Atmosféra a hydrosféra Země Lekce 5 Atmosférické fronty a vzduchové hmoty Všeobecná cirkulace atmosféry Tropická a mimotropická cirkulace JMI RNDr. Jiľí Jakubínský, Ph.D. | 9. 4. 2019 Vzduchové hmoty fyzikálně relativně stejnorodé útvary charakteristické jen malými horizontálními gradienty meteorologických prvků a jejich zákonitou změnou s výškou, typickou pro danou vzduchovou hmotu horizontální rozměry cca 2 - 3 tisíce km vertikální rozměry od zemského povrchu až po tropopauzu vzduchové hmoty (VH) o rozdílných vlastnostech jsou odděleny atmosférickými frontami dělení VH podle oblastí jejich formování: - arktická, resp. antarktická - mírných šířek (polární) - tropická - ekvatoriální všechny VH (vyjma ekvatoriální) se dělí na mořskou a kontinentální přemisťování VH vede ke změně fyzikálních vlastností -> transformace vzduchových hmot Vzduchové hmoty transformací VH dochází ke: - změně geografického typu VH - změně uvnitř daného typu (mořská / kontinentální) typy vzduchových hmot podle termodynamického hlediska: - teplá VH • při přemisťování se postupně ochlazuje (její teplota neodpovídá podmínkám energetické bilance v dané oblasti) • přináší oteplení • při ochlazování její dolní části od zemského povrchu se zmenšuje vertikální teplotní gradient a vzniká stabilní zvrstvení (někdy až inverze) - typicky např. v zimě při proudění oceánského vzduchu na pevninu (výskyt oblak typu St, Sc -> mrholení, advekční mlhy) • nevýrazný denní chod meteorologických prvků při stabilním zvrstvení • labilní zvrstvení se vyskytuje méně často (oblaka typu Cu, Cb -lijáky, bouřky v létě) - výraznější denní chod meteorologických prvků Vzduchové hmoty - studená VH • při přemisťování do dané oblasti se zdola postupně prohřívá • způsobuje ochlazení • zahříváním od zemského povrchu vzniká velký vertikální teplotní gradient a labilní zvrstvení (typické v létě nad kontinenty a v zimě nad oceány [zde ojediněle i v létě]) - výskyt oblak druhu Cu, Cb, lijáky, bouřky, v noci nad pevninami také radiační mlhy • velmi výrazný denní chod meteorologických prvků • stabilní zvrstvení ve studeném vzduchu se vyskytuje jen v zimě nad pevninou (mrazivé, bezoblačné počasí, ojediněle s radiačními mlhami) - denní chod meteorologických prvků je méně výrazný - neutrální (místní) VH • v dané oblasti si zachovávají po několik dnů své základní vlastnosti • podle výchozích vlastností mohou být zvrstvené stabilně (v zimě nad pevninou) i labilně (v létě nad pevninou) 2 Atmosférické fronty • úzká přechodná vrstva mezi vzduchovými hmotami • délka až několik stovek km / šířka obvykle jen desítky km • výška několik km (až po tropopauzu) • průsečnice frontální plochy se zemským povrchem = frontální čára (fronta) • hlavní atmosférické fronty (mezi základními geografickými typy VH) • podružné atmosférické fronty (mezi teplotně rozdílnými VH stejného geografického typu) • výškové fronty (v určité výšce nad zemským povrchem v troposféře) • 3 hlavní atmosférické fronty: - arktická (AF) - rozhraní mezi arktickým a polárním vzduchem - polární (PF) - rozhraní mezi polárním a tropickým vzduchem - tropická (TF) - málo výrazné rozhraní mezi pasáty obou polokoulí -> častěji užívaný název „tropická zóna konvergence" • klimatická fronta = průměrná dlouhodobá poloha hlavních atmosférických front Atmosférické fronty frontogeneze - důsledek konfluenčních pohybů vzduchu - přibližují se vzduchové částice o různých vlastnostech -> zvětšování horizontálních gradientů teploty + dalších prvků -> vznik výrazného rozhraní frontolýza - zánik atmosférické fronty stav rovnováhy mezi teplým a studeným vzduchem - nerotující Země: teplý vzduch nad studeným, oddělen horizontální plochou - rotující Země: frontální plocha ukloněna vzhledem k horizontu na stranu studeného vzduchu, úhel sklonu cca 0,5-1° (zmenšuje se s rostoucí z. š.), vzduch proudí podél frontální čáry - stacionární fronta 3 Atmosférické fronty při zapojení složek rychlosti směřující k frontě -> přemisťování fronty směrem k teplému nebo studenému vzduchu = pohyblivá fronta pohyb vzduchu v teplé a studené vzduchové hmotě není rovnoměrný -vznikají vertikální složky rychlosti proudění -> výstup nebo sestup teplého vzduchu podél klínu studeného vzduchu anafronta = fronta na které dochází k výstupnému klouzání teplého vzduchu katafronta = sestupný pohyb teplého vzduchu podél klínu studeného vzduchu Atmosférické fronty TEPLA FRONTA f ^ - část fronty přemisťující se na stranu relativně chladnější VH za teplou frontou postupuje teplejší VH, chladnější vzduchu před frontou ustupuje nejčastěji anafronta nad frontou se nachází oblačný systém (oblaka Ci, Cs, As, Ns, pod nimi St) největší mocnost oblačnost v oblasti frontální čáry zóna oblaků Ns s trvalými srážkami (obvykle rozsah okolo 300 km) celý oblačný systém až 900 km sled událostí typických pro přechod studené fronty: 1) oblaka druhu Ci, Cs 2) pokles tlaku vzduchu a zesilování větru 3) oblaka As -> Ns, trvalé srážky, další zesilování větru, pokles tlaku se zpomaluje 4) po přechodu fronty - vzestup teploty vzduchu, stáčení větru vpravo ve směru hodinových ručiček (např. JV->JZ), srážky ustávají 4 zdroj: Lütgens, Tarbuck 2004 Atmosférické fronty STUDENÁ FRONTA - přemisťuje se na stranu relativně teplejší VH - za ní postupuje relativně chladnější VH, teplejší vzduch před ustupuje - rychlost postupu studeného vzduchu zpomalována třením o zemský povrch -> typický profil tvaru tupého klinu - podle rychlosti postupu rozlišujeme 2 druhy studené fronty: • studená fronta 1. druhu - pohybuje se pomaleji - v celém výškovém profilu je anafrontou - oblačný systém totožný s teplou frontou, ale v opačném pořadí (Ns-As-Cs) - silný výstup teplého vzduchu po strmé spodní části fronty (vznik Cb, přeháňkové deště a bouřky) - přeháňky přecházejí v trvalé srážky za frontou (ve studeném vzduchu) - užší srážkové pásmo oproti teplé frontě (strmá frontální plocha) 5 - teplý vzduch nad frontálni plochou se pohybuje rychleji než samotná fronta -> předbíhá ji a sestupuje podél její plochy - vystupující teplý vzduch se obrací zpět do teplé VH za vzniku inverze subsidenčního typu - intenzivní výstup vzduchu na čele fronty vede ke vzniku Cb (intenzivní přeháňky, bouřky - velmi malá šířka srážkového pásma (50-100 km) - potenciál k formování podružné studené fronty - před frontou atmosférický tlak klesá, po jejím přechodu však stoupá zdroj: Lütgens, Tarbuck 2004 6 Atmosférické fronty OKLUZNI FRONTA - rychle se pohybující studená fronta dostihuje jinou studenou VH - teplý vzduch je zcela vytlačen od zemského povrchu - proces okludování, okluzní bod - v případě stejné teploty obou zúčastněných studených front nevzniká frontální rozhraní - neutrální okluze - teplá okluzní fronta - teplota vzduchu studené fronty je vyšší než teplota studené VH kterou dostihuje - studená okluzní fronta - teplota vzduchu studené fronty je nižší než teplota studené VH kterou dostihuje - nejčastější výskyt teplých okluzních front v Evropě v zimě a studených okluzních front v létě - oblačné systémy okluzní fronty jsou kombinací systému teplé a studené fronty 8 Atmosférické fronty orografická okluze - horské překážky překoná snadno teplá fronta - studené fronty jsou obvykle zadrženy horami vyššími než 2 000 m - studený vzduch pohoří obtéká - teplý vzduch je vytlačován vzhůru a na druhou stranu pohorí - deformace fronty Ridge Wlrd / CoW front Všeobecná cirkulace atmos systém stálych vzdušných proudění velkého měřítka rozměry kontinentů a oceánů vertikálně od zemského povrchu až do spodní mezosféry základní faktory: - sluneční záření - rotace Země - nehomogenita zemského povrchu - tření o zemský povrch nerotující Země s homogenním povrchem -jednoduchá cirkulace mezi termicky podmíněnými oblastmi NT kolem rovníku a VT při pólech 10 Všeobecná cirkulace atmosféry rotující homogenní Země - odchylka výškového proudění na sever a jih od rovníku - v oblasti 30. rovnoběžky odchylka až 90° -> akumulace vzduchu -> lokální zvýšení tlaku vzduchu (subtropický pás VT) - 3 relativně samostatné cirkulační mechanismy na každé polokouli Všeobecná cirkulace atmosféry reálná Země - složitý cirkulační mechanismus - vliv nehomogenního zemského povrchu - vliv tření vzduchu o zemský povrch - základní zákonitosti všeobecné cirkulace atmosféry (VCA): • převážně vírový charakter atmosférických pohybů • převaha rychlostí horizontálních pohybů nad vertikálními v měřítku velkoprostorových vírů • převládá zonální proudění (ve směru rovnoběžek) nad prouděním meridionálním (ve směru poledníků) • pohyby atmosféry jsou nestacionární • směr a rychlost proudění se mění od vrstvy k vrstvě a od sezóny k sezóně - horizontální tlakový gradient směřuje obecně od rovníku k pólům (platí nad mezní vrstvou atmosféry) - v troposféře a spodní stratosféře převládá západní proudění (vliv uchylující síly zemské rotace) 11 Všeobecná cirkulace atmosféry CIRKULACE TROPICKÝCH ŠÍŘEK - rozdíl teplot mezi ekvatoriálními a subtropickými oblastmi - cirkulace celoročně existuje jen v oblasti Tichého a Atlantského oceánu - Hadleyova buňka - tropická zóna konvergence (TZK) • pásmo nízkého tlaku podél rovníku • konfluence vzdušných proudů a výstup vzduchu -> kupovitá oblačnost • posun TZK v průběhu roku (závislost na poloze Slunce) • závislost na poloze termického rovníku • vyšší prům. teploty S polokoule -> TZK dosahuje do vyšších z. š. (až 30° s. š. v Asii) • pásmo rovníkových tišin v případě TZK v oblasti geografického rovníku • vznik druhotné zóny konvergence v případě TZK na S polokouli • TZK nepředstavuje výrazné teplotní rozhraní, rozdíly zejm. ve vlhkosti Všeobecná cirkulace atmosféry - PASÁTY • silné stálé větry ve spodní troposféře v oblasti mezi subtropickou výší a ekvatoriální níží • 20° z. š. zimní polokoule až 30° z. š. letní polokoule • S polokoule: SV větry / J polokoule: JV větry • nejlépe vyvinuty nad východními částmi oceánů • nad pevninou vanou jen sezónně nebo vůbec (např. SV Afrika - Arabský pol.) • JV pasát: vlhký chladnější vzduch na pevninu • SV pasát: variabilní v závislosti na lokalitě • 3 vrstvy pasátové cirkulace: - vrstva spodních pasátů (mocnost 500-2500 m) - vrstva pasátové inverze (ohřívání vzduchu při jeho sesedání v oblasti subtropů, ochlazování spodních vrstev od chladných vod oceánu či chladnější pevniny v zimě) - vrstva horních pasátů (do výšky 6-10 km, východní směr, stabilnější a sušší vzduch) 12 Všeobecná cirkulace atmosféry - ANTI PASÁTY • odtok vzduchu z nízkých šířek ve výškách 8-12 km v blízkosti rovníku do 4-6 km na 25o-30o s. š. a j. š. • reálné proudění je však poněkud odlišné (meridionální složky rychlostí proudění jsou velmi malé) • situace nejvíce připomíná proudění nad západními částmi oceánů • antipasáty se zachovávají pouze ve vybraných oblastech (zejm. 16o-20o z. š.) • výskyt tryskových proudění („jet streams") - subtropický jet stream (35° s. š. - 30° j. š., hladina 200 hPa, silné západní proudění) - tropický jet stream (cca 10° s. š. a 10°-20° j. š., silné východní proudění v letním období v oblasti JV Asie, Indie a Afriky) 13 Všeobecná cirkulace atmosféry i-—-—i-■-1- pol východní 60° 30° rovník Situace.. V proudéní N íápadni prouděni V pasáty TZK 7tnna východní V prouděni N západní proudéni V pasáty TZK féto Zdroj: Netopil a kol. 1984 Všeobecná cirkulace atmosféry - MONZUNY • vzdušná proudění sezónního charakteru nad velkými částmi zemského povrchu, jež se vyznačují náhlou a (téměř) protichůdnou změnou převládajícího směru větru mezi zimním a letním obdobím • nestejné zahřívání povrchu oceánu a kontinentu -> termicky podmíněné rozdíly v rozložení tlaku vzduchu • v zimě z pevniny na oceány / v létě naopak (zimní, resp. letní monzun) • výskyt nejen v tropech, nejintenzivnější však jsou tropické monzuny January Zdroj: Strahler 2011 july Všeobecná cirkulace atmosféry - TROPICKÉ CYKLONY • cyklonální víry, vznikající v TZK nad oceány • malé rozměry (do 1000 km) • velké tlakové gradienty (14-17 hPa/100 km) -> rychlosti větru 50-100 m.s"1 • v centru cca 960-970 hPa • vznik v oblastech mezi 5°-20° z. š. (kolem rovníku jen zřídka) • zdroj energie = povrchové vody tropických částí oceánů, s teplotou vyšší než 26 °C • tlaková níže, labilní teplotní zvrstvení, konvekční výstup nasyceného vzduchu • pohyb malou rychlostí od východu k západu, odchylování k vyšším z. š. • nad pevninou dochází vlivem tření ke ztrátě energie a zániku cyklony • zhruba od 25° z. š. se dráha cyklony parabolicky zakřivuje (okraj subtropické anticyklony) - SV směr (na S polokouli) • mírný pás: zánik cyklony nebo změna v mimotropickou cyklonu 15 Všeobecná cirkulace atmosféry • „oko cyklóny" - slabé sestupné pohyby vzduchu, bez oblaků, po obvodu intenzivní konvekční proudění (oblaka Cb, Ns,...) • negativní dopady tropických cyklón na lidskou populaci • regionální názvy tropických cyklón - tajfun (Dálný východ) - cyklón (Bengálsky záliv a Arabské more) - uragán (Strední Amerika) - hurikán (Atlantský oceán) - orkán (jižní část Indického oceánu) - Willy-Willy (mezi Austrálií a Kokosovými ostrovy) hladina oceánu Zdroi: Ruda 2014 17 Všeobecná cirkulace atmosféry MIMOTROPICKÁ CIRKULACE - západní přenos vzduchu v mírných šířkách - v polárních oblastech (zejm. Antarktida) východní složka proudění - intenzivní cyklonální činnost - nepřetržitý vznik, vývoj a přemísťování cyklon a anticyklon - mimotropické cyklony: • termické - vznik v létě nad pevninou a v zimě nad oceány - nestejnoměrné zahřívání zemského povrchu - menší rozměry, slaběji vertikálně vyvinuty • frontální - vznik na atmosférické frontě, v podobě vlny (vlnové poruchy) - zvlnění fronty vlivem diskontinuity teploty vzduchu, větru či orografických podmínek - s rostoucí instabilitou teplotního zvrstvení roste pravděpodobnost vzniku vlny 18 Všeobecná cirkulace atmosféry • vlny dynamicky stabilní (po vzniku si zachovávají svoji amplitudu a pak zanikají) • vlny dynamicky instabilní (amplituda rychle narůstá) - přední část vlny se pohybuje směrem do studeného vzduchu - zadní část do teplého vzduchu - charakter teplé, resp. studené fronty • stadia vývoje cyklony: - stadium vlny (vírový charakter proudění vzniklý na dynamicky instabilní vlně, teplý vzduch proniká nad studený) - stadium mladé cyklony (amplituda vlny se zvětšuje, teplý vzduch proniká do studeného - vznik jazyka teplého vzduchu, tzv. teplý sektor cyklony) - stadium odumírání cyklony (studená fronta se pohybuje rychleji, teplý vzduch je vytlačován od povrchu, po vzniku okluzní fronty teplý sektor přestává existovat, cyklona ztrácí spojení s frontou a začíná se vyplňovat) Zdroj: Netopil a kol. 1984 Všeobecná cirkulace atmosféry v případě rozdílných teplot dvojice studených vzduchových hmot (na obou stranách okluze) -> opětovný vývoj (regenerace) cyklony obnova teplotní asymetrie - druhotný teplý sektor centrální cyklona: symetrická, nepohyblivá a hluboká deprese, vertikálně až k tropopauze, vzniklá po více regeneracích cyklony postupně odumírá průměrná rychlost pohybu cyklon 40-80 km.h 1 pohyb obvykle od západu k východu, s uchylováním k vyšším z. š. vznik série cyklon 20 Všeobecná cirkulace atmosféry ANTICYKLONY - příčiny vzniku anticyklon • termické příčiny (ochlazování vzduchu od zemského povrchu) • druhotný efekt vývoje cyklon na frontách (deficit vs. přebytek vzduchové hmoty) - specifika anticyklon • bez frontálních rozhraní • převládají sestupné pohyby vzduchu (pěkné počasí) • inverze zabraňuje vývoji konvektivních oblaků a přeháněk - typy počasí v oblasti anticyklon (v závislosti na vlhkosti vzduchu) • jasné a suché počasí, event. nízké radiační mlhy v noci a kupovitá oblačnost na okrajích anticyklony • s vlnovými oblaky druhu Sc a Ac (v létě na pevnině) • s oblaky druhu St a Sc s mrholením a mlhami (podzim, zima) • mírný vítr Všeobecná cirkulace atmosféry dělení anticyklon dle charakteru přízemního tlakového pole a jeho změn - stacionární subtropické anticyklony • mezi 10° a 40° z. š., zejm. nad oceány • horizontální rozměry 3000 až 4000 km • vertikálně vyplňují troposféru - putující anticyklony • postupují mezi dvěma za sebou následujícími cyklonami stejné série • podoba hřebenů vysokého tlaku vzduchu - anticyklony uzavírající sérii cyklon • vznik z putujících anticyklon, jejichž pohyb ustal - stacionární (sezónní) studené anticyklony mírných šířek • např. severoamerická, asijská anticyklona • typická přízemní inverze teploty - arktické a antarktické zimní anticyklony • vznik ochlazováním přízemní atmosféry dlouhovlnným vyzařováním • mohutná inverze, silná difluence proudnic 21 Všeobecná cirkulace atmosféry typy atmosférické cirkulace v mimotropických šířkách - zonální typ • prenos vzduchových hmot od západu k východu • nízký tlak ve vyšších šírkách, vysoký tlak v nižších šírkách • meridionální výměna tepla oslabena • v Evropě advekce teplého, resp. studeného vzduchu (v zimě, resp. v létě) z Atlantského oceánu - meridionální typ • vznik v důsledku existence vedle sebe položených nepohyblivých studených cyklón a teplých, blokujících anticyklon • pronikání vzduchových hmot z nízkych do vysokých šířek v čelních částech cyklón a v týlových částech anticyklon • pronikání vzduchu z vysokých do nízkých šířek v týlových částech cyklón a čelních částech anticyklon • narušení západního přenosu vzduchu • v Evropě vpády studeného arktického vzduchu nebo teplého tropického vzduchu Všeobecná cirkulace atmosféry MIMOTROPICKÉ MONZUNY - monzuny mírných a vysokých z. š. - východní Asie - sezónní převládání nízkého tlaku vzduchu v létě a vysokého tlaku v zimě nad pevninou - méně stálé a méně intenzivní oproti tropickým monzunům Všeobecná cirkulace atmosféry PROUDĚNÍ VZDUCHU VE VYŠŠÍ ATMOSFÉŘE - vysokorychlostní proudění vzduchu se západní složkou - polární tryskové proudění („jet stream") - styk polárního a tropického vzduchu - poloha velmi proměnlivá v prostoru a čase - vznik vzdušných 24