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

а)

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

б)

 

 

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.