30/10/2018 Lekce 4 Atmosférické fronty a vzduchové hmoty Všeobecná cirkulace atmosféry Tropická a mimotropická cirkulace | f RNDr. Jiří Jakubínský, Ph.D. | 30. 10. 2018 Proudem vzduchu 2 1 30/10/2018 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 30/10/2018 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) 7 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 4 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 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 10 30/10/2018 Atmosférické fronty tt TEPLA FRONTA - 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 6 30/10/2018 Atmosférické fronty v^/ STUDENA FRONTA - přemisťuje se na stranu relativně teplejší VH - za ní postupuje relativně chladnější VH, teplejší vzduch před frontou ustupuje - rychlost postupu studeného vzduchu zpomalována třením o zemský povrch -> typický profil tvaru tupého klínu - 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) 1 Atmosférické fronty studená fronta 2. druhu - pohybuje se rychleji - ve spodní části anafronta, od cca 2-3 km katafronta - teplý vzduch nad frontální 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 14 7 30/10/2018 8 17 Atmosférické fronty OKLUZNÍ 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 18 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 pohoří - deformace fronty Atmosférické fronty MAP BY VIKTOR NOVKOV ANO PWLIPPE REKACCWICZ - UNEPGRO ARENOAl APRl M05 30/10/2018 Všeobecná cirkulace atmosféry systém stálých 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 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 12 30/10/2018 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) 25 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 26 13 30/10/2018 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) Všeobecná cirkulace atmosféry západní část oceánu - - - - _ jóna východní část oceánu vysoký tlak vzduchu pasátové <- prouděni <- tropické cyklony vysoká intenzita evaporace t t t t t teplá povrchová vrstva KONTINENT OCEÁN výstupný *» suchý horký , vzduch pouště na západním pobřeží KONTINENT Zdroj: Ruda (2014) 14 30/10/2018 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 10o-20o j. š., silné východní proudění v letním období v oblasti JV Asie, Indie a Afriky) Všeobecná cirkulace atmosféry W 30 40 50 60 70 80 90 IM 110 120 130 Wmd Spesd nt mb (m/O ' lil- !>-»■•■ Umrvňfřtr' | i: i,.r.«. 15 30/10/2018 i-—-—,———......-1-r---- pól východní 60° 30° rovník Situact. V proudéní N západní prouděni V pasáty TZK íifna východní V prouděni N západní proudént V paaáty TZK fěto 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 Zdroj: Strahler 2011 16 Všeobecná cirkulace atmosféry TROPICKÉ CYKLÓNY • 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 niže, 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 33 Všeobecná cirkulace atmosféry „oko cyklony" - slabé sestupné pohyby vzduchu, bez oblaků, po obvodu intenzivní konvekční proudění (oblaka Cb, Ns,...) negativní dopady tropických cyklon na lidskou populaci regionální názvy tropických cyklon - tajfun (Dálný východ) - cyklon (Bengálsky záliv a Arabské moře) - uragán (Střední Amerika) - hurikán (Atlantský oceán) - orkán (jižní část Indického oceánu) - Willy-Willy (mezi Austrálií a Kokosovými ostrovy) radu 34 30/10/2018 30/10/2018 37 Zdroj: Wikipedia Saffir-Simpson Hurricane Scale: tropical tropical hurricane hurricane hurricane hurricane storm category 1 category 2 category 3 38 19 30/10/2018 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 Všeobecná cirkulace atmosféry vlny dynamicky stabilní (po vzniku si zachovávají svoji amplitudu a 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) 40 20 30/10/2018 21 30/10/2018 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 43 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 22 30/10/2018 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 45 Všeobecná cirkulace atmosféry typy atmosférické cirkulace v mimotropických šířkách - zonální typ • přenos vzduchových hmot od západu k východu • nízký tlak ve vyšších šířkách, vysoký tlak v nižších šířkách • 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 cyklon a teplých, blokujících anticyklon • pronikání vzduchových hmot z nízkých do vysokých šířek v čelních částech cyklon a v týlových částech anticyklon • pronikání vzduchu z vysokých do nízkých šířek v týlových částech cyklon a čelních částech anticyklon • narušení západního přenosu vzduchu • v Evropě vpády studeného arktického vzduchu nebo teplého tropického vzduchu 46 23 30/10/2018 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 E30_UHJ_110_TSfl_130_14tľ_1S£ EBQ_tDä_110_1ÍQ_130_140 H51 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 „meandrů" -> Rossbyho vlny OFSMmkl —gágf^^^řirw Wind Jl 230 nulito jgArTĚS^^P^^nj^tót M»y 14, 2(114 H 24 30/10/2018 Všeobecná cirkulace atmosféry Tropopause in arctic zone Polar cell Mid-latitude cell Hadley cell Intertropical convergence zone o Hadley cell Mid-latitude cell Tropopause in temperate zone 25 Loading 30/10/2018 51 26