Климат и климатообразование

Климатическая система. Глобальный и локальный климат.

Климат (греч. — наклон) — это многолетний режим погоды, характерный для данной местности. Под климатом принято понимать усредненное значение погоды за длительный промежуток времени.

Климатические характеристики представляют собой статистические выводы из многолетних рядов наблюдений за погодой, прежде всего над следующими основными метеорологическими элементами: атмосферным давлением, скоростью и направлением ветра, температурой и влажностью воздуха, облачностью и атмосферными осадками. Учитывают также продолжительность солнечной радиации, дальность видимости, температуру верхних слоев почвы и водоемов, испарение воды с земной поверхности в атмосферу, высоту и состояние снежного покрова, различные атмосферные явления и наземные гидрометеоры (роса, гололед, туманы, грозы, метели и пр.).

Климатической нормой называют многолетние средние значения (годовые, сезонные, месячные, суточные и т. д.) метеорологических элементов, их суммы, повторяемость и др. Отклонение погоды от климатической нормы не может рассматриваться как изменение климата, например, очень холодная зима не говорит о похолодании климата.

Для характеристики климата используют также комплексные показатели: различные коэффициенты, факторы, индексы.

Специальные показатели климата применяются в прикладных отраслях климатологии, например, суммы температур вегетационного периода в агроклиматологии, эффективные температуры в биои технической климатологии, градусо-дни в расчетах отопительных систем. Для оценок изменений климата в будущем используют модели общей циркуляции атмосферы. Типы климата существенно меняются от экваториальной зоны к полярной, но климатические пояса являются не единственным фактором, влияющим на тип климата. Значительное влияние оказывают также близость моря, система циркуляции атмосферы и высота над уровнем моря.

Климатическая система представляет собой совокупность атмосферы, гидросферы, литосферы, криосферы и биосферы. Компоненты климатической системы непрерывно взаимодействуют и обмениваются между собой энергией и веществом. Состоянием климатической системы определяется глобальный климат.

Глобальный климат

Глобальный климат — статистическая совокупность состояний, проходимых климатической системой за несколько десятилетий.

Компоненты климатической системы делят на внешние и внутренние. Внешние:

• — приток солнечной радиации;
• — изменения состава атмосферы;
• — изменения очертаний океанов, суши, орографии и растительности.

Внутрение:

• — изменение газового и аэрозольного состава атмосферы;
• — взаимодействия атмосферы с океаном, с поверхностью суши и льдом (теплообмен, испарение, осадки);
• — облачность, снежный и растительный покров, рельеф и очертания материков.

Разделение на внешние и внутренние процессы зависит от периода времени, за который рассматривается состояние климатической системы.

Климатообразующими факторами называют физические процессы, определяющие внешние воздействия на климатическуюсистему, а также основные взаимодействия между звеньями климатической системы.

Состоянию глобального климата соответствуют свои закономерности в теплообмене, влагообороте и атмосферной циркуляции. Эти климатообразующие процессы определяют многолетний режим метеорологических величин и явлений погоды.

Распределение метеорологических величин в пространстве и времени определяет распределение локальных климатов на земном шаре.

Локальный климат — совокупность атмосферных условий, характерных для данной местности в зависимости от ее географического положения.

Климат является результатом физических процессов взаимодействия атмосферы и подстилающей поверхности. К основным географическим факторам климата относятся:

• — географическая широта;
• — высота над уровнем моря;
• — распределение на поверхности земного шара суши и воды, океанические течения, распределение водоемов на суше;
• — орография (формы рельефа) поверхности суши;
• — растительный, снежный и ледяной покров.

Основными климатообразующими процессами являются теплооборот, влагооборот и атмосферная циркуляция. В атмосферных условиях теплооборот объединяет сложные процессы получения, передачи, переноса и потери тепла в системе Земля — атмосфера. Кроме того, между земной поверхностью и атмосферой происходит обмен теплом путем теплопроводности. В передаче тепла внутри атмосферы важную роль играет перемешивание воздуха в вертикальном направлении. Существенное влияние на теплооборот оказывает горизонтальный перенос тепла воздушными течениями.

Суточный и годовой ход температуры воздуха зависят от притока солнечной радиации на разных широтах, распределения суши и моря, которые имеют разные условия поглощения радиации и соответственно по-разному нагреваются, а также от горизонтального переноса воздуха с океана на сушу и с суши на океан.

Между атмосферой и земной поверхностью постоянно происходит влагооборот. С водной поверхности, почвы и растительности в атмосферу испаряется вода, на что затрачивается большое количество тепла. В атмосфере водяной пар конденсируется — возникают облака и туманы. Осадки, выпадающие из облаков, уравновешивают. Количество осадков и их распределение определяются особенностями растительного покрова и интенсивностью земледелия.

Неравномерное распределение тепла в атмосфере приводит к неравномерному распределению атмосферного давления и, как следствие, к движению воздуха. На характер движения воздуха относительно земной поверхности большое влияние оказывает суточное вращение Земли, а в пограничном слое — трение.

Общая циркуляция атмосферы — это совокупность основных воздушных течений, которые реализуют горизонтальный и вертикальный обмен воздушных масс. Ее проявление зависит от возникающих в атмосфере волн и вихрей, перемещающихся с различной скоростью, а также от циклонов и антициклонов.

Общая циркуляция атмосферы является одной из характеристик состояния климатической системы. Циркуляционный фактор проявляется на фоне широтного распределения солнечной радиации. Неоднородность подстилающей поверхности осложняет циркуляцию атмосферы (муссоны, местные ветры), что увеличивает разнообразие климатов, усложняет схему широтных изменений.

Велика роль циркуляции атмосферы в переносе воздушными течениями влаги с водной поверхности на сушу и различиях в увлажнении материков. С перемещениями воздушных масс связаны основные изменения погоды.

Климат формируется под действием трех климатических факторов:

• — географического положения территории (определяется географической широтой местности), от которого зависит угол падения солнечных лучей, и соответственно, неодинаково нагревается поверхность Земли;
• — перемещение воздушных масс над сушей и морем (влажный воздух с моря приносит много осадков, а с суши движется сухой воздух),
• — характера подстилающей поверхности (горы задерживают воздух с океана, на климат морских побережий влияют морские течения, от высоты над уровнем моря зависит температура воздуха).

Влияние географической широты и распределения моря и суши на климат

Географическая широта определяет зональность в распределении элементов климата, в первую очередь солнечной радиации — источника энергии всех атмосферных процессов. Радиационный фактор определяет теплообмен и общую циркуляцию атмосферы. Солнечной радиации принадлежит главная роль в формировании климата.

Солнечная радиация поступает на верхнюю границу атмосферы в зависимости от географической широты. Движение нашей планеты вокруг Солнца определяет неравномерное распределение солнечного тепла в течение года, сезонность климата, неодинаково выраженную на разных широтах. метеорологический погода климат воздух Климат высоких слоев атмосферы имеет сильнее выраженную зональность, чем климат у земной поверхности, потому что влияние географической широты на распределение метеорологических величин с высотой заметнее, так как ослабевает влияние других факторов климата, связанных с земной поверхностью.

Зональность может нарушаться из-за влияния неравномерного распределения суши и моря. В Южном полушарии, где океаническая поверхность преобладает, а распределение суши более симметрично относительно полюса, чем в Северном полушарии, зональность в распределении температуры, давления, ветра выражена лучше.

Положение места относительно береговой линии существенно влияет на режим температуры, влажности, облачности, осадков, определяя степень континентальности климата. Так, на материке Евразия наблюдается возрастание годовой амплитуды температуры с запада на восток по мере удаления от Атлантического океана, с акватории которого осуществляется зональный перенос воздушных масс.

Под влиянием различий водной поверхности и поверхности суши формируются морской и континентальный климаты.

Континентальный климат лишен смягчающего влияния океана. Главное его отличие от морского климата — большие годовая и суточная амплитуды колебаний температуры. Влажность воздуха в континентальном климате меньше, чем в морском; уменьшаются облачность, количество осадков, скорость ветра. Над сушей происходит трансформация морских воздушных масс.

Океанические течения и климат

Океанические (морские) течения обусловливают резкие различия в температурном режиме поверхности морей и океанов и тем самым влияют на распределение температуры воздуха и атмосферную циркуляцию. Устойчивость океанических течений приводит к тому, что их влияние на атмосферу имеет климатическое значение. Из-за влияния океанских течений климаты западных и восточных побережий на одних и тех же широтах оказываются различными.

Океанические течения бывают теплыми и холодными. Течения, идущие от экватора, — теплые, а идущие к экватору — холодные. Поэтому в умеренных широтах климат западных побережий материков теплее, чем восточных, в тропических широтах — наоборот. Например, под влиянием теплого течения Гольфстрим и его отрога Северо-Атлантического формируется теплый и влажный климат Европы. Мощное холодное Перуанское течение прослеживается вдоль всего западного побережья Южной Америки до экватора и понижает там температуру на 4° С.

Безусловно, течения Мирового океана оказывают огромное влияние на погоду и климат районов, около которых они проходят. Гольфстрим — одно из самых мощных в Северном полушарии. Каждую секунду оно переносит около 135 млрд л воды. Гольфстрим — это большая разветвлённая система тёплых океанических течений в Северной Атлантике, охватывающих пространство от Мексиканского залива до Шпицбергена и Кольского полуострова. Течение состоит из Флоридского, Атлантического, Канарского, Норвежского, Шпицбергенского течений. Тёплые воды Гольфстрима близ берегов Европы оказывает отепляющее влияние — повышают температуру морских воздушных масс и влияют на распределение атмосферного давления, а, значит, и на атмосферную циркуляцию, а тем самым, и на климат Европы. Именно благодаря этому замечательному течению мы имеем крупный незамерзающий порт в Заполярье — Мурманск, воды которого не покрываются льдом даже в сильные морозы. Вполне вероятно, что колебания температуры Гольфстрима из года в год отражаются на условиях погоды отдельных лет и сезонов в Европе. Существуют прогнозы, в которых рисуются весьма страшные перспективы, связанные с изменением режима Гольфстрима — из-за таяния ледников его температура понизится и в Европе резко похолодает. Поэтому изучение взаимодействия океана и атмосферы — одна из самых важных задач современной метеорологии и родственных ей наук. От успеха решения этой задачи зависит и возможность решения одной из самых сложных проблем — долгосрочного прогнозирования погоды. (Приложение Рис. 2, Рис 3).

Холодные течения уменьшают неустойчивость атмосферы, ослабляют вертикальность движения воздуха и обмен теплом и влагой. Испарение над холодными течениями менее интенсивно. Над ними и на границе их с теплыми течениями часто возникают туманы. В районах холодных течений увеличивается повторяемость. Над холодными водами в пассатной зоне исчезает конвекция и резко уменьшается облачность, что является фактором, поддерживающим существование так называемых прибрежных пустынь.

В настоящее время особый интерес вызывает гидрометеорологический феномен Эль-Ниньо (Ла-Ниньа), который является одним из самых ярких примеров взаимодействия океана и атмосферы.

Так назвали аномальное потепление поверхностных вод Тихого океана у берегов Эквадора и Перу, случающееся раз в несколько лет. В нормальные годы вдоль тихоокеанского побережья Южной Америки из-за подъема холодных глубинных вод, вызванного поверхностным холодным Перуанским течением, температура поверхности океана колеблется в сезонных пределах—от 15 до 19° С. В период Эль-Ниньо температура поверхности океана в прибрежной зоне повышается на 6−10° С. Колебания температуры поверхностного слоя океана от экстремально теплых к нейтральным или холодным происходят с периодами от 2 до 10 лет. В настоящее время термин «Эль-Ниньо» используют применительно к ситуациям, когда аномально теплые поверхностные воды занимают не только прибрежную область возле Южной Америки, но и большую часть тропической зоны Тихого океана вплоть до 180-го меридиана.

Существует постоянное теплое течение, берущее начало от берегов Перу и протянувшееся до архипелага, лежащего к юго-востоку от азиатского континента, которое представляет собой вытянутый язык нагретой воды. По площади оно равно территории США. Нагретая вода интенсивно испаряется и «накачивает» атмосферу энергией — образуются облака. Обычно пассатные ветры гонят слой этой теплой воды от Американского побережья в сторону Азии. Примерно в районе Индонезии, и над югом Азии проливаются муссонные дожди.

При Эль-Ниньо в районе экватора это течение прогревается сильнее, чем обычно, поэтому пассатные ветры ослабевают либо совсем не дуют. Нагретая вода растекается в стороны, идет обратно к американскому берегу. Возникает аномальная зона конвекции. На Центральную и Южную Америку обрушиваются дожди и ураганы. За последние 20 лет XX в. отмечены пять активных циклов Эль-Ниньо: 1982;1983,1986;1987, 1991;1993, 1994;1995 и 1997;1998 гг.

Явление Ла-Ниньа — противоположность Эль-Ниньо, проявляется как понижение поверхностной температуры воды ниже климатической нормы на востоке тропической зоны Тихого океана. Такие циклы отмечались в 1984;1985, 1988;1989 и 1995;1996 гг.

Непривычно холодная погода устанавливается на востоке Тихого океана в этот период. Во время формирования Ла-Ниньо пассатные (восточные) ветры с западного побережья обеих Америк значительно усиливаются. Ла-Ниньа, как и Эль-Ниньо, чаще всего возникает с декабря по март. Различие в том, что Эль-Ниньо возникает в среднем один раз в три-четыре года, а Ла-Ниньа — раз в шесть-семь лет. Оба явления несут с собой много ураганов, но во время Ла-Ниньа их бывает в три-четыре раза больше, чем при Эль-Ниньо.

Согласно последним наблюдениям, достоверно наступление Эль-Ниньо или Ла-Ниньа можно определить:

• — если в районе экватора, в восточной части Тихого океана, образуется пятно воды более теплой (Эль-Ниньо), чем обычно, или более холодной (Ла-Ниньа);
• — при сравнении тенденции атмосферного давления между портом Дарвин (Австралия) и островом Таити: при Эль-Ниньо давление на Таити будет высоким, а в Дарвине — низким, при Ла-Ниньа — наоборот. Эти явления представляют собой крупномасштабные изменения океанских температур, осадков, атмосферной циркуляции, вертикальных движений воздуха над тропической частью Тихого океана.

В годы Эль-Ниньо на земном шаре наблюдаются аномальные погодные условия. В тропиках увеличивается количество осадков над районами к востоку от центральной части Тихого океана, а на севере Австралии, в Индонезии и на Филиппинах осадков выпадает меньше нормы.

Орография и климат

Влияние орографии (высоты и взаиморасположения неровностей на земной поверхности) особенно значительно в горных районах. Климатические условия могут сильно различаться в зависимости от высоты места.

Атмосферное давление с высотой падает, солнечная радиация и эффективное излучение возрастают, температура и удельная влажность убывают.

В горах на климатические условия влияют высота местности над уровнем моря, высота и направление горных хребтов, экспозиция склонов, направление преобладающих ветров, ширина долин и крутизна склонов. Здесь возникают местные системы циркуляции — горно-долинные и ледниковые ветры. Для гор характерно изменение с высотой облачности и количества осадков, которое, как правило, сначала возрастает, но выше некоторого уровня уменьшается. Там, где осадки выпадают в виде снега и не тают, возникают ледники.

Климатическим различиям в горах способствует разная экспозиция склонов, их неодинаковое положение по отношению к господствующим ветрам. Форма рельефа оказывает влияние на суточный ход температуры. Горы являются барьерами, задерживающими перенос масс холодного или теплого воздуха, и создают резкие разделы в распределении температуры на больших географических пространствах.

В связи с перетеканием воздушных течений через хребты на наветренных склонах гор увеличиваются облачность и количество осадков. На подветренных склонах возникают фены с повышением температуры и уменьшением влажности. Над горами возникают волновые возмущения воздушных течений и особые формы облаков. Над нагретыми склонами гор также увеличивается конвекция и, следовательно, облакообразование. В результате создается высотная климатическая зональность, которая определяется тем, что изменение метеорологических величин с высотой сопровождается изменением всего комплекса климатических условий, формируя вертикальную поясность климатов, осложняющую горизонтальную широтную климатическую зональность. В горах с высотой происходит смена типов растительности. Сначала идут лиственные леса. В сухом климате они начинаются не от подножия гор, а на некоторой высоте, где температура понижается, а количество осадков возрастает. Затем идут хвойные леса, кустарники, альпийская растительность из трав и стелющихся кустарников. За снеговой линией следует зона, где весь год сохраняется снежный (ледяной) покров. Смена высотных климатических зон в горах за полярным кругом сводится к смене зоны тундры зоной постоянного мороза.

Верхняя граница леса в районах с сухим континентальным климатом находится выше, чем в районах с влажным океаническим климатом: на экваторе она достигает 3800 м, а в сухих районах субтропиков — выше 4500 м. От умеренных широт к полярным граница леса быстро снижается в связи с тем, что произрастание леса ограничено средней июльской температурой 10−12° С.

Граница земледелия в горах близка к границе леса; в сухом континентальном климате она проходит значительно выше, чем в морском. В умеренных широтах эта граница проходит на высоте порядка 1500 м. В тропиках и субтропиках полевые культуры выращивают на высоте около 4000 м, а на Тибетском нагорье — выше 4600 м.

Определенное влияние на климаты оказывает барьерная роль гор. Субмеридионально вытянутые горные хребты в умеренных широтах, способствуют трансформации воздуха, перемещающегося с океанов на сушу. Кордильеры, Скандинавские горы, отрезок Анд в умеренном поясе существенно меняют характер воздействия западного переноса на климаты территорий, находящихся восточнее этих горных систем. Переваливая через горные хребты мУВ прогревается и иссушается, трансформируется из морского в континентальный.

Влияние растительного и снежного покрова на климат

Метеорологические показатели — температура воздуха, осадки — определяют развитие органической жизни. Географическая зональность растительности хорошо увязывается с климатом. Однако растительный покров влияет в основном на микроклимат. Так, густой травяной покров уменьшает суточную амплитуду температуры почвы и снижает ее среднюю температуру, тем самым уменьшая суточную амплитуду температуры воздуха. Более существенное влияние на климат оказывает лес; над лесом может даже увеличиваться количество осадков вследствие шероховатости поверхности, над которой течет воздух.

Снежный (ледяной) покров уменьшает потерю тепла почвой и колебания ее температуры. Поверхность снежного покрова отражает солнечную радиацию днем и охлаждается излучением ночью, поэтому она понижает температуру приземного слоя воздуха. Весной на таяние снега тратится большое количество тепла, которое берется из атмосферы, поэтому температура воздуха над снежным покровом остается близкой к нулю. Над снежным покровом наблюдаются инверсии температуры: зимой — связанные с радиационным выхолаживанием, весной — с таянием снега. В полярных областях над постоянным снежным покровом даже летом отмечаются инверсии или изотермии.

Таяние снежного покрова обогащает почву влагой и имеет большое значение для климатического режима теплого времени года. Большое альбедо снежного покрова приводит к усилению рассеянной радиации и увеличению суммарной радиации и освещенности.

Области оледенения, занимающие значительные площади в Арктике и Антарктике, благодаря большой отражательной способности снега и льда (альбедо 90%) сильно снижают температуру воздуха в полярных районах, увеличивая контрасты температуры между высокими и низкими широтами. Под влиянием снежного (ледяного) покрова усиливается климатическая зональность.

Снежный покров — оказывает непосредственное климатообразующее влияние на холодный период года и косвенное — на теплый. Это приводит к значительному охлаждению поверхности снега и приземных слоев воздуха. В результате образуется дополнительное выхолаживание приземных слоев, усиливающее суровость зимы. Снежный покров отепляет почву, мощность снежного покрова имеет решающее значение для нормальной перезимовки многолетних растений.

Количество дней со снежным покровом возрастает к северо-востоку Сибири. В этом же направлении усиливается его охлаждающее влияние.

Растительный покров: чем больше выпадает осадков, продолжительнее период вегетации растений, тем больше испарение. Растительность, испаряя влагу, повсюду способствует формированию более умеренной температуры воздуха. Наиболее заметно влияние этого процесса сказывается в провинциях лесной зоны, слабее —в пустынях и тундрах. Степи влияют преимущественно в первой половине теплого периода года, пока имеются запасы влаги в почве.

Лес тормозит передвижение нижних слоев воздуха, рассекает их на отдельные потоки и создает многочисленные местные завихрения.

Вопрос о влиянии облесенности территории на атмосферные осадки нельзя считать вполне выясненным, хотя он обсуждается в литературе несколько десятилетий. В последних работах (С. И. Костин, Г. П. Калинин, О. А. Дроздов, А. П. Бочков) доказывается возможность увеличения осадков под влиянием леса.

Растительный покров, поглощая углекислоту и выделяя кислород, постоянно изменяет газовый состав тропосферы.