Том 2

Атмосферное давление

Атмосферное давление принадлежит к наиболее важным метеорологическим элементам. Изменение давления в пространстве и времени тесно связано с развитием основных атмосферных процессов: неоднородность поля давления в пространстве является непосредственной причиной возникновения воздушных течений, а колебания давления во времени — основной причиной изменения погоды в конкретном районе.

Атмосферное давление — это сила, с которой столб воздуха, простирающийся от поверхности Земли до верхней границы атмосферы, давит на 1см 2 земной поверхности. С давних пор основным прибором для измерения давления служит ртутный барометр, а величину принято выражать в миллиметрах ртутного столба, уравновешивающего столб воздуха.

Другой принцип измерения атмосферного давления, основанный на деформациях упругой, пустой металлической коробки, которые она испытывает при изменении давления, используется в анероидах, барографах, мареографах, радиозондах. Приборы этого типа градуируют по показаниям ртутного барометра.

В настоящее время в метеорологии атмосферное давление измеряется в абсолютных единицах — гектопаскалях (гПа). Нормальное атмосферное давление равно 760 мм рт.   ст. = 1013,3 гПа = 1013,3 мб (1 мб (миллибар) = 1 гПа). Для перехода от величины давления, выраженной в миллиметрах ртутного столба к величине в гектопаскалях, нужно значение давления в миллиметрах умножить на 4/3, для обратного перехода — на 3/4.

Атмосферное давление всегда уменьшается с высотой. Вследствие этого, при одних и тех же метеоусловиях на более высоких участках земной поверхности давление будет меньше, чем на более низких. На практике, если при расчетах не требуется большой точности, степень изменения давления с высотой можно характеризовать с помощью вертикального градиента давления или обратной ему величиной барической ступени. Барической ступенью называется высота, на которую нужно подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 миллибар. Величина барической ступени непостоянна. Она увеличивается с уменьшением плотности воздуха: чем выше мы поднимаемся, тем медленнее изменяется давление и тем больше становится барическая ступень. При одном и том же давлении барическая ступень в теплом воздухе больше, чем в холодном.

Распределение давления по земной поверхности и сезонные различия в нем создаются под действием термических и динамических факторов. К первым, прежде всего, относится влияние земной поверхности: над холодными поверхностями условия благоприятны для повышения давления, над сильно нагретыми — для понижения. Под динамическими факторами понимаются процессы, в результате которых в одних областях происходит нагнетание воздуха (повышение давления), в других — отток (понижение давления). При взаимодействии обоих факторов их эффект либо усиливается, либо ослабляется.

В самом общем виде распределение давления у земной поверхности можно было бы характеризовать как зональное, однако, вследствие влияния рельефа земной поверхности и перечисленных факторов, зональность нарушается.

При сопоставлении карт среднего многолетнего атмосферного давления за январь и июль выявляется различие в величине и направлении барических градиентов. Зимой градиент значительно больше, чем летом, и направлен с юго-востока на северо-запад, а летом изменение давления происходит медленнее. В январе разность между самим высоким и самым низким давлением составляет более 30 гПа, в июле — всего 8 гПа.

В зимний период на большей части территории России наблюдается повышенный фон атмосферного давления, обусловленный влиянием мощного азиатского антициклона, который, уже с сентября начинает зарождаться в областях наиболее низких температур (Тувинской котловине и Верхоянском полюсе холода). Максимальной интенсивности (более 1030 гПа), антициклон достигает в январе. Его центр располагается над Монгольским Алтаем, отрог вытянут на Якутию.

Области наиболее низкого давления (менее 1005 гПа) располагаются над Баренцевым, Беринговым и Охотским морями. На побережье восточных морей близкое соседство областей высокого и низкого давления приводит к очень большим перепадам давления, и, как следствие — устойчивым сильным ветрам.

В начале весны наблюдается тенденция к перестройке полей давления и происходит общее небольшое понижение давления. По мере прогревания материка контрасты температуры и давления воздуха между сушей и морем сглаживаются, барическое поле перестраивается, становясь более однородным. Летом над территорией России в связи с нагреванием материка, давление продолжает понижаться, азиатский антициклон разрушается и на его месте образуется зона пониженного атмосферного давления, а над морями с относительно холодной поверхностью — область более высокого давления.

Годовой ход атмосферного давления большей части территории России, соответствует континентальному типу, характеризующемуся зимним максимумом, летним минимумом и большой амплитудой. Такой же годовой ход давления отмечается и в муссонной области Дальнего Востока. Максимальная годовая амплитуда давления на уровне моря достигает 45 гПа и отмечается в Тувинской котловине. По мере удаления от нее она резко уменьшается во всех направлениях. Наименьшие годовые колебания давления воздуха имеют место на северо-западе России, где в течение всего года наблюдается активная циклоническая деятельность.

В областях интенсивного циклогенеза нормальный годовой ход часто нарушается. В зависимости от особенностей атмосферной циркуляции, это выражается в смещении или появлении дополнительных максимумов и минимумов. Так, на северо-западе России максимум давления смещается на май, а на Чукотке и в северной части Камчатки в годовом ходе появляются вторичные максимумы и минимумы.

Чисто океанический тип годового хода атмосферного давления, имеющий максимум в летние месяцы и минимум зимой, отмечается только в южной части полуострова Камчатка. В горах до некоторой высоты сохраняется континентальный тип годового хода давления. В высокогорной зоне устанавливается годовой ход близкий к океаническому. Средние годовые значения давления воздуха обладают большой устойчивостью во времени и изменяются от года к году незначительно, в среднем на 1–5 гПа.

Изменения средних месячных значений от года к году значительно превышает годовые. О их диапазоне можно судить по разности между наибольшими и наименьшими значениями среднего месячного давления. Суточный ход давления в умеренных широтах выражен слабо и измеряется только десятыми долями гектопаскалей.Характеристикой средней многолетней суточной изменчивости атмосферного давления является среднее квадратическое отклонение.

О пределах изменения давления в каждом конкретном пункте можно судить по его экстремумам. Наибольшая разность между абсолютным максимумом и минимумом отмечается в зимние месяцы, когда процессы цикло- и антициклогенеза наиболее интенсивны.

Кроме периодических колебаний, к которым относятся годовой и суточный ход, атмосферное давление испытывает непериодические колебания, отражающиеся на самочувствии метеозависимых людей. Примером непериодических колебаний могут служить междусуточная и внутрисуточная изменчивости давления. В осенне-зимний период при прохождении глубоких циклонов изменение давления между сроками наблюдения (за три часа) в умеренных широтах может составлять 10–15 гПа, а между соседними сутками доходить до 30–35 гПа и более. Так, в Санкт-Петербурге был зафиксирован случай, когда за три часа давление понизилось более, чем на 17 мб, а в Волгограде перепад давления между сутками достиг 50 гПа.

Карты средних многолетних полей давления дают представление о некоторых понятиях общей циркуляции атмосферы, которая представляет собой совокупность основных воздушных течений над земным шаром, осуществляющих горизонтальный и вертикальный обмен масс воздуха. Структурными элементами общей циркуляции атмосферы являются воздушные массы, фронтальные зоны, атмосферные фронты, западный перенос, циклоны и антициклоны.

Если бы поверхность Земли была однородной, то в северном полушарии наблюдался бы западно-восточный перенос воздушных масс, а изобары на картах полей давления имели бы широтное (зональное) направление. В действительности зональность во многих районах нарушается, что видно даже по картам средних месячных полей давления в январе и июле. При уменьшении периода интегрирования (декада, сутки) возмущенность переноса увеличивается, а на картах давления появляются замкнутые области. Причиной нарушения зональности воздушных течений является неодинаковый нагрев материков и океанов и, следовательно, формирующихся над ними воздушных масс.

Области высокого давления, очерченные замкнутыми изобарами, называются, антициклонами (Az), а области низкого давления — циклонами (Zn). Циклоны и антициклоны — это крупномасштабные атмосферные вихри, являющиеся важными структурными элементами общей циркуляции атмосферы. Их горизонтальные размеры составляют от нескольких сотен до 1,5–2,0 тысяч километров. При перемещении циклонов и антициклонов осуществляется междуширотный обмен воздушными массами, а, следовательно, теплом и влагой, благодаря которому происходит выравнивание температуры между полюсом и экватором. Если бы этого обмена не происходило, температура воздуха в умеренных и высоких широтах была бы на 10–20° ниже, чем в действительности.