Холодный фронт первого рода.
Скорость перемещение таких фронтов составляет менее 30км/ч. Поэтому угол наклона таких фронтов пологий, и теплый воздух медленно вытесняется холодным и плавно подымается вверх, натекая на клин холодного воздуха. При этом образуется облачная система слоистообразных облаков большой вертикальной протяженности, как и на теплом фронте, но по сравнению с теплым фронтом, облака располагаются в обратном порядке (рис.6.4).
Рис.6.4. Вертикальный разрез ХФ 1-го рода.
Облачная система холодного фронта 1 рода уже системы теплого фронта. Поэтому формы облаков быстро сменяются. Так как основная система облаков находится за линией фронта, то его приближение нельзя заметить с большой заблаговременностью по натеканию характерной облачности. С приближением фронта натекает слоисто-дождевая облачность и начинаются осадки обложного характера. В зоне осадков могут образовываться разорвано-дождевые облака. За фронтом осадки продолжаются в зоне шириной 100-200км летом и 200-300 км зимой. С удалением приземной линии фронта нижняя граница облаков постепенно повышается, осадки прекращаются. Нижняя облачность сменяется средней (Аs) и верхней (Ci-Cs). Облака верхнего яруса могут быть отделены от основной облачной системы безоблачной прослойкой. Вертикальная мощность облаков холодного фронта 1 рода составляет порядка 4-6км в холодное время года и до 10км и выше летом. В теплое полугодие на фронте образуются кучево-дождевые облака за счет активных восходящих движений теплого влажного неустойчивого воздуха.
Ветер у земли с приближением фронта усиливается, с прохождением фронта может быть сильным порывистым и потом сохраняться многие часы в тылу за фронтом после вторжения холодной воздушной массы. Зимой при усилении ветра и выпадении снега возникают сильные общие метели, переходящие в низовые. Видимость при этом может составлять от нескольких сот до нескольких десятков метров, сохраняясь в этих пределах длительное время. (сутки и более). В облаках холодного фронта первого рода велика опасность обледенения и болтанки. В летнее время, в связи с образованием кучево-дождевых облаков, возможны грозы и град.
На периферии циклона, когда фронт попадает в параллельные потоки, холодный фронт может превращаться в малоподвижный или стационарный, который со временем может начать перемещаться в обратном направлении, образуя участок теплого фронта.
Холодный фронт второго рода
Холодные фронты второго рода – это быстродвижущиеся фронты, скорость перемещения которых составляет более 30 км/ч (чаще всего это 50-60км/ч, а иногда и более). Зона облачности и осадков на нем относительно узкая- часто всего несколько десятков километров (50-70км). Погода в этой зоне определяется наличием мощных кучево-дождевых облаков с ливнями, грозами и другими опасными для полетов явлениями погоды.
Особенности погоды на холодном фронте 2-го рода связаны с тем, что у поверхности земли холодный воздуха за фронтом движется значительно быстрее, чем теплый, но уже на высоте 1,5-2км скорость движения теплого воздуха от фронта превышает скорость движения нижележащего клина холодного воздуха. В результате в узкой зоне передней части фронта наблюдается очень мощный восходящий поток теплого воздуха, в котором и формируется конвективная
облачность. В нижней части фронта холодный воздух интенсивно подтекает под теплый, но движение его тормозится трением земли, а на некоторой высоте трение ослабевает и фронт несколько выступает вперед, образуя «нос» впереди фронта (рис.6.5). теплый воздух при этом интенсивно выталкивается вверх «носом» холодного воздуха.
| нос |
| теплый воздух |
| холодный воздух |
| направление движения |
Рис. 6.5 Холодный фронт 2-г рода вблизи земной поверхности
Если теплая воздушная масса влажная и неустойчивая, образуются мощные кучево-дождевые облака с верхней границей, летом достигающей тропопаузы и даже иногда- нижних слоев стратосферы. Как уже упоминалось выше, ширина облачной системы составляет порядка 50-70км, но её протяженность вдоль линии фронта- сотни километров. В отдельных местах фронтальной гряди облаков наблюдаются просветы (коридоры), где верхняя граница облаков значительно понижается, что делает возможным безопасное пересечение фронта воздушным судном. Наиболее мощные и развитые облака располагаются в центральной части циклона, а по мере удаления к периферии гряды облаков сужаются, а просветы между ними становятся шире. Нижняя граница кучево-дождевых облаков в холодное время располагается на уровне 300-400м, в зоне осадков может опускаться до 100-200м, сливаясь иногда с разорвано-дождевыми облаками. В теплое время года нижняя граница облаков лежит в пределах 600-1000м, а в южных широтах -1500-2000м. В верхнем ярусе наблюдаются перистые и перисто- слоистые облака, образующие наковальню кучево-дождевого облака и вытянутые вперед по направлению движения фронта. (Рис.6.6.)
При быстром перемещении кучево-дождевых облаков в передней части фронта под облаками и нередко несколько впереди образуется шкваловый ворот, где отмечается сильный порывистый ветер, подымающий с поверхности земли облака пыли, создающий пильные вихри и общее турбулентное состояние атмосферы очень опасное для полетов.
Холодные фронты второго рода особенно опасны летом в послеполуденные часы. В таких случаях прохождение фронта сопровождается шкваловым ветром, сильными ливнями, градом и грозами. Ночью над сушей они менее активны и грозы на них возникают реже. Зимой холодные фронты второго рода могут вызывать очень сильные снегопады, метели, но продолжительность их чаще всего невелика (несколько часов). Особенность снегопадов при этом в том, что
интенсивность снега может резко, меняться. При метелях часто видимость может достигать нескольких метров и даже меньше.
Рис.6.6 Вертикальный разрез ХФ 2-го рода.
Для холодных фронтов второго рода характерны зоны прояснений, возникающие почти сразу же вслед за прекращением осадков после прохождения фронта. Через несколько часов после прояснения в неустойчивой холодной воздушной массе начинается развитие кучевой облачности, особенно в теплое время года и переходные сезоны.
Вторичный фронт
Вторичный фронт –это раздел между порциями воздушной массы одного типа. Он формируется, когда одна порция воздушной массы уже несколько прогрелась. А следом поступает свежая более холодная порция того же воздуха. Наиболее часто вторичные фронты образуются внутри холодной массы арктического или умеренного воздуха (рис.6.7).
| более холодный воздух |
| холодныйвоздух |
| теплый воздух |
| Н |
Рис.6.7 Холодный фронт 2-го рода и вторичный холодный фронт на приземной карте погоды.
Холодная масса характеризуется неоднородностью в горизонтальном направлении. Поэтому вторичные фронты, как правило, возникают в холодных воздушных массах в тылу циклона за основным холодным фронтом. Обычно наблюдается от одного до трех вторичных фронтов. Они существуют не более 1-2 суток и обычно не выходят за пределы циклона, с которым они связаны.
Вторичные фронты обычно низкие, приземные, просматриваются в контрасте температур либо только у поверхности земли, либо до высоты не более 1-3км. Но при благоприятных условиях они могут превращаться в высокие тропосферные фронты.
Погода вторичных фронтов аналогична погоде основных фронтов, но из-за меньших контрастов температур облачность менее развита как по вертикали, так и по горизонтали. После прохождения основного фронта и прояснения с подходом вторичного фронта погода вновь ухудшается. Летом это выражено в натекании кучево-дождевой облачности, возможно резкое усиление ветра (шквал), ливень, гроза. В холодное полугодие прохождение вторичного фронта сопровождается низкой облачностью, усилением ветра, снежными зарядами с резким кратковременным ухудшением видимости. Ширина зоны облачности на фронте составляет несколько десятков километров, ширина зоны осадков обычно 5-10км. Поэтому осадки кратковременные. В области вторичных фронтов облака верхнего яруса, как правило, отсутствуют.
Кроме ливней и гроз, вторичные фронты опасны из-за сильной турбулентности возникающей в облаках и вблизи них , а также из-за шквалистых ветров в приземном слое под облаками.
Фронты окклюзии
Это сложные атмосферные фронты, возникающие при окклюдировании (смыкании) теплого и холодного фронтов. Этот процесс связан с различной скоростью движения теплого и холодного фронтов. Холодный фронт, двигаясь быстрее теплого, в какой-то момент настигает последний, смыкаясь с ним. При этом образуется новый сложный фронт с облачной системой обоих фронтов. Теплый воздух, заключенный между фронтами вытесняется вверх. В нижней части возникшего нового фронта формируется фронтальная облачность окклюзии, как раздел между двумя холодными воздушными массами, которые раньше находились в передней и тыловой частях циклонов. После окклюдирования эти две холодные воздушные массы входят в соприкосновеие друг с другом. В зависимости от того, какая из воздушных масс окажется холоднее (или теплее) формируется теплый или холодный фронт окклюзии. Если обе холодные воздушные массы не имеют значительного различия в температуре, то образуется нейтральная окклюзия (рис.6.8).
| Н |
| Н |
| холодный воздух |
| более холодный воздух |
| менее холодный воздух |
| теплый воздух |
| теплый воздух |
| холодный воздух |
| менее холодный воздух |
| более холодный воздух |
| теплый воздух |
| теплый воздух |
| более холодный воздух |
| более холодный воздух |
| теплый воздух |
| холодный воздух |
| холодный воздух |
| теплый воздух |
| менее холодный воздух |
| менее холодный воздух |
Рис.6.8 Окклюдирование в плане (а) и вертикальном разрезе (б).
Характер погоды на фронтах окклюзии определяется взаимодействием всех трех воздушных масс, разделяемых различными участками сложной фронтальной поверхности окклюзии. Погода в очень большой степени зависит от того насколько сильно по своим свойствам отличаются эти воздушные массы одна от другой. В целом фронты окклюзии можно считать менее активными, чем основные атмосферные фронты – теплый и холодный. Окклюзия наблюдается в заполняющихся циклонах, в которых постепенно разрушается облачность, ослабевают осадки. В отличие от основных фронтов осадки на фронтах окклюзии могут выпадать по обе стороны линии фронта окклюзии у поверхности земли. Облачные системы фронтов окклюзии сложные, но чаще всего они имеют
больше просветов и меньшую вертикальную протяженность, чем облачные системы, теплых и холодных фронтов.
Теплый фронт окклюзии чаще всего наблюдается в холодное полугодие. Он образуется, когда при смыкании двух фронтов холодный воздух в тылу циклона (за холодным фронтом) теплее, чем холодный воздух передней части циклона (перед теплым фронтом). При прохождении теплого фронта окклюзии у земли наблюдается потепление, обложные осадки чередуются с ливневыми, у линии фронта осадки переходят в моросящие. Ширина зоны осадков -100-200км. При отрицательных температурах в облаках наблюдается обледенение. Летом на фронте могут наблюдаться замаскированные кучево-дождевые облака с ливнями, болтанкой, обледенением.
Холодный фронт окклюзии чаще всего бывает в теплое полугодие. Он образуется, когда холодный воздух в тыловой части циклона (за холодным фронтом) холоднее, чем холодный воздух в передней части (перед теплым фронтом). При прохождении холодного фронта окклюзии наблюдается похолодание. Вся облачная система более мощная и опасная, чем в случае теплого фронта окклюзии, так как в ней преобладают кучево-дождевые облака. Под облаками в зоне осадков образуются разорвано- дождевые облака. При прохождении фронта ливневые осадки чередуются с обложными, у земли может наблюдаться усиление ветра до штормового.
Кучево-дождевые облака летом обуславливают погоду с ливнями, шквалами, грозами. Зимой отмечаются сильные снегопады с очень ограниченной видимостью.
В начальной стадии облачная система фронта мощная, а по мере окклюдирования она разрушается, как и в случае теплого фронта окклюзии, погода улучшается.
Нейтральная окклюзия образуется, когда холодные воздушные массы по обеим сторонам фронта имеют одинаковую температуру, т.е. холодный воздух в передней части циклона и его тыловой части термически однороден. В этом случае облака сначала представляют мощную систему слоистообразных облаков, из которой первое время ещё выпадают осадки, но вскоре они прекращаются и облачность размывается.
Квазистационарный фронт
Квазистационарный фронт – это фронт, который практически не смещается ни в сторону холодного, ни в сторону теплого воздуха. На картах погоды квазистационарный фронт лежит на периферии циклонов, а также оси растяжения седловины в зоне параллельных изобар (рис 6.9). Поэтому воздушные массы текут параллельно линии фронта, и восходящее скольжение теплого воздуха здесь отсутствует. Но в нижнем слое, благодаря трению, воздух перемещается под некоторым углом к изобарам. Поэтому вблизи линии фронта наблюдается некоторая сходимость воздушных потоков и натекание теплого
воздуха на холодный воздух. Поэтому в холодное полугодие, если теплый воздух
влажный, вдоль фронта в зоне порядка 50-100км образуются низкие слоистые и слоисто-кучевые облака, нижняя граница которых не превышает 100-200м. При этом могут выпадать моросящие осадки, образовываться густые дымки и туманы. Низкая облачность и плохая видимость затрудняют взлет, посадку и визуальные полеты. Верхняя граница облаков не более 1000м, выше слоя трения облачность отсутствует.
Летом на квазистационарных фронтах в дневное время могут образоваться кучево-дождевые облака большой вертикальной мощности с ливнями, грозами и шквалами.
| теплый воздух |
| холодный воздух |
Рис. 6.9 Квазистационарный фронт.
Верхние фронты
Верхние фронты проявляют себе в средних и верхних слоях тропосферы. Верхние фронты образуются либо в результате фронтогенеза, захватившего только верхние слои тропосферы, либо это фронт уже размывшийся у поверхности земли, но сохранившийся на высотах, либо зимой это фронт, перемещающийся над тонким приземным слоем сильно выхоложенного воздуха.
Для фронта необходим температурный контраст. Иногда дневной прогрев воздуха сглаживает температурные контрасты в приземном слое воздуха, а в верхних слоях они сохраняются. Таким образом, возникает верхний фронт.
Верхний фронт может также возникать, когда фронт перемещается на сильно выхоложенную поверхность. В этом случае опять таки у земли контрасты температуры сглаживаются, а на высотах сохраняются.
В верхней тропосфере сгущение изогипс и усиление ветра могут наблюдаться и без связи с атмосферным фронтами нижней тропосферы. Такие участки атмосферы, где четко выражено сгущение изогипс, что указывает на повышенные значения горизонтального градиента давления и температуры, и наблюдаются большие скорости ветра, называются высотными фронтальными зонами. (Рис.6.10)
| стратосфера |
| теплый воздух |
| высотная фронтальная зона |
| холодный воздух |
| тропопауза |
| холодный воздух |
| теплый воздух |
| высотная фронтальная зона |
| теплый воздух |
| тропопауза |
| стратосфера |
а) б)
Рис.6.10 Высотная фронтальная зона (вертикальный разрез).
а - одного атмосферного фронта;
б - двух атмосферных фронтов.
С высотными фронтальными зонами связаны участки атмосферы с большим скоростями ветра, превышающими 100 км/ч, которые называются струйными течениями. Это своеобразные воздушные реки с очень большой протяженностью. Длина их может составлять тысячи километров ширина – сотни километров. Вертикальная мощность струйных течений может составлять от нескольких сот метров до нескольких километров. Скорость ветра в струйных течениях чаще всего бывает в пределах 200-400 км/ч, но иногда может достигать 600-800 км/ч. Очень часто в струйных течениях при ясной погоде может наблюдаться интенсивная турбулентность, вызывающая сильную болтанку самолетов. Это особенно опасно, так как отсутствуют внешние признаки турбулентности, а поэтому возможно внезапное попадание в опасную зону.
Глава VII
Барические системы
Образование барических систем
В общей циркуляции атмосферы можно выделить такие области, которые характеризуются определенным расположением изобар и системой ветров. Эти области называются барическими системами и представляют собой атмосферные вихри большого масштаба с циркуляцией воздуха против часовой стрелки в циклонах и по часовой стрелке в антициклонах.
Возникновение и развитие этих крупномасштабных вихрей в земной атмосфере составляют сложный процесс циклонической деятельности, происходящей на атмосферных фронтах. С деятельностью атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов связаны все основные самые существенные изменения погоды.
Подавляющее большинство циклонов и антициклонов во внетропических широтах возникает на малоподвижных или стационарных фронтах. При перемещении воздушных масс по обе стороны от фронта на фронте образуются волны: одни участки фронта начинают перемещаться в сторону холодного воздуха (теплый участок фронта), а другие – в сторону теплого воздуха (холодный участок фронта). В итоге на малоподвижном фронте возникают отдельные волны, перемещающиеся вдоль линии фронта. Возникшие таким образом, волны могут затухать, а при определенных условиях они сохраняются и начинают развиваться, формируя характерные изгибы линии фронта – участки теплого и холодного фронтов.
Развивающиеся, незатухающие волны на фронте называются неустойчивыми. В передней части такой волны, потерявшей устойчивость, у поверхности земли наблюдается падение давления, которое приводит в итоге к формированию области низкого давления. В тыловой части волны давление у поверхности земли растет. В дальнейшем в тыловой части циклона за холодным фронтом формируется гребень высокого давления, а потом антициклон.
Формированию циклонов благоприятствует появление очагов роста и падения давления у земли, а также усиление этих очагов. В результате деформации линии фронта образуется волна с возрастающей амплитудой и хорошо выраженными участками теплого и холодного фронтов.
Циклоны
Циклон – это барическая система, представляющая собой крупномасштабный вихрь, очерчиваемая рядом замкнутых изобар с низким давлением в центре. Направление воздушных потоков в циклоне в Северном полушарии против часовой стрелки, а в южном полушарии – по часовой стрелке.
Большинство циклонов развивается на атмосферных фронтах и являются термически асимметричными - в их циркуляцию вовлекаются три разных воздушных массы: теплая за теплым участком фронта и две холодные –перед теплым фронтом и за холодным. Из холодных масс одна может быть холоднее или теплее другой. Однако могут существовать циклоны и без атмосферных фронтов. Это термически симметричные циклоны (термические депрессии), а также тропические циклоны (ураганы, тайфуны).
Циклоны могут быть низкими и высокими барическими образованиями:
- низкие циклоны, развиты только в нижней тропосфере до высоты 3 км;
- средние циклоны, развиты в нижней и средней тропосфере до высоты 5 км;
- высокие циклоны, которые прослеживаются выше 5 км. Не следует путать высокие циклоны с высотными циклонами. Последние представляют собой атмосферные циклонические вихри на высоте в верхней тропосфере и стратосфере, не прослеживающиеся у поверхности земли и в нижней тропосфере. Это сравнительно редкие случаи формирования циклонов не у земли, а на высоте.
Стадии развития циклона
В своем развитии на атмосферных фронтах внетротропические циклоны могут проходить четыре стадии (рис.7.1).
1. волны, зарождение циклонов;
2. молодого циклона, который только что сформировался;
3. максимального развития;
4. заполняющийся циклон (стадия окклюдирования).
Рис.7.1. Развитие и эволюция волны на фронте
а- малоподвижный атмосферный фронт;
б- формирование волны; в-образование молодого циклона; г- максимальное развитие циклона; д.е- затухание волны и заполнение циклона; ж- заполнение циклона и возникновение новый волны.
Стадия волны (рис.7.1.б).
На этой стадии фронт, лежащий в параллельных потоках, испытывает искривление – прогиб в сторону холодной воздушной массы и в сторону теплой. Таким образом, возникает на фронте волна. У её вершины перед теплым участком фронта давление быстро падает, а в тыловой части, за холодным участком фронта, растет. Изобары у вершины волны искривляются, образуя сперва ложбину, а затем одну замкнутую изобару вблизи вершины волны. Это и является центром только что создавшегося циклона, который носит название волнового циклона или волны.
В стадии волны циклон существует от первых признаков развития до появления первой замкнутой изобары. Над приземным центром циклона в средней и верхней тропосфере воздушные потоки расходятся, что говорит об углублении его. На приземной карте при этом в большей части циклона отмечается падение давление, особенно значительное перед теплым фронтом. Волна – низкое барическое образование. Продолжительность жизни волны в среднем 12-24 часа. Погода в области циклонической волны определяется участками теплого и холодного фронтов. Облачная система на этих фронтах имеет небольшую ширину и слабо развита по вертикали.
Молодой циклон (рис7.1.в)
В этой стадии циклон существует от оформления первой замкнутой изобары до начала окклюдирования. На карте он обозначается несколькими замкнутыми изобарами. Между теплым и холодным фронтами в нем образуется теплый сектор. Молодой циклон имеет большую скорость перемещения, в среднем порядка 35-40 км/ч. Выше уровня трения имеет хорошо выраженную циркуляцию молодой циклон по круговым замкнутым изобарам. По вертикальной мощности молодой циклон относится к средним барическим образованиям. Его центр на высоте несколько сдвинут в сторону холодного воздуха и не совпадает с центром у поверхности земли. Облачные системы фронтов и зоны осадков распространяются над значительно большей территорией, чем в стадии волны. Продолжительность стадии молодого циклона около суток или несколько больше. После этого циклон переходит в следующую стадию своего развития.
Стадия максимального развития циклона (рис.7.1.г.)
На третьей стадии развития давление в центре циклона достигает наименьшего значения. Площадь, занимаемая циклоном, значительно увеличивается, на приземной синоптической карте возрастает число замкнутых изобар.
Особенностью данной стадии является сближение и смыкание холодного фронта с теплым. Этот процесс начинается от центра циклона и называется окклюдированием циклона. Окклюдирование происходит за счет более быстрого перемещения холодного фронта, чем перемещение теплого фронта. Место, где начинается смыкание холодного фронта с теплым называется точкой окклюзии. Эта точка по мере окклюдирования всё более удаляется от центра циклона к его периферии (рис.7.1.д,е).
В процессе окклюдирования теплый воздух постепенно вытесняется вверх, а его место занимает холодный воздух. Поскольку этот процесс начинается с центра циклона, то именно там прекращается падение и начинается рост давления. Область наибольшего падения смещается от центра в переднюю часть циклона перед фронтом окклюзии, а наибольший рост давления отмечается за фронтом окклюзии. На этой стадии развития циклон достигает максимальной высоты. При этом сближается положение центра циклона у земли и на высотах, вследствие чего происходит уменьшение скорости перемещения циклона.
Продолжительность третьей стадии развития циклона может составлять несколько суток. По мере окклюдирования циклон заполняется и переходит в
последнюю стадию своего развития (рис.7.1.е).
Заполняющийся циклон – это последняя, заключительная стадия развития циклона. На этой стадии центральная часть циклона представляет собой обширную область относительно холодного воздуха. В циклоне остается только фронт окклюзии как раздел между холодным воздухом передней и тыловой частей циклона. Иногда в таком циклоне возникает один или несколько вторичных фронтов. Большую часть циклона охватывает область роста давления. Это указывает на его заполнение. В циклоне усиливаются нисходящие движения воздуха, происходит расслоение и размывание облаков, появляются просветы, постепенно прекращаются осадки, погода улучшается. В этой стадии циклон хорошо прослеживается на всех высотах и имеет почти перпендикулярную ось наклона, т.е. центр внизу совмещен с центром на высотах. Циклон становится высоким холодным малоподвижным. Стадия заполнения циклона может длиться несколько суток. В результате циклон как замкнутый вихрь перестает существовать либо может произойти его регенерация.
Регенерация циклона – это новое усиление ранее ослабевающего циклона. Обычно она происходит за счет того, что при вхождение в систему заполняющегося циклона нового фронта в нем создаются значительные температурные контрасты в связи с затоком в тыл циклона свежей более холодной воздушной массы. Регенерация также может произойти при слиянии с молодым циклоническим образованием, возникшим, на холодном участке фронта, и при развитии нового циклона у точки окклюзии.