Понимание атмосферного давления: двигатель погоды

Невидимый океан воздуха, окружающий нашу планету, далек от статического. Постоянно находящийся в движении, он оказывает силу на каждую поверхность под ним — силу, известную как атмосферное давление. Это давление, обусловленное весом воздушной колонны выше, является фундаментальным двигателем нашей ежедневной погоды. Изменения атмосферного давления создают глобальный двигатель, который перемещает воздушные массы, генерирует ветры и формирует штормы и справедливую погоду, которую мы испытываем. Понимание взаимодействия между этими системами давления и погодными явлениями, которые они производят, имеет важное значение не только для метеорологов, но и для всех, кто хочет интерпретировать небо и подготовиться к тому, что оно может принести.

Атмосферное давление измеряется в миллибарах (мб) или дюймах ртути (inHg), при этом стандартное давление на уровне моря составляет 1013,25 мб (29,92 inHg). Распределение этих значений давления по всему миру никогда не бывает однородным; различия в температуре, влажности и высоте создают области более высокого и более низкого давления. Эти области, известные как системы давления, взаимодействуют предсказуемым образом для создания огромного спектра погодных явлений, которые мы наблюдаем. Изучая характеристики систем высокого и низкого давления и то, как они взаимодействуют, мы можем получить глубокое понимание прогнозирования погоды и поведения штормов, волн тепла и осадков.

Что такое атмосферное давление?

Атмосферное давление — это сила, оказываемая весом атмосферы в любой заданной точке. Оно уменьшается с высотой, потому что на высоте меньше воздуха для наложения веса. Однако горизонтальные изменения давления, вызванные дифференциальным нагревом поверхности Земли, приводят воздух в движение, создавая ветер. Более теплый, менее плотный воздух поднимается, что приводит к снижению давления на поверхности; более холодный, плотный воздух опускается, что приводит к более высокому давлению. Этот фундаментальный процесс отвечает за формирование как систем высокого, так и низкого давления.

Давление измеряется с помощью барометров, из которых есть несколько типов: ртутные барометры, аэрооидные барометры и цифровые барометры. Метеорологи наносят показания давления на погодные карты с использованием изобар - линий равного давления - для определения местоположения и интенсивности систем давления. Крутой градиент давления, обозначенный близко расположенными изобарами, производит сильные ветры; слабый градиент дает спокойные условия. Понимание измерения и отображения давления является первым шагом в чтении погоды.

Факторы, влияющие на атмосферное давление, включают температуру (теплый воздух расширяется и поднимается, понижая давление; холодный воздух сжимается и понижается, повышая давление), содержание водяного пара (влажный воздух менее плотный, чем сухой воздух, понижая давление) и высоту (давление уменьшается с высотой). Эти факторы объединяются для создания динамических моделей, которые управляют нашими погодными системами.

Системы высокого давления: Антициклоны

Системы высокого давления, также известные как антициклоны, — это области, где атмосферное давление выше окружающей среды. Для них характерен опускающийся воздух, который адиабатически нагревается при погружении, тормозя образование облаков. Это приводит к стабильным, в целом справедливым погодным условиям. Системы высокого давления связаны с ясным небом, легкими ветрами и стабильными температурами. Однако их эффекты могут варьироваться в зависимости от их местоположения, сезона и продолжительности.

Типы высоконапорных систем

Метеорологи классифицируют системы высокого давления по их происхождению и характеристикам:

  • Субтропические максимумы:] Полупостоянные особенности, найденные около 30° широты, такие как Бермудские Азорские острова Высоко в Атлантике и Тихом океане Высоко. Они приводят в движение торговые ветры и влияют на пустыни мира и средиземноморский климат.
  • Полярные максимумы: Холодные, неглубокие максимумы, которые образуются над полярными областями, часто связаны с чрезвычайно холодными температурами и чистым, хрустящим воздухом.
  • Переходные максимумы: Мигрирующие антициклоны, которые движутся с общей циркуляцией, обычно приносят короткие периоды хорошей погоды между системами низкого давления.

Влияние высокого давления на погодные явления

В то время как высокое давление обычно приносит хорошую погоду, оно также может привести к экстремальным условиям:

  • Тепловые волны: Устойчивая система высокого давления может привести к парению температур, поскольку ясное небо позволяет сильному солнечному нагреву, а падающий воздух сжимается и нагревается дальше. Эти «тепловые купола» могут длиться в течение нескольких недель, что приводит к волнам тепла со значительными последствиями для здоровья и сельского хозяйства. Например, европейская волна тепла 2003 года была связана с сильной, застойной системой высокого давления (]NOAA объясняет тепловые купола.
  • Туман и дымка: В определённых условиях высокое давление приводит к ночному охлаждению под ясным небом. Если воздух достаточно влажный, радиационный туман может образовываться в долинах и низменных районах. Зимой системы высокого давления также могут улавливать загрязняющие вещества вблизи поверхности, вызывая стойкую дымку или смог.
  • Засухи: Продленные периоды высокого давления подавляют осадки, приводя к засухе.Засуха Великих равнин 1930-х годов, известная как пыльная чаша, частично была вызвана стойким хребтом высокого давления, который блокировал влагоносящие штормы.

Системы низкого давления: циклоны

Системы низкого давления, или циклоны, — это области, где атмосферное давление ниже, чем в окрестностях. Воздух сходится на поверхности и поднимается, охлаждаясь и конденсируясь, образуя облака и осадки. Эти системы динамичны и часто приносят штормовую погоду, сильные ветры и значительные изменения температуры и влажности. Системы низкого давления бывают нескольких разновидностей, от привычных циклонов средней широты до разрушительных тропических циклонов.

Типы низконапорных систем

  • Среднеширотные циклоны (внетропические циклоны): Они образуются вдоль полярного фронта, где холодный полярный воздух встречается с теплым субтропическим воздухом. Они ответственны за большую часть осадков и штормов в средних широтах. Они часто имеют хорошо определенные теплые и холодные фронты и могут производить широкий диапазон погоды, включая дождь, снег, грозы и сильные ветры.
  • Тропические циклоны: Это теплоядерные системы низкого давления, которые образуются над теплыми океанскими водами (обычно выше 26,5 °C) в тропиках. Они известны как ураганы в Атлантике, тайфуны в Тихом океане и циклоны в Индийском океане. Они получают энергию от испарения теплой морской воды и могут стать чрезвычайно мощными, при устойчивых ветрах, превышающих 74 миль в час (119 км/ч). Центральное давление зрелого урагана может опускаться ниже 900 мб, при этом самое низкое из когда-либо зарегистрированных — 870 мб в Тайфун Тип (1979) NOAA Hurricane Research Division.
  • Полярные минимумы: Маленькие, но интенсивные системы низкого давления, которые формируются над полярными морями, часто принося сильный снег и штормовые ветры в высокие широты.

Влияние низкого давления на погодные явления

Системы низкого давления непосредственно ответственны за многие из наиболее важных погодных явлений:

  • Громы и суровая погода:] Сильные системы низкого давления, особенно с сильным подъемом и сдвигом ветра, могут вызывать сильные грозы с градом, повреждающие ветры и торнадо.Взаимодействие низкого давления с струйными потоками может организовывать эти бури в шквальные линии или суперячейки.
  • Ураганы: Как отмечается, тропические системы низкого давления могут усиливаться до ураганов. Эти штормы приносят катастрофический ущерб от ветра, штормового нагона и наводнений от сильных осадков. Сезон ураганов в Атлантике 2017 года, в котором участвуют ураганы Харви, Ирма и Мария, подчеркнул разрушительную силу этих систем Национальный центр ураганов.
  • Зимние штормы и метели: В холодных регионах системы низкого давления могут вызывать сильные снегопады, ледяные бури и метели. Штормы «Нор-Востока» на восточном побережье США являются классическими примерами мощных внетропических циклонов, которые могут закрыть крупные города.
  • Наводнение:] Медленно движущиеся или застопорившиеся системы низкого давления могут вызывать длительные сильные дожди, приводящие к катастрофическим наводнениям.Наводнения на Среднем Западе в США в 2019 году были вызваны устойчивой моделью систем низкого давления, которые принесли рекордные осадки.

Взаимодействие между высоким и низким давлением

Атмосфера — динамическая система, где системы высокого и низкого давления не существуют изолированно. Их взаимодействие — это то, что создает сложные погодные условия, которые мы наблюдаем. Сила градиента давления приводит к тому, что воздух из высокого давления в низкое, генерируя ветры. Эффект Кориолиса (из-за вращения Земли) отклоняет эти ветры, приводя к характерным циклоническим (против часовой стрелки в Северном полушарии) и антициклоническим (против часовой стрелки) циркуляции. Эти взаимодействия порождают несколько ключевых особенностей:

Фронты погоды

Фронты — границы между различными воздушными массами, обычно связанные с системами низкого давления. Они подразделяются на четыре основных типа:

  • Холодные фронты:] Форма, когда холодный, плотный воздух толкает в теплый, влажный воздух. Холодный воздух действует как клин, заставляя теплый воздух резко подниматься. Этот быстрый подъем может производить интенсивные, но кратковременные осадки, часто с грозами и резкими перепадами температуры. Холодные фронты изображены на погодных картах как синие линии с треугольниками.
  • Теплые фронты:] Возникают, когда теплый воздух скользит по отходящей холодной воздушной массе. Восхождение более постепенное, приводящее к широко распространенным, нежным осадкам, которые могут длиться часами или днями. Теплые фронты отмечены красными линиями с полукругами.
  • Стационарные фронты: Когда ни одна воздушная масса не продвигается, граница остаётся на месте, часто создавая длительные облачные и дождливые условия. Они показаны как чередующиеся голубые треугольники и красные полукруги.
  • Замкнутые фронты: Форма, когда холодный фронт догоняет теплый фронт, полностью поднимая теплый воздух с земли. Это часто приносит сложные погодные условия и является признаком зрелой системы низкого давления.Замкнутые фронты представляют собой фиолетовые линии с чередующимися треугольниками и полукругами.

Фронтальные проходы ответственны за многие резкие изменения погоды, включая сдвиги в направлении ветра, температуру и осадки.

Циклогенез и реактивный поток

Рождение и интенсификацию системы низкого давления называют циклогенезом. Этот процесс часто связан с струйным потоком — узкой полосой сильных ветров высоко в атмосфере. Струйный поток действует как рулевой ток для погодных систем и сам находится под влиянием температурного контраста между полярным и тропическим воздухом. Когда возмущение в струйном потоке, такое как корыто, взаимодействует с градиентом температуры поверхности, это может спровоцировать развитие нового циклона. Положение струйного потока также определяет путь штормов: более южный струйный поток может принести штормы на юг США, в то время как более северный переносит их в Канаду.

Экстремальные погодные явления, вызванные системами давления

В то время как на любую погоду влияет давление, некоторые экстремальные явления особенно связаны с конкретными конфигурациями давления.

Торнадо

Торнадо — это сильно вращающиеся столбы воздуха, которые спускаются от сильных гроз. Они часто образуются в сочетании с мощными системами низкого давления, особенно когда сильный центр низкого давления взаимодействует с теплой, влажной воздушной массой и сухой линией. Грозы сверхячейки, которые производят торнадо, требуют сдвига ветра — изменения скорости ветра и направления с высотой — что часто обеспечивается взаимодействием системы низкого давления и струйного потока. Супервспышка торнадо в США 2011 года была подпитана глубокой системой низкого давления, которая вытягивала влажный воздух Персидского залива и создавала чрезвычайную нестабильность (]NOAA Storm Prediction Center.

Не пасхальные

Нор-Востоки — мощные внетропические циклоны, которые воздействуют на восточное побережье Северной Америки. Они образуются, когда система низкого давления усиливается вдоль побережья, что обусловлено контрастом между холодным континентальным воздухом и теплыми водами Гольфстрима. Эти штормы могут принести ураганные ветры, сильный снег и прибрежные наводнения. «Метель 1996 года» и «Снегомагеддон» (2009) являются классическими примерами Нор-Востоков, которые искалечили крупные города.

муссоны

Муссоны — это сезонные развороты в направлении ветра, обусловленные дифференциальным нагревом суши и океана. Летний муссон происходит, когда нагревается большая масса суши, создавая устойчивую зону низкого давления, которая вытягивает влажный воздух из океана. Этот восходящий воздух производит проливные дожди, особенно в Южной Азии, Западной Африке и юго-западе США. Индийский летний муссон, например, регулируется сильной системой низкого давления над Тибетским плато и системой высокого давления над Индийским океаном, взаимодействие которой определяет интенсивность и время муссона.

Роль атмосферного давления в климатических моделях

Помимо ежедневной погоды, системы давления являются неотъемлемой частью долгосрочных климатических моделей. Наиболее известным является Эль-Ниньо-Южное колебание (ENSO), которое включает в себя сдвиги атмосферного давления по экваториальной части Тихого океана. Индекс южного колебания (SOI) измеряет разницу в давлении между Таити и Дарвином, Австралия. Во время Эль-Ниньо давление низкое в восточной части Тихого океана и высокое в западной части Тихого океана, что приводит к изменениям глобальных погодных условий. И наоборот, Ла-Нинья имеет противоположный градиент давления.

Другие климатические колебания, связанные с давлением, включают Североатлантическое колебание (НАО), которое основано на разнице давлений между Исландским Низким и Азорским Высоким. Положительная НАО приносит более сильные западные ветры и более мягкие зимы в Европу; отрицательная НАО может привести к холодным, снежным зимам. Тихоокеанское десятилетнее колебание (PDO) и Арктическое колебание (AO) аналогично включают модели давления, которые влияют на климат в течение десятилетий или сезонов за раз.

Наблюдение и прогнозирование систем давления

Современная метеорология опирается на множество инструментов для наблюдения атмосферного давления и прогнозирования его изменений. Поверхностные метеорологические станции сообщают о показаниях давления каждый час, в то время как метеорологические воздушные шары (радиозонды) измеряют давление, температуру и влажность в воздухе. Спутники обеспечивают глобальный обзор облачных моделей, связанных с системами давления, а отчеты о полетах самолетов (AMDAR) добавляют ценные данные. Численные модели прогнозирования погоды имитируют поведение атмосферы с использованием фундаментальных уравнений динамики жидкости и термодинамики. Синоптики анализируют выход модели, спутниковые снимки и наблюдения поверхности для выпуска предупреждений о погодных явлениях с высоким воздействием.

Для общественности понимание тенденций давления может помочь в краткосрочном прогнозировании: падение давления часто указывает на приближающуюся систему низкого давления и ухудшающуюся погоду, в то время как повышение давления сигнализирует о клиринговых условиях.Барометрическое давление является одним из самых надежных показателей в прогнозировании погоды, и его исследование остается краеугольным камнем метеорологии.

Оригинальное название: The Unseen Hand Guiding Our Weather

Системы атмосферного давления являются невидимыми архитекторами нашей погоды. От нежного максимума, который приносит солнечный день к свирепому минимуму, который порождает ураган, эти системы управляют движением воздуха, образованием облаков и распределением осадков. Их взаимодействие - через фронты, струйные потоки и глобальные колебания - создает богатый гобелен погодных моделей, которые формируют нашу окружающую среду и нашу жизнь. Углубляя наше понимание того, как работают системы давления, мы не только улучшаем нашу способность прогнозировать штормы и волны тепла, но и получаем большую оценку динамической, взаимосвязанной природы атмосферы. По мере изменения климата изменяет поведение систем давления, это знание становится все более важным для подготовки к вызовам меняющегося мира.