МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Пермский государственный университет

Географический факультет

Кафедра метеорологии
и охраны атмосферы

ОСОБЕННОСТИ ГОДОВОГО ХОДА ПРИЗЕМНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В РАЗНЫХ ЧАСТЯХ ЗЕМЛИ ПО ДАННЫМ ОБЪЕКТИВНОГО АНАЛИЗА ГИДРОМЕТЦЕНТРА РФ

Курсовая работа
студента 2 курса
А.А. Зырянова

Научный руководитель
профессор Н.А. Калинин

Пермь 2005

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................. 3

1. ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ АТМОСФЕРЫ........................................................... 4

1.1. Процессы нагревания и охлаждения воздуха. Факторы, влияющие
на нагревание и охлаждение воздуха.................................................................... 4

1.2. Годовой ход температуры воздуха............................................................... 10

2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИЗЕМНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В
РАЗНЫХ ЧАСТЯХ ЗЕМЛИ................................................................................. 14

2.1. Географическое распределение температуры приземного слоя атмосферы.............................................................................................................................. 14

2.2. Непериодические изменения температуры воздуха. Континентальность климата..................................................................................................................... 18

3. АНАЛИЗ ГОДОВОГО ХОДА ПРИЗЕМНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ
ВОЗДУХА В СЕВЕРНОМ ПОЛУШАРИИ (1997 ГОД)................................... 24

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................... 31

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.................................................................. 32

ПРИЛОЖЕНИЕ...................................................................................................... 33

ВВЕДЕНИЕ

Изучению особенностей годового хода приземной температуры воздуха в настоящее время уделяется очень большое внимание ввиду его важности и актуальности. Прежде всего, это связано с глобальными изменениями климата (в частности с глобальным потеплением), происходящими в последнее столетие. Колебания температуры воздуха в течение года оказывают огромное влияние на деятельность человека (сельское хозяйство, промышленность). Их оценка и прогнозирование необходимы для развития экономики, предотвращения каких-либо негативных последствий.

Цель данной работы заключается в том, чтобы охарактеризовать общий ход температуры воздуха в приземном слое в течение года, выявить причины её колебаний в зависимости от различных факторов, объяснить возможные отклонения от средних многолетних данных, а также познакомить потребителя с некоторыми последними исследованиями ряда ученых.

Данная работа дает понять, насколько сильно на сегодняшний день развились представления об изменчивости температурного режима на планете в течение года в целом и об его закономерностях и особенностях в частности.

Основными исходными материалами при разработке данного вопроса явились труды таких авторов как Хромов С.П., Матвеев Л.Т., Будыко М.И., представителей Казанской школы. Кроме того, для исследовательской части были использованы данные объективного анализа некоторых метеовеличин в базе данных Гидрометцентра РФ.

1. ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ АТМОСФЕРЫ

1.1. Процессы нагревания и охлаждения воздуха.
Факторы, влияющие на нагревание и охлаждение воздуха

Тепловым режимом атмосферы называют характер распределе­ния и изменения температуры в атмосфере. Тепловой режим атмо­сферы определяется главным образом ее теплообменом с окружающей средой, т.е. с деятельной поверхностью и космическим про­странством.

За исключением верхних слоев, атмосфера поглощает солнеч­ную энергию сравнительно слабо. В частности, непосредственно солнечными лучами тропосфера нагревается незначительно. Основ­ным источником нагревания нижних слоев атмосферы является тепло, получаемое ими от деятельной поверхности. В дневные часы, когда приход радиации преобладает над излучением, деятельная поверхность нагревается; становится теплее воздуха, и тепло пере­дается от нее воздуху. Ночью деятельная поверхность теряет тепло путем излучения и становится холоднее воздуха. В этом случае воздух отдает тепло почве, в результате чего сам он охлаждается. Перенос тепла между деятельной поверхностью и атмосферой, а также в самой атмосфере может осуществляться с помощью сле­дующих процессов.

1. Молекулярная теплопроводность. Воздух, соприкасающийся деятельной поверхностью, обменивается с ней теплом посредством молекулярной теплопроводности. Однако вследствие того, что коэф­фициент молекулярной теплопроводности неподвижного воздуха сравнительно мал, этот вид теплообмена тоже весьма мал по сравнению с другими видами.

2. Турбулентное перемешивание. Атмосферный воздух находится в постоянном движении. Движение отдельных его небольших пор­ций, объемов, вихрей имеет неупорядоченный, хаотический харак­тер. Такое движение называется турбулентным перемешиванием или, короче, турбулентностью. Турбулентность оказывает большое влияние на многие атмосферные процессы, в том числе на теплообмен. В результате турбулентного перемешивания атмосферы возникает интенсивный перенос тепла из более теплых ее слоев в менее теплые. Теплообмен между земной поверхностью и атмосферой посредством турбулентного перемешивания происходит значительно интенсивнее, чем теплообмен за счет молекулярной теплопроводности воздуха. Так, летом в полуденное время над сушей турбулентный поток тепла при одинаковом градиенте тем­пературы примерно в 10000 раз больше молекулярного. В от­дельных же случаях он может отличаться от молекулярного еще больше.

3. Тепловая конвекция. Тепловой конвекцией называется упоря­доченный перенос отдельных объемов воздуха в вертикальном на­правлении, возникающий в результате сильного нагрева нижнего слоя атмосферы. Теплые порции воздуха как более легкие подни­маются, а их место занимают холодные, которые затем тоже нагреваются и поднимаются. Тепловая конвекция первоначально возникает как движение отдельных небольших струй объемов, вих­рей, которые постепенно сливаются, образуя мощный восходящий поток, сопровождаемый компенсирующими его нисходящими дви­жениями в соседних районах. Вместе с перемешивающимися пор­циями воздуха происходит перенос тепла от более нагретых слоев атмосферы к менее нагретым.

Над сушей тепловая конвекция возникает в результате неравно­мерного нагревания разных участков деятельной поверхности почвы. Над морем она тоже возникает в случае, когда водная по­верхность теплее прилежащих слоев атмосферы. На водоемах такое положение часто имеет место в холодное время года и в ночные часы. Конвективный перенос тепла при благоприятных условиях может охватывать по вертикали всю толщу тропосферы.

4. Радиационная теплопроводность. Некоторую роль в передаче тепла от почвы к атмосфере играет излучение деятельной поверх­ностью длинноволновой радиации, поглощаемой нижними слоями атмосферы. Последние, нагреваясь, таким же способом последова­тельно передают тепло вышележащим слоям. В период охлаждения поверхности радиационный поток тепла направлен от вышележа­щих слоев атмосферы вниз. Над сушей этот поток проявляется главным образом в ночные часы, когда турбулентность резко ос­лаблена, а тепловая конвекция отсутствует.

5. Испарение влаги с деятельной поверхности и последующая конденсация (сублимация) водяного пара в атмосфере. При кон­денсации (сублимации) выделяется теплота, которая идет на на­гревание окружающего воздуха.

Из пяти перечисленных процессов обмена теплом между дея­тельной поверхностью и атмосферой превалирующая роль принад­лежит турбулентному перемешиванию и тепловой конвекции. Изменения температуры, происходящие в результате описанных процессов в некотором объеме воздуха, принято называть индиви­дуальными. Они характеризуют изменение теплового состояния определенного количества воздуха. Однако температура в опреде­ленном месте может изменяться также в результате перемещения воздуха в горизонтальном направлении, т. е. при адвекции. При адвекции тепла в данное место поступает воздух, имеющий более высокую температуру, чем воздух, находившийся здесь раньше, а при адвекции холода - воздух, имеющий более низкую темпе­ратуру. Адвекция тепла (или холода) является важным фактором местного изменения температуры не только в тропосфере, но и в стратосфере [1].

Характер деятельной поверхности оказывает большое влияние на процессы нагревания и охлаждения прилегающего к ней слоя атмосферы. Тепловые воздействия суши и водной поверхности на атмосферу неодинаковы: деятельная поверхность суши отдает воздуху значительно большую часть получаемого ею лучистого тепла (35-50%), чем поверхность водоемов, которая большую часть получаемого тепла отдает более глубоким слоям. Много тепла на водоемах затрачивается также на испарение воды, и лишь незначительная его часть расходуется на нагревание воздуха. По­этому в периоды нагревания суши воздух на ней оказывается теплее, чем над водной поверхностью. Когда же деятельная поверх­ность охлаждается путем излучения, то суша, не накопившая доста­точно запаса тепла, сравнительно быстро охлаждается и охлаж­дает прилегающие слои воздуха.

Моря, океаны и большие озера в теплое время года накапли­вают в своей толще значительное количество тепла. В зимнее время они отдают его воздуху. Поэтому воздух над водными поверх­ностями зимой теплее, чем над сушей.

Поверхности материков в свою очередь являются неоднород­ными. Леса, болота, степи, поля отдают воздуху неодинаковые ко­личества тепла. Кроме того, почвы различных видов (чернозем, песок, торф) также оказывают неодинаковое термическое влияние на воздух [7].

Растительный покров оказывает существенное влияние на тем­пературу воздуха. Поверхность густого растительного покрова по­глощает почти всю приходящую к ней радиацию и практически является деятельной поверхностью. Прилегающий к ней воздух днем прогревается, а по направлению вверх и вниз от этой по­верхности температура убывает. Ночью над поверхностью расти­тельного покрова в результате ее излучения воздух оказывается наиболее холодным. В редком растительном покрове охлажденный воздух несколько опускается до уровня с более густой листвой. В этом случае деятельной поверхностью является не внешняя поверхность растительности, а несколько более низкий уровень. Днем воздух над растительным покровом нагревается, а ночью охлаждается меньше, чем над оголенной почвой. Это объясняется большой теплоемкостью растительного покрова, а также тем, что часть лучистой энергии, поступающей на растительный покров, расходуется в нем на различные физические и биологические про­цессы главным образом на испарение.

В лесу максимальные и минимальные температуры воздуха наблюдаются над кронами деревьев или, если листва редкая, не­сколько ниже крон. Поэтому наибольшие амплитуды также отме­чаются над кронами, а выше и ниже они уменьшаются. Из много­численных наблюдений за температурой воздуха в лесу, под кро­нами деревьев и в открытом поле установлено, что в среднем тем­пература в лесу ниже, чем в поле. Повышая ночные минимумы и понижая дневные максимумы, лес сглаживает суточные колебания температуры. Амплитуды суточного хода температуры воздуха в лесу примерно на 2°С меньше, чем в поле.

Тепловой режим города. Города оказывают значительное влия­ние на температуру воздуха. В летнее время жилые здания, раз­личные городские сооружения, дорожные покрытия и др., нагре­ваясь, отдают свое тепло воздуху. Поэтому температура воздуха в городе оказывается выше, чем в его окрестностях. Особенно велико это различие в вечерние часы, когда здания и сооружения, сильно нагревшиеся днем, постепенно отдают свое тепло воздуху. Кроме того, в городе почти отсутствуют участки открытой почвы и сравнительно малы площади растительного покрова, поэтому здесь меньше затраты тепла на испарение. Это также способствует повышению температуры воздуха в городе [5].

Зимой в городах вследствие пониженной прозрачности воздуха меньше эффективное излучение. Поэтому температура воздуха в городе зимой тоже несколько выше, чем в окрестностях. Наблю­дениями установлено [11], что среднегодовые температуры воздуха в го­родах на 0,5-1,0 °С выше, чем в окрестностях. Чем крупнее города, тем больше эта разность.

Определено [4], что под влиянием антропогенных выбросов водяного пара и загрязнения атмосферы другими газообразными и твердыми примесями, изменения теплофизических и оптических (радиационных) свойств земной поверхности про­изошли существенные изменения в мезоклиматическом режиме крупных городов и промышленных центров.

По данным ежедневных (за 8 сроков) метеорологических наблюдений в городе (Санкт - Петербург, Кемерово, Уфа, Н. Новгород, Архангельск, Екатеринбург и др.) и в нескольких пунктах, удаленных от него на несколько десят­ков километров, определены и проанализированы разности температур возду­ха, давлений водяного пара и относительной влажности, в формировании ко­торых (разностей) основную роль играют мезомасштабные процессы и не сказывается влияние процессов синоптического и более крупного масштабов. Оп­ределены не только средние значения и квадратические отклонения, но и по­строены для различных сезонов года и времени суток функции распределения разностей этих метеовеличин, которые использованы для оценки вероятности превышения температуры, давления водяного пара и относительной влажно­сти в городе по сравнению с его окрестностями (сельской местностью).

С целью выявления роли различных факторов в формировании поля температуры («острова тепла») выполнен расчет коэффициентов корреляции между разностью температур (город - окрестности) и концентрацией различ­ных загрязняющих (парниковых) веществ в городе, а также между разностью температур и разностью давлений водяного пара.

Рассчитаны также коэффициенты корреляции между изменениями во времени температуры воздуха в городе и приращениями давления водяного пара за те же интервалы времени.

Анализ для различных сезонов года и времени суток корреляционных связей, равно как и функций распределения температуры и влажности воздуха позволили заключить: во все сезоны года определяющую роль в повышении (по сравнению с окрестностями) температуры в городе (формирования «острова тепла») играет поглощение инфракрасной радиации антропогенным водяным паром, влияние других парниковых газов и аэрозоля примерно на порядок меньше; в дневные часы летом и частично весной сильно уменьшенная (вплоть до знака) разность температур между городом и окрестностями также формируется в основном под влиянием поглощения радиации водяным паром, однако в изменении давления водяного пара существенную роль играет различие в скоростях испарения (последняя в дневные часы летом в окрестностях больше, чем в городе).

1.2. Годовой ход температуры воздуха

Все воздушные массы зимой холоднее, а летом теплее, поэтому температура воздуха в каждом отдельном месте меняется в годовом ходе: средние месячные температуры в зимние месяцы ниже, в летние - выше. Вычислив для какого-либо места средние месячные температуры по многолетнему ряду наблюдений, увидим, что они плавно меняются от одного месяца к другому, повышаясь от января или февраля к июлю или августу и затем понижаясь.

Годовой ход температуры воздуха определяется, прежде всего, годовым ходом температуры деятельной поверхности. Амплитуда годового хода представляет собой разность среднемесячных темпе­ратур самого теплого и самого холодного месяцев.

В северном полушарии на континентах максимальная средне­месячная температура воздуха наблюдается в июле, минималь­ная - в январе. На океанах и побережьях материков экстремаль­ные температуры наступают несколько позднее: максимум - в августе, минимум - в феврале-марте. На суше амплитуды го­дового хода температуры воздуха значительно больше, чем над водной поверхностью. Даже над сравнительно небольшими материковыми массивами Южного полушария они превышают 15°С, а под широтой 60° на материке Азии (в Якутии) они достигают 60°С [3].

Не только моря, но и большие озера уменьшают годовую амплитуду температуры воздуха и смягчают климат. Посредине озера Байкал годовая амплитуда температуры воздуха 30-31°С, на его берегах около 36°С, а под той же широтой на р. Енисей 42°С. Аналогичное влияние на температуру воздуха наблюдается на озерах Иссык-Куль, Ладожском, Севан и других [9].

Годовая амплитуда температу­ ры воздуха растет, с географической широтой. На экваторе при­ток солнечной радиации меняется в течение года очень мало. По направлению к полюсу различия в поступлении солнечной радиа­ции между зимой и летом возрастают, а вместе с ними возрастают и годовые амплитуды температуры воздуха. Над океаном вдали от берегов широтное изменение годовой амплитуды невелико. Если бы Земля была сплошь покрыта океаном, свободным ото льда, то годовая амплитуда температуры воздуха менялась бы от нуля на экваторе до 5 - 6° С на полюсе. В действительности над южной частью Тихого океана вдали от материков годовая амплитуда между 20 и 60° ю. ш. увеличивается приблизительно с 3 до 5° С. Над более узкой северной частью Тихого океана, где больше влияние соседних материков, амплитуда между 20 и 60° с. ш. растет уже с 3 до 15° С.

Большое влияние оказывают на годовой ход температуры воздуха погодные условия: туман, дождь и глав­ным образом облачность. Отсутствие облачности зимой приводит к понижению средней температуры самого холодного месяца, а ле­том - к повышению средней температуры самого теплого месяца.

Малые амплитуды наблюдаются и во многих областях над сушей и даже вдали от береговой линии, если в эти области часто приходят воздушные массы с моря (Западная Европа). Повы­шенные амплитуды наблюдаются и над океаном, если в эти районы часто попадают воздушные массы с материка, например в западных частях океанов Северного полушария. Следовательно, величина годовой амплитуды температуры зависит не просто от характера подстилающей поверхности или от близости данного места к береговой линии, а от повторяемости в данном месте воздушных масс морского и континентального происхождения, т. е. от условий общей циркуляции атмосферы [2].

С высотой годовая амплитуда температуры убывает. В горах внетропического пояса температура убывает в среднем на 2° С на каждый километр высоты, в свободной атмосфере больше. На рис. 1 видно, что над океаном к югу от Японии годовая амплитуда даже в пределах нижних 100 м. убывает вдвое. Во внетропических широтах значительный годовой ход температу­ры остается даже в верхней тропосфере и стратосфере. Он определяется сезонным изменением условий поглощения и отдачи радиации не только земной поверхностью, но и воздухом [10].

Рис. 1 Годовой ход температуры воздуха над океаном к югу Японии непосредственно над водой (1) и на высоте 100 м. (2)

Годовой ход температуры воздуха в разных географических зо­нах разнообразен. По величине амплитуды и по времени наступле­ния экстремальных температур выделяют четыре типа годового хода температуры воздуха.

1. Экваториальный тип. В экваториальной зоне в году наблю­даются два максимума температуры - после весеннего и осеннего равноденствия, когда солнце над экватором в полдень находится в зените, и два минимума - после зимнего и летнего солнцестоя­ния, когда солнце находится на наименьшей высоте. Амплитуды годового хода здесь малы, что объясняется малым изменением притока тепла в течение года. Над океанами амплитуды состав­ляют около 1 °С, а над континентами 5-10 °С.

2. Тропический тип. В тропических широтах наблюдается про­стой годовой ход температуры воздуха с максимумом после лет­него и минимумом после зимнего солнцестояния. Амплитуды годо­вого хода по мере удаления от экватора увеличиваются зимой. Средняя амплитуда годового хода над материками составляет 10 - 20° С, над океанами 5 - 10° С.

3. Тип умеренного пояса. В умеренных широтах также отмечается годовой ход температуры с максимумом после летнего и минимумом после зимнего солнцестояния. Над материками северного полушария максимальная среднемесячная температура наблюдается в июле, над морями и побережьями - в августе. Годо­вые амплитуды увеличиваются с широтой. Над океанами и побе­режьями они в среднем составляют 10-15° С, а на широте 60° достигают 60° С.

4. Полярный тип. Полярные районы характеризуются продол­жительной холодной зимой и сравнительно коротким прохладным летом. Годовые амплитуды над океаном и побережьями полярных морей составляют 25-40° С, а на суше превышают 65° С. Макси­мум температуры наблюдается в августе, минимум - в январе.

Рассмотренные типы годового хода температуры воздуха выяв­ляются из многолетних данных и представляют собой правильные периодические колебания. В отдельные годы под влиянием втор­жений теплых и холодных масс возникают отклонения от приве­денных типов [1].

2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИЗЕМНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В
РАЗНЫХ ЧАСТЯХ ЗЕМЛИ

2.1. Географическое распределение температуры приземного слоя атмосферы

Распределение температуры на обширных территориях или на всем земном шаре можно представить с помощью карт изотерм. Изотермами называют линии, соединяющие на карте точки с оди­наковой температурой воздуха в данный момент или в среднем за тот или иной промежуток времени.

Для сравнимости наблюдений, выполненных в различных пунк­тах, измеренную температуру приводят к уровню моря. Необходи­мость в этом вызвана тем, что температура воздуха в среднем убы­вает с высотой. Поэтому над возвышенностями она в среднем ниже, чем в расположенных рядом долинах. Приведение температуры к уровню моря производится исходя из того, что в тропосфере она понижается в среднем на 0,6° С/100 м.

Изотермы на картах в зависимости от цели их построения про­водят через 1, 2, 4, 5° С, а иногда и через 10° С. Для выявления ха­рактера в различное время года удобно пользоваться изотермами среднемесячной температуры двух месяцев года: самого холодного (января) и самого теплого (июля) [6].

Изотермы января (рис. 2) не совпадают с широтными кругами. Они имеют различные изгибы, наиболее ярко выраженные в север­ном полушарии, особенно в районах перехода с моря на сушу и на­оборот. Объясняется это различием температур воздуха над водое­мами и континентами. В южном полушарии, где преобладает вод­ная поверхность изотермы, проходят более плавно и имеют почти широтное направление. В северном полушарии изотермы располо­жены гуще, чем в южном. Особенно это проявляется над мате­риками, где контрасты температур между отдельными районами больше, чем над океанами.

Рис. 2. Изотермы января (°С)

Над северной частью Атлантического океана направление январских изотерм приближается к меридиональному. Объясняется это тем, что здесь на температуру воздуха влияет теплое течение Гольфстрим, омывающее западные берега Европы. Почти в мери­диональном направлении зимой проходят изотермы и на севере европейской части России. Температура здесь понижается по мере удаления от океана, т. е. с запада на восток, примерно до 135° в. д. На севере Якутии, в районе Верхоянска и Оймякона, располагается так называемый полюс холода, окаймленный изотермой -50° С. В отдельные дни температура здесь опускается еще ниже: в Верхо­янске она достигала -68° С, а в Оймяконе отмечен абсолютный ми­нимум температуры воздуха в северном полушарии, равный -71° С. Полюс холода в районе Оймякона обусловлен физико-географи­ческими факторами: Оймякон расположен в котловине, куда сте­кает холодный воздух с севера. Здесь он застаивается, так как перемешивание его зимой при отсутствии значительного нагрева ослаблено.

Вторым полюсом холода в северном полушарии является Грен­ландия, где приведенная к уровню моря среднемесячная темпера­тура самого холодного месяца составляет -55° С. Минимальная температура здесь равна примерно 70°С. Возникновение грен­ландского полюса холода связано с большим альбедо ледникового плато. Небольшие очаги холода на картах январских изотерм на­блюдаются также над Скандинавией и Малой Азией. В южном по­лушарии в январе лето. Поэтому над Южной Америкой, Африкой и Австралией в это время расположены очаги тепла.

Июльские изотермы (рис. 3) в северном полушарии располо­жены значительно реже, чем январские, так как контрасты темпе­ратур между полюсом и экватором летом значительно меньше, чем зимой. Летом температура воздуха над материками выше, чем над океанами. Поэтому в северном полушарии над материками изо­термы изгибаются к северу. Над Северной Америкой, Африкой и Азией хорошо выражены замкнутые области тепла. Особенно сле­дует обратить внимание на область в Сахаре, где средняя темпе­ратура июля

Рис. 3. Изотермы июля (°С)

составляет 40 °С, а в отдельные дни она превышает 50 °С. Абсолютный максимум температуры в Северной Африке со­ставляет 58°С (южнее Триполи). Такая же температура была от­мечена в Калифорнии, в Долине Смерти, где повышению темпера­туры воздуха способствует рельеф местности (высокие горы и глубокие долины).

Самые высокие среднегодовые температуры наблюдаются при­мерно вдоль 10° с. ш. Линия, соединяющая точки с максималь­ными среднегодовыми температурами, называется термическим эк­ ватором. Летом термический экватор смещается к 20° с. ш., а зи­мой приближается к 5-10° с. ш., т. е. всегда остается в северном полушарии. Объясняется это тем, что в северном полушарии больше материков, которые нагреваются сильнее, чем океаны юж­ного полушария.

В южном полушарии в июле зима. Изотермы здесь проходят почти в зональном направлении, т. е. совпадают по направлению с параллелями. В высоких южных широтах температура резко по­нижается по направлению к Антарктиде. На ледяном плато Антарк­тиды наблюдаются самые низкие температуры воздуха. На по­бережье Антарктиды средняя температура июля изменяется от -15 до -35° С, а в центре Восточной Антарктиды она достигает -70° С. В отдельные дни температура здесь опускается ниже -80° С. Например, на ст. Восток, расположенной на 78° ю. ш., за­регистрирована самая низкая на земном шаре температура воздуха у земной поверхности, равная -88,3° С. Таким образом, район, в котором расположена ст. Восток, является полюсом холода не только для южного полушария, но и для всего земного шара. Такое сильное охлаждение воздуха здесь объясняется тем, что ст. Восток расположена на плато, на высоте 3420 м. над уровнем моря, где при слабом ветре в условиях полярной ночи происходит сильное выхолаживание воздуха [2].

2.2. Непериодические изменения температуры воздуха.
Континентальность климата

Во внетропических широтах непериодические изменения темпе­ратуры воздуха настолько часты и значительны, что суточный ход температуры отчетливо проявляется лишь в периоды относительно устойчивой малооблачной антициклонической погоды. В остальное время он затушевывается непериодическими изменениями, которые могут быть очень интенсивными. Например, похолодания зимой, когда температура в любое время суток может упасть (в континентальных условиях) на 10-20° С в течение одного часа.

В тропических широтах непериодические изменения температу­ры менее значительны и не так сильно нарушают суточный ход температуры.

Непериодические изменения температуры связаны главным образом с адвекцией воздушных масс из других районов Земли. Особенно значительные похолодания (иногда называемые волна­ми холода) происходят в умеренных широтах в связи с вторжени­ями холодных воздушных масс из Арктики и Антарктиды. В Европе сильные зимние похолодания бывают также при проникновении холодных воздушных масс с востока, а в Западной Европе - с европейской территории России. Холодные воздушные массы иногда проникают в Средиземноморский бассейн и даже достигают Северной Африки и Передней Азии. Но чаще они задерживаются перед горными хребтами Европы, расположенны­ми в широтном направлении, особенно перед Альпами и Кавказом. Поэтому климатические условия Средиземноморского бассейна и Закавказья значительно отличаются от условий близких, но более северных районов.

В Азии холодный воздух свободно проникает до горных хребтов, ограничивающих с юга и востока территорию среднеази­атских республик, поэтому зимы на Туранской низменности достаточно холодны. Но такие горные массивы, как Памир, Тянь-Шань, Алтай, Тибетское нагорье, не говоря уже о Гималаях, являются препятствиями для дальнейшего проникновения хо­лодных воздушных масс к югу. В редких случаях значительные адвективные похолодания наблюдаются, однако, и в Индии: в Пенджабе в среднем на 8 - 9° С, а в марте 1911 г. температура упала на 20° С. Холодные массы при этом обтекают горные массивы с запада. Легче и чаще холодный воздух проникает на юго-восток Азии, не встречая по пути значительных преград.

В Северной Америке нет горных хребтов, проходящих в широтном направлении. Поэтому холодные массы арктического воздуха могут беспрепятственно распространяться до Флориды и Мексиканского залива.

Над океанами вторжения холодных воздушных масс могут глубоко проникать в тропики. Конечно, холодный воздух посте­пенно прогревается над теплой водой, но все же он может вызывать заметные понижения температуры.

Вторжения морского воздуха из средних широт Атлантическо­го океана в Европу создают потепления зимой и похолодания летом. Чем дальше в глубь Евразии, тем меньше становится повторяемость атлантических воздушных масс и тем больше меняются над материком их первоначальные свойства. Но все же влияние вторжений с Атлантики на климат можно проследить вплоть до Среднесибирского плоскогорья и Средней Азии.

Тропический воздух вторгается в Европу и зимой, и летом из Северной Африки и из низких широт Атлантики. Летом воздуш­ные массы, близкие по температуре к воздушным массам тропиков и поэтому также называемые тропическим воздухом, формиру­ются на юге Европы или приходят в Европу из Казахстана и Средней Азии. На Азиатской территории России летом наблюдаются вторжения тропического воздуха из Монголии, Северного Китая, из южных районов Казахстана и из пустынь Средней Азии.

В отдельных случаях сильные повышения температуры (до +30° C) при летних вторжениях тропического воздуха распро­страняются до Крайнего Севера России.

В Северную Америку тропический воздух вторгается как с Тихого, так и с Атлантического океана, особенно с Мексиканско­го залива. На самом материке массы тропического воздуха формируются над Мексикой и югом США.

Даже в области Северного полюса температура воздуха зимой иногда повышается до нуля в результате адвекции из умеренных широт, причем потепление можно проследить во всей тропосфере.

Перемещения воздушных масс, приводящие к адвективным изменениям температуры, связаны с циклонической деятельно­ стью.

В менее значительных пространственных масштабах резкие непериодические изменения температуры могут быть связаны с фенами в горных районах, т.е. с адиабатическим нагреванием воздуха при его нисходящем движении.

Так как непериодические изменения температур каждый год происходят по-разному, то и средняя годовая температура воздуха в каждом отдельном пункте в разные годы различна. Так, в Москве в 1862 г. средняя годовая температура была +1,2° C, в 1925 г. +6,1° С. Средняя температура того или иного месяца в отдельные годы варьирует в еще более широких пределах, особенно для зимних месяцев. Так, в Москве за 170 лет средняя температура января колебалась в пределах 19° С (от -21 до -2° С), а июля —в пределах 7° С (от +15 до +22° С). Но это крайние пределы колебаний. В среднем температура того или другого месяца отдельного года отклоняется от многолетней средней для этого месяца зимой примерно на 3° С и летом на 1,5° С в ту или другую сторону [2].

Отклонение средней месячной температуры от климатической нормы называют аномалией средней месячной температуры данного месяца. Среднюю многолетнюю величину из абсолютных значений месячных аномалий температуры можно принять за меру изменчивости, которая тем больше, чем интенсивнее непериодиче­ские изменения температуры в данной местности, придающие одному и тому же месяцу в разные годы различный характер. Поэтому изменчивость средних месячных температур возрастает с широтой: в тропиках она небольшая, в умеренных широтах значительная, в морском климате меньше, чем в континентальном. Особенно велика изменчивость в переходных областях между морским и континентальным климатом, где в одни годы могут преобладать морские воздушные массы, в другие — континенталь­ные [8].

Континентальность климата. Климат над морем, характеризующийся малыми годовы­ми амплитудами температуры, естественно назвать морским в отличие от континентального климата над сушей с большими годовыми амплитудами температуры. Морской климат распро­страняется и на прилегающие к морю области материков, над которыми велика повторяемость морских воздушных масс. Можно сказать, что морской воздух приносит на сушу морской климат. Области океанов, где преобладают воздушные массы с близлежа­щего материка, обладают скорее континентальным, чем морским, климатом.

Хорошо выражен морской климат в Западной Европе, где круглый год господствует перенос воздуха с Атлантического океана. На крайнем западе Европы годовые амплитуды темпера­туры воздуха всего несколько градусов. С удалением от Атлантического океана в глубь материка годовые амплитуды температуры растут. Иначе говоря, растет континентальность климата. В Восточной Сибири годовые амплитуды достигают нескольких десятков градусов. Лето здесь более жаркое, чем в Западной Европе, зима гораздо более суровая. Близость Восточной Сибири к Тихому океану не имеет существенного значения, так как вследствие условий общей циркуляции атмосферы воздух с этого океана не проникает далеко в Сибирь, особенно зимой. Только на Дальнем Востоке приток воздушных масс с океана летом понижает температуру и тем самым несколько уменьшает годовую амплитуду.

Континентальный климат в среднем годовом холоднее морского. Это значит, что большая амплитуда в континентальном климате умеренных и высоких широт в сравнении с морским климатом создается не столько повышением летних температур, сколько понижением зимних температур. В тропических широтах, наобо­рот, повышенная амплитуда над сушей создается не столько более холодной зимой, сколько более жарким летом. Поэтому и средняя годовая температура в тропиках выше в континентальном климате, чем в морском.

По мере продвижения в глубь Евразии с запада на восток средние температуры самого теплого и самого холодного месяцев, средние годовые температуры и годовые амплитуды температуры меняются так, как это показано ниже (табл. 1) для нескольких мест на 52-й параллели:

Таблица 1.

Особенности распределения средних температур и годовых амплитуд воздуха в зависимости от континентальности климата

Из данных таблицы хорошо видны возрастание летних и падение зимних температур, убывание средней годовой темпера­туры и возрастание годовой амплитуды в направлении с запада на восток [5].

3. АНАЛИЗ ГОДОВОГО ХОДА ПРИЗЕМНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В СЕВЕРНОМ ПОЛУШАРИИ (1997 ГОД)

Годовой ход приземной температуры воздуха зависит от таких факторов как характер деятельной поверхности, географическая широта местности, высота места над уровнем моря, степень континентальности климата, условия общей циркуляции атмосферы и др.

Так, например, на широте 60° в районе г. Санкт – Петербурга (рис. 4) амплитуда годовых колебаний приземной температуры воздуха по сравнению с Западно-Сибирской равниной (рис. 5) меньше, что обусловлено особенностью перемещения воздушных масс. На побережье господствуют морские воздушные массы, когда как в Западно-Сибирской равнине климат является континентальным. Этот факт влияет и на среднесуточные температуры. Внутри континента отмечаются значительно более низкие температуры в январе (до – 36° С) по сравнению с побережьем (минимум составляет - 16° С), резкие межсуточные колебания. Летом же характер распределения температуры воздуха несколько иной: в Санкт – Петербурге среднесуточная температура в июле колеблется от 15 до 25° С, в Западно – Сибирской равнине – от 8 до 20° C. Более низкие температуры на равнине связаны с вторжением холодных масс из Антарктики, а повышенные в городе как результат воздействия так называемого «острова тепла».

Минимальные значения амплитуды приземной температуры воздуха наблюдаются над водной поверхностью. На рис. 6 видно, что над Атлантическим океаном годовая изменчивость температуры воздуха незначительна. Летом водная поверхность большую часть приходящего тепла расходует на нагревание более глубоких слоев, зимой же накопленное тепло отдается атмосфере. Эти процессы являются причиной того, что в январе над океанами в северном полушарии наблюдаются температуры выше, чем над сушей (особенно внутри материков); в июле приземный слой воздуха над океаном нагревается меньше. Также необходимо уделить внимание тому, что над океанами наблюдается плавный ход температуры в течение года, так как здесь не сказывается неоднородность подстилающей поверхности как на суше.

Рис. 4. Температура воздуха в приземном слое (среднесуточная). Санкт-Петербург. 1997 г. 60 ° с.ш., 30 ° в.д.

В горах температура убывает с высотой, также сказывается характер подстилающей поверхности, который в горных районах имеет более сложный характер, чем на равнине. На рис. 7, где показано, что на высоте около 1000-2000 м. приземная температура воздуха испытывает большие колебания, особенно зимой.

Огромное влияние на распределение приземной температуры воздуха оказывает приток солнечной радиации, а, следовательно, и географическая широта места. В южных районах северного полушария, где приток солнечной радиации в течение года имеет меньшую сезонную зависимость, амплитуда годовых колебаний температуры воздуха меньше. На рис. 8, 9 показано распределение температуры воздуха в приземном слое на широте 30° на побережье (г. Новый Орлеан) и в глубине материка (Гималаи) соответственно. Здесь видно, что разница температур между зимой (январь) и летом (июль) меньше по сравнению с более высокими широтами (рис., 4, 5, 7), ход среднесуточных температур более плавный. Величина притока солнечной радиации, естественно, сказывается и на температурный режим. На основании графиков можно сказать, что в южных районах среднемесячные температуры воздуха больше, чем в северных.

Рис. 5. Температура воздуха в приземном слое (среднесуточная). Западно - Сибирская равнина. 1997 г. 60° с.ш., 75 ° в.д.

В районе г. Новый Орлеан также сказывается сезонная циркуляция атмосферы. В январе под действием холодных арктических масс температура может опускаться до 0° С (рис. 8). В горных районах такая зависимость не наблюдается (рис. 7).

Особенно хорошо видна зависимость температуры воздуха в приземном слое от географической широты места над океанами (рис. 6, 10, 11). Чем южнее расположена область, тем выше оказываются температуры воздуха.

Рис. 6. Температура воздуха в приземном слое (среднесуточная). Север Атлантического океана 1997 г. 60 ° с.ш., 330° в.д.

Рис. 7. Температура воздуха в приземном слое (среднесуточная). Северная Америка 1997 г. 60° с.ш., 235° в.д.

Рис. 8. Температура воздуха в приземном слое (среднесуточная). Гималаи.
1997 г. 30° с.ш., 85° в.д.

Рис. 9. Температура воздуха в приземном слое (среднесуточная). Новый Орлеан. 1997 г. 30° с.ш., 270 °в.д.

Рис. 10. Температура воздуха в приземном слое (среднесуточная). Атлантический океан. 1997 г. 30° с.ш., 320 ° в.д.

Рис. 11. Температура воздуха в приземном слое (среднесуточная). Тихий океан. 1997 г. 30° с.ш., 180 ° в.д.

Взятые исходные данные для расчета графиков, а также сводные графики температур воздуха для каждого отобранного месяца по соответствующим параллелям (60°, 30° с.ш.) даны в приложении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты данной работы заключаются в следующем:

1. Описаны факторы, влияющие на годовой ход приземной температуры воздуха и его изменения.

2. Произведен анализ некоторых научных работ, посвященных проблеме теплового режима атмосферы.

3. Произведен собственный анализ распределения приземной температуры воздуха во времени и пространстве, сопоставленный с данными теоретических исследований, на основании которого можно сделать следующие выводы:

3.1. Ход температуры воздуха у поверхности земли испытывает годовые колебания, которые в первую очередь зависят от характера нагревания подстилающей поверхности (деятельного слоя) в разные сезоны года, что связано с притоком солнечной радиации.

3.2. На годовой ход температуры накладываются также такие естественные факторы, как высота места над уровнем моря, степень континентальности климата, процессы циркуляции атмосферы и др.

3.3. В последнее время возрастает влияние антропогенного фактора, воздействующего на тепловой режим атмосферы, который приводит к аномалиям в годовом ходе приземной температуры воздуха.

Полученные результаты не являются окончательным, с течением времени они могут дополняться, изменяться, корректироваться. В дальнейшем имеет смысл провести более детальное изучение данного вопроса, целесообразно будет включить мнения других авторов научных трудов, посвященных данной тематике.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Городецкий О.А., Гуральник И.И., Ларин В.В. Метеорология, методы и технические средства наблюдений. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 321 с.

2. Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. Изд-во Моск. ун-та, 2001. 526 с.

3. Матвеев Л. Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 751 с.

4. Матвеев Л. Т., Баринова С.А. Влияние антропогенных факторов на термический и влажностный режим большого города // Метеорология на рубеже веков: итоги и перспективы развития. Тез. докл. Всеросс. науч. конф. Пермь, 2000. С. 41-42.

5. Будыко М. И. Тепловой баланс земного шара // Изменения климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. С. 122-150.

6. Севастьянов В.В. Косвенные методы исследования тепловых ресурсов в горных районах // Современная география и окружающая среда. Тез. докл. Всеросс. науч. конф. Казань, 1996. С. 51-54.

7. Справочник по климату СССР. Температура воздуха и почвы. Л.: Гидрометеоиздат, 1965. Вып. 28. Ч. IV. 234 с.

8. Урманова А.Г., Наумов Э.П., Николаев А.А., Переведенцев Ю.П., Верещагин М.А., Шанталинский К.М. Проявления современного потепления климата Земли на территории Татарстана // Сборник науч. трудов. Казань, 1998. С. 111-132.

9. Каган Б.А., Рябченко В.А., Чаликов Д.В. Параметризация деятельного слоя в модели крупномасштабного взаимодействия океана и атмосферы // Метеорология и гидрология. 1979. №12. С. 67-75.

10. Кибель И.А. Распределение температуры в атмосфере Земли // ДАН СССР. 1973. Т. 39, № 1.

11. Ландсберг Г.Е. Климат города. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 248 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Приложение 9

Рис. 12. Температура в январе в разных частях Земли (60° с.ш.)

Рис. 13. Температура в апреле в разных частях Земли (60° с.ш.)

Приложение 10

Рис. 14. Температура в июле в разных частях Земли (60° с.ш.)

Рис. 15. Температура в октябре в разных частях Земли (60° с.ш.)

Приложение 11

Рис. 16. Температура в январе в разных частях Земли (30° с.ш.)

Рис. 17. Температура в апреле в разных частях Земли (30° с.ш.)

Приложение 12

Рис. 18. Температура в июле в разных частях Земли (30° с.ш.)

Рис. 19. Температура в октябре в разных частях Земли (30° с.ш.)