Циркуляция атмосферы обеспечивает тепло- и влагообмен между океанами и континентами и между соседними территориями. Перемещение воздушных масс с различными физическими свойствами и длительность их нахождения в данном месте оказывают определенное влияние на формирование погодных и, в конечном итоге, климатических особенностей.
Преобладающей формой циркуляции атмосферы для центральных областей Европейской территории Союза (ЕТС) является западно-восточный перенос воздушных масс, который временами нарушается развитием меридиональных процессов, вызывающих более резкие изменения погоды и большие колебания температуры.
Режим циркуляции атмосферы имеет сезонные особенности, что проявляется в изменении числа дней с различными формами циркуляции и интенсивности атмосферных процессов в различные сезоны. В холодное полугодие возрастает роль циклонической деятельности, летом циклоническая циркуляция ослабевает и атмосферные процессы протекают менее интенсивно.
Над центральными районами ЕТС в среднем за год наблюдается 56% дней с влиянием циклоном и на 44% дней с влиянием антициклонов.Повторяемость различных барических образований по сезонам показана в табл. 2, которая составлена по сборно-кинематическим картам естественных синоптических периодов за 1951—1960 гг. [5].
Весной усиливается межширотный обмен воздушными массами. В зависимости от продолжительности и интенсивности западных или меридиональных типов циркуляции наблюдается обычный, затяжной или активный характер протекания весны.
Устойчивый западно-восточный перенос теплых и влажных воздушных масс с Атлантики и Прибалтики способствует наступлению весны в сроки, близкие к обычным. При этом средняя суточная температура воздуха переходит к положительным значениям в начале апреля. Одновременно начинается интенсивное таяние снега, и к концу первой декады с нолей в окрестностях города сходит снежный покров.
Ранние весны наступают при выходе южных циклонов (22%), если они перемещаются западнее Ярославля, или при наличии высоких малоподвижных циклонов над Скандинавией и Прибалтикой. В этих случаях происходит вынос очень теплого воздуха из южных широт и во второй половине марта устанавливается теплая весенняя погода. Поля освобождаются от снега на 2—3 недели раньше обычных сроков.
Для весны, особенно ранней, типичны резкие колебания температуры, возвраты холодов и поздние заморозки. Резкие похолодания связаны обычно с затоками холодного арктического воздуха от берегов Гренландии и Баренцева моря в тылу циклонов и но восточной периферии скандинавских антициклонов (13%) и особенно при ультраполярных вхождениях с Карского моря н Таймыра (3%). Возврат холода наблюдался весной 1935 г., когда после теплой погоды с 30 апреля на 1 мая вновь образовался снежный покров высотой до 25 см; утром 17 мая 1952 г. улицы города также оказались покрыты слоем снега.
Холодные затяжные весны формируются обычно при продолжительном воздействии масс арктического воздуха, а в мае над рассматриваемой территорией часто стационируют высокие малоподвижные циклоны. Они вызывают устойчивое сохранение сплошной облачности и частое выпадение осадков (дождливый и холодный май 1974 г). В условиях поздней весны переход средней суточной температуры к положительным значениям и сход снежного покрова могут задержаться на ТО—15 дней по сравнению со средними датами (1929 и 1945 гг.), позднее вскрываются реки.
Теплая погода, с недобором осадков, а в отдельных случаях и засушливая, наблюдается весной при влиянии стационарных антициклонов (24%), располагающихся над центральными или юго-восточными районами ЕТС. При этом происходит вынос прогретого и сухого воздуха с Прикаспийской низменности. Ярким примером воздействия на погоду этих форм циркуляции атмосферы является исключительно теплый, с недобором осадков апрель 1975 г., а также засушливый, теплый май 1940 г. (1 мм осадков за весь месяц).
Летний сезон характеризуется ослаблением интенсивности общей циркуляции атмосферы. Вероятность малоподвижных циклонов и антициклонов возрастает соответственно до 14 и 27%. Воздушные массы различных свойств меняются реже, создаются условия для трансформации их на материке и развития термической конвекции. Повторяемость циклонов летом примерно такая же, как и весной, но давление в их центре в среднем несколько выше, т. е. барическое поле летом более размыто, и скорость перемещения циклонов замедлена. В этой ситуации наблюдается обычная летняя погода, происходит быстрый прогрев почвы и воздуха, создаются благоприятные условия для развития внутримассовой конвективной облачности, ливней и гроз.
Но и летом разнообразные синоптические процессы вызывают большие отклонения погоды от типичных летних условий умеренной зоны. Значительные похолодания и устойчивое сохранение холодной погоды могут наступить при вхождении на ЕТС масс арктического воздуха с северных морей в тылу западных и северо-западных циклонов (21%). При этом наибольшее похолодание характерно чаще всего для первого дня, а затем воздух прогревается (трансформируется) и наступает потепление. Так, резкое похолодание до заморозка произошло в ночь на 11 июня 1941 г.
Длительные периоды холодной и ненастной погоды связаны с высокими малоподвижными циклопами, которые могут долго задерживаться над центральными районами ЕТС. Особенно неблагоприятные погодные условия создаются в тылу циклонов. В таких случаях средняя месячная температура летних месяцев может быть на 2—4° ниже нормы. В качестве примера можно привести очень холодные июнь 1976 г., июль 1956 г. и август 1950 г. (средняя температура воздуха всего 13—14°). Исключительно неблагоприятные погодные условия сложились в июне и начале июля 1976 г. Высокий малоподвижный циклоп обусловил длительное сохранение облачной дождливой погоды. В период с 3 по 6 июля средняя суточная температура воздуха составляла 8—10°, средняя температура за первую декаду июля оказалась равной 11° (на 6° ниже нормы). Такой необычайный «холод» в начале июля наблюдался в Ярославле впервые за последние 50 лет.
Как правило, холодная погода летом сопровождается дождями. Наиболее сильные, преимущественно обложные дожди наблюдаются при воздействии высоких малоподвижных циклопов (длительное ненастье). Интенсивные дожди вызываются также циклонами местного развития и южными циклонами (средиземноморскими, черноморскими и даже с Каспия). В нюне 1963 г. при большой повторяемости таких циклонов месячная сумма осадков превысила норму в 2—3 раза (181 мм). При выходе южного циклона с Каспия 14—15 августа 1950 г. в Ярославле выпало 08 мм осадков, т. с. за двое суток — месячная норма.
Для летнего сезона характерны грозы и ливни, иногда с градом, связанные в основном с прохождением как холодных, так и теплых атмосферных фронтов (в циклонах), а также и с развитием термической конвекции в однородных воздушных массах (в антициклонах и малоградиентных размытых барических системах). Так, в центре города 24 июля 1975 г. из облаков виутри массового развития за 5 ч выпало 68 мм осадков.
Теплая и сухая погода летом устанавливается при развитии анти циклонической деятельности. Антициклоны станционируют над центром или юго-востоком ЕТС (27%) и способствуют выносу сильно прогретого и сухого воздуха из Средней Азин и с Прикаспийской низменности. В качестве примера можно привести лето 1960 г., когда средняя температура июля превысила норму на 3°, а осадков выпало за месяц лишь 20% нормы. Бездождный период длился с 26 июня по 17 июля, за 22 дня выпало только 2 мм осадков, или 5% нормы. Необычная устойчивость меридиональных процессов с антициклогенезом над ЕТС, захватившим всю тропосферу, привела к исключительной по интенсивности засухе 1972 г.
Осенью циклоническая деятельность постепенно активизируется. Число дней с циклонической циркуляцией увеличивается летом с 53 до 58%, в том числе с прохождением западных и северо-западных циклонов с 21 до 34%. Число же стационарных циклонов уменьшается соответственно с 14 до 7%. Скорость перемещения циклонов возрастает. Прохождение скандинавских антициклонов (18%) при одновременных вторжениях масс арктического воздуха с северных морей на ЕТС сопровождается резкими похолоданиями и ранними заморозками. На погоду осенью заметное влияние оказывает гребень сибирского антициклона, который в течение осеннего сезона усиливается за счет общего охлаждения материка. Конвективные процессы быстро идут на убыль, и грозы в основном прекращаются в сентябре, а в октябре бывают один раз в 20—30 лет- Увеличивается число пасмурных дней с моросящими и обложными дождями и с туманом.
В годы, когда сильно развита циклоническая деятельность, осень, как правило, ненастная, с частыми осадками в виде дождя и мокрого снега. Обильные осадки приносят высокие малоподвижные циклоны, обычно они определяют погоду 7% дней сезона. При этом осень, холодная и дождливая, наступает рано. Так было, например, в 1953 и 1973 гг. В сентябре 1953 г. количество выпавших осадков составило 270% нормы, в октябре — 150%. Сентябрь 1973 г. был не только дождливым (136% нормы), но и холоднее обычного на 3,5°. Подобная же погода наблюдалась в октябре и ноябре этого года. В эти годы сложились крайне неблагоприятные условия для уборки урожая.
В тех случаях, когда в тылу циклонов (особенно северо-западных) с северных морей приходят массы арктического воздуха, осенние холода начинаются рано. Так, в 1949 и 1971 гг. уже в начале октября почва временно покрылась снежным покровом, а в 1946, 1960, 1968 гг. с середины октября начались довольно устойчивые морозы, почва замерзла и до весны не оттаивала. Самые ранние заморозки (в конце августа и в начале сентября) чаще всего вызваны мощными вторжениями масс арктического воздуха с полярного бассейна (ультраполярные вхождения).
Типичные для рассматриваемой территории возвраты тепла осенью обусловлены развитием антициклогенеза. Более или менее продолжительные периоды сухой теплой солнечной погоды устанавливаются под влиянием антициклонов, стацнонирующих над центром ЕТС (14%), или под воздействием гребней азорского и сибирского антициклонов (6%). В 1955, 1965. 1974 гг. более чем на месяц увеличилась продолжительность летней погоды. В сентябре воздух был на 2° теплее обычного, количество осадков составило 60—80% нормы, а в 1974 г. — 36%. В 1974 г. необычно теплыми были также октябрь и ноябрь, на 3,5—4,0° выше нормы. Морозы начались в этом году лишь с 20 ноября. Теплым и сухим был сентябрь 1975 г., когда температура воздуха превысила норму на 2°, а осадков выпало только 13 мм.
Зимой преобладающей формой циркуляции является западно-восточный перенос воздушных масс. Меридиональные процессы в этом сезоне несколько ослаблены, но климатологическое значение их велико, так как они определяют суровость текущей зимы.
Циклоническая деятельность составляет зимой 62% дней сезона, из них западных и северо-западных циклонов — 35%, а южных—18%. Заметно увеличивается повторяемость стационарных антициклонов — до 25% всех дней сезона. По сравнению с другими сезонами чаще сказывается влияние гребня сибирского антициклона (4 %). Зимние циклоны отличаются наибольшей интенсивностью, атмосферное давление в центре циклона может быть очень низким — до 948 мбар. С 9 на 10 февраля 1960 г. в Ярославле при прохождении так называемого «ныряющего» циклона с северных морей атмосферное давление понизилось за 36 ч на 49 мбар.
Мягкие зимы, с положительной аномалией температуры воздуха и с частыми оттепелями, наблюдаются при хорошо выраженном устойчивом западно-восточном переносе воздушных масс с Атлантики, траектория циклонов при этом проходит
обычно севернее Ярославля. Например, в декабре 1972 г., в январе 1971 г. и в феврале 1974 г. над центральными областями ЕТС преобладала зональная циркуляция атмосферы (от 19 до 21 дня в месяц), в результате средняя месячная температура воздуха оказалась на 7-9° выше средней многолетней, часто наблюдались оттепели (13-21 день). Февраль 1974 г. (средняя месячная температура его около -2°) оказался самым теплым за весь период наблюдений, начиная с 1890 г.
«Оттепельный период зимы может быть довольно продолжительным, если уже установившийся зональный перенос нарушается стационированием высокого циклона над Прибалтикой. В результате происходит усиление южных и юго-западных воздушных течений м вынос очень теплого воздуха со Средиземного и Черного морей, а в исключительных случаях и из субтропической зоны Африки. Именно поэтому за третью декаду января 1971 г. средняя температура воздуха была около 0° (при норме -12°), а максимальная повысилась до 4° тепла. Шли дожди. С полем почти полностью сошел снежный покров.
Значительное и резкое похолодание наблюдается при вторжениях воздушных масс с полярного бассейна. Влияние таких ультраполярных вхождений, а также скандинавского антициклона проявляется обычно в 8% всех дней сезона. Наступление суровых зим с большими отрицательными аномалиями температуры воздуха и длительным их сохранением связано с развитием антициклогенеза над центральными районами ЕТС, такие процессы определяют погоду 25% дней сезона. Суровость зимних условий усугубляется в этих случаях создавшимися благоприятными возможностями для местного радиационного выхолаживания (до -46° в январе 1940 г.). В подобных условиях формировалась холодная погода в зимы 1955-56, 1962-63, 1966-67, 1968-69 гг. н др. Холодная зима может быть обусловлена и высокими. малоподвижными циклонами, которые иногда возникают после вхождения на Европейскую территорию Союза массы арктического воздуха. Морозы при этом сохраняются продолжительное время. В таких условиях температура воздуха в середине января 1976 г. понизилась до -33°, а средняя температура за вторую декаду составила -23°, что на 12° ниже нормы.
Самые сильные снегопады и метели связаны обычно с про-хождением южных циклонов. Так, 5-7 февраля 1947 г. черноморский циклон вызвал сильные снегопады с метелью, в Ярославле временно прекратилось уличное движение городского транспорта.
2.1. Атмосферное давление
Направление движения воздушных потоков зависит от распределения атмосферного давления на земной поверхности. Характеристики давленая получены на основании наблюдения за период 1932-1974 гг. и представлены в табл. 3.
Из табл. 3 видно, что среднее за год давление в Ярославле (высота барометра 106 м) равно 1002 мбар и изменяется от года к году в пределах 1000-1005 мбар. Годовой ход его выражен довольно хорошо. Изменения давления от месяца к месяцу незначительные, в пределах 0-3 мбар. Максимум наблюдается в зимние месяцы (1005 мбар - январь), минимум - летом (998 мбар - июль) . Изменчивость средних месячных величин наибольшая зимой- 7 мбар, а летом всего 3 мбар. Абсолютный максимум давления отмечен в декабре 1944 г., когда столбик ртути барометра поднялся до отметки 1050,6 мбар. Минимальное давление зарегистрировано в ноябре 1973 г.- 946,6 мбар. По средним величинам за месяц минимум выражен в центральном летнем месяце, однако самое низкое значение отмечено в ноябре. В летний период (июнь-август) средние месячные величины давления воздуха изменяются в пределах 992-1009 мбар. Абсолютный максимум летом составил 1021 мбар, минимум -970 мбар. Основные характеристики представлены в табл. 3 в миллибарах. Для пересчета на миллиметры ртутного столба соответствугощуго величину давления в миллибарах следует умножить на 0,75.
2.2. Ветер
На практике необходимо учитывать все особенности ветрового режима в городе п пригороде. От скорости ветра, его продолжи-тельности зависят теплопотери зданий. При влажной погоде
сильный ветер способствует проникновению влаги в помещение, при дождливой - промоканию стен. Снежный покров на полях под воздействием ветра залегает неравномерно, при больших скоростях ветра происходит выдувание посевов. Отрицательно влияет ветер на высокие здания н сооружения, на провода линий электропередачи, создавая дополнительные нагрузки.
В Ярославле преобладают ветры юго-западного, южного и западного направлений (рис. 3), в среднем за год они наблюдаются в 50% всего времени. Летом чаще дуют ветры западного и северо-западного направлений, зимой - южного. Реже всего отмечаются ветры северо-восточной четверти, в среднем за год их повторяемость составляет 8-9%, годовой ход выра-жен слабо (см. приложение) табл. 1).
Средняя за весь период наблюдений скорость ветра (норма) в переходные периоды года н зимой составила 4-5 м/с, а летом - 3-5 м/с. Возможные отклонения средних месячных значений за каждый год от много-летней нормы в 80-90% лет не превышали 1 м/с. Самые большие отклонения составили (2-3) м/с в холодное полугодие и 1-1,5 м/с в теплое, т. е. в большинстве лет средние за месяц значения скорости ветра находились в пределах 3-8 м/с в месяцы холодного полугодия п 2-5 м/с в летнее время.
В табл. 4 представлена повторяемость различных скоростей ветра по сезонам. В течение всего года преобладают ветры скоростью 2--5 м/с, их повторяемость составляет 50-55% всех случаев. Штилевая погода наблюдается редко, только в 6% всего времени года. Если при этом учитывать очень слабый ветер (до 1 м/с), то суммарная повторяемость увеличится до 15-20%. Зимой такие условия погоды составляют в общей сложности 100-120 ч за месяц, а летом - около 200 ч.
Превышение скорости 10 м/с более вероятно в холодное полугодие и наблюдается н 7-10% всех случаев, а в теплое время года - лишь в 2-5%. Такие скорости могут быть при всех на-правлениях ветра, что видно из рис. 4, на котором показана вероятность различных скоростей ветра по направлениям для января и июля. Сведения о повторяемости различных скоростей ветра по направлениям для каждого месяца дамы в приложении (табл. 3).
Почти половина осенне-зимнего периода проходит с усилением ветровым режимом. на рис.5 это видно по месяцам - представителям сезонов. В январе и октябре обычно отмечается по 300-350 ч с ветром более 5м/с, а в апреле около 300ч. Летом такие условия сохраняются в течении 200 ч. Усиление ветра до 8м/с и более в холодное полугодие наблюдается в течение 100-120 ч за месяц, а летом около 50 ч.
Максимальная скорость ветра , отмеченная за рассмотренный период наблюдений, распределилась по основным направлениям следующим образом : север - 18 м/с, северо-восток - 17 м/с, восток - 14 м/с, юго-восток - 17 м/с, юг - 21 м/с, юго-запад -20 м/с, запад - 20 м/с, северо-запад - 18 м/с. При указанных значениях скорости ветра порывы достигали 20-25 м/с.
Сильные ветры ( ≥ 15 м/с) наблюдаются почти ежегодно - в 98 % всех лет; реже всего - в августе, когда их вероятность составляет 30%. В мае вероятность сильного ветра возрастает до 70%, в остальные месяцы равна 50 %, т. е. может быть раз в два года. В среднем за месяц с ветром ≥ 15 м/с чаще всего бывает 1-3 дня, в холодное полугодие в 5% всех лет в каждом месяце может быть по 7-9 дней. Зимой 1948-49 г. отмечено 18 дней с ветром ≥15 м/с (табл. 5).
Наряду с повторяемостью ветра большой скорости выполнена оценка продолжительности его сохранения. Наибольшие величины отмечены в холодное время года: средняя продолжительность действия ветра ≥ 15 м/с составляет в это время года 11-18 ч за месяц. В октябре 1949 r. было 77 ч с сильным ветром, в январе 1955 г. -72 ч при непрерывном сохранении его в течение 32-34 ч. В табл. 6 приведены расчетные скорости ветра.
В приложении к данному разделу даны комплексные температурно-ветровые характеристики, которые могут быть учтены при оценке теплоощущения человека в различное время года и теплопотерь зданиями зимой. В зависимости от сочетания различных показателей температуры воздуха и ветра определяется суровость погодным условий зимой, а отсюда и возможность производства работ на открытом воздухе. Летом они позволяют оценить комфортность погодных условий. В табл. 4 приложения представлена повторяемость (в процентах) различных сочетаний температуры воздуха и скорости ветра, откуда можно получить сведения о продолжительности различных условий погоды, просуммировав повторяемости нужных градаций скорости ветра и соответствующих им градаций температуры воздуха.
Данные этой таблицы наглядно представлены на рис. 6 для дневного времени суток зимой и летом. Здесь виден диапазон наиболее часто повторяющихся сочетаний и возможные редкие случаи. Для рассматриваемой территории неблагоприятным фактором в холодное полугодие является усиление ветра до 4 баллов и более (> 7 м/с). Повторяемость таких случаев составляет 20-25%о для каждого зимнего месяца, из них пример- но 5%о бывает при температуре воздуха ниже -12°, т. е. из 180-200 ч неблагоприятной зимней погоды около 40 ч условия бывают суровыми.
В дополнение к названным таблицам в приложении даны повторяемость различных направлений ветра и штилей (табл. 1) и средняя скорость ветра по направлениям (табл. 2).