Особенности барического поля и поля тенденций у фронтов, фронт как бароклинная система.

Теория и опыт показывают, что линии фронтов на картах погоды проходят вдоль осей барических ложбин и не могут располагаться вдоль оси барического гребня, хотя и могут пересекать гребни по нормали к их оси. На рис.внизу (а,б) показаны схемы барического поля, когда ∆ν>0, tgα>0. Во всех случаях изобарические поверхности при пересечении фронтальной поверхности претерпевают ложбинообразный изгиб. При этом в теплой ВМ барическая ступень, а следовательно, и расстояние между изобарическими поверхностями по вертикали больше, чем в холодной массе.  Если представить гребнеобразный изгиб изобарических поверхностей при пересечении фронтальной поверхности, то получим не только ∆ν<0, но и такое расположение изобарических поверхностей, при котором барическая ступень в холодной массе больше, чем в теплой, что противоречит физическому смыслу.

У поверхности земли линия холодного фронта располагается несколько впереди оси барической ложбины, а линия теплого фронта – позади. На практике, анализируя карты погоды, невозможно выявить эти особенности, и линию фронта на приземных картах погоды совмещают с осью барической ложбины. С высотой, с одной стороны – теплый сектор расширяется, т.е. линии фронтов смещаются в сторону холодной массы относительно линии фронта у поверхности земли, с другой – происходит расширение фронтальной зоны. Одновременно оси высотных ложбин смещаются в сторону холодных ВМ. Поэтому в средней и верхней тропосфере наблюд. несовпадение положения линий высотных фронтов и осей высотных ложбин. Холодные фронты располагаются далеко в передней части высотной ложбины, а теплые – в тыловой. В теплом секторе молодого внетропического циклона изобары приблизительно прямолинейны и параллельны друг другу. В случае фронта окклюзии изобары изогнуты в виде ложбины, обычно симметричной относительно фронта. С этим в значительной мере связаны особенности распределения очагов барических тенденций у различных фронтов. Перед теплым фронтом обычно располагается замкнутая область падения давления, за холодным фронтом – замкнутая область роста давления. Если отмечается не только трансляционное, но и эволюционное изменение давления, то в случае углубления барической ложбины существенное падение давления может наблюдаться и за теплым фронтом, а также перед холодным; в случае заполнения барической ложбины за теплым фронтом и перед холодным фронтом может наблюдаться рост давления. У малоподвижных фронтов изменения давления носят лишь эволюционный характер.

В зонах атмосферных фронтов наиболее явно проявляется бароклинность атмосферы. В метеорологических расчетах используются 2 модели атмосферы: баротропная и бароклинная. В баротропной модели предполагается, что плотность воздуха явл. функцией только давления или только t. Это равносильно тому, что изопикнические поверхности ρ=const, изобарические поверхности р=const и изотермические поверхности Т= const параллельны друг другу и соответственно параллельны друг другу изопикны, изобары и изотермы. Применение этой модели упрощает прогностические расчеты. Однако в реальной атмосфере плотность воздуха явл. одновременно функцией как давления, так и t, при этом изопикнические, изобарические и изотермические поверхности пересекаются, образуя термодинамические соленоиды. Эта атмосфера наз. БАРОКЛИННОЙ. В зоне фронта горизонтальные градиенты t, потенциальной темпе-ры, давления и других метео.характеристик наиболее велики, т.е. имеется наибольшее сгущение термодинамических соленоидов. Наличие термодинамических соленоидов хар-ет бароклинность атмосферы, а число их определяет величину ускорения циркуляции, в связи с чем в зоне фронта скорости ветра больше, чем в соседних районах.

39. ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕПЛЫХ И ХОЛОДНЫХ ФРОНТОВ И ФРОНТОВ ОККЛЮЗИИ. ТЕПЛЫЙ ФРОНТ. Имеет антициклоническую кривизну и движется в сторону холодного воздуха. По мере приближения линии теплого фронта начинает падать давление, уплотняются облака, выпадают обложные осадки. Зимой при прохождении фронта обычно появляются низкие слоистые облака. При прохождении фронта влажность и t воздуха 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: перед теплым фронтом располагается замкнутая область падения давления, за фронтом – либо рост давления, либо относительный рост (падение, но меньше чем перед фронтом). Теплый воздух, перемещаясь в сторону холодного, натекает на клин холодного воздуха и совершает восходящее скольжение вдоль этого клина и динамически охлаждается. На некоторй высоте достигается насыщение – это уровень конденсации. Выше этого уровня в восходящем воздухе происходит облакообразование. Охлаждение теплого воздуха при восходящем скольжении по поверхности фронта приводит к образованию характерной системы слоистообразных облаков: перисто-слоистые – высокослоистые – слоисто-дождевые. ХОЛОДНЫЙ ФРОНТ. Имеетциклоническую кривизну (выпуклость в сторону теплого воздуха) и движется в сторону теплого воздуха. При переходе через линию теплого фронта ветер поварачивает вправо, как и в случае теплого фронта, но поворот более значительный и резкий – от юго-западного, южного (перед фронтом)к западному, северо-западному (за фронтом),скорость ветра усиливается. Давление перед фронтом меняется медленно. Оно может падать, но может и расти. С прохождением холодного фронта начинается быстрый рост давления. Перед фронтом часто наблюдаются грозы и шквалы. После прохождения фронта t воздуха падает (адвекция холода), часто быстро и резко. Видимость, как правило, улучшается. Неустойчивость ВМ препятствует конденсации вблизи поверхности Змли. Различают два типа холодных фронтов: 1-го и 2-го рода. На холодных фронтах 1-го рода преобладает упорядоченное поднятие тёплого воздуха над клином холодного. Явл. пассивной поверхностью восходящего скольжения. К этому типу принадлежат медленно движущиеся или замедляющие свое движение фронты, преимущественно на периферии циклонических областей в глубоких барических ложбинах. Облачность холодного фронта 1-го рода начинается с Ns, а заканчивается Cs-Ci.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. Предвестниками фронта являются высококучевые чечевицеобразные облака, которые распространяются перед ним на удалении до 200 км. ФРОНТ ОККЛЮЗИИ. Вследствие нисходящих движений в холодном воздухе в тылу циклона, холодный фронт движется быстрее теплого фронта и со временем нагоняет его. На стадии заполнения циклона возникают комплексные фронты – фронты окклюзии, что образуются при смыкании холодного и теплого атмосферных фронтов. В системе фронта окклюзии взаимодействуют три ВМ, из которых теплая ВМ уже не соприкасается с поверхностью. Процесс вытеснения теплого воздуха в верхние слои наз. окклюдированием. При этом тыловой клин холодного воздуха циклона смыкается с передним клином холодного воздуха. Теплый воздух постепенно поднимается вверх, а его место занимает холодный воздух.Поверхность раздела, возникающую при смыкании холодного и теплого фронтов, наз.поверхностью фронта окклюзии. Смыкающиеся при окклюдировании ВМ обычно имеют разную t – одна может быть холоднее другой. В соответствии с этим, различают два типа фронтов окклюзии – фронты окклюзии типа теплого фронта и типа холодного фронта. Если тыловой воздух теплее, чем передний, образуется теплый фронт окклюзии, если холоднее – холодный фронт окклюзии. В момент смыкания холодного и теплого фронтов сближаются облачные системы, т.е. к облакам и осадкам теплого фронта вплотную примыкают облака и осадки холодного фронта, потому осадки выпадают как перед приближением фронта, так и после его прохождения.

Фронтогенез и фронтолиз

Атмосферные фронты любого типа могут быть резко выраженными (обостренными) или слабо выраженными (размытыми). Процессы образования и обострения фронтов называются фронтогенезом,       процессы размывания   -                  фронтолизом.

• При циклонической кривизне изобар (барическая ложбина) вследствие сходимости течений приземного ветра осуществляется фронтогенез. Наибольшая сходимость течений наблюдается вдоль оси ложбины, где имеет место наибольшая циклоническая кривизна изобар и где обычно располагается приземный фронт. Здесь приземный фронт может только обостряться (фронтогенез).

• При антициклонической кривизне изобар (барический гребень) вследствие расходимости течений приземного ветра осуществляется фронтолиз. Наибольшая расходимость течений наблюдается вдоль оси гребня, где имеет место наибольшая антициклоническая кривизна изобар. Здесь приземный фронт может только размываться (фронтолиз).

Поле ветра

Ветер характеризует движение воздуха, которое является турбулентным (неупорядоченным). Однако можно определить (измерить) некоторое осредненное значение ветра, поскольку неупорядоченные мелкомасштабные колебания нивелируются. Именно этот осредненный ветер определяется на метеорологических станциях и при температурно-ветровом зондировании. Поле ветра — векторное поле и характеризуется в каждой точке направлением и скоростью. Важными характеристиками поля ветра являются вертикальные градиенты модуля и вектора скорости. Вертикальный градиент модуля Гу определяется как разность значений скорости ветра на границах слоя единичной толщины. Эта величина часто называется градиентом скорости. Вертикальный градиент вектора скорости Гу определяется как разность векторов скорости на границах того же единичного слоя. Эту величину часто называют сдвигом ветра.

В среднем изменение скорости ветра с высотой значительно больше изменения направления, поэтому часто эти две характеристики численно мало отличаются. У земной поверхности поле ветра отличается значительной сложностью, так как даж небольшие неоднородности подстилающей поверхности оказывают существенное влияние и на скорость, и на направление ветра. В свободной атмосфере поле ветра более сглаженное. Изменчивость ветра. Ветер является сильно изменчивым метеорологическим параметром. Определяющей характеристикой для изменения направления ветра является скорость ветра, а именно: направление приобретает большую устойчивость при больших скоростях ветра. Изменчивость направления при данной скорости остается практически одинаковой для всей тропосферы, но резко уменьшается при переходе в стратосферу, что объясняется большей устойчивостью «правления градиентов температуры и давления в стратосфере по сравнению с тропосферой. Для временной изменчив ости скорости ветра ^V основные выводы сводятся к следующему.1.Изменчивость скорости имеет максимум в районе тропопаузы.2.Изменчивость скорости в тропосфере близка к изменчивости скорости в стратосфере.3. Изменчивость скорости ветра мало зависит от времени года, однако большая повторяемость сильных ветров зимой приводит к некоторому ее увеличению. Временная изменчивость ветра имеет существенное значение при статистическом прогнозе ветра на различных высотах, в первую очередь для оценки его будущих вероятных значений и выбора доверительных интервалов за некоторый промежуток времени. Для пространственной изменчивости ветра Гарифулин получил данные, приведенные в 1. Пространственная изменчивость направления ветра на высотах 5—9 км примерно одинакова, но она зависит, во-первых, от скорости (больше скорость — меньше изменчивость) и, во-вторых, от направления (по потоку заметно меньше, чем поперек потока).2. Пространственная изменчивость скорости ветра указывает на несколько меньшую устойчивость восточного ветра. Сохраняется зависимость изменчивости от направления по потоку и поперек потока. Данные о пространственной изменчивости широко используются для определения радиуса действия аэрологической станции, густоты аэрологической сети и экстраполяции данных о ветре на неосвещенную территорию. Особенно заметны временная и пространственная изменчивости ветра у земной поверхности, где существенную роль играет трение. Связь поля ветра с полем давления. Поле ветра тесным образом связано с полем давления. Наличие такой связи проявляется в соответствии барических систем определенным системам синоптического масштаба. Связь между полями давления и ветра широко используется в практике синоптического анализа. Так, при проведении изобар (изогипс АТ) на картах погоды, помимо значений давления (геопотенциала), обязательно учитываются сведения о скорости и направлении ветра, несущие дополнительную информацию о густоте и направлении изобар (изогипс). С другой стороны, при определении ветра в пунктах, где отсутствуют данные измерений, обычно предварительно путем интерполяции находится распределение давления (геопотенцнала) в окрестностях этого пункта, а затем с использованием градиентных моделей или моделей, учитывающих трение, «восстанавливаются» скорость и направление ветра. Согласование полей давления и ветра является обязательным элементом выполняемого с помощью ЭВМ объективного анализа метеорологической информации. В процессе такого анализа должно быть учтено, что поле ветра, особенно в слое трения, значитель но больше, чем поле давления, подвержено влиянию сравнительно мелкомасштабных возмущений. Основной причиной этих возмущений является неоднородность подстилающей поверхности, под влиянием которой формируются так называемые местные системы ветра (бризы, горно-долинные ветры и др.).