Высотные струйные течения в атмосфере. Струйные течения

Струйные течения - это сильный воздушный поток с горизонтальной осью в верхней тропосфере или нижней стратосфере, характеризующийся большими вертикальными и боковыми сдвигами ветра. Обычно струйное течение распространяется на тысячи километров в длину, сотни в ширину и несколько километров в толщину. Вертикальный сдвиг бывает порядка 5-10 м/с на 1 км, боковой - порядка 5-10 м/с на 100 км. Нижний предел скорости вдоль оси струйного течения выбран произвольно и равен 30 м/с. Сердцевина струйного течения, где скорость ветра мало отличается от скорости на оси, имеет ширину всего 50-100 км, а толщину 1-2 км.

В работах многих ученых выводы об особенностях распределения струйного течения делаются на основе анализа карт повторяемости сильных ветров (100 км/час) на изобарической поверхности 300 мб (9-10 км). По мнению этих исследователей такие карты отображают не только повторяемость сильных ветров на поверхности 300 мб (на высоте 9-10 км), но в большей степени и повторяемость струйного течения, т. к. скорости ветра 100 км/час, как правило, характерны только для струйного течения. В то же время забывалось, что главным признаком струйного течения является специфический характер поля ветра, определяемый наличием на некоторой высоте максимума скорости ветра, во все стороны от которого в плоскости вертикального разреза скорость ветра убывает. В связи с этим на вертикальном разрезе струйное течение представляется в виде замкнутых концентрических изотах ().

Очевидно, что сама физическая природа явления исключает необходимость введения ограничений величины максимума скорости ветра на оси струйного течения, так же как физически было бы неоправданно, например, применение каких-либо критериев для значений в центрах циклонов или антициклонов.

Наиболее простая картина распределения струйных течений в тропосфере представлена на. В тропических широтах до высоты примерно 18 км наблюдаются слабые и непостоянные восточные пассаты.

Между поясами низкоширотных и высокоширотных восточных ветров существует система устойчивых западных ветров, которую называют западным переносом. Западные ветры дуют в слое от поверхности земли и до уровня 20 км. В отдельных районах скорость этих ветров резко возрастает, тогда образуется два или три быстро движущихся потока внутри ветровой системы. Эти потоки и есть струйные течения. Самолеты, что летят с запада на восток, имеют преимущество перед теми, что летят с востока на запад, поскольку они могут воспользоваться этими струйными течениями.

Струйные течения связаны с высотными фронтальными зонами (ВФЗ). Скорость воздушного потока на оси струи тем больше, чем больше градиент температуры в свободной атмосфере. В тропосфере струйные течения особенно часто обнаруживаются в субтропических широтах, ось которых летом располагается в широтной зоне 35-45°, зимой в широтной зоне 25-35°. Это наиболее устойчивые и интенсивные струйные течения, чаще всего наблюдающиеся над западной частью Атлантического океана, районами Красного моря и Индии, над Тихим океаном юго-восточнее Японии.

Кроме того, различают арктические и полярнофронтовые струйные течения, наблюдающиеся в средних и высоких широтах, экваториальные, а также стратосферные. Арктические и полярнофронтовые струйные течения (на высотах 6-8 км) связаны с главными атмосферными фронтами - полярным и арктическим. Наибольшая повторяемость и интенсивность этих струйных течений отмечается над восточными берегами Азии и Северной Америки. Над территорией России они чаще всего наблюдаются над Дальним Востоком, югом Западной Сибири, Уралом, а зимой - и над Средней Азией.

Вблизи оси струйного течения наблюдаются большие вертикальные градиенты скорости ветра, достигающие 20-25 м/с на 1 км высоты и 16 м/с на 100 км по горизонтали. В связи с этим сильная турбулентность , которая наблюдается в верхней тропосфере при ясном небе, в большинстве случаев связана со струйными течениями. Со струйными течениями связано образование облачности.

Статистические данные, основанные на донесениях экипажей самолетов, показывают, что турбулентность в струйных течениях, вызывающих болтанку самолетов, наиболее часто встречается на холодной (циклонической) стороне струи и несколько реже на теплой (антициклональной). Это объясняется тем, что на циклонической стороне струи вертикальный и горизонтальный градиенты скорости ветра примерно в 1.5 раза больше, чем на антициклональной.

Скорости воздушных течений на высотах зависят главным образом от характера поля температуры ниже лежащих слоев воздуха. Чем больше горизонтальные градиенты температуры в системе высотной фронтальной зоны, тем сильнее струйное течение, указывающее на наличие сильных ветров в этой зоне. Иначе говоря, в формировании и эволюции струйных течений главную роль играет распределение температуры в атмосфере и возникающие горизонтальные градиенты температуры.
Струйные течения, причинно связанные с высотными фрон­тальными зонами, возникают, усиливаются или ослабевают вследствие возникновения и разрушения тропосферных фрон­тов. В первом случае в результате сближения холодных и теп­лых воздушных масс горизонтальные градиенты температуры, давления и скорости ветра возрастают. Во втором случае при удалении друг от друга холодного и теплого воздуха градиенты температуры и давления уменьшаются, ветры ослабевают.
Струйные течения возникают в тропосфере и стратосфере. В тропосфере они почти постоянно наблюдаются в субтропи­ческой зоне северного и южного полушарий: зимой между ши­ротами 25 и 35°, летом между 35 и 45°. Струйные течения в тропосфере очень часто возникают и развиваются и во внетропических широтах, вплоть до Центральной Арктики и Ан­тарктики. В соответствии с районами их возникновения в тро­посфере различают субтропические и внетропические струйные течения.
Наибольшие скорости ветра в тропосфере обычно наблю­даются вблизи тропопаузы. Данные о распределении ветра на высотах показывают, что наибольшие скорости отмечаются чаще всего под тропопаузой и реже над тропопаузой. В страто­сфере они наблюдаются временами при определенных условиях циркуляции зимой на высотах 25-30 км.
Тропосферные струйные течения наблюдаются почти над всеми частями земного шара, но не везде одинаково часто. Есть, например, районы, где на высотах 9-12 км максималь­ные скорости в струе почти всегда превышают 200 км/час. В ча­стности, к таким районам относится Тихоокеанское побережье-Азии на широте 30-40°. Здесь, особенно над юго-восточной частью Китая и Японскими островами, в течение 6-8 месяцев, скорости воздушных потоков (преимущественно западного на­правления), превышающие 200 км/час, на высотах 9-12 км яв­ляются обычными.
Сильные струйные течения непрерывно возникают вблизи восточных берегов США и нередко над Канадой. Над Европой струи наиболее часто образуются в районе Британских остро­вов.
Районы большой повторяемости струйных течений совпа­дают с областями больших горизонтальных градиентов темпе­ратуры. Поэтому районы наибольшей повторяемости струйных течений зимой лежат на стыке холодных материков Азия, Се­верная Америка, а также Гренландии, с одной стороны, и теплых океанов, с другой. Большая повторяемость субтропических струйных течений характерна для севера Африки и для Южной Азии.
Малая повторяемость тропосферных струйных течений при­ходится на районы с более или менее однородной подстилаю­щей поверхностью. Это океаны южнее 30-40° с. ш. и севернее 30-40° ю. ш., северные части материков Азия и Америка с при­легающими районами Арктики, а в южном полярном районе - Центральная Антарктида.
Струйные течения обычно изображаются в горизонтальной и вертикальной плоскостях. При этом скорости ветра представ­ляются изотахами, т. е. линиями одинаковых скоростей ветра.
На рис. 69 и 70 представлены карты абсолютной барической топографии поверхности 200 мб за различные сроки. Первая карта относится к середине зимы, вторая - к середине лета. Карта барической топографии поверхности 200 мб (высота около 12 км) отражает распределение максимальных скоро­стей ветра в верхней тропосфере и нижней стратосфере. Нетрудно видеть, что на фоне редких изогипс ясно вырисовы­вается зона их сгущения, опоясывающая все северное полуша­рие. В этих зонах наблюдаются наибольшие скорости ветра - струйные течения. В местах слияния струй отмечается увели­чение скоростей ветра. Там, где происходит ветвление струй, наблюдается ослабление ветра.

В частности, вечером 5 января 1956 г. (рис. 69) в месте слияния юго-западных и северо-западных воздушных потоков, между Исландией и Скандинавией, возникли сильные струйные течения. Такие же сильные струи легко обнаружить над Юж­ной и Юго-Восточной Азией, Аляской и т. д. Следует обратить внимание на то, что сгущение изолиний, т. е. большие скоро­сти ветра, в зимние месяцы почти постоянно можно обнаружить южнее 40° с. ш. (субтропические струи), в то время как в уме­ренных и высоких широтах, особенно над СССР, струйные те­чения ослабевают, распадаются и снова возникают в связи с возникновением и развитием циклонов и антициклонов.
Летом южнее 40° с. ш. струйные течения встречаются очень редко. Они чаще обнаруживаются в умеренных и высоких ши­ротах. Типичное распределение струй в северном полушарии летом представлено на рис. 70. Как видно, зона сгущения изогипс и сильных ветров на изобарической поверхности 200 мб 31 июля 1956 г. проходила через умеренные широты северного полушария, а над низкими широтами и Арктикой ветры были слабыми. Однако в отдельные дни струйные течения могут быть, интенсивными и в высоких широтах.

Пространственную структуру струйных течений изображают и в вертикальной плоскости, перпендикулярной направлению потока. Это обычные вертикальные разрезы атмосферы с изо­термами и изотахами, разрезами фронтов и тропопаузы. На рис. 71 и 72 приведено два типичных примера вертикаль­ных разрезов струйных течений для зимы и лета. На этих раз­резах представлены субтропическая и внетропическая струи. В центре струйных течений буквами обозначены основные на­правления воздушных течений.
На среднем месячном вертикальном разрезе атмосферы, построенном по данным наблюдений за январи 1957-1959 гг. примерно до высоты 25 км между экватором и Северным полю­сом (рис. 71) изображено два западных струйных течения с осями, расположенными на уровнях 10 и 12 км. Средние мак­симальные скорости ветра на оси субтропической струи (слева), достигавшие 180 км/час, наблюдались над Ираком. Вторая струя (справа) находилась над Москвой на уровне около 9 км. Здесь средние максимальные скорости ветра были равны 100 км/час. Между тем у поверхности земли средние скорости ветра не превышали 10-20 км/час. Летом (29 августа 1957 г.) субтропическая струя находилась над Закавказьем, а внетропическая- над Москвой. В первой струе максимальная ско­рость достигала 140 км/час, во второй - 120 км/час. Несмотря на типичность представленных здесь разрезов, в отдельные периоды расположение струйных течений может быть иным.
Необходимо заметить, что ввиду значительного несоответст­вия между горизонтальным и вертикальным масштабом обыч­ная сплюснутая форма струи на приведенных разрезах не вы­ражена. Однако если учесть, что, например, в системе южной струи на рис. 71 расстояние между низким и высоким положе­нием изотахи 100 км/час, т. е. по вертикали, равно приблизи­тельно 10 км, а по горизонтали - более 2000 км, то станет оче­видным, что струя имеет форму довольно сплюснутого эллипса. Аналогичны соотношения между вертикальной и горизонталь­ной протяженностью и в других струйных течениях.

Характерные структурные особенности высотных фронталь­ных зон и струйных течений не претерпевают заметных сезон­ных изменений. Сезонные различия выражаются главным образом в интенсивности и широтном положении южных (суб­тропических) струй.
В связи с большими контрастами температур между низ­кими и высокими широтами скорости ветра в струе в холодное время года больше, чем летом, причем максимальные скорости отмечаются на более низких уровнях. В теплое время года ско­рости ветра меньше, а максимальные скорости наблюдают­ся на более высоких уровнях, чем зимой. Субтропические струйные течения испытывают междусезонные смещения вдоль меридианов. Это видно и на приведенных разрезах (рис. 71 и 72).

Кроме того, в системе субтропического струйного течения тропопауза всегда разорвана, а ось струи находится между тропической и внетропическои (полярной) тропопаузами. На­оборот, в зоне внетропического струйного течения тропопауза, как правило, наклонена, разрыв ее наблюдается в редких слу­чаях, а ось струи чаще всего располагается под тропопаузой. Поэтому в низких широтах зона максимальных скоростей ветра обычно находится выше, чем в средних и высоких широтах. Разрыв и наклон тропопаузы выражены и на приведенных выше вер­тикальных разрезах атмосферы.
Некоторые данные о вертикальной и горизонтальной протя­женности тропосферных струйных течений, а также о средних максимальных скоростях в их системе можно найти в табл. 27 и 28.

Из табл. 27 следует, что субтропические струйные течения являются сравнительно мощными. Субтропические струи боль­шой вертикальной и горизонтальной протяженности (в преде­лах скоростей ветра более 100 км/час) встречаются чаще, чем такие же внетропические струи.
В частности, субтропические струи шириной более 2000 км и высотой более 12 км встречаются значительно чаще, чем внетропические. Однако в отдельных случаях внетропические струи бывают мощными, скорости ветра в центре струи иногда достигают 400 км/час и более.
Наиболее часто средние максимальные скорости в системе внетропических струйных течений составляют 150-250 км/час, а в субтропических - 200-300 км/час. Иначе говоря, и по мак­симальным скоростям в центре субтропические струи являются в среднем более интенсивными, чем внетропические (табл. 28).

Воздушные потоки могут спровоцировать разрушительные погодные аномалии

Существуют такие погодные аномалии, которые предсказать заранее невозможно, например, из-за недостатка знаний о некоторых явлениях в атмосфере Земли. Европейская жара в 2003 году, засуха в Калифорнии в 2014-м, суперураган Сэнди в 2012-м – все эти катастрофические события, унёсшие немало человеческих жизней, были спровоцированы феноменом блокировки струйных течений. Но до сих пор учёные не могли найти убедительный способ объяснить происходящее.

Струйные течения впервые были обнаружены метеорологом Чикагского университета Карлом Россби в первой половине двадцатого века. Под этим термином понимаются узкие потоки сильного ветра (в среднем 45-50 метров в секунду) в верхней тропосфере и нижней стратосфере, имеющие довольно сложную структуру в горизонтальном и вертикальном направлениях. Практически одновременно с открытием струйных течений стало известно, что они могут весьма резко "тормозить".

И вот, наконец, геофизик Нобору Накамура (Noboru Nakamura) и его аспирантка Клэр Хуан (Clare Huang) связали события в единое целое. Интересно, что решением задачи стала математическая модель, описывающая своего рода образование автомобильной пробки на высокоскоростном многополосном шоссе.

Одной из проблем в описании процесса "торможения" стал подбор параметров, которые наиболее точно характеризовали бы движение воздушных масс. Авторам новой работы пришлось добавить несколько не использовавшихся ранее параметров, в частности, меандр, то есть степень извилистости струйного течения. (Подобная характеристика обычно используется при описании русла реки.)

Возвращаясь к аналогии с дорожным трафиком, исследователи обнаружили у струйного течения пропускную способность воздушных масс. Очевидно, что, когда пороговое значение этого показателя превышается, скорость потока снижается. Аналогичный эффект возникает при слиянии нескольких воздушных "магистралей".

В пресс-релизе университета учёные отмечают, что их неожиданно простая модель не только объясняет блокировку струйных течений, но и даёт долгожданную возможность её предсказать. Более того, речь идёт как о краткосрочном прогнозировании погоды, так и о моделях долгосрочного поведения воздушных масс в регионах, которые подвержены частым засухам или наводнениям.

"Это один из самых неожиданных моментов просветления в моей карьере учёного – поистине, дар от Бога, – говорит Накамура. – Очень сложно что-то прогнозировать, пока вы не поймёте, почему это происходит. Вот почему наша модель должна быть чрезвычайно полезна".

Немаловажно, что новая модель, в отличие от большинства современных климатических расчётов, оказалась проста с точки зрения вычислений. При этом авторы отмечают, что при её использовании стоит максимально внимательно отнестись к метеорологическим особенностям конкретного региона. В частности, в Тихом океане "воздушные пробки" могут рассасываться десятилетиями.

Более подробно с достижениями чикагских геофизиков можно познакомиться, прочитав их статью, опубликованную в издании Science.

Описание других важных открытий и исследований в области метеорологии и прочих климатических наук можно найти в соответствующем разделе проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru).

Интересно, почему отечественные климатологи и метеорологи всячески избегают упоминания волн Россби и Джет Стрима, как одного из определяющих факторов погодной кухни!?

Как видите, весеннее тепло в Центральной России, сопровождалось аномально холодной штормовой погодой в Европе. И объяснение этому, нехарактерное для сезона положение высотных струйных течений. Зато позже атмосферная ситуация изменилась в обратную сторону, в Европу пришло тепло, зато в Центральную Россию пошел заток арктического воздуха, принесший осадки и пониженную температуру. Вот как это выглядело:

Температурная карта конца мая.

Струйное течение в высоких слоях атмосферы. Вы видите, как его волны соответствуют затоку арктических масс.

Струйные течения в средних слоях атмосферы. Хорошо видно зарождение циклонов и антициклонов в изгибах джет стрима - в зависимости от их направления, по часовой или против часовой стрелке.

Будем надеяться, что анонсированная новым главой Минприроды реформа, улучшит качество прогнозов и приведет к более современным методам.

Минприроды предложило ликвидировать Росгидромет

Минприроды выступило с инициативой распустить Федеральную службу по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет). На ее основе планируется создать отдельную госкомпанию. Об этом сообщил глава ведомства Сергей Донской, передает «Интерфакс».

"В качестве приоритетной мы рассматриваем задачу по реформированию системы Росгидромета и создания на его базе соответствующей государственной компании", - заявил он.

Ранее глава Росгидромета Максим Яковенко сообщил агентству, что служба внесла в правительство РФ предложение о слиянии метеорологических служб России в единую госкорпорацию.

Он напомнил, что Росгидромет управляет разветвленной структурой подведомственных учреждений, которых у ведомства около 50 по всей России, пояснив, что в целом ряде регионов их работа приносит убытки, но в каких-то может приносить прибыль.

Конечно, формально заявленные причины оптимизации имеют место, но мы помним, какой скандал с последующим выходом на пенсию главы Росгидромета последовал за смертельным штормом в Москве, который метеорологи прозевали самым печальным образом.

Климат меняется по всей планете, и служба его мониторинга получает такое же важное значение, как и МЧС, в предупреждении последствий погодных аномалий. Государство не может позволить себе содержать неэффективное ведомство, пользующееся старинными методами предсказания погоды, что негативно сказывается на народном хозяйстве и приводит к серьезным разрушениям и смертям жителей России.

Одной из версий авиакатастрофы в Ростове-на-Дону, которая произошла 19 марта, называют редкое погодное явление струйное течение воздуха. Что это такое и как оно влияет на полеты самолетов, читайте а рубрике "Вопрос-ответ".

Что такое струйное течение?

Высотное струйное течение – это сильный ветер в виде узкого воздушного потока в верхней тропосфере или нижней стратосфере. Для него характерны большие скорости (обычно на оси более 30 м/с) и градиенты более 5 м/с на 1 км по высоте и более 10 м/с на 100 км по горизонтали. Проще говоря, струйное течение – достаточно узкий стремительный поток воздуха, похожий на струю (отсюда и название — струйный). Длинна этой струи – может быть тысячи километров, ширина — сотни километров, толщина – несколько километров. И внутри нее свирепствует ураган со скоростью ветра от 100 до 900 километров в час. При этом вокруг этой "трубы" — нет никаких изменений в атмосфере.

Что вызывает струйное течение?

По мнению ученых, виной тому неравномерное нагревание Земли, во время вращения вокруг Солнца. Теплые ветры, дующие с экватора, встречаются с холодными ветрами с полюсов, и возникает большая разница в давлении. Именно в таких областях и образуются струйные течения. Эти течения являются разделительной чертой между холодными и теплыми областями. И чем больше разница температур, тем сильнее эти ветры.

Чем опасно струйное течение для самолетов?

Струйное течение обычно возникает высоко над землей — на высоте от 9144 до 18 288 м. Поэтому на земле они не опасны. Но их очень хорошо знают летчики. В начале XX века пилоты сообщали, что иногда сталкиваются с некой воздушной стеной, при попытках влететь в которую самолеты зависали на месте. Позднее ученые дали название этому явлению "струйное течение".

Как пишет Википедия, высотные струйные течения опасны для авиации в связи с сильной турбулентностью.

Опасны эти явления и во время посадки самолета. Так как, у попавшего в струйное течение самолета может значительно ухудшиться динамическая управляемость.

Как современные летчики используют струйное течение?

Попутные струйные потоки воздуха помогают самолетам сэкономить время пути и топливо. Например, североатлантическое струйное течение летчики используют при полете на трассе Нью-Йорк - Лондон. Обратно же им приходится лететь через Исландию и юг Гренландии, чтобы избежать встречной струи. Примерные расчеты: при полете со скоростью 600 км/ч в попутном струйном течении, скорость которого 360 км/ч, путевая скорость самолета увеличивается до 960 км/ч. В этом случае расстояние в 600 км самолет преодолеет за 36 минут вместо часа. Соответственно экономия топлива составит около 50%

Почему струйное течение над Ростовом – редкое явление?