер зміни атмосферного тиску. Фронтальні поверхні завжди нахилені у бік холодного повітря. Кут нахилу поверхонь дуже малий, усього кілька кутових мінут. Тангенс кута нахилу фронтальної поверхні змінюється в межах від 0,01 до 0,001. Кут нахилу залежить від температури повітряних мас, швидкості руху, географічної широти тощо. Отже, фронтальні поверхні дуже пологі. Тому на відстані від лінії фронту на сотні кілометрів фронтальна поверхня буде на висоті кількох кілометрів. Важке холодне повітря вузьким клином завжди буде перебувати під легким теплим повітрям.
Ширина фронту в горизонтальному напрямку мала у порівнянні з розміром повітряних мас, але все ж таки це не просто лінія. Ширина фронту становить кілька десятків кілометрів, найчастіше 30-40 км. Атмосферні фронти завжди розміщені в улоговині, інколи ці улоговини на синоптичній карті не чітко прослідковуються внаслідок великих відстаней між метеорологічними станціями.
Фронтогенез або механізм формування фронтів – це зближення об’ємів повітря з різними фізичними властивостями, тобто різні повітряні маси рухаються в зустрічних потоках хоч і з дуже малими кутами зустрічі. Коли ж характер руху повітряних мас змінюється, то існуючі фронти поступово розмиваються, тобто перетворюються в широкі перехідні зони (фронтоліз).
Інколи атмосферні фронти виникають під впливом характеру підстильної поверхні, наприклад, вздовж межі снігового покриву, вздовж межі полів криги.
Залежно від напрямків руху та інших причин атмосферні фронти поділяються на теплі, холодні та фронти оклюзії.
Якщо тепле повітря рухається у бік холодного то фронт називається теплим (мал. 6.20.а). Клин холодного повітря під натиском теплого повільно відступає і його місце займає тепле повітря.
Одночасно легке тепле повітря піднімається догори вздовж фронтальної поверхні, воно адіабатично охолоджується, відбувається конденсація водяної пари, утворюються потужні шаруватоподібні хмари. Висхідні рухи вздовж фронтальної поверхні повільні, це сантиметри за секунду. Характерні хмари Сі, Сs, Аs, Ns. Ширина зони атмосферних опадів на теплому фронті досягає 300-500 км взимку та 200-300 км влітку.
Вітер перед теплим фронтом, як правило, має південно-східний напрямок, а за фронтом південний або південно-західний. Теплі фронти розташовані в передній частині циклонів. Отже при проходженні теплого фронту спостерігається хмарна погода з облоговими атмосферними опадами з підвищенням температури повітря.
Якщо холодне повітря рухається в бік теплого, то фронт називається холодним (мал. 6.20. б,в). Холодне повітря тяжке, тому воно підтікає під тепле і витісняє його угору. Залежно від швидкості руху холодні фронти поділяють на фронти першого і другого роду. Фронти другого роду швидко-рухливі, дуже інтенсивно витісняють тепле повітря угору і біля лінії фронту утворюються потужні купчасто-дощові хмари, які обумовлюють зливові опади з грозами та шквалами. Такий фронт швидко проходить і за ним настає малохмарна погода(мал. 6.20 в).
Холодні фронти першого роду мають меншу швидкість руху, тому при їх наближенні біля лінії фронту також утворюються купчасто-дощові хмари, а за лінією фронту шарувато подібні, як і на теплому фронті, але розташовані у зворотному порядку Сb, Ns, Аs, Сs, Сі. У цьому випадку зливові опади поступово переходять в опади облогового характеру за лінію фронту (мал. 6.20.б,в).
Перед холодним фронтом вітер, як правило, має південний або південно-західний напрямок, а за холодним – західний або північно-західний, тобто при проходженні фронтів вітер повертає за годинниковою стрілкою. Отже, атмосферні фронти поблизу земної поверхні це лінії конвергенції, або лінії сходження повітряних потоків. Холодні фронти рухаються в тиловій (західній) частині циклонів. Тут після проходження основного холодного фронту всередині холодної повітряної маси можуть формуватись так звані вторинні холодні фронти, які менше виражені.
Холодні фронти завжди рухаються швидше, ніж теплі, тому вони наздоганяють останні. У цьому випадку, коли зливаються лінії теплого і холодного фронтів, новий фронт називається фронтом оклюзії. На фронтах оклюзії з’єднуються системи хмар обох фронтів, які займають величезні території.
Фронти оклюзії бувають за типом теплого (6.21. а) та холодного (6.21. б) фронтів. Якщо за холодним фронтом повітря тепліше, ніж перед теплим, то це повітря натікає на холодніше і піднімається угору вздовж фронтальної поверхні (мал. 6.21. а). Якщо ж за холодним фронтом повітря холодніше, ніж перед теплим, то воно підтікає під холодне повітря перед теплим фронтом. В обох випадках тепле повітря витісняється угору, де воно поступово охолоджується.
На синоптичних картах теплі фронти проводять червоним кольором, холодні – синім, а фронти оклюзії – коричневим.
В умовах атмосфери інколи фронти розташовані вздовж ізобар і з обох боків вітер має один і той же напрямок. Такі фронти зміщуються мало і їх називають стаціонарними або квазістаціонарними. Вони поступово розмиваються і перетворюються в широку перехідну зону.
Атмосферні фронти не існують постійно. Вони виникають заново, загострюються, розмиваються і повністю зникають. Надалі вони знову виникають в інших частинах атмосфери, тобто існують повсякчасно і їх легко можна виявити на щоденних синоптичних картах.