3.1. Характеристика атмосферной циркуляции по сезонам
Общий характер климата Нижнего Новгорода умеренно континентальный. Средняя годовая температура воздуха 3,6°С. В годовом ходе средняя месячная температура изменяется от 18,4 °С в июле до —11,8°С в январе. Осадков за год выпадает 550—600 мм, из них около 70 % приходится на теплый период года.
Атмосферная циркуляция является одним из определяющих факторов формирования климата. Под атмосферной циркуляцией понимается система движения атмосферного воздуха в масштабе всего земного шара (общая циркуляция атмосферы) или над небольшой территорией земной поверхности с особыми свойствами (местная циркуляция). Вследствие непрерывного движения воздушных масс меняются погодные условия. В формировании общей циркуляции атмосферы большая роль принадлежит возникновению, развитию и перемещению крупномасштабных атмосферных вихрей — циклонов и антициклонов. Переходная зона между воздушными массами называется атмосферным фронтом. В зонах фронтов развиваются циклоны и наблюдаются опасные явления погоды: сильные ветры и осадки, грозы, шквалы и т. д.
В антициклонах преобладает малооблачная сухая погода со слабыми ветрами, но в холодное полугодие часто образуются слоистые облака, и выпадают моросящие осадки.
В течение года район Нижнего Новгорода находится преимущественно под воздействием воздушных масс — континентальных и морских — умеренных широт. Континентальный воздух формируется над материком, поэтому отличается сухостью, высокой температурой летом и низкой зимой. Морской воздух умеренных широт смещается из районов Атлантики, поэтому он влажный и по сравнению с континентальным более прохладный летом и более теплый зимой. Воздушные массы из Атлантики переносятся в системе циклонов. Серии циклонов нередко заканчиваются формированием антициклона. В зависимости от продолжительности пребывания циклонов или антициклонов над данной территорией преобладает
пасмурная погода с осадками или, напротив, малооблачная.
Число дней с циклонической и антициклонической циркуляцией зависит от сезона. В среднем за год в Нижнем Новгороде наблюдается 56 % дней с циклонами и 44 % — с антициклонами (табл. 6). В связи с частой сменой воздушных масс в районе Нижнего Новгорода во все сезоны могут наблюдаться большие отклонения температуры воздуха от средних многолетних значений. Периоды с такими отклонениями, которые могут длиться по нескольку дней, а иногда и недель, называются волнами тепла и холода.
Зимние волны тепла определяются западным переносом атлантического воздуха или воздействием южных циклонов. А волны холода вызываются интенсивным притоком арктических масс.
Зимой вследствие резкого различия между тепловым балансом северных и южных широт усиливается общая циркуляция атмосферы. Дни с циклоническим полем составляют в среднем 62 % общего числа дней в сезоне. Циклоны над ЕЧС чаще всего перемещаются с запада на восток. Повторяемость их составляет за зиму в среднем 27% (см. табл. 6). В то время, когда западные циклоны активно развиваются и смещаются с Атлантики черед Скандинавию по северу ЕЧС на Карское море и север Западной Сибири, в Нижегородской области устанавливается теплая погода
с оттепелями, длящимися иногда по 3—6 дней, при максимальной температуре воздуха 3—5°С, наблюдается мокрый снег с дождем, туманы,гололеды.
Если же циклоны перемещаются с Западной Европы по 55—60° с. ш. или южнее, то затоки холодного арктического воздуха в тыловой части этих циклонов обусловливают морозную погоду со снегопадами и метелями.
В 16 % случаев погода зимнего периода определяется выходом на центральные районы ЕЧС циклонов с Черного и Средиземного морей. В таких ситуациях возникают снегопады, метели, сильные восточные ветры. Затем наступает резкое потепление, но через сутки или двое температура вновь понижается.
Периоды холодной погоды с минимальной температурой —25..—30 °С наблюдаются в Нижнем Новгороде при смещении антициклонов со Скандинавии и Баренцева моря на центральные районы ЕЧС и их стационировании на этой территории. Ночная температура понижается дополнительно и за счет радиационного выхолаживания. Повторяемость дней с такой синоптической ситуацией составляет около 30 % за сезон
Для холодной половины года характерным атмосферным процессом является развитие сибирского антициклона и усиление его гребня, направленного на восточные районы ЕЧС (4% случаев). При сильно развитом гребне на Нижегородскую область выносится сильно выхоложенный воздух с Северного Кавказа и Прикаспийской низменности, обусловливающий малооблачную погоду с температурой ночью —30... —35 °С.
Наиболее сильные морозы (до —35... —40 °С) наблюдаются в центрах высокого давления, перемещающихся на ЕЧС с Карского моря и севера Западной Сибири, с которыми связано вторжение воздуха с Арктики, или при затоках холодных воздушных масс по восточной периферии антициклонов, стационирующих над Скандинавией (3% случаев).
Весной характер погоды также зависит от типа и интенсивности атмосферной циркуляции. Обычно переход к весенним процессам происходит при западном переносе теплых и влажных масс с Атлантики, около 15 % случаев (см. табл. 6). С выходом циклонов с юга или при стационировании антициклонов на юго-востоке ЕЧС переход к весенним процессам происходит значительно раньше; снежный покров полностью сходит на 2—3 недели раньше обычного. Однако ранняя весна часто сопровождается возвратом холодов и поздними заморозками. Холодную погоду обусловливает
смещение циклонов и антициклонов с северо-запада и севера ЕЧС на юго-восток (около 30 % случаев).
Необычно теплая и ранняя весна наступает при выходе циклонов с Черного и Средиземного морей на центральные районы ЕЧС. Засушливые периоды вызывает жаркий сухой воздух, поступающий с Нижнего Поволжья при стационировании над юго-востоком ЕЧС антициклонов.
В апреле в 20 % случаев погоду формируют юго-западные циклоны, вследствие чего температура в апреле резко повышается.
Весной за счет повышенной повторяемости антициклонов увеличивается число солнечных дней. В Нижнем Новгороде в апреле повторяемость антициклонического режима составляет 52%, что на 17 % больше чем в январе.
Летом циклоническая деятельность ослабевает. Преобладают малоподвижные циклоны и антициклоны, их повторяемость составляет соответственно 14 и 27 % случаев за сезон. Повторяемость западных и северо-западных циклонов уменьшается на 14 % по сравнению с зимой (см. табл. 6). В целом повторяемость всех антициклонических полей достигает 47 %. Характерной чертой является усиление отрога азорского антициклона (в 9 % случаев, а зимой только 1 %). При этом наблюдается теплая сухая погода. Но наиболее жаркую и засушливую погоду обусловливают стационарные антициклоны, располагающиеся над востоком и юго-востоком ЕЧС, по западной периферии которых выносится сухой воздух с Нижнего Поволжья и Казахстана. Очень теплая погода устанавливается и при выходе черноморских циклонов. На восток ЕЧС поступает влажный тропический воздух, который, встречаясь с местными воздушными массами, вызывает сильное развитие конвекции, а следовательно, ливни, грозы и шквалы. Повторяемость этих циклонов составляет 13 % случаев за сезон.
Прохождение западных циклонов (17% случаев) летом сопровождается дождливой погодой и похолоданием. Особенно резкие затоки холода вызывают северо-западные циклоны и антициклоны, когда на высотах появляются северные потоки, с которыми поступает холодный арктический воздух. При таких ситуациях температура воздуха за месяц может быть на 2—4°С ниже нормы, а месячные суммы осадков в 1,5—2 раза могут превышать среднюю многолетнюю величину.
Осенью циклоническая деятельность вновь значительно активизируется. Повторяемость западных и северо-западных циклонов по сравнению с летним сезоном увеличивается на 13 %. Из-за адвекции холода с севера и охлаждения подстилающей поверхности траектории западных циклонов проходят значительно южнее летних. Циклоны смещаются с большими скоростями. Погода становится неустойчивой и холодной вследствие затока арктических масс в тылу уходящих циклонов.
В осенний период заметно уменьшается повторяемость стационарных антициклонов— 14% случаев, в то время как весной они наблюдаются в 24 % случаях, а число дней с быстро смещающимися с севера антициклонами увеличивается.
Вторжение холодных масс по периферии северных антициклонов и дополнительное радиационное выхолаживание воздуха над подстилающей поверхностью в ясные ночи приводят к быстрому понижению температуры воздуха.
Дождливая, но теплая погода осенью в Нижнем Новгороде наблюдается при выходе циклонов с Черного моря, определяющих погоду 12 % дней в сезоне (см. табл. 6).
При поступлении континентального тропического воздуха с Прикаспийской низменности и из Средней Азии наблюдаются возвраты тепла (бабье лето), устанавливается теплая сухая погода. Этот процесс характерен для сентября или первой половины октября.
3.2. Атмосферное давление
Давление воздуха — одна из главных характеристик физического состояния атмосферы, определяющая скорость и направление движения воздушных масс.
В метеорологии давление воздушного слоя выражается в миллибарах или в миллиметрах ртутного столба. Международная единица атмосферного давления — паскаль. Соотношение между этими единицами следующее:
1 мбар = 0,75 мм. рт. ст. = 100 П а = 1 гПа.
Для характеристики давления воздуха в Нижнем Новгороде использованы наблюдения с 1881 по 1988 г. в нагорной части города и с 1945 по 1988 г. в заречной.
Давление воздуха зависит от высоты места, так как, по существу, это вес воздушного столба. Для сравнимости данных о давлении результаты измерений в отдельных пунктах, расположенных на разных высотах, приводят к единому уровню — уровню моря (табл. 7). В приземном слое уменьшение давления с высотой (барометрическая ступень) составляет примерно 1 гПа на 8 м. Поэтому атмосферное давление в низинной заречной части города всегда на 9—11 гПа выше, чем в нагорной, так как разность в высоте между этими районами составляет около 80 м (табл. 8).
Среднее годовое давление в нагорной части Нижнего Новгорода 997 гПа. Отклонение крайних значений среднего годового
давления не превышает ± (3—4) гПа, что свидетельствует об устойчивости этой величины. Изменчивость атмосферного давления
определяется как термическими, так и динамическими причинами.
В годовом ходе атмосферного давления прослеживается зависимость от температуры воздуха: давление плотного холодного воздуха зимой выше, чем давление теплого разреженного воздуха летом. С ноября по февраль среднее месячное давление в Приокском районе составляет 999 гПа (см. табл. 8), затем оно постепенно уменьшается каждый месяц на 1—3 гПа и в июле достигает минимума — 992 гПа. Стандартная изменчивость (σ) среднего месячного давления летом равна 2,5—4 гПа, а зимой — 6—7 гПа. В отдельные годы отклонения от средних месячных величин составляет б—8 гПа в теплое время года, тогда как зимой они могут достигать 18—23 гПа.
Наибольшая изменчивость атмосферного давления характерна для февраля (а= 6,8) и ноября (а= 6 ,7 ). Увеличение изменчивости давления воздуха в зимний и переходные сезоны связано с активизацией циклонической деятельности и частой сменой воздушных
масс.
Изменчивость увеличивается с уменьшением интервала осреднения. Так, изменчивость среднего суточного атмосферного давления значительно больше изменчивости средних месячных и тем более годовых величин, она колеблется от 6—7 гПа летом до 12—15 гПа зимой.
В то же время периодические суточные колебания давления воздуха невелики, практического значения они не имеют, так как
в значительной степени перекрываются непериодическими колебаниями, обусловленными динамикой атмосферы.
О возможных экстремальных колебаниях атмосферного давления можно судить по максимальным и минимальным величинам
(табл. 9). Так, в декабре 1944 г. давление повышалось до 1044,4 гПа (783 мм рт. ст.), а в январе 1975 г. понижалось до 946,3 гПа
(710 мм рт. ст.).
По средней разности между наибольшими и наименьшими значениями атмосферного давления за каждый месяц можно судить о ежегодно возможных перепадах давления воздуха в течение месяца (табл. 10). В холодный период года минимумы давления воз духа ниже, а максимумы выше, чем летом, поэтому и амплитуда экстремумов значительно больше. С октября по март ежегодно в каждом из этих месяцев возможны перепады давления воздуха на 40—50 гПа, в отдельные годы амплитуда достигает 70—80 гПа. В летние месяцы ежегодно возможные перепады давления вдвое меньше (25—35 гПа).
От суток к суткам в среднем атмосферное давление изменяется на 4—5 гПа зимой, и на 2 гПа летом (табл. 11). Особенно резкие перепады наблюдаются при прохождении глубоких циклонов, зимой они достигают 25—30 гПа, а летом— 13—16 гПа. Очень сильные перепады давления могут быть и в более короткие промежутки времени. Например, 24 января 1983 г. с 18 до 21 ч давление снизилось на 18 гПа, а еще через три часа возросло на 24 гПа; в том же месяце 26-го числа с 18 до 21 ч давление выросло на 22 гПа, а к полуночи снизилось на 27 гПа. Такие «скачки» в атмосферном давлении — нередкое явление зимой и в переходные сезоны. Летом такие «ступени» вдвое ниже.
3.3. Ветер
Воздух находится в постоянном движении, перемещаясь и по вертикали и по горизонтали, в состоянии полного покоя (штиль) он бывает довольно редко. Ветер — это перемещение воздушных масс в горизонтальном направлении, вызываемое перепадами в атмосферном давлении. Чем значительнее перепады, т. е. чем больше горизонтальный барический градиент, тем устойчивее по направлению и сильнее ветер. В обычных условиях и скорость и направление ветра подвержены пульсациям около среднего уровня. Поэтому обе эти характеристики для получения устойчивых значений осредняются за различные промежутки времени.
При отсчетах по флюгеру период осреднения во время наблюдений равнялся 2 мин. Именно за такой интервал времени определялись скорость и направление ветра. С 1965 г. на всех стационарных метеоплощадках Нижнего Новгорода наблюдения ведутся по прибору М-63М, при этом направление ветра осредняется за 2 мин, скорость — за 10 мин, к тому же еще фиксируется значение мгновенной максимальной скорости (порыв) в сроки наблюдения и между ними.
Мгновенные значения скорости (порыв) фиксируются наблюдателями с 1959 г. Для характеристики ветрового режима в городе использованы материалы наблюдений на ст. Горький, Мыза с 1949 по 1988 г. и на ст. Горький, Стригино — с 1945 по 1988 г.
Физико-географические условия местоположения станции и условия защищенности ветроизмерителыюго прибора существенно влияют на его показания, чему свидетельствуют данные двух городских станций (табл. 12). В Приокском районе города (Горький, Мыза) станция расположена на высоком месте, но в защищенных условиях, а в низинном Автозаводском районе (Горький, Стригино) метеоплощадка открыта со всех сторон. Шероховатость подстилающей поверхности (городские строения, деревья, и т. д.) искажает направление воздушного потока и оказывает на него тормозящее действие. Именно поэтому средняя скорость ветра в Приокском районе меньше, чем в Автозаводском, а не наоборот, как следовало бы для более высокого места. Средняя годовая скорость в Нижнем Новгороде равна 3,5—4,0 м/с. Отклонение этой величины от среднего в отдельные годы невелико, около 0,5 м/с.
О преобладающих направлениях ветра в различные месяцы и сезоны года лучше судить по данным открытой ст. Стригино, так как на Мызе велика защищенность окружения станции, особенно с юга и юго-запада, где закрытость горизонта доходит до 15°. Этот пункт для наблюдений за ветром не может считаться репрезентативным, так как отражает типично городские условия.
Повторяемость в процентах каждого направления ветра от общего числа наблюдений без штилей и повторяемость штилей от общего числа наблюдений (развернутые розы ветров) характеризуют ветровой режим местности. Большую часть года (с сентября по апрель) в Нижнем Новгороде преобладают юго-западные и южные ветры (рис. 10). Их суммарная повторяемость в этот период составляет 40—45 %. В мае — июне повторяемость южных и югозападных ветров равна повторяемости северных и северо-западных, а в июле — августе преобладают западные и северо-западные ветры. Западные ветры наиболее вероятны осенью. Повторяемость штилей значительно больше в низинной части города, чем на высоких берегах рек даже в более защищенных условиях.
Годовой ход скорости ветра в Нижнем Новгороде выражен четко. Минимальная скорость ветра наблюдается в июле — августе, максимальная — зимой и в переходные сезоны. Средние годовые скорости ветра довольно устойчивы во времени, их отклонения от многолетней средней в отдельные годы редко превышает 1 м/с. Значения средних месячных скоростей ветра в холодный период года лежат в диапазоне 1,5—6,5 м/с, а в теплый — 2—6 м/с. Летом затишья бывают в 1,5—2 раза чаще, чем осенью и зимой
Суточный ход скорости ветра более заметен в теплое время года, а зимой сглажен, что характерно для многих метеорологических величин. Увеличение суточной амплитуды начинается весной, после схода снега. Большую часть суток весной и летом ветер слабее, чем в холодное время года. Но в дневные часы в результате конвекции скорость ветра летом возрастает и достигает больших, чем в то же время зимой (см. табл. 4 приложения), значений
Средняя скорость ветра в Нижнем Новгороде невелика, однако в отдельные дни при прохождении циклонических образований ветер резко усиливается. В любом из месяцев максимальная скорость ветра может достигать 20 м/с и более (табл. 13). В основном значения максимальной скорости получены в период наблюдений по флюгеру. Скорость ветра тогда измерялась 4 раза в сутки, поэтому некоторые случаи более сильного ветра в промежутках между измерениями могли остаться не зарегистрированными. Порывы ветра значительно превышают среднюю скорость.
Наибольшая скорость ветра наблюдается, как правило, при преобладающих направлениях ветра (рис. 11). Нормативные максимальные скорости различной вероятности приведены в табл. 14 (высота ветроизмерительного прибора 14 м).
За последние 20—25 лет наблюдается снижение уровня средних скоростей ветра. В Нижнем Новгороде это явление отмечается
с конца 50-х — начала 60-х годов. Изменение уровня скоростей ветра вызвано, вероятно, естественными колебаниями характеристик ветра во времени, связанными с переходом от одной циркляционной эпохи к другой. Для ст. Горький, Мыза это явление совпало с интенсивной застройкой и продолжающимся увеличением ее защищенности. Но падение уровня средних скоростей ветра наблюдается и на открытых местах. Исследование этого явления затруднено тем, что в середине 60-х годов произошла смена ветроизмерительного прибора, методики измерения средней
скорости ветра и переход на 8-срочные наблюдения.
Уменьшение в последние годы числа штилей на 5—10 % произошло за счет введения нового прибора, который менее инерционен,
чем флюгер; затишье — кратковременное состояние атмосферы, а период осреднения заметно увеличен. Существенно увеличилось,
почти вдвое, число слабых ветров (до 5 м/с), а повторяемость сильного ветра ( ^ 8 м/с) уменьшилась столь же значительно (см. табл. 5 приложения). Весь этот комплекс причин не позволяет в чистом виде выделить главную причину снижения уровня средних
скоростей ветра.
Повторяемость силы ветра 4 балла и более ( v ≥ 8 м/с) в городских условиях не превышает 2% , а в открытой местности — 7—10 %. Сведения о числе дней с сильным ветром приведены в табл. 15 по ст. Горький, Мыза. Сильный ветер в застроенной части города явление редкое. Но на улицах, ориентированных параллельно направлению преобладающих ветров, скорость ветра часто увеличивается за счет так называемого эффекта трубы. Также значительно усиливается скорость ветра в арках и вдоль длинных зданий в новых микрорайонах, известных своей гипервентиляцией.
В течение года роль ветра различных направлений в формировании термического режима меняется существенно (табл. 16). Зимой, например, преобладающие ветры с южной составляющей несут преимущественно воздушные массы на 5—7 еС теплее характерных для нашей местности. При установлении тихой безветренной погоды, наоборот, в 2—3 раза чаще температура воздуха понижается более чем на 10 °С ниже обычной. Наиболее низкая температура воздуха в зимний период отмечается при восточных ветрах и ветрах с северной составляющей.
Весной и летом самыми теплыми бывают юго-восточные, восточные и южные ветры, а западный ветер вдвое чаще несет прохладную погоду. При северном ветре в теплый период года температура воздуха снижается в среднем на 3—4°С.
Осенью самыми холодными бывают северные и северо-восточные ветры, а самыми теплыми — юго-восточные.