Текст книги "Тропопaузa и мaксимaльный ветер нaд территорией Кaзaхстaнa"

§ 5. О полетах вблизи тропопаузы

Современные турбовинтовые итурбореактивные самолеты летают на высоте поверхностей 300-200 мб, т.е. внепосредственной близости от слоя тропопаузы.

Сверхзвуковые самолеты летают на высотах, близких к поверхности 100 мб, т. е. выше тропопаузы. Однако для обеспечения полетов исверхзвуковых самолетов сведения о распределении метеорологических элементов вслое тропопаузы тоже очень важны, т.к. при наборе высоты иснижении им приходится преодолевать слой тропопаузы. Кроме того, переход к сверхзвуковой скорости наиболее целесообразно осуществлять на уровне тропопаузы, потому что здесь, как правило, отмечаются самые низкие температуры и К.П.Д. двигателей максимальный [3, 20].

Кроме того, возникающие при переходе на сверхзвуковую скорость звуковые волны имеют вэтом случае максимальное затухание, что существенно ослабляет звуковой удар у поверхности земли.

Важность сведений о распределении метеорологических элементов в слое тропопаузы объясняется их предельными значениями и большой пространственно-временной изменчивостью. Так, по данным [30] изменения высоты тропопаузы превосходят изменения высот изобарических поверхностей, а изменения температуры достигают по величине максимальной изменчивости температуры изобарических поверхностей.

Одним из наиболее опасных для современной авиации метеорологических явлений остается болтанка. Максимум повторяемости и наибольшая ее интенсивность всвободной атмосфере отмечается вблизи тропопаузы [5-9, 11, 13, 15, 18, 24, 40, 47]. Это усугубляется тем, что рядом с тропопаузой, как правило, близко располагается уровень с максимальной скоростью ветра или струйное течение [1,11,16,17,35-38,40,41].

Повышенная турбулентность, приводящая к болтанке, может наблюдаться инезависимо отналичия струйного течения вследствие образования коротких гравитационных волн на поверхности раздела [11].

Тропопауза является наиболее мощным задерживающим слоем ватмосфере. Она сводит к минимуму обмен через нее воздухом ипримесями между тропосферой истратосферой, втом числе влагой. Поэтому под тропопаузой всегда отмечается повышенная влажность, способствующая образованию конденсационных следов за самолетами.

Из-за повышенной влажности под тропопаузой отмечается ухудшение видимости идымка.

Задерживающий эффект тропопаузы зависит в первую очередь от высоты, мощности и разности температур вслое тропопаузы. Знание этих характеристик тропопаузы особенно важно при решении различных практических задач, например, скорости диффузии радиоактивных осадков из стратосферы втропосферу [24] и других примесей, например, озона.

Тропопауза является практически верхней границей распространения кучевой облачности. Вертикальные движения, возникающие в тропосфере, обычно не проникают через тропопаузу в стратосферу и наоборот.

Всякие резкие изменения характеристик тропопаузы приводяткрезкомуизменению условий полетов вблизи этого слоя. Поэтому особенно важное значение приобретает исследование условий, при которых отмечается тропопауза с экстремальными характеристиками.

При планировании полетов с заблаговременностью более3-5 суток по известной причине используют только среднемесячные значения характеристик, а не прогностические [49]. Если заблаговременность равна 1-2 дня, то, как правило, пользуются прогностическими значениями характеристик тропопаузы. При этом прогнозируется отклонение значений характеристик от среднемесячных. Следовательно, при обеспечении полетов с любой заблаговременностью необходимо иметь надежные среднемесячные значения характеристик тропопаузы в районе полетов. Такие данные и помещены здесь для территории Казахстана.

Контрольные вопросы к главе 1

1. Определение уровня тропопаузы.

2. Характерные точки в слое тропопаузы.

3. Определение первого типа тропопаузы.

4. Определение третьего типа тропопаузы.

5. Определение второго типа тропопаузы.

6. Определение четвертого типа тропопаузы.

7. Пятый тип тропопаузы.

8. Шестой тип тропопаузы.

9. Седьмой тип тропопаузы.

10. Восьмой тип тропопаузы.

11. Девятый тип тропопаузы.

12. Нулевой тип тропопаузы.

ГЛАВА II
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЯРНОЙ ТРОПОПАУЗЫ

§ 1. Температура и высота тропопаузы зимой

Для зимнего периода характерна значительная меридиональность в направлении изолиний высоты тропопаузы (изогипс) и изотерм. В это время отмечаются две области холодной тропопаузы, как в среднем за зиму, так и в каждом отдельном месяце (рис. 10, 12, 14, 16).

Первая из этих областей расположена на северо-западе (район Актобе), а вторая – на северо-востоке (район Караганды-Павлодара).

Рис. 10. Зима. Температура полярной тропопаузы (°С).

Температура в центре этих областей почти не изменяется в течение всей зимы и близка к минус 63 °C.

Положение изотерм изменяется от месяца к месяцу.

Ложбина холода, расположенная на западе и ориентированная к югу, в декабре имеет ось, проходящую примерно вдоль 58° восточной долготы (рис. 12).

Ось смежного с ней гребня тепла, ориентированного к северу, проходит примерно по 64° в.д. Непосредственно к этому гребню с востока примыкает вторая, также отчетливо выраженная ложбина холода, тоже ориентированная к югу.

И, наконец, второй гребень тепла намечается в районе Балхаша-Семея.

Мощный гребень тепла, ориентированный в декабре почти по меридиану Костаная, в январе изменяет свое положение, и ось его проходит по линии Тараз–Костанай (рис. 14).

Рис. 11. Зима. Высота полярной тропопаузы (км).

Рис.12. Декабрь. Температура полярной тропопаузы (°С).

Рис. 13. Декабрь. Высота полярной тропопаузы (км)

В феврале южнее Костаная располагается седловина деформационного поля, образованная изотермами, и слабо выраженный гребень имеет ось, проходящую через Кызылорду на Жезказган (рис. 16).

Области холода в этом месяце достигают максимального развития и почти сливаются в единую зону холода, охватывающую большую часть северной и центральной территории Казахстана. Гребень тепла в это время прослеживается только на самом юге территории.

Распределение высоты тропопаузы зимой хорошо согласуется с полем температуры. В декабре отмечается ложбина низких высот на северо-востоке, соответствующая расположенной здесь ложбине холода (рис. 13). Однако ложбина изолиний высоты более развита и, постепенно поворачивая к юго-западу, хорошо прослеживается даже в районе Кызылорды.

Ложбине холода на западе не соответствует столь четкая ложбина низких значений высоты, как это имеет место на востоке.

Рис. 14. Январь. Температура полярной тропопаузы (°С).

Так, в декабре изогипсы в районе Актобе–Иргиз имеют лишь слабо выраженную циклоническую кривизну. В январе такая кривизна прослеживается лишь севернее Актобе (рис. 15), и только в феврале имеется хорошо выраженная ложбина с осью, проходящей по линии Актобе – Атырау (рис. 17).

В среднем же за зиму эта ложбина прослеживается только в районе Актобе и севернее его (рис. 11).

Над юго-восточными районами в течение всей зимы отмечается относительно высокое положение тропопаузы (около 10450 м – в среднем за зиму). В декабре большие высоты оформлены в виде замкнутой области (10.600 м). В феврале изолинии оформляют четко выраженный гребень, а в январе изолинии высоты проходят почти зонально, образуя небольшой гребень ориентированный по линии Алматы–Балхаш – Караганда (рис. 13, 15,17).

Гребню температуры над центральными районами соответствует довольно изменчивое в течение зимы поле высот.

Рис.15. Январь. Высота полярной тропопаузы (км).

Если в декабре прослеживается хорошо выраженный гребень между долготами 80-70° в. д., то в январе севернее Жезказгана оформлена замкнутая область больших высот. Южнее – слабо выраженная ложбина, а севернее – столь же слабо выраженный гребень (рис. 12, 14, 16).

В феврале в этом районе наблюдается зона разреженных изогипс. В этом районе высоты хорошо согласуются со средней за зиму картой температуры. В общем же можно сказать, что в зимний период области холода в основном, хорошо согласуются с областями низкой, а области тепла – с областями высокой полярной тропопаузы.

Рис. 16. Февраль. Температура полярной тропопаузы (°С)

Рис. 17. Февраль. Высота полярной тропопаузы (км)

§ 2. Температура и высота тропопаузы весной

От зимы к весне на всей территории Казахстана отмечается повышение температуры тропопаузы в среднем на 3-4 °C на севере ина 2-3 °C на юге (таблица 2 Приложения).

Более значительное изменение температуры на севере указывает на то, что в этот период определяющее влияние оказывают радиационные условия нижней стратосферы.

Зимой в северных широтах продолжительность светлого времени меньше, а летом – больше, чем в южных. За весенний период на севере происходит увеличение продолжительности светлого времени, а, следовательно, и количества поглощаемой в нижней стратосфере радиации в значительно больших пределах, чем на юге.

Интенсивное поглощение радиации слоем озона приводит к прогреву всей нижней стратосферы, откуда часть тепла передается слою тропопаузы, способствуя повышению ее температуры более значительному на севере, чем на юге [44].

Рис. 18. Весна. Температура полярной тропопаузы (°С)

Рис. 19. Весна. Высота полярной тропопаузы (км)

На это указывает и существенное увеличение градиентов температуры в слое тропопаузы от зимы к весне (таблица 24 Приложения). Они достигают максимума в годовом ходе над большей частью территории.

Весной, как и зимой, на северо-западе республики располагается область холодной тропопаузы (рис. 18). Наиболее ярко эта область оформляется к маю: широкая ложбина, охватывающая весь запад Казахстана, в то время как в марте и апреле четко выраженная область холода прослеживается только на северо-западе (рис. 20, 22, 24).

Область тепла над центральными районами сохраняется ивесной. Но если в первую половину зимы эти области оформляются гребнем, то в течение всей весны они выражаются тремя областями тепла: одна в районе Аральск –Кызылорда, другая, самостоятельная, над центральными районами и третья, менее выраженная – на севере-востокетам, где зимой располагалось область относительно низких температур.

Рис. 20. Март. Температура полярной тропопаузы (°С)

Рис. 21. Март. Высота полярной тропопаузы (км)

Рис. 22. Апрель. Температура полярной тропопаузы (°С)

Самой характерной особенностью распределения температуры тропопаузы весной является то, что на юго-востоке прослеживается четко выраженная область холода. Она появляется в марте юго-восточнее Балхаша, к апрелю уже распространяется до Караганды. В маеизолиния, оформляющая этот холод, проходит от Тараза почти меридионально на район озера Тенгиз и далее – на Астану.

В отличие от полученных нами результатов, в новейшей работе по тропопаузе на картах средней температуры за весенние месяцы только в марте прослеживается слабо выраженный очаг холода на северо-востоке от территории Казахстана, частично захватывающий и его восточные районы.

Надо полагать, что по материалам наблюдений 1958-1965 гг., использованным в работах [2,4], не было возможности также уверенно проследить развитие этой холодной области тропопаузы из месяца в месяц и определить четко ее границы, как по материалам 1966-1970 гг., использованным в нашей работе.

Рис. 23. Апрель. Высота полярной тропопаузы (км)

Следует особо отметить, что область тепла в районе Кызылорда – Аральск– Жезказган, немного видоизменяясь, сохраняется с декабря по май.

На картах высоты тропопаузы за март и апрель над центральными районами хорошо прослеживается область разреженных изолиний высоты, соответствующая области тепла (рис. 21, 23).

На северо-западе и северо-востоке в марте и апреле отмечаются области относительно низких высот. Область на северо-западе согласуется с областью холода на картах температуры (рис. 20 -23), в то время как области на северо-востоке соответствует область тепла.

В мае согласованность между высотой и температурой тропопаузы почти по всей территории существенно нарушается. Изогипсы принимают направление, близкое к зональному, а температура имеет распределение, характерное для весны (рис. 24, 25).

На карте средней температуры тропопаузы (рис. 19), как и следовало ожидать, весной хорошо прослеживается самостоятельная область тепла над центральными районами, которая подпирается гребнем тепла, расположенным над южными районами.

Над западными районами область холода занимает положение, аналогичное зимнему, а температура ее в центре повышается на 3-4 °C.

Рис. 24. Май. Температура полярной тропопаузы (°С)

Рис. 25. Май. Высота полярной тропопаузы (км)

Область холода на востоке по сравнению с зимой сильно смещена к юго-востоку. Эта ложбина холода ориентирована на северо-запад, а температура в ней по сравнению с зимой повысилась на 2-3 °C.

§ 3. Температура и высота тропопаузы летом

В начале лета очаг холода на юго-востоке Казахстана исчезает, и изотермы здесь принимают направление, близкое к широтному.

Область холода на западе сохраняется, несколько сглаживаясь. В тоже время на северо-востоке вместо области тепла, весной формируется область холода вдоль линии Павлодар – Балхаш).

Между долготами 60-70° в.д. в июне сформирован гребень тепла, аналогичный зимнему. А в июле-августе и в среднем за лето изотермы очень близки к широтному направлению (рис. 26,28, 30, 32).

Рис. 26. Лето. Температура полярной тропопаузы (°С)

В августе отмечается наибольшая разность температур между югом и севером в годовом ходе и достигает 10 °C.При этом наибольшее понижение температуры происходит над южной частью территории примерно до 47-48° с.ш. Севернее это понижение существенно замедляется.

Рис. 27. Лето. Высота полярной тропопаузы (км)

Рис. 28. Июнь. Температура полярной тропопаузы (°С)

В июне над юго-востоком территории отмечается область повышенной, а над северо-западом – пониженной тропопаузы (рис. 29). Область холода с центром в районе Караганды отражения в поле распределения высотытропопаузы не находит (рис. 28 и 29).

В июле высота тропопаузы с юга на север понижается очень незначительно, примерно на 500 м. Над северо-западными районами отмечаются минимальные высоты, а над юго-восточными – максимальные (рис. 31).

В июле-августе формируется перемычка высокой тропопаузы, ориентированная из района Семея на Караганду и далее – на северо-запад. Севернее и южнее этой перемычки высота полярной тропопаузы понижается (рис. 27, 31, 33).

К югу на фоне общего понижения тропопаузы от перемычки высоких ее значений отмечаются две области минимальных ее значений над крайними южными районами. Это районы Алматы и Кызылорды, между которыми наблюдается гребень более высокой тропопаузы, ориентированный на Тараз.

Рис. 29. Июнь. Высота полярной тропопаузы (км)

Рис. 30. Июль. Температура полярной тропопаузы (°С)

Рис. 31. Июль. Высота полярной тропопаузы (км)

В августе тропопауза над Кызылордой по сравнению с июлем поднимается на 310 м, а над Алматы – опускается на 230 м и здесь отмечается минимум высоты тропопаузы в ее годовом ходе.

Попытка вскрыть причину существования области относительно низкой полярной тропопаузы предпринималась в работах [21,23, 26,29,31-33,48]. Наиболее удовлетворительным считается объяснение, сделанное в [48] и др. Там высказывается мысль о том, что это не тропопауза, а верхняя часть субтропических фронтов, смещающихся в летний период к северу (особенно в июле-августе). У земли эти фронты проходят где-то южнее гор. Такое предположение удовлетворительно объясняет, почему минимальная высота тропопаузы отмечается в июле-августе.

Однако по нашим данным над крайним югом территории (Алматы, Тараз (на карте Жамбыл)) уже в мае начинается снижение высоты полярной тропопаузы после максимума в апреле. Второй максимум высоты тропопаузы в ее годовом ходе отмечается в октябре.

Рис. 32. Август. Температура полярной тропопаузы (°С)

Таким образом, не согласуясь с изменением средней температуры тропосферы, над югом Казахстана уже в мае отмечается тенденция к заметному понижению полярной тропопаузы, что трудно объяснить смещением субтропического фронта.

Маловероятно также, что этот минимум обусловлен вторжением интенсивных циклонов с севера [33], хотя над восточной частью Казахстанаи просматривается ложбина холода, достигающая Балхаша.

Обширность территории, над которой отмечается понижение тропопаузы, хотя и не везде значительное, позволяет предполагать, что причиной этого понижения является смещающееся сюда субтропическое струйное течение[56-59]. В силу особенностей распределения его характеристик по территории и во времени, а также особенностей рельефа, влияние этого течения на высоту полярной тропопаузы максимально в районе Алматы и Кызылорды.

Рис. 33. Август. Высота полярной тропопаузы (км)

На существование общих факторов, обуславливающих понижение тропопаузы над всей южной частью территории в теплый период, указывает и наличие преемственности в перестройке ее годового хода от пункта к пункту с увеличением широты (рис. 34).

Рис. 34. Годовой ход высоты (км) и температуры (°С) полярной тропопаузы в зависимости от широты

Примечательно, что в районе Жаркента, расположенного близко к Алматы, летний минимум высоты выражен очень слабо, а в отдельные годы практически не прослеживается вообще.

§ 4. Температура и высота тропопаузы осенью

Осенью снова формируются области пониженных температур на северо-западе и северо-востоке территории, которые занимают пока самое северное положение (рис. 35, 37, 39). На юго-востоке отмечается область высоких значений температуры, ориентированная в виде гребня на центральные районы, а затем – к северу. В районе Кызылординской области в сентябре отмечается поле разреженных изотерм (рис. 37).

Рис. 35. Осень. Температура, полярной тропопаузы (°С)

По сравнению с августом на юге республики температура тропопаузы понижается на 8-9 °C, а по северу – только на 2-3 °C.

Над центральными и западными районами в этом сезоне отмечается максимум высоты тропопаузы в ее годовом ходе (таблица 1 Приложения).

Высота тропопаузы в сентябре на юге тоже резко повышается (на 500-800 мб), а по северу в это время происходит понижение высоты тропопаузы на 100-200 м (рис. 38). Ось гребня, образуемого изогипсами и высоты, проходит примерно по линии Тараз – Костанай.

На северо-западе и северо-востоке отмечаются области относительно низких высот тропопаузы, совпадающие с областями холода на карте изотерм этого месяца (рис. 35-38, 40).

В районе Алматы все еще сохраняется область низкой тропопаузы при относительно высоких значениях температуры. В целом же по территориивсентябре поле высоты находится в хорошем соответствии с полем температуры.

Рис. 36. Осень. Высота полярной тропопаузы (км)

В октябре области холода на севере-западе и северо-востоке смещаются к югу, а температура в них понижается примерно на 3 °C (рис. 39). Ось гребня тепла над югом и центральными районами смещается к западу, а сам гребень выражен более четко, чем в сентябре.

Изогипсы тропопаузы принимают направление, близкое к широтному.

Связь между полями изогипс и изозотерм в октябре не прослеживается (рис. 39, 40).

В ноябре отмечаются самые низкие температуры в центральных районах Казахстана: Караганда – Амангельды – Актобе. Область холода формируется здесь замкнутой изотермой – 63,5 °C. При этом отмечается преимущественное развитие области холода на северо-востоке и распространение ее до самого юга территории (Тараз, Алматы) (рис. 41).

Рис. 37. Сентябрь. Температура полярной тропопаузы (°С)

Рис. 38. Сентябрь. Высота полярной тропопаузы (км)

Рис. 39. Октябрь. Температура полярной тропопаузы (°С)

Над восточной частью территории в ноябре, отмечается хорошее согласие между полями изогипс и изотерм. Ложбине холода здесь соответствует ложбина низкой тропопаузы (рис. 41, 42). Хорошо развитый гребень высокой тропопаузы, ориентированный из Кызылорды на Актобе, захватывает юг центрального района, и весь запад Казахстана. В районе Актобе образуется самостоятельная область высокой тропопаузы, замкнутая изогипсой 11200 м. Наблюдающиеся здесь осенью высоты тропопаузы являются максимальнымив ее годовом ходе.

На средней карте за сезон (рис. 35) видно, что для осени характерны не большие междуширотные градиенты температуры тропопаузы(около 1 °C между Алматы и Костанаем). В районе Актобе и Караганды хорошо прослеживаются самостоятельные области холодной тропопаузы. Хорошо развитая ложбина от области холода на северо-востоке ориентирована на Балхаш и далее – на Тараз. Только над крайним юго-востоком отмечается слабый гребень тепла.

Второй гребень тепла, как обычно, отмечается над югом центрального района, которому соответствует оформляющийся здесь гребень высокой тропопаузы.

На средней за сезон карте высоты тропопаузы все еще отмечается хорошо развитая, но не обширная ложбина низкой теплой тропопаузы в районе Алматинской области (рис. 35,36).

Рис. 40. Октябрь. Высота полярной тропопаузы (км)

В осенний сезон происходит перестройка тропопаузы от летней, когдаобластям холода чаще соответствует высокая, а областям тепла – низкая тропопауза, к зимнему, когда холодная тропопауза является одновременно и низкой, а теплая – высокой.

Средние значения температуры и высоты полярной тропопаузы за каждый месяц и по сезонам года для всех пунктов даны в таблицах 1 и 2 Приложения соответственно.