Неравномерное нагревание поверхности земли и воздуха в тропосфере, как мы видели, является причиной возникновения горизонтальных градиентов температуры и давления и образования воздушных течений. Вследствие переноса различные по свойствам массы воздуха могут приблизиться друг к другу или удалиться. При сближении масс воздуха с различными физическими свойствами горизонтальные градиенты температуры, влажности, давления и других метеорологических элементов увеличиваются, скорости ветра возрастают. Наоборот, при удалении их друг от друга градиенты уменьшаются. Те зоны, в которых происходит сближение разнородных воздушных масс, например сравнительно сухих холодных и влажных теплых, называются переходными или фронтальными зонами. Во фронтальных зонах как бы происходит борьба холодных и теплых масс воздуха. В результате этой борьбы холодные массы воздуха прорываются в области расположения теплых масс, а теплые массы проникают в области расположения холодных масс. Вследствие этих процессов те и другие воздушные массы постепенно приобретают свойства, присущие воздуху данного географического района.
Фронтальные зоны тропосферы ежедневно можно обнаружить в поле температуры и давления преимущественно во внетропических широтах, где различен приток солнечной энергии на севере и юге умеренной зоны. Величины горизонтальных градиентов температуры и давления здесь больше, чем где-либо на земном шаре. Фронтальные зоны непрерывно возникают, обостряются, разрушаются. Однако по интенсивности они бывают различными, что зависит от разности температур сближающихся масс воздуха.
В нижних слоях атмосферы при пересечении фронтальных зон в направлении от теплого воздуха к холодному в соответствии с большими горизонтальными градиентами происходит быстрое понижение температуры, давления и влажности и наблюдаются большие скорости воздушных течений. В средних широтах на высотах 10-12 км в этих зонах ветры нередко достигают ураганной силы, т. е. 200 км/час и более. Как увидим ниже, фронтальные зоны играют ведущую роль в развитии атмосферных процессов.
Так как холодные и теплые массы воздуха имеют различную плотность, они располагаются по отношению друг к другу не вертикально, а наклонно. Холодный воздух, как более плотный и тяжелый, вклинивается под теплый, более легкий. В этой пограничной зоне между различными по свойствам воздушными массами обычно возникают циклоны и антициклоны, несущие ненастную и хорошую погоду.
Размеры переходных зон по сравнению с воздушными массами невелики. Во фронтальной зоне возникают поверхности раздела между холодными и теплыми воздушными массами, которые называются атмосферными фронтами. Фронтальные поверхности всегда наклонены в сторону холодного воздуха, который располагается под теплым воздухом в виде узкого клина (рис. 52). Угол наклона фронтальной поверхности к горизонту очень мал: он составляет меньше 1°, а тангенс угла колеблется в пределах 0,01-0,02. Это значит, что если удалиться от линии фронта у поверхности земли в сторону холодного воздуха на 200 км, то фронтальная поверхность будет находиться на высоте 1-2 км. При удалении в горизонтальном направлении на 500 км фронтальная поверхность находится на высоте 2,5-5,0 км. Так как углы наклона фронтов очень малы то, чтобы представить фронты в вертикальной плоскости более наглядно, обычно горизонтальный масштаб берется во много раз меньшим, чем вертикальный. На представленной схеме фронта вертикальный масштаб увеличен почти в 50 раз.
Наибольшая протяженность фронтов по высоте в средних широтах 8-12 км. Нередко они достигают тропопаузы. По исследованиям Е. Пальмена, Г. Д. Зубяна и др., фронты наблюдаются и в нижних слоях стратосферы.
На тропосферных фронтах обычно развивается многоярусная облачность, из которой выпадают осадки. Фронты наиболее резко выражены в циклонах, где преобладает восходящее движение воздуха. В антициклонах вследствие нисходящих движений фронтальная облачность рассеивается.
Атмосферные фронты делятся на холодные и теплые.
Холодным фронтом называется фронт, перемещающийся в сторону высоких температур. После прохождения холодного фронта наступает похолодание. Теплым фронтом называется фронт, перемещающийся в сторону низких температур. После прохождения теплого фронта наступает потепление.
В поле температуры и ветра фронты наиболее резко выражены у поверхности земли в системе развивающихся циклонов и барических ложбин. Этому способствует сходимость воздушных течений в зоне фронта у поверхности земли, так как вследствие этой сходимости в зоне фронта встречаются массы воздуха с низкими и высокими температурами. На рис. 53 а изображено поле давления, ветра и температуры в ложбине циклона у поверхности земли. Фронт обостряется, так как севернее его располагается холодная масса воздуха с температурами 1-2° ниже нуля, а южнее - теплая масса воздуха с температурами до 10-12° выше нуля.
В антициклонах фронты у поверхности земли размываются, так как система воздушных течений расходящаяся (рис. 53 6). Здесь в первой части гребня холодный участок фронта у поверхности земли размывается, так как потоки направлены не к фронту, а от фронта. В системе развивающегося циклона воздух стремится подняться вверх и в результате динамического охлаждения и конденсации возникают облака и выпадают осадки. В системе развивающегося антициклона, наоборот, осуществляется нисходящее движение воздуха и в результате динамического нагревания воздух удаляется от состояния насыщения, облака рассеиваются и прекращаются осадки.
Скорость движения фронта зависит от величины нормальной составляющей ветра, которая колеблется в широких пределах. В Европе в переходные сезоны года средняя скорость перемещения фронтов достигает примерно 30 км/час, что составляет за сутки около 700 км; но нередко в системе циклонов фронты проходят за сутки расстояние более 1200-1500 км. В этих случаях фронт, находящийся, например, в Западной Европе, через сутки оказывается уже в центральных областях Европейской территории СССР. Если воздушные течения направлены параллельно фронту, то фронт остается малоподвижным. Так как градиенты температуры и давления зимой значительно больше, чем летом, то деятельность фронтов зимой отличается большей интенсивностью.
Мы уже говорили, что в зоне атмосферного фронта, особенно в системе развивающегося циклона, происходит подъем воздуха, адиабатическое охлаждение, образование облаков и осадков. Подъем воздуха происходит не только в приземном слое, но и на высотах. Но если в приземном слое он вызван сходимостью приземного ветра, то причиной подъема воздуха на высотах является нестационарное движение и разность скоростей движения зафронтального и предфронтального воздуха.
В случае холодного фронта быстро движущийся холодный зафронтальный воздух, подтекая под теплый, вытесняет его кверху. В результате, если динамические условия обусловливают общий подъем воздуха, теплый воздух начинает скользить вдоль наклонной поверхности фронта вверх и адиабатически охлаждаться.
В случае теплого фронта при тех же условиях также происходит восходящее движение теплого воздуха над клином холодного воздуха. Чем больше разности температур холодного и теплого воздуха, т. е. чем резче выражен фронт не только у поверхности земли, но и на высотах, тем при одних и тех же условиях интенсивнее происходит восходящее движение теплого воздуха, конденсация, образование облаков и осадков.
На хорошо выраженном фронте бывают представлены облака всех ярусов. Облака теплого фронта могут быть очень мощными, по горизонтали перпендикулярно фронту они очень часто распространяются на 500-700 км, а по вертикали - до 6-8 км и более. При этом длина такого фронта может достигать 1000-2000 км. Верхняя часть мощных фронтальных облаков даже летом располагается в зоне отрицательных температур, поэтому она обычно состоит из ледяных кристаллов. На рис. 54 в вертикальном разрезе, перпендикулярном фронту, изображена система облаков, характерная для теплого фронта. Эти облака относятся к слоистым формам и расположены преимущественно в теплом воздухе над фронтальной поверхностью. Самые верхние облака (перистые и перисто-слоистые) находятся на высотах 6-8 км. Они являются предвестниками теплого фронта. Появление этих облаков за несколько часов до приближения зоны осадков указывает на ухудшение погоды. Перисто-слоистые облака сменяются высокослоистыми, через которые еще просвечивает солнце, тем не менее они имеют большую вертикальную мощность. Далее следуют более плотные слоисто-дождевые облака, дающие обложные осадки, доходящие до земли. Ниже всего располагаются слоистые и разорванно-дождевые облака, высота нижней границы которых в зависимости от содержания влаги может колебаться от нуля до нескольких сотен метров. При этом, как видно на рис. 54, облака нижнего яруса образуются не только в теплом надфронтальном воздухе, но частично и в холодном воздухе в непосредственной близости от поверхности фронта. Стрелки на этом рисунке показывают направление воздушных потоков в теплом и холодном воздухе при общем переносе слева направо в плоскости представленной здесь схемы.
Система облаков мощного холодного фронта представлена на рис. 55. Как легко заметить, профили теплого (рис. 54) и холодного (рис. 55) фронтов заметно отличаются друг от друга. Это происходит потому, что при движении теплый воздух в нижнем слое вследствие трения о земную поверхность растягивается в направлении, обратном движению. Между тем холодный фронт вследствие трения в нижнем 1-2-километровом слое становится более крутым.
Изображенные на рис. 54 и 55 системы облаков теплого и холодного фронтов относятся к тем случаям, когда вертикальная протяженность фронтов велика, значительны кон-трасты температур на фронте и осуществляется интенсивное восходящее движение воздуха. Массы воздуха по обе стороны фронта являются устойчивыми. Если же при всех этих условиях холодный воздух стратифицирован неустойчиво, то за холодным фронтом следуют не слоисто-кучевые облака, а мощные кучевые и кучево-дождевые. Если одновременно и холодный воздух и теплый воздух стратифицированы неустойчиво, то перед фронтом образуется мощная шкваловая облачность (рис. 56), дающая сильные ливневые осадки, сопровождающиеся грозами и даже выпадением града.
Облачная система теплого фронта тоже имеет разновидности. В случае неустойчивости теплого воздуха образуются конвективные облака и выпадают ливневые осадки. При этом предполагается, что влагосодержание воздуха достаточное.
Однако вертикальная протяженность атмосферных фронтов не всегда значительная, нередко она не превышает 1-3 км. В соответствии с этим и фронтальная облачность получает ограниченное развитие, за исключением тех случаев, когда вследствие неустойчивости образуется конвективная облачность, достигающая высоты 5-6 км и более. Даже при большой вертикальной протяженности фронта фронтальная облачность не представляет собой сплошной среды, как показано на рис. 54 и 55, а состоит из ряда слоев с безоблачными пространствами между ними (рис. 57 а). Это связано с тем, что во многих случаях общий подъем теплого воздуха нарушается и в зоне фронта чередуются слои с восходящими и нисходящими движениями воздуха. При этом последние вызывают разрушение облачной системы фронта, вплоть до полного рассеивания облаков. При большой сухости воздуха облакообразование на фронте либо вовсе не происходит, либо возникают маломощные облака среднего и верхнего ярусов, которые не дают осадков (рис. 57 6).
Существуют еще другие разновидности фронтов, которые возникают при смыкании холодного и теплого фронтов. Смыкание фронтов происходит в результате того, что они перемещаются с различными скоростями. В системе циклона, как правило, холодные фронты движутся с большими скоростями, чем теплые. Поэтому холодный фронт, догоняя теплый, смыкается с ним, образуя фронт смыкания, или, как обычно называют, фронт окклюзии. Сначала облачные системы обоих фронтов, сомкнувшись, сохраняются и дают обильные, преимущественно обложные осадки. Однако постепенно интенсивность фронта окклюзии ослабевает вследствие уже действующего процесса размывания его. При этом мощные облачные системы начинают рассеиваться и фронт обнаруживается в поле приземного ветра по остаткам облачности. На рис. 58 схематически изображено смыкание холодного и теплого фронтов при движении их слева направо. Холодный воздух, как более плотный, вклинивается под теплый.
Все виды фронтов при встрече с горными препятствиями оставляют много влаги на их наветренной стороне. Однако по мере преодоления высокого горного препятствия облачная система фронтов нарушается, и на подветренной стороне гор облака растекаются, осадки нередко прекращаются. Лишь после преодоления препятствия облачная система фронтов вновь восстанавливается.
Изучение атмосферных фронтов диктуется необходимостью расширить познания в этой области в связи с требованиями практики, особенно авиации, поскольку мощные облака, как и резкие изменения погоды, связаны с фронтами. Поэтому их изучение является одной из важнейших задач метеорологов.
Несмотря на важность задачи исследования фронтов, знания об условиях их возникновения еще далеко не достаточны. Это прежде всего относится к образованию и эволюции фронтальной облачности. Приведенные выше схемы дают лишь общее представление о фронтальных облаках. В действительности облака в зоне атмосферных фронтов составляют как сплошную среду, так и мощные слои с безоблачными пространствами между ними.
Трудности изучения физики облакообразования на фронтах связаны с отсутствием способов массового и детального изучения всех особенностей развития облаков в определенных синоптических условиях, поскольку для этого требуется продолжительное пребывание на высотах, что технически трудно осуществимо.
Действительно современные самолеты, пролетая с большой скоростью, позволяют произвести наблюдения и различные измерения по пути полета. Наиболее удобны для изучения облаков аэростаты. Но они не всегда могут войти в интересующее нас облако. В частности, аэростат не может войти в грозовые облака, так как он может воспламениться от вспышки молнии.
Выше уже говорилось, что образование облаков вызвано конденсацией водяного пара вследствие подъема воздуха и его адиабатического охлаждения. Чтобы представить трудности изучения эволюции облачности, достаточно сказать, что вертикальные движения воздуха, обусловливающие образование и разрушение облаков, не поддаются пока прямым измерениям. Приближенные расчеты вертикальных движений в настоящее время производятся главным образом из теоретических предпосылок изменений полей давления и ветра на различных высотах.
Исследование атмосферных фронтов и их облачных систем привлекает внимание многих ученых как в СССР, так и за рубежом. Нередко, рискуя жизнью, они летают в грозовых облаках и шаг за шагом расширяют знания о фронтальной деятельности. Положения о структурных особенностях фронтов, разработанные главным образом норвежскими метеорологами (Т. Бержероном, С. Петерсеном и др.), пересмотрены и уточнены советскими учеными. Благодаря трудам А. Ф. Дюбюка, Н. Л. Таборовского, Е. Г. Зак, Е. К. Федорова, Г. Д. Зубяна, Е. С. Селезневой и др. наши знания о возникновении и размывании фронтов, характере вертикальных движений воздуха и облакообразовании, как и о других вопросах, связанных с фронтами, значительно обогатились. И все же многие важные особенности облакообразования и изменения облачных форм при эволюции фронтов остаются еще непознанными.
Нет единства взглядов по вопросу вертикальной протяженности фронтов в тропосфере и о фронтообразовании в стратосфере. Однако в последние годы все больше ученых приходит к заключению, что тропосферные фронты в большинстве случаев достигают тропопаузы; выше - в стратосфере -они также существуют (Г. Д. Зубян, Р. Бергрен), но вследствие ничтожно малого влагосодержания воздуха на стратосферных фронтах облака не образуются.
Оказалось, что теплый воздух затягивается в циклон не по всей его восточной (правой) половине, а в достаточно ограниченном секторе, расположенном в южной и юго-восточной частях циклона между двумя линиями конвергенции. Облачность и осадки распределены в циклоне неравномерно. Обложные дожди выпадают преимущественно перед первой (восточной) линией сходимости воздушных потоков, а также в центре циклона. Ливневые дожди и грозы сосредоточены в узкой полосе вдоль второй (западной) линии конвергенции. Эти линии впоследствии были названы атмосферными фронтами. Поскольку в умеренных широтах циклоны обычно перемещаются с запада на восток, через пункт наблюдений сначала проходит восточный фронт циклона, за которым поступает теплый воздух. Этот атмосферный фронт был назван теплым. В окрестностях теплого атмосферного фронта теплый воздух активно наступает на линию фронта, движется практически перпендикулярно к ней, а холодный воздух переносится почти параллельно этой линии, т.е. медленно от нее отступает. Следовательно, теплая воздушная масса догоняет и перегоняет холодную. Затем к пункту наблюдения приближается западный (холодный) фронт циклона, при прохождении которого температура воздуха резко падает. Около холодного атмосферного фронта динамика иная: холодный воздух догоняет теплый и стремительно вытесняет его вверх.
Восходящее скольжение охватывает мощные слои теплого воздуха над всей фронтальной поверхностью и возникает обширная система высоко-слоистых - слоисто-дождевых облаков с обложными осадками. Тёплый фронт имеет антициклоническую кривизну и движется в сторону холодного воздуха. На карте погоды тёплый фронт отмечается красным цветом или зачернёнными полукружками, направленными в сторону перемещения фронта (рис. 1). По мере приближения линии тёплого фронта начинает падать давление, уплотняются облака, выпадают обложные осадки. Зимой при прохождении фронта обычно появляются низкие слоистые облака. Температура и влажность воздуха медленно повышаются. При прохождении фронта температура и влажность обычно быстро возрастают, ветер усиливается. После прохождения фронта направление ветра меняется (ветер поворачивает по часовой стрелке), скорость его уменьшается, падение давления прекращается и начинается его слабый рост, облака рассеиваются, осадки прекращаются. Поле барических тенденций представлено следующим образом: перед тёплым фронтом располагается замкнутая область падения давления, за фронтом – либо рост давления, либо относительный рост (падение, но меньшее, чем перед фронтом). Прохождение теплого фронта обычно сопровождается мощной слоисто-дождевой, затягивающей все небо, облачностью с обложным дождем. Первый вестник теплого фронта - перистые облака. Постепенно они превращаются в сплошную белую вуаль в перистослоистые облака. В верхних слоях атмосферы уже движется теплый воздух. Падает давление. Чем ближе к нам линия фронта, тем плотнее становятся облака. Солнце просвечивает тусклым пятном. Затем облака опускаются ниже, солнце скрывается совсем. Ветер усиливается и меняет свое направление по часовой стрелке (например, сначала был восточный, потом юго-восточный и даже юго-западный) Приблизительно за 300- 400 км до фронта облака сгущаются. Начинается мелкий обложной дождь или снег. Но вот теплый фронт миновал. Дождь или снег прекратился, тучи рассеиваются, наступает потепление - пришла более теплая воздушная масса. Теплый фронт в вертикальном разрезе представлен на рис. 2.
Если же теплый воздух отступает, а холодный растекается вслед за ним значит, приближается холодный фронт. Его приход всегда вызывает похолодание. Но при движении не все слои воздуха имеют одинаковую скорость. Самый нижний слой в результате трения о земную поверхность немного задерживается, а более высокие вытягиваются вперед. Таким образом, холодный воздух обрушивается на теплый в виде вала. Теплый воздух быстро вытесняется вверх, и создаются мощные нагромождения кучевых и кучево-дождевых облаков. Облака холодного фронта несут ливни, грозы, сопровождающиеся сильным порывистым ветром. Они могут достигать очень большой высоты, но в горизонтальном направлении простираются всего на 20...30 км. А так как холодный фронт движется обычно быстро, то бурная погода продолжается недолго - от 15...20 мин. до 2...3 ч. В результате взаимодействия холодного воздуха с теплой подстилающей поверхностью образуются кучевые облака с просветами. Затем наступает полное прояснение.
В случае холодного фронта восходящее движение теплого воздуха ограничено более узкой зоной и особенно сильно перед холодным клином, где теплый воздух вытесняется холодным. Облака здесь будут в значительной мере иметь характер кучево-дождевых с ливневыми осадками и грозами (рис. 3, рис. 4). Холодный фронт имеет циклоническую кривизну (выпуклость в сторону тёплого воздуха) и движется в сторону тёплого воздуха. На карте погоды холодный фронт отмечается синим цветом или зачернёнными треугольниками, направленными в сторону перемещения фронта (рис.1). Течение в холодном воздухе имеет составляющую, направленную к линии фронта, поэтому холодный воздух, продвигаясь вперед, занимает пространство, где до этого находился тёплый воздух, что увеличивает его неустойчивость.
При переходе через линию тёплого фронта ветер, как и в случае тёплого фронта, поворачивает вправо, но поворот более значительный и резкий – от юго-западного, южного (перед фронтом) к западному, северо-западному (за фронтом). При этом увеличивается скорость ветра. Атмосферное давление перед фронтом меняется медленно. Оно может падать, но может и расти. С прохождением холодного фронта начинается быстрый рост давления. За холодным фронтом располагается замкнутая изаллобарическая область роста давления, причём, рост может достигать 3-5 гПа/3ч. Изменение давления в сторону его роста (от падения к росту, от медленного роста к более сильному) свидетельствует о прохождении линии приземного фронта.
Перед фронтом часто наблюдаются грозы и шквалы. Температура воздуха после прохождения фронта падает, причём часто быстро и резко – на 10 °С и более за 1-2 часа. Массовая доля водяного пара понижается одновременно с температурой воздуха. Видимость, как правило, улучшается, поскольку за холодным фронтом вторгается полярный или арктический воздух. Кроме того, неустойчивость воздушной массы препятствует конденсации вблизи поверхности Земли.
Характер погоды на холодном фронте заметно различается в зависимости от скорости смещения фронта, свойств тёплого воздуха перед фронтом, характера восходящих движений тёплого воздуха над клином холодного. На холодных фронтах 1-го рода преобладает упорядоченное поднятие тёплого воздуха над клином холодного воздуха. Холодный фронт 1-го рода является пассивной поверхностью восходящего скольжения. К этому типу принадлежат медленно движущиеся или замедляющие свое движение фронты, преимущественно на периферии циклонических областей в глубоких барических ложбинах. При этом облака расположены главным образом за линией фронта. Отличие от облачности тёплого фронта всё же существует. Вследствие трения поверхность холодного фронта в нижних слоях становится крутой. Поэтому перед самой линией фронта вместо спокойного и пологого восходящего скольжения наблюдается более крутой (конвективный) подъём тёплого воздуха (рис.3). Благодаря этому, в передней части облачной системы иногда возникают мощные кучевые и кучево-дождевые облака, растянутые на сотни километров вдоль фронта, с ливнями летом, снегопадами зимой, грозами, градом и шквалами. Над вышележащей частью фронтальной поверхности с нормальным наклоном в результате восходящего скольжения тёплого воздуха облачная система представляет равномерный покров слоистообразных облаков. Ливневые осадки перед фронтом после прохождения фронта сменяются более равномерными обложными осадками. Наконец, появляются перисто-слоистые и перистые облака. Вертикальная мощность системы и ширина облачной системы и области осадков при этом будет почти в 2 раза меньше, чем в случае тёплого фронта. Верхняя граница системы находится примерно на высоте 4-4.5 км. Под основной облачной системой могут возникать слоистые разорванные облака, иногда образуются фронтальные туманы. Продолжительность прохождения холодного фронта 1-го рода через пункт наблюдения составляет 10 ч. и более.
Фронты 2-го рода в нижнем слое атмосферы являются пассивной поверхностью восходящего скольжения, а выше – активной поверхностью нисходящего скольжения. К этому типу принадлежит большая часть быстро движущихся холодных фронтов в циклонах. Здесь происходит вытеснение тёплого воздуха нижних слоев вверх продвигающимся вперед холодным валом. Поверхность холодного фронта в нижних слоях располагается очень круто, образуя даже выпуклость в виде вала (рис.4). Быстрое перемещение клина холодного воздуха вызывает вынужденную конвекцию вытесняемого тёплого воздуха в узком пространстве у передней части фронтальной поверхности. Здесь создается мощный конвективный поток с образованием кучево-дождевой облачности, усиливающийся в результате термической конвекции. Предвестниками фронта являются высококучевые чечевицеобразные облака, которые распространяются перед ним на удалении до 200 км. Возникающая облачная система имеет небольшую ширину (50-100 км) и представляет собой не отдельные конвективные облака, а непрерывную цепь, или облачный вал, который иногда может быть не сплошным. В тёплую половину года верхняя граница кучево-дождевых облаков распространяется до высоты тропопаузы. На холодных фронтах 2-го рода наблюдается интенсивная грозовая деятельность, ливни, иногда с градом, шквалистые ветры. В облаках сильная болтанка и обледенение. Ширина зоны опасных явлений погоды составляет несколько десятков километров. В холодную половину года вершины кучево-дождевых облаков достигают 4 км. Ширина зоны снегопада составляет 50 км. С этой облачностью связаны сильные снегопады, метели при видимости менее 1000 м, резкое усиление скорости ветра, болтанка.
При прохождении холодных фронтов 2-го рода через пункт наблюдений сначала (часа за 3-4 до прохождения линии фронта у Земли) появляются перистые облака, которые быстро сменяются высокослоистыми, иногда чечевицеобразными, которые быстро сменяются громадой с ливнями, грозами, градом, шквалами. Продолжительность перемещения системы облаков с ливневыми осадками и грозами обычно не превышает 1-2 часа. После прохождения холодного фронта ливневые осадки прекращаются. Особенностью холодных фронтов как первого, так и второго рода являются предфронтальные шквалы. Поскольку в передней части холодного клина, благодаря трению, создается крутой наклон фронтальной поверхности, часть холодного воздуха оказывается над тёплым. Далее происходит “обрушивание” вниз холодных воздушных масс в передней части продвигающегося холодного вала. Обрушивание холодного воздуха приводит к вытеснению вверх тёплого воздуха и к возникновению вдоль фронта вихря с горизонтальной осью. Особенно интенсивными бывают шквалы на суше летом, при большой разности температур между тёплым и холодным воздухом по обе стороны от фронта и при неустойчивости тёплого воздуха. В этих условиях прохождение холодного фронта сопровождается разрушительными скоростями ветра. Скорость ветра нередко превышает 20-30 м/с, продолжительность явления обычно несколько минут, иногда наблюдаются порывы.
Фронты окклюзии
Вследствие нисходящих движений в холодном воздухе в тылу циклона, холодный фронт движется быстрее тёплого фронта и со временем нагоняет его. На стадии заполнения циклона возникают комплексные фронты – фронты окклюзии, которые образуются при смыкании холодного и тёплого атмосферных фронтов.
В системе фронта окклюзии взаимодействуют три воздушные массы, из которых тёплая уже не соприкасается с поверхностью Земли. Процесс вытеснения тёплого воздуха в верхние слои называется окклюдированием. При этом тыловой клин холодного воздуха циклона смыкается с передним клином холодного воздуха. Тёплый воздух в виде воронки постепенно поднимается вверх, а его место занимает холодный воздух, поступающий с боков (рис. 5). Поверхность раздела, возникающую при смыкании холодного и тёплого фронтов, называют поверхностью фронта окклюзии.
В случае холодного фронта окклюзии осадки могут выпадать по обе стороны от нижнего фронта, а переход от обложных осадков к ливневым, если он имеет место, происходит не впереди нижнего фронта, а в непосредственной близости к нему. В случае тёплого фронта окклюзии воронка тёплого воздуха вытесняется более тёплым воздухом, натекающим на клин более холодного воздуха. Тыловой клин менее холодного воздуха, нагоняет передний клин более холодного воздуха, и холодный фронт, отделившись от поверхности Земли, поднимается по поверхности тёплого фронта.
Слабое восходящее скольжение тылового воздуха по переднему вдоль поверхности окклюзии может привести к образованию вдоль нее облаков типа St-Sc, не достигающих уровня ледяных ядер. Из них перед нижним тёплым фронтом будет выпадать моросящие осадки.
frontis - лоб , передняя сторона ), фронты тропосферные - переходная зона в тропосфере между смежными воздушными массами с разными физическими свойствами.Атмосферный фронт возникает при сближении и встрече масс холодного и тёплого воздуха в нижних слоях атмосферы или во всей тропосфере, охватывая слой мощностью до нескольких километров, с образованием между ними наклонной поверхности раздела.
Различают:
- стационарные фронты.
Основными атмосферными фронтами являются:
- полярные,
- тропические.
Если бы воздушные массы были неподвижны, поверхность атмосферного фронта была бы горизонтальной, с холодным воздухом внизу и тёплым над ним, но поскольку обе массы движутся, она располагается наклонно к земной поверхности. При этом в среднем угол наклона составляет около 1° к поверхности Земли. Теплый фронт наклонен в ту же сторону, в которую движется, а холодный - в противоположную. Наклон фронта в идеальной модели может быть выражен через формулу Маргулиса.
Зона атмосферного фронта очень узка по сравнению с разделяемыми ею воздушными массами, поэтому для целей теоретического исследования её приближённо рассматривают как поверхность раздела двух воздушных масс разной температуры и называемой фронтальной поверхностью . По этой причине на синоптических картах фронты изображают в виде линии (линия фронта ). В пересечении с земной поверхностью зона фронта имеет ширину порядка десятков километров, горизонтальные же размеры самих воздушных масс - порядка тысяч километров.
При сближении воздушных масс, имеющих различные характеристики, в зоне между ними образуется Тангенциальный разрыв , то есть:
- Увеличиваются горизонтальные градиенты температуры воздуха, влажности.
- Поле давления имеет ложбину или «скрытую ложбину».
- Касательная к линии разрыва скорость ветра имеет скачок.
Наоборот, при удалении воздушных масс друг от друга градиенты метеорологических величин и скорости ветра уменьшаются. Переходные зоны в тропосфере, в которых происходит сближение воздушных масс с различными характеристиками, называются фронтальными зонами.
В горизонтальном направлении протяжённость фронтов, как и воздушных масс, имеет тысячи километров, по вертикали - около 5 км, ширина фронтальной зоны у поверхности Земли - порядка сотни километров, на высотах - несколько сотен километров. Фронтальные зоны характеризуются значительными изменениями температуры воздуха и влажности, направлений ветра вдоль горизонтальной поверхности, как на уровне Земли, так и выше.
Сечение фронтальной поверхностью поверхности Земли называется атмосферным фронтом и наносится на приземную синоптическую карту. На карты барической топографии наносятся высотные фронтальные зоны (ВФЗ) - сечения фронтальной поверхностью изобарических поверхностей.
«Фронтальная поверхность» - это поверхность или зона перехода, разделяющая воздушные массы с различными свойствами, в том числе, различной плотностью воздуха. Непрерывность давления накладывает определённые условия на пространственную ориентацию фронтальной поверхности. При отсутствии движения любой разрыв в поле плотностей (или зона быстрого перехода из одной воздушной массы в другую) должен быть горизонтальным. При наличии движения поверхность перехода становится наклонной, при этом более плотный воздух (холодный) образует клин под менее плотным (тёплым), а тёплый воздух совершает восходящее скольжение вдоль этого клина.
Толщина фронтальной поверхности по вертикали очень мала - несколько сотен метров, это гораздо меньше, чем ширина воздушных масс, которые она разделяет. В пределах тропосферы одна воздушная масса перекрывает другую. Ширина зоны фронта на картах погоды составляет несколько десятков километров, но при анализе синоптических карт фронт проводят в виде одной линии. Лишь на вертикальных разрезах атмосферы крупного масштаба удается выявить верхнюю и нижнюю границы переходного слоя.
На фронтах большое развитие получают восходящие движения воздуха, поэтому вблизи фронтов имеются благоприятные условия для образования облаков и выпадения осадков. Их появлению способствует, во-первых, сходимость ветра к линии фронта в приземном слое (отрицательная дивергенция горизонтальной компоненты ветра). Кроме того, в системе фронтов происходит подъём тёплого воздуха (восходящее скольжение) по клину холодного воздуха. Восходящие движения воздуха возникают и вследствие разности скоростей зафронтального и предфронтального воздуха, то есть когда зафронтальный воздух движется быстрее, чем предфронтальный. Подъём воздуха происходит на тех участках фронта, где наблюдается нестационарность движения. Восходящим движениям на ранней стадии развития циклона способствует также динамическое падение давления. При подъёме воздуха происходит его адиабатическое охлаждение, формирование облачности и осадков.
Хорошо выраженный фронт имеет высоту несколько километров, чаще всего - 3-5 км. С основными фронтами связаны продолжительные и обильные осадки; в системе вторичных фронтов процессы облакообразования выражены слабее, осадки кратковременны и не всегда достигают Земли. Также существуют внутримассовые осадки, не связанные с фронтами.
В приземном слое вследствие сходимости воздушных потоков к оси барических ложбин здесь создаются наибольшие контрасты температуры воздуха - поэтому фронты у Земли располагаются именно вдоль осей барических ложбин. Фронты не могут располагаться вдоль осей барических гребней, где имеет место расходимость воздушных потоков, а могут лишь пересекать ось гребня под большим углом.
С высотой контрасты температур на оси барической ложбины уменьшаются - ось ложбины смещается в сторону более низких температур воздуха и стремится совместиться с осью термической ложбины, где контрасты температуры минимальны. Так с высотой фронт постепенно отходит от оси барической ложбины на её периферию, туда, где создаются наибольшие контрасты.
Подстилающая поверхность оказывает значительное влияние на перемещение и свойства фронтов. В пределах нижних сотен метров влияние трения приводит к деформации профиля фронта. Неравномерность трения, связанная с различием в характере подстилающей поверхности, также приводит к деформации профиля фронта, особенно в условиях сложного рельефа. Орографические препятствия могут влиять на перемещение фронтов и вызывать как деформации самих фронтов, так и изменения связанных с ними эффектов, или создавать новые эффекты. Переваливание фронтов через горные препятствия отражается на процессах облако- и осадкообразования. Воздух вообще стремится обтекать препятствия в горизонтальном направлении, так как при этом происходит наименьшая затрата энергии. В том случае, если воздух стратифицирован неустойчиво, он частично перетекает через хребет, особенно в центральной его части. Это перетекание в десятки раз менее интенсивно, чем боковое обтекание. Кроме того, оно имеет резко турбулентный характер, благодаря сильному трению в условиях горного рельефа.
Под понятием атмосферный фронт принято понимать переходную зону, в которой встречаются смежные воздушные массы с различными характеристиками. Возникновение атмосферных фронтов происходит, когда сталкиваются теплые и холодные воздушные массы. Они могут простираться на десятки километров.
Воздушные массы и атмосферные фронты
Циркуляция атмосферы происходит благодаря формированию различных воздушных течений. Воздушные массы, находящиеся в нижних слоях атмосферы, способны объединяться друг с другом. Причиной этому служат общие свойства этих масс или идентичное происхождение.
Изменение погодных условий происходит именно из-за движения воздушных масс. Теплые вызывают потепление, а холодные - похолодание.
Выделяют несколько типов воздушных масс. Их различают по очагу возникновения. Такими массами являются: арктические, полярные, тропические и экваториальные воздушные массы.
Атмосферные фронты возникают при столкновении различных воздушных масс. Территории столкновения, называют фронтальными или переходными. Эти зоны мгновенно возникают и также быстро разрушаются - все зависит от температуры столкнувшихся масс.
Ветер, возникающие при таком столкновении, может достигать скорости 200 км/к на высоте 10 км от земной поверхности. Циклоны и антициклоны являются следствием столкновений воздушных масс.
Тёплый и холодный фронты
Теплыми фронтами считаются фронты, движущиеся в сторону холодного воздуха. Вместе с ними перемещается и теплая воздушная масса.
При приближении теплых фронтов отмечается понижение давления, уплотнение облаков и выпадение обильных осадков. После того, как фронт прошел, изменяется направление ветра, его скорость уменьшается, давление начинает постепенно подниматься, а осадки прекращаются.
Теплый фронт характеризуется натеканием теплых воздушных масс на холодные, что вызывает их охлаждение.
Также он достаточно часто сопровождается обильными осадками и грозами. Но когда в воздухе содержится недостаточное количество влаги, осадки не выпадают.
Холодными фронтами считаются воздушные массы, которые движутся и вытесняют теплые. Выделяются холодный фронт первого рода и холодный фронт второго рода.
Первый род характеризуется медленным проникновением его воздушных масс под теплый воздух. Этот процесс образует облака как за линией фронта, так и в его пределах.
Верхняя часть фронтальный поверхности состоит из равномерного покрова слоистых облаков. Длительность формирования и распада холодного фронта составляет около 10 часов.
Второй род представляет собой холодные фронты, движущиеся с большой скоростью. Теплый воздух мгновенно вытесняется холодным. Это приводит к образованию кучево-дождевой области.
Первыми сигналами о приближении такого фронта являются высокие облака, визуально напоминающие чечевицу. Их образование происходит задолго до его прихода. Холодный фронт находится в двухстах километрах от места появления этих облаков.
Холодный фронт 2 рода в летний период сопровождается обильными осадками в виде дождя, градом и шквалистым ветром. Такая погода может распространяться на десятки километров.
Зимой холодный фронт 2 рода вызывает снежную пургу, сильный ветер, болтанку.
Атмосферные фронты России
На климат России в основном влияют Северный Ледовитый океан, Атлантический и Тихий.
Летом через Россию проходят Антарктические воздушные массы, отражающиеся на климате Предкавказья.
Вся территория России подвержена циклонам. Чаще всего они образуются над Карским, Баренцевым и Охотскими морями.
Чаще всего в нашей стране действует два фронта - арктический и полярный. Они перемещаются к югу или северу в разные климатические периоды.
Южная часть Дальнего Востока подвержена влиянию тропического фронта. Обильные осадки на средней полосе России вызваны воздействием полярного франта, который действует в июле.
Фронтальной зоной называется переходная зона между воздушными массами, обладающими разными свойствами, сильно наклонённая к земной поверхности в сторону холодного воздуха. Она поднимается вверх на несколько километров, где её горизонтальная протяжённость может составлять тысячи километров.
Ширина фронтальной зоны у поверхности Земли составляет десятки километров. Поскольку её размеры по сравнению с размерами воздушных масс малы, её принято представлять в виде фронтальной поверхности, линия пересечения которой с поверхностью земли называется фронтом. При прохождении фронта резко меняются все метеоэлементы, образуются обширные облачные системы, выпадают осадки, усиливается ветер. Фронты могут возникать и развиваться (такой процесс называется фронтогенезис), а также – размываться и исчезать (фронтолизис).
В зависимости от направления перемещения воздушных масс атмосферные фронты делятся на тёплые, холодные, малоподвижные и фронты окклюзии.
Тёплый фронт
Тёплый фронт возникает при движении воздушных масс, когда холодная воздушная масса сменяется тёплой. Тёплый воздух, как более лёгкий, натекает на клин холодного, поднимается, охлаждается, с некоторой высоты пары начинают конденсироваться, образуя характерную мощную облачность, состоящую из перистых, перисто-слоистых, высоко-слоистых и слоисто-дождевых облаков, образующих огромный клинообразный массив. Схема смены видов облачности, характерных для тёплого фронта, приведена на рис. 12, а порядок изменения метеоэлементов при его прохождении – в табл. 1.
Таблица 1. Изменения метеоэлементов при прохождении тёплого фронта.
| Метеоэлементы | Перед фронтом | При прохождении фронта | За фронтом |
| Атмосферное давление | Падает, обычно равномерно (клин холодного, более тяжёлого воздуха над точкой наблюдения уменьшается (рис. 12)). | Падение замедляется | Мало меняется или слабо растёт |
| Ветер | Усиливается, поворачивает против часовой стрелки (в северном полушарии) | Поворачивает по часовой стрелке (в северном полушарии) | Ослабевает, направление не меняется |
| Температура воздуха | Не меняется или слабо растёт | Повышается (тёплая воздушная масса в точке наблюдения приходит на смену холодной (рис. 12)) | Меняется мало |
| Облачность | Последовательно сменяют друг друга: перистые, перисто-слоистые, высокослоистые, слоисто-дождевые облака. Под фронтальной поверхностью возможно появление кучевых облаков (рис. 12) | Слоисто-дождевые | Слоистые или слоисто-кучевые |
| Осадки | За 300-400км до линии фронта начинаются обложные осадки | Почти прекращаются | Возможна морось |
Холодный фронт
Холодный фронт возникает при движении воздушных масс, когда тёплая воздушная масса сменяется холодной. Угол наклона фронтальной поверхности при этом, как правило, больше, чем у тёплого фронта. Различают холодные фронты первого и второго рода.
Холодный фронт первого рода
Так называется медленно движущийся холодный фронт. В процессе движения воздушных масс холодный воздух медленно подтекает под тёплый, что приводит к появлению облачной системы, напоминающей систему тёплого фронта, расположенную в обратном порядке по ходу его движения. Горизонтальные размеры облачной системы и зоны осадков у данного вида атмосферного фронта меньше, чем у тёплого.
Перед фронтом в тёплой воздушной массе могут развиваться кучево-дождевые облака, появление которых вызывается восходящими потоками воздуха. Движение фронтов происходит в силу воздействия ветра. Направление ветра в средних широтах совпадает с направлением касательной к изобаре. Поэтому, если на карте погоды линия холодного фронта проходит под небольшим углом к изобаре, то ветер будет дуть почти вдоль фронта и скорость перемещения последнего будет невелика. То есть, такой фронт будет являться фронтом первого рода.
Холодный фронт второго рода
Так называется быстро движущийся холодный фронт. На карте погоды линия этого фронта по отношению к изобарам располагается под углом, близким к прямому (ветер дует почти перпендикулярно фронту, что приводит к быстрому перемещению последнего). Быстрое подтекание холодного воздуха под тёплый приводит к развитию в узкой полосе перед фронтом сильной конвекции (восходящих потоков) и появлению мощной кучево-дождевой облачности.
Турбулентность восходящих потоков обусловливает наличие шквалистого ветра у поверхности земли. Основным видом осадков при этом являются ливневые. Зона осадков обычно настолько узка, что почти не прослеживается на картах погоды. Облачная система высокослоистых и перисто-слоистых облаков в восходящем потоке тёплого воздуха сильно вытянута вперёд от фронтальной поверхности и размыта на отдельные высококучевые чечевицеобразные и мелкие перисто-кучевые облака. Порядок изменения метеоэлементов при его прохождении – в табл. 2.
Таблица 2. Изменения метеоэлементов при прохождении холодного фронта.
| Метеоэлементы | Перед фронтом | Пр прохлждении фронта | За фронтом |
| Атмосферное давление | Падает | Падение сменяется ростом | Быстро растёт (клин холодного, более тяжёлого воздуха над наблюдателем становится всё выше), затем рост замедляется или прекращается |
| Ветер | Усиливается, поворачивает против часовой стрелки(в северном полушарии) | Значительно усиливается,становится шквалистым, резко поворачивает по часовой стрелке (в северном полушарии) | Поворачивает против часовой стрелки (в северном полушарии). Сохраняется сильный порывистый ветер |
| Температура воздуха | Устойчивая или слабо понижается | Резко понижается | Продолжает понижаться или мало меняется |
| Облачность | Для фронта 1 рода – мощные Cb. Для фронта 2 рода возможны отдельные Cc,и ниже них – Ac, затем — появление мощной Cb облачности. | Для холодного фронта первого рода — Ns. Для фронта 2 рода – Сb, под которыми наблюдаются разорванно-дождевые облака. | Для холодного фронта первого родаоблачная система в основном обратна тёплому фронту (последовательно меняются Ns, As, Cs, Ci). Для фронта второго рода – облачность быстро исчезает. |
| Осадки | Обычно небольшие, начинаются перед самым фронтом | Ливневые, часто сильные | Быстро прекращаются или переходят в кратковременные ливни |
| Прочие явления | Часто наблюдаются грозы | Грозы, увеличение ветрового волнения | Сохраняется сильное волнение |
Фронт окклюзии
Холодный фронт всегда движется быстрее тёплого и постепенно догоняет его. При смыкании фронтов тёплая воздушная масса, находящаяся между фронтальными поверхностями, вытесняется вверх и отрывается от земной поверхности. Такой процесс называется окклюзией.
Развитие окклюзии зависит от теплового режима воздушных масс. Если они имеют одинаковые температуры, то у поверхности земли фронт ликвидируется. Тёплый воздух оказывается в жёлобе, образованном поверхностями прежних холодного и тёплого фронтов и называется нейтральным. Если тыловой холодный воздух холоднее впереди лежащего, то такой фронт называется окклюзией по типу холодного фронта. В этом случае поверхность тёплого фронта скользит по поверхности холодного. Если тыловой воздух теплее впереди лежащего, то такой фронт называется окклюзией по типу тёплого фронта.
Для фронтов окклюзии характерно большое разнообразие облачных систем и осадков. В общих чертах погода при окклюзии по типу тёплого фронта схожа с погодой тёплых фронтов, а при окклюзии по типу холодного – с погодой холодных фронтов. Фронты окклюзии, как правило, связаны с хорошо выраженными барическими ложбинами. Порядок изменения метеоэлементов при прохождении фронта окклюзии приведён в таблицах 3 и 4.
Загрузка...
