Наряду с солнечной радиацией в формировании климата данного район большую роль играет атмосферная циркуляция — совокупность основных воздушных течений.
В северо-западном районе Европейской части Советского Союза, где расположен Новгород, основной чертой циркуляционных процессов является циклоническая деятельность, т. е. возникновение, перемещение и эволюция крупномасштабных атмосферных вихрей — циклонов и антициклонов. Через район Новгорода перемещаются воздушные массы, сформировавшиеся над разными регионами, поэтому они имеют разнообразные метеорологические характеристики (температуру, влажность, запыленность, системы облаков и осадков и т. д.). В зонах сходимости воздушных масс, которые называются атмосферными фронтами, возникают и развиваются циклоны. На атмосферных фронтах наблюдаются наиболее сложные погодные условия: облачность, осадки, грозовая деятельность, сильные ветры и т. д.
Новгород расположен вблизи «дорог циклонов». В течение всего года, за исключением июля, циклонические поля давления в районе Новгорода отмечаются чаще, чем антициклонические. Особенно велика повторяемость циклонов с сентября по декабрь (рис. 4). Активная циклоническая деятельность в течение всего года определяет частую смену воздушных масс и связанный с этим неустойчивый характер погоды.
Циклоны в район Новгорода перемещаются в течение всего года главным образом с запада, но зимой велика также повторяемость вхождения северо-западных циклонов, а в остальные сезоны — юго-западных (табл. 10 ).
С циклонами связаны атмосферные фронты: осенью и зимой наиболее часто отмечается прохождение через район Новгорода теплых фронтов и фронтов окклюзии, весной и летом наиболее часты холодные фронты (табл. 11). Зимой на фронтах выпадают обложные осадки, летом фронтальные осадки нередко имеют ливневый характер. Прохождение хорошо выраженных атмосферных фронтов нередко сопровождается значительным усилением ветра, а в теплое полугодие — грозами и шквалами
Антициклоны перемещаются в район Новгорода весной преимущественно с запада и юго-запада, летом с запада и севера. Осенью велика повторяемость северо-западных и западных траекторий, зимой наблюдаются вхождения северо-восточных и восточных антициклонов, приносящих холодную сухую погоду (табл. 12 ).
Для района Новгорода характерна большая повторяемость воздушных масс, приходящих с Атлантики, что определяет черты морского климата: сравнительно мягкую зиму и прохладное лето. Однако в район Новгорода нередко поступают воздушные массы с других направлений (табл. 13). Таким образом, в течение всего года происходит смена воздушных масс морского, континентального и арктического происхождения, что приводит к резким колебаниям погодных условий. Например, летом воздушные массы, пришедшие с юго-востока из Нижнего Поволжья и Средней Азии,, могут обусловить жаркую, сухую погоду, как это было в июле— августе 1972 г. Однако, как правило, в летний сезон преобладает умеренно теплая погода с температурой воздуха 15—20 °С. Зимой наибольшую повторяемость имеет умеренно морозная погода с температурой воздуха до — 10 °С, но при вторжении с северо- востока из района Карского моря арктической воздушной массы температура воздуха может понизиться до —30 °С и более. Таким образом, формирование климата Новгорода происходит в значительной мере под влиянием циркуляционных процессов.
3.1. Атмосферное давление
Давление воздуха тесно связано с условиями атмосферной циркуляции в данном районе и является одной из важнейших ее характеристик.
Данные по давлению воздуха в Новгороде, представленные в таблицах, получены на основе многолетних наблюдений по ртутному барометру. В табл. 14 они даны для высоты установки барометра 25,6 м (на уровне станции) и для нулевой высоты (на уровне моря). Пересчет давления от уровня станции к другим; высотам в пределах города или вблизи него может быть осуществлен с помощью приближенного соотношения: на каждые 8 м высоты давление уменьшается на 1 гПа. Один гектопаскаль (гПа) численно равен применявшемуся ранее миллибару (мбар).
Среднее годовое давление воздуха в Новгороде составляет 1011 гПа (табл. 14), оно является устойчивым во времени. Отклонения атмосферного давления в отдельные годы от этого значения весьма незначительны. Самое высокое за весь период наблюдений среднее годовое давление воздуха (1014,9 гПа) отмечено в 1972 г., а самое низкое (1007,1 гПа) — в 1925 г
В течение года атмосферное давление изменяется мало, от 1012,5 гПа в ноябре до 1007,8 гПа в июле. Годовая амплитуда, его (4,7 гПа) мала. Однако изменения средних месячных значений давления из года в год значительны. Так, зимой, как видно из табл. 14, разность между их наибольшим рнаиб и наименьшим рнаим значениями в каждом месяце составляет 31—35 гПа, летом — 13— 18 гПа. Самое высокое (1032,5 гПа) и самое низкое (997,5 гПа) среднее месячное давление воздуха в Новгороде отмечалось в феврале 1886 г. и 1935 г. соответственно. Суточный ход давления воздуха выражен гораздо слабее, чем годовой, практического значения не имеет и здесь не рассматривается.
Годовой и суточный ход давления воздуха перекрывается в- значительной мере непериодическими колебаниями. Эти колебания связаны с прохождением и развитием барических образований (циклонов, антициклонов и др.), они и определяют общий характер изменений давления воздуха в Новгороде. О возможных значениях давления воздуха в отдельные дни можно судить по абсолютному максимуму рмакс И абсолютному минимуму рмин В табл. 14, выбранным из всех сроков наблюдений в каждом месяце. Атмосферное давление в Новгороде 22 января 1907 г. достигало своего наивысшего значения 1059,2 гПа (1062,3 гПа на ур.м ), а 17 января 1931 г. упало до 953,7 гПа (959,8 гПа на ур. м.). Такие рекордные значения давления в Новгороде отмечаются крайне редко, вероятнее всего они зимой. К лету диапазон изменений давления сокращается почти вдвое.
Колебания давления воздуха, связанные с циклонической деятельностью, обычно характеризуются междусуточной изменчивостью — изменением давления воздуха от одних суток к другим (без учета знака изменения). С октября по март междусуточная изменчивость является наибольшей в году и составляет в среднем за месяц 6,3—7,0 гПа (табл. 15). В отдельные редкие дни давление воздуха может понизиться за одни только сутки на 42,3 гПа, как это наблюдалось с 12 по 13 февраля 1962 г., или повыситься на 36,7 гПа (25—26 февраля 1940 г.). Летом перепады давления от одних суток к другим значительно меньше (3,2—3,9 гПа).
Повторяемость разных градаций междусуточной изменчивости давления воздуха в отдельные дни (знак изменения давления воздуха учитывался) дана в табл. 16.
3.2. Ветер
Горизонтальное движение воздушного потока (ветер) возникает из-за неравномерного распределения атмосферного давления в разных районах земной поверхности. При этом чем больше изменение давления на единицу расстояния (горизонтальный барический градиент), тем сильнее ветер и устойчивее направление.
Общий характер ветра в Новгороде (структура, направление и скорость) определяется главным образом условиями и интенсивностью атмосферной циркуляции, но зависит также от термодинамических свойств воздушных масс, поступающих в данный район, от шероховатости подстилающей поверхности и орографических особенностей местности.
Значительное влияние на ветер у поверхности земли оказывает город. Жилые массивы, заводские трубы, разные высотные сооружения — препятствия для воздушного потока, в связи с этим он меняет свое направление, а возникшее трение между воздушным потоком и стенами сооружений уменьшает его скорость в черте города. Турбулентность воздушного потока и порывистость ветра городе при этом увеличиваются.
Климатические параметры по ветру в Новгороде получены из измеренных в срок наблюдений средней (за несколько минут) скорости ветра и его среднего направления по флюгеру за период 1936— 1965 гг. и по анеморумбометру М-63 — с 1966 г.
За год в Новгороде преобладает ветер южного направления (см. табл. 1 приложения, рис. 5) и ветер, дующий вдоль оз. Ильмень, юго-западного направления, так называемый шелоник. Длительный юго-западный ветер создает на озере волны, высота которых в середине озера достигает одного метра [ 11 ].
Совместная повторяемость ветра преобладающих направлений (южного и юго-западного) наибольшая осенью (43% ) и зимой (40 %), к лету она уменьшается до 27 %.
В конце весны заметно возрастает повторяемость северо-восточного и северного ветра, летом — западного и северо-западного. В июне преобладает западный и северо-западный ветер. На долю каждого из них в это время приходится по 16 %
Реже всего в Новгороде бывает восточный ветер, повторяемость которого в каждом сезоне не превышает в среднем 8 %, , в отдельные месяцы — 10 %.
В табл. 2, 3 приложения для разных направлений ветра приведены средние и максимальные значения скорости ветра. Наибольшие скорости имеют ветры южной четверти горизонта, их средние за год скорости составляют 4,8—5 м/с, зимой и осенью — 5— 6 м/с, весной и летом — 4,2—4,6 м/с. Максимальные скорости таких ветров в отдельных случаях могут достигать зимой 2 0— 28 м/с (см. табл. 3 приложения), осенью и весной— 18—20 м/с, летом — 14— 16 м/с, иногда 20 м/с.
Средняя годовая скорость ветра в Новгороде без учета направления 4,8 м/с (табл. 17). В течение года скорость ветра изменяется от 5,8 м/с в январе до 3,9 м/с в июле и августе. Средняя месячная скорость ветра — устойчивое значение во времени. Отклонения ее значений в отдельные годы от средней многолетней, как можно определить по данным табл. 17, обычно не более ± 1 — 1,5 м/с и лишь зимой достигают ± 3 м/с. Самым ветреным месяцем в Новгороде за период наблюдений 1936— 1981 гг. был декабрь 1954 г. (8,2 м/с).
Суточный ход скорости ветра (табл. 18) зимой сглажен, а в теплый период, когда его амплитуда достигает 2—2,5 м/с, выражен отчетливо. В это время днем, с усилением турбулентного обмена между нижними и верхними слоями воздуха, скорость ветра в Новгороде возрастает до 5,3— 6 м/с, достигая наибольших значений в послеполуденные часы. Ночью ветер ослабевает до 3— 4 м/с.
Из всего диапазона скоростей, наблюдавшихся в Новгороде (см. табл. 4 приложения), чаще всего (в 70% случаев) отмечаются скорости ветра 2—7 м/с. В 8 % всех случаев скорости ветра превышают 10 м/с. Зимой повторяемость такого ветра увеличивается до 9— 14 % за месяц, летом — не превышает 5 %.
С сильным ветром (15 м/с и более) в Новгороде бывает в среднем 15 дней в году (табл. 19). В 1955 г. таких дней было вдвое больше обычного (32 дня), из них 9 дней отмечены в январе, 6 дней — в мае и 4 дня — в октябре. Чаще всего (2—3 дня в месяц) сильный ветер отмечается зимой — это ветер преобладающих направлений — южный и юго-западный (табл. 20). Наряду с этим ветром весной возможно усиление ветра северо-западного, летом — северного направлений.
В табл. 21 представлена наибольшая скорость ветра различной вероятности, возможная в Новгороде. Из таблицы видно, что скорость ветра 20 м/с и более в Новгороде отмечается ежегодно, а один раз в 20 лет — превышает 25 м/с. В ряде случаев возникающие порывы (табл. 2 2 ) достигают еще больших значений. Возможность регистрировать максимальные мгновенные скорости (осредненные за 2—3 с) не только в срок наблюдений, но и между сроками появилась с оснащением метеостанции дистанционным электрическим анеморумбометром. Максимальные порывы в открытых и малозастроенных районах Новгорода могут равняться 28 м/с, а при прохождении летом шквалов (11 июля 1972 г. и 27 июля 1977 г.) скорость ветра достигает 32—35 м/с. Шквал — явление редкое и кратковременное, продолжается обычно несколько минут, связан с мощными кучево-дождевыми облаками.
Летом в Новгороде возможно возникновение редкого для северо-запада явления смерча — сильного, но маломасштабного атмосферного вихря с вертикальной осыю, связанного, как и шквал, с мощными кучево-дождевыми облаками. Такой вихрь 25 августа 1967 г. в 14 ч 40 мин прошел в 250 м от метеоплощадки, где никаких резких изменений в погоде в это время не зарегистрировано, а восточный и юго-восточный ветер имел скорость 1—3 м/с. При прохождении над аэродромом кучево-дождевого облака с хорошо выраженным в его середине вихрем (в который были втянуты скирды сена, обломки изгороди и т. д.) самолет, находящийся на взлетно-посадочной полосе, накренило и, повернув на 180°, несколько метров протащило по земле. Самолету были нанесены значительные повреждения. Смерч наблюдался в центре заполняющегося циклона при сильной неустойчивости стратификации в нижнем слое атмосферы. Такой же циклонический вихрь наблюдался в Новгороде 4 августа 1966 г., он продолжался 7 мин и перемещался с юга, со стороны озера.
Помимо сведений о максимальной скорости ветра и максимальном порыве, широко используемых в практике строительного проектирования, необходимо знать длительность воздействия тех или иных скоростей ветра на сооружения. Эти данные, включающие среднюю суммарную, среднюю и максимальную непрерывную продолжительность разных скоростей (табл. 23—25), получены для Новгорода за десятилетний период (1967— 1976 гг.) из ежечасных и более учащенных наблюдений за скоростью ветра.
Самым продолжительным (для Новгорода) является ветер скоростью до 5 м/с. На скорости ветра 5 м/с и более приходится менее 200 ч за месяц в летние месяцы и треть всего времени — за период с октября по май. Продолжительность больших скоростей ветра резко сокращается. Ветер скоростью 8 м/с и более длится в среднем за месяц от 50—60 ч в холодный период и до 20—30 ч в теплый период.
Непрерывная продолжительность скоростей ветра характеризует их устойчивость во времени. В течение всего года наиболее устойчивым является ветер скоростью 4 м/с и менее (табл. 24). В отдельных случаях (табл. 25) такой ветер может наблюдаться 10 и более суток подряд. Для Новгорода ветер скоростью 8 м/с и более в среднем не продолжителен (3—9 ч), но иногда он может наблюдаться непрерывно около суток летом и более двух суток зимой.