Лекции по "Навигационной гидрометеорологии"

Издавна известны морякам устойчивые в своем постоянстве или смене направлений ветры: пассаты, муссоны, бризы и др.

Пассаты — это устойчивые ветры тропиков северо-восточного в северном и юго-восточного в южном полушариях направлений, дующие на обращенной к экватору стороне субтропического центра действия атмосферы (рис. 1.4.9). Скорость пассатов невелика — в среднем 5—8 м/с у земной поверхности. Условия распределения атмосферного давления меняются в тропиках мало, поэтому пассаты обладают большой устойчивостью направления. Однако в течение сезона субтропический центр действия атмосферы может претерпевать определенные перестройки. Так, обычно над каждым океаном обоих полушарий в субтропиках формируется по одному антициклону. На ежедневных же картах погоды их может быть больше — часто два, иногда три над каждым океаном; над южной частью Тихого океана — до четырех. Вследствие этого пассаты обоих полушарий могут менять указанные выше направления. Аналогичное воздействие на направление пассатов может оказывать миграция центров субтропических антициклонов. Поэтому пассаты в одном и том же месте могут менять северо-восточное направление на восточное и юго-восточное, затем снова на северо-восточное и т. д.

Рис. 1.4.9. Субтропические антициклоны и пассатные ветры.

Муссоны — сезонные ветры, наиболее выраженные и устойчивые в тропических широтах, возникающие из-за термической неоднородности океан—суша. Муссоны, как и все другие воздушные течения на Земле, связаны с циклонической деятельностью. Режим тропических муссонов заключается в сезонном изменении положения субтропических антициклонов и экваториальной депрессии. Устойчивость муссонов связана с устойчивым распределением атмосферного давления в течение каждого сезона, а их сезонная смена — с коренными изменениями в распределении давления от сезона к сезону. Суммарные барические градиенты резко меняют направление от сезона к сезону, а вместе с этим меняется и направление преобладающих ветров.

Если по обе стороны от экватора находится океан, то сезонные смещения субтропического центра действия атмосферы невелики и муссоны не получают особого развития, например над Тихим океаном.

Другое дело с материками. Над Африкой, например, атмосферное давление меняется от января к июню очень сильно. Над центральными районами Африки летом господствует область повышенного давления, а зимой — гребень азорского антициклона; над южной Африкой зимой — также антициклон, а летом — глубокая депрессия. В связи с этим направление барических градиентов над побережьем тропической Африки от сезона к сезону меняется резко в широкой зоне, что и является здесь причиной муссонных ветров.

Рис. 1.4.10. Муссоны над Азией - а — зимой, б — летом. 

 

Особенно ярко выражена муссонная циркуляция в бассейне Индийского океана, где сезонные изменения температуры полушарий здесь усилены огромным материком Евразии к северу от экватора, прогретым летом и сильно охлажденным зимой. Зимний муссон в бассейне Индийского океана называют северо-восточным, а летний — юго-западным. На востоке Китая и в Корее зимний муссон — северный или северо-западный, а летний — южный или юго-восточный. Это зависит от структуры барического поля и направления изобар и, следовательно, направления барических градиентов (рис. 1.4.10).

БЕРЕГОВЫЕ И МОРСКИЕ БРИЗЫ.

Рассмотрим два столба воздуха, А и В, равного сечения. Первоначально плотность и давление воздуха на каждом уровне равны в обоих столбах. Столб А находится над сушей, а столб В - над соседним морем. Днем суша нагревается быстрее, чем море, воздух в столбе А становится теплее, чем в столбе В, и расширяется больше. За счет бокового расширения полная масса воздуха в столбе А уменьшится, и давление у основания столба А станет меньше, чем у основания столба В. Однако частично воздух расширится вверх, и поэтому выше некоторого уровня (возможно, одного километра) масса воздуха в столбе А превзойдет массу воздуха в столбе В, и горизонтальный градиент давления будет направлен от В к А (рис. 1.4.11а). Горизонтальный градиент давления, установившийся на каждом уровне, будет достаточен для развития циркуляционной ячейки, в которой ветер, дующий у поверхности, называется морским бризом (то есть бризом, дующим с моря на сушу).

Такие морские бризы наиболее вероятны в тихую погоду при безоблачном небе, когда контраст температур между сушей и морем максимален. Сила таких бризов возрастает в течение дня, к концу дня скорость ветра доходит до 10 м/с, они захватывают все большую площадь и проникают к вечеру на 50 км в глубь суши. Морские бризы несут с собой холодный и влажный воздух на сушу, где процессы атмосферной неустойчивости приводят часто к образованию кучевых облаков на продвигающемся фронте бриза.

Рис. 1.4.11. Относительное расширение и сжатие столба воздуха над сушей и над морем и соответствующие положения изобар (а) днем и (б) ночью. 

 

Ночью устанавливается обратный контраст температур между сушей и морем, и горизонтальные градиенты давления и циркуляция меняют знак (рис. 1.4.116). Около поверхности в этом случае дует береговой бриз, который обычно намного слабее, чем морской (2-3 м/с). Чаще всего он бывает в ясные ночи, когда ветер, вызванный другими причинами, слаб. Эти условия способствуют образованию радиационного тумана, который береговой бриз несет с суши на море.

Когда начинает развиваться береговой или морской бриз, на движущийся воздух начинают действовать вторичные силы. В низких широтах сила Кориолиса, зависящая от широты, похоже, не играет большой роли в процессах с такими временными и пространственными масштабами, которые характерны для морского и берегового бризов, и поэтому между горизонтальным градиентом давления и трением устанавливается равновесие. Однако в высоких широтах сила Кориолиса становится более существенной и заставляет ветер поворачивать, так что он уже не будет строго перпендикулярен береговой линии.

ГОРНО-ДОЛИННЫЕ ВЕТРЫ

Температурные контрасты воздуха, аналогичные тем, что наблюдаются в случае морского и берегового бризов, встречаются также в горных районах. Ночью, когда вершины гор охлаждаются наиболее быстро, что приводит к сжатию воздуха, устанавливается система циркуляции, подобная береговому бризу. В этом случае, однако, наклон поверхности приводит к отеканию вниз более холодного и плотного воздуха, в результате чего скорость ветра оказывается намного больше, чем в береговом бризе. Эти горные (катабатические) ветры могут быть особенно сильными, если горы покрыты снегом или льдом, а также, если ветер дует в узких ледниковых расщелинах или фьордах, как, например, в Гренландии. Горные ветры или ветры, имеющие такую составляющую, часто характерны для определенных районов и имеют свои, местные названия. Так, в бассейне Адриатического моря горный ветер, дующий с северо-востока и чаще всего зимой, известен под названием бора. Мистраль, дующий в долине Роны и над Лионским заливом, связан с наличием горизонтального градиента давления с северо-запада на юго-восток, но значительно усиливается благодаря местному горному ветру. Когда такие ветры достигают моря, они, будучи холодными и сухими, вызывают охлаждение воды и увеличивают испарение. Это приводит к увеличению плотности воды, что в свою очередь порождает конвективное перемешивание воды, действующее наряду с механическим турбулентным перемешиванием.

В летние дни горы, в особенности их склоны, обращенные к солнцу, нагреваются сильнее, чем соседние долины. Это приводит к установлению циркуляции, подобной морскому бризу, со слабым долинным (анабатическим) ветром, направленным вверх по склону. При этом над вершинами и хребтами гор развивается конвективная облачность. 

 

Бора—сильный и порывистый ветер, дующий с невысоких гор в сторону теплого моря. Бора относится к так называемым катабатическим ветрам, связанным со стоком холодных плотных воздушных масс по склонам гор в сторону моря.

Ветры, подобные Новороссийской и Новоземельской боре, известны во многих других морях Мирового океана: Бакинский норд на Каспийском море, мистраль — на Средиземноморском побережье Франции, нортсер — в Мексиканском заливе (Мексика, США) и др.

Причиной боры является прохождение холодного фронта через прибрежные хребты. Холодный воздух резко переваливает через невысокие горы (особенно ветер усиливается на перевалах) и низвергается плотным потоком в сторону близкого теплого моря.

В проливах, узкостях, фиордах при плавании вдоль берегов, у мысов, оконечностей островов и пр. могут быть особенности ветрового режима, связанные с береговым (угловым) эффектом. Подобно об этих особенностях изложено в гидрометеорологических очерках лоций.

Влияние широты на силу ветра.

При определении силы ветра по расстоянию между изобарами необходимо также учитывать, для какой географической широты производится оценка. Один и тот же градиент давления в низких (тропических) широтах вызывает более сильные ветры, чем в высоких (полярных) широтах.

Действительно, если посмотреть на синоптическую карту, то можно заметить, что .в области пассатных ветров градиент давления вдвое меньше, чем в северо-восточной части Атлантического океана. Однако, несмотря на это, пассатные ветры несколько сильнее, чем ветры, дующие в северо-восточной части Атлантического океана (60° с. ш.).

И это понятно, так как скорость ветра (если силой трения пренебречь) равна

 

Следовательно, относительно небольшой градиент давления в низких широтах может вызвать такую же силу ветра, как и относительно большой градиент давления в высоких широтах. 

 

Местные факторы, влияющие на ветер

В прибрежной зоне морей и океанов наблюдаются местные факторы, которые изменяют скорость и направление ветра. Заметим, что ветер, дующий с моря на сушу, после пересечения берега будет отклоняться влево и ослабевать. Напротив, ветер, направленный с суши на море, отклоняется вправо и усиливается.

Ветер, дующий вдоль берега, в прибрежной зоне всегда усиливается, если суша располагается справа от направления ветра, и ослабевает, если слева. Береговой эффект усиления или ослабления силы ветра будет особенно ярко выражен там, где ветер обтекает примыкающие к берегу горные цепи или плато. Вследствие обтекания препятствия воздушным потоком возникает сближение его линий тока, что приводит к усилению ветра у мысов, полуостровов и ослабление ветра в заливах и бухтах. Необходимо помнить, что в местах, где направление ветра касательно к оконечности полуострова или мыса и при этом суша остается справа от направления ветра, ветер будет наиболее сильным (рис. 1.4.12а).

Рис. 1.4.12. Влияние рельефа на ветер. 

 

Следует также иметь в виду, что у возвышенных побережий (Алжир, Северная Испания, Гренландия и т. п.) наблюдается усиление ветра, когда изобары пересекают береговую линию под острым углом (рис. 1.4.126). Как видно на рисунке, зона сильных ветров располагается на некотором удалении вдоль берега, поэтому, чтобы не попасть в эту зону, судам следует плыть вдали от берега или в непосредственной близости от пего.

Скорость ветра также увеличивается в проливах (рис. 1.4.13), причем в них преобладают ветры, дующие вдоль пролива по направлению барического градиента. Следует иметь в виду, что иногда увеличение скорости ветра в проливе достигает 20 м[сек.

Рис. 1.4.13. Усиление ветра в проливах. 

 

Наблюдения за ветром на судне.

Во время движения судна дующий над морем ветер (истинный ветер) геометрически складывается с курсовым ветром, скорость которого равна скорости хода, а направление — курсу судна. Движение воздуха относительно судна, появляющееся в результате такого сложения, принято называть кажущимся ветром.

Кажущийся ветер, как и истинный, является векторной величиной, характеризующейся также скоростью и направлением, которые выражаются в тех же единицах, что и параметры истинного ветра, однако направление кажущегося ветра определяется либо по отношению к курсу судна (определяется курсовой угол кажущегося ветра), если направление определяется по прибору, либо по отношению к географическому меридиану, если направление определяется по компасу.

На рис. 1.4.14 представлена графическая взаимосвязь векторов: кажущегося, курсового, истинного ветра и скорости хода судна.

Рис. 1.4.14. Графическое представление истинного, кажущегося, курсового ветра и параметров движения судна. Vc — вектор скорости хода судна; Vc' — вектор скорости курсового ветра; Vk — вектор скорости кажущегося ветра; V— вектор скорости истинного ветра; dc — курс судна; dc — направление кажущегося ветра относительно курса судна (курсовой угол кажущегося ветра); dv, — направление истинного ветра относительно направления кажущегося ветра; d — направление истинного ветра относительно севера. 

 

Скорость и направление истинного ветра меняются непрерывно, недостаточно устойчивы и параметры движения судна, соответственно не постоянны во времени и параметры кажущегося ветра. По этой причине в практике наблюдений скорость и направление ветра при измерениях на судне осредняются за определенный промежуток времени, но не менее чем за 100 с.

На движущемся судне в срок наблюдения измеряют направление и скорость кажущегося ветра, скорость хода и курс судна и по ним рассчитывают скорость и направление истинного ветра.

Если судно лежит в дрейфе или стоит на якоре, то определяемые на нем скорость и направление ветра будут соответствовать скорости и направлению истинного ветра.

Скорость и направление кажущегося ветра на ходу судна следует измерять с помощью анеморумбометра М 138 или анеморумбометра М 63М-1 в комплекте с пультом МВ1-2-1, а при их отсутствии направление кажущегося ветра определяют по судовому компасу и вымпелу, а его скорость — с помощью одного из анемометров: