По горизонтальной и вертикальной протяженности атмосферные фронты. Яхтинг

Воздушные массы, отличающиеся своими физическими свойствами, отделяются друг от друга слоем воздуха, называемым фронтальной поверхностью. В слое фронтальной зоны температура, влажность, плотность, ветер резко изменяются. Фронтальная зона всегда наклонена в сторону холодного воздуха. Над нею расположен тёплый воздух, как менее плотный и лёгкий, а над ним в виде клина – холодный. Основной причиной образования фронтов является сближение разнородных воздушных масс. Фронт считается динамически выраженным, если на 1000км расстояния разница температур тёплого и холодного воздуха составляет 8-10С. Скорость фронта зависит от угла пересечения фронта с изобарами.

Фронты, разделяющие основные географические типы воздушных масс, называются главными фронтами.

Различают:

· арктический фронт, отделяющий арктический воздух от воздуха умеренных широт;

· полярный фронт, разделяющий умеренный и тропический воздух;

· тропический фронт, лежащий между тропическим и экваториальным воздухом.

По скорости движения эти фронты могут быть стационарными (средняя скорость их движения 5-10км/час. Они располагаются на периферии циклона или антициклона) медленно движущимися, быстродвижущимися. По температуре теплыми, холодными и фронтами окклюзии. По высоте развития - приземными, тропосферными, высотными.

Тёплым фронтом называется участок главного фронта, перемещающийся в сторону холодного воздуха, за этим фронтом движется тёплый воздух, который, будучи менее плотным, натекает на холодный воздух.

Холодным фронтом называется участок главного фронта, перемещающийся в сторону тёплого воздуха. За эти фронтом движется холодный воздух, который более плотный и подклинивается под тёплый воздух.

Фронт, образовавшийся в результате смыкания тёплого и холодного воздуха, называется фронтом окклюзии .

3.3 Тёплый фронт зимой и летом. Условия полётов.

На тёплом фронте тёплый воздух натекает на холодный, расположенный в виде клина внизу. Впереди приземной линии наблюдается область падения давления, которая обусловлена заменой холодного воздуха тёплым. С падением давления усиливается ветер, максимальной скорости от достигает перед прохождением фронта, затем ослабевает. Пред фронтом преобладают ветры юго-восточного направления, переходящие за фронтом на южные и юго-западные.

Медленное восходящее движение тёплого воздуха вдоль фронтальной поверхности приводит к его адиабатическому охлаждению и образованию облачной системы и зоны осадков большой протяженности, ширина зоны облаков простирается до 600-700км.

Наклон фронтальной поверхности наблюдается в пределах 1/100 до 1/200.

Основной облачной системой фронта являются слоисто-дождевые и высоко-слоистые облака Ns-As, расположенные в нижнем и среднем ярусах (5-6 км). Их верхняя граница почти горизонтальная, а нижняя понижается от переднего края к линии фронта, где достигает высоты около 100м (в холодное время может быть ниже). Выше As-Ns располагаются перисто-слоистые и перистые облака. Иногда они сливаются с нижележащей облачной системой. Но зачастую облака верхнего яруса отделены от системы Ns-As облачной прослойкой. Под основной облачной системой наблюдается зона обложных осадков. Она лежит впереди приземной линии фронта и имеет протяженность по нормали от фронта до 400 км.

В зоне осадков образуются низкие разорванно-дождевые облака с нижней границой 50-100м, иногда возникают фронтальные туманы, при температурах от 0 до –3 наблюдается гололёд.

Зимой при сильных ветрах прохождение фронта сопровождается сильными метелями, Летом на тёплом фронте могут возникать отдельные очаги кучево-дождевых облаков с ливнями и грозами. Чаще всего они возникают ночью. Их развитие объясняется сильным ночным выхолаживанием верхнего слоя основной фронтальной облачной системы при относительно неизменной температуре в нижних слоях облака. Это приводит к возрастанию температурных градиентов и к увеличению вертикальных токов, которые и приводят к образованию кучево-дождевых облаков. Они, как правило, замаскированы слоисто-дождевой облачностью, что затрудняет их визуальное определение. При подлёте к слоисто-дождевым облакам, внутри которых скрыты кучево-дождевые, начинается болтанка (турбулентность), повышенная электризация, отрицательно влияющая на работу приборного оборудования.

Зимой в зоне отрицательных температур облачности тёплого фронта имеется опасность обледенения самолётов. Нижней границей обледенения является нулевая изотерма. Сильное обледенение наблюдается в полёте в зоне переохлажденного дождя. В холодное время года тёплый фронт обостряется и чаще даёт сложные погодные условия: низкую облачность, ухудшенную видимость в метелях, осадках, туманах, обледенение в осадках, гололёд на земле, электризацию в облаках.

Видимость после прохождения фронта некоторое время сохраняется ограниченной, так как воздух насыщен большим количеством влаги, что позволяет долгое время удерживаться туманам, дымке и низкой облачности.

За тёплым фронтом температура повышается. На картах погоды теплый фронт обозначается красной линией.

3.4 Холодный фронт 1 рода зимой и летом. Условия полётов.

Холодный фронт 1 рода перемещается со скоростью не более 30 км/час.

В этом случае имеется упорядоченное медленное поднятие тёплого воздуха по вторгающемуся клину холодного воздуха. В холодное полугодие в восходящем тёплом воздухе процесс конденсации не носит бурного характера. Вследствие этого над фронтальной поверхностью образуются слоисто-дождевые облака. Осадки начинаются у самой линии фронта, ширина зоны осадков составляет 100-200 км.

В этот сезон облачная система имеет сходство с облачностью системы тёплого фронта, расположенной в обратной последовательности. Облака верхнего яруса располагаются позади приземной линии фронта и могут быть отделены от основной облачной системы безоблачной прослойкой.

Верхняя граница слоисто-дождевых и высоко-слоистых облаков (Ns-As) располагается на высоте 4-5км.

В тёплое время года перед системой облаков Ns-As образуются кучево-дождевые облака большой вертикальной мощности, их которых выпадают ливневые осадки, сопровождающиеся грозами, эти облака располагаются грядами вдоль линии фронта с шириной 50-100 км. Верхняя граница может достигать тропопаузы и выше. Под облаками наблюдаются ливневые осадки, грозы, шквалы. В зоне осадков почти всегда образуются низкие разорванно-дождевые облака, Ветер после прохождения фронта поворачивает вправо и ослабевает, давление перед фронтом падает, за фронтом плавно растёт, температура понижается.

3.5 Холодный фронт 2 рода зимой и летом. Условия полётов.

Быстродвижущийся холодный фронт 2 рода является самым опасным их всех видов атмосферных фронтов. Вследствие большой скорости перемещения (40-50 км/час) холодный воздух с большой энергией вытесняет тёплый воздух вверх до больших высот. В летнее время в результате этой сильной динамической конвекции в тёплом воздухе образуются кучево-дождевые облака большой вертикальной мощности, иногда пробивая тропопаузу. В холодное время года

мощность облаков бывает меньшей.

Кучево-дождевые облака вытесняются вперед по направлению ветра на больших высотах, на 100-300км от линии фронта. Предвестником приближения такого фронт являются высококучевые облака чечевицеобразные (Ac), появляющиеся за 200км перед приземной линией фронта. У самой линии фронта кучево-дождевые облака сопровождаются шкваловыми вихрями с разрушительными скоростями ветра и грозами. Ширина облачной системы достигает нескольких десятков километров, нижняя граница находится обычно на высоте 300-400м, а в зоне осадков может опускаться до 100-200м.

В облаках большую опасность представляют восходящие потоки силой до 30м/с и более и нисходящие до 15 м/с и более. Кроме того, в облаках могут быть грозы, сильные ливневые осадки, а в зоне отрицательных температур – интенсивное обледенение. Но ширина этой опасной зоны небольшая, примерно 50 км.

У земли этот фронт сопровождается шквалами, ливнями, грозами, ширина зоны ливневых осадков – несколько десятков километров и наблюдается обычно впереди приземной линии фронта. Давление перед фронтом резко падает, за фронтом быстро растёт. Ветер после прохождения фронта резко меняет направление вправо и усиливается до 20-30 м/с. Температура за фронтом понижается на 10-12°С за 1 час.

Наиболее ярко выражена погода на этом фронте летом во второй половине дня.

Зимой при прохождении фронта отмечаются сильные снегопады, метели, ухудшающие видимость до нескольких десятков метров. Основные облака – кучево-дождевые (Cb) с верхней границей 4-5 км.

Полёты на эшелоне проходят в простых метеоусловиях, а основное влияние их проявляется на низких эшелонах при взлёте, посадке и в наборе.

3.6 Фронты окклюзии. Условия полётов.

Тёплые и холодные фронты являются фронтами молодых циклонов. Холодный фронт, как более активный и быстродвижущийся, обычно нагоняет тёплый фронт и смыкается с ним. При этом смыкаются две холодные воздушные массы – находящаяся перед тёплым фронтом и лежащая за холодным фронтом. Тёплый воздух, заключенный между фронтами, отрезается от земли и вытесняется вверх. Облачные системы тёплого и холодного фронтов сближаются и частично накладываются друг на друга и также вытесняются вверх. Указанный процесс называется процессом окклюдирования циклона, а образовавшийся в результате фронт называется фронтом окклюзии (окклюзия – «оклюзис» - запирать замыкать).

В результате окклюдирования возникают два типа фронтов окклюзии:

1. тёплый фронт окклюзии (окклюзия по типу тёплого фронта);

2. холодный фронт окклюзии (окклюзия по типу холодного фронта).

Тёплый фронт окклюзии.

Этот фронт возникает, если в тыловой части циклона холодный воздух является более тёплой воздушной массой, чес холодный воздух в его передней части. При окклюдировании циклона менее холодный воздух натекает на более холодный воздух, образуется многоярусная система облаков, состоящая из системы облаков тёплого фронта – слоистообразной и облаков холодного фронта – кучево-дождевыми, под которой могут возникнуть низкие разорванно – дождевые облака.

Обложные осадки начинаются впереди линии фронта за 300-400 км, постепенно переходя в ливневые у точки окклюзии. Ветер у земли имеет резкое правое вращение и усиливается. Давление быстро падает. Окклюзии данного типа встречаются в основном в холодное полугодие. На средних и больших высотах полёта ВС могут встретить замаскированные кучево-дождевые облака, которые вызывают сильную турбулентность и обледенение. Ширина такой зоны по нормали к фронту 50 км. При полетах на малых высотах всегда встречается низкая облачность, переходящая в туман, обледенение, на аэродроме гололёд..

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.

Погода холодной ВМ

Погода теплой ВМ

Теплая ВМ, перемещаясь в холодный район, становится устойчивой (охлаждаясь от холодной подстилающей поверхности). Температура воздуха, понижаясь, может достичь уровня конденсации с образованием дымки, тумана, низких слоистых облаков с осадками виде мороси или мелких снежинок.

Условия полета в теплой ВМ зимой:

Слабое и умеренное обледенение в облаках при отрицательных температурах;

Безоблачное небо, хорошая видимость на Н = 500-1000 м;

Слабая болтанка на Н = 500-1000 м.

В теплое время года условия для полетов благоприятные за исключением районов с отдельными очагами гроз.

При движении в более теплый район холодная ВМ нагревается снизу и становится неустойчивой ВМ. Мощные восходящие движения воздуха способствуют образованию кучево-дождевой облачности с ливневыми осадкаи, грозами.

Атмосферный фронт – это раздел между двумя воздушными массами, отличающимися одна от другой физическими свойствами (температура, давление, плотность, влажность, облачность, осадки, направление и скорость ветра). Фронты располагаются по двум направлениям – по горизонту и по вертикали

Граница между воздушными массами по горизонту – называется линией фронта, граница между воздушными массами по вертикали – наз. фронтальной зоной. Фронтальная зона всегда наклонена в сторону холодного воздуха. В зависимости от того, какая ВМ приходит – теплая или холодная различают теплый ТФ и холодный ХФ фронты.

Характерной особенностью фронтов является наличие наиболее опасных (сложных) метеорологических условий для полета. Фронтальные облачные системы отличаются значительной вертикальной и горизонтальной протяженностью. На фронтах в теплое время года наблюдаются грозы, болтанка, обледенение, в холодное время – туманы, снегопад, низкая облачность.

Теплый фронт – это фронт, который движется в сторону холодного воздуха, за которым приходит потепление.

С фронтом связана мощная облачная система, состоящая из перисто-слоистых, высокослоистых, слоисто-дождевых облаков, образующихся вследствие подъема теплого воздуха по клину холодного. СМУ на ТФ: низкая облачность (50-200м), перед фронтом туманы, плохая видимость в зоне осадков, обледенение в облаках и осадках, гололед на земле.

Условия полета через ТФ определяются высотой нижней и верхней границы облаков, степенью устойчивости ВМ, распределением температуры в облачном слое, влагосодержанием, рельефом местности, временем года, суток.

1. По возможности меньше находиться в зоне отрицательных температур;

2. Пересекать фронт перпендикулярно его расположению;

3. Выбирать профиль полета в зоне положительных температур, т.е. ниже изотермы 0°, а если во всей зоне температуры отрицательные, полет выполнять там, где температура ниже -10°.При полете от 0° до -10° наблюдается самое интенсивное обледенение.

При встрече с опасными МУ (гроза, град, сильное обледенение, сильная болтанка) необходимо вернуться на аэродром вылета или произвести посадку на запасном аэродроме.

-Холодный фронт – это участок главного фронта,перемещающийся сторону высоких температур, за которым приходит похолодание. Различают два типа холодных фронтов:

-Холодный фронт первого рода (ХФ-1р) – это фронт, перемещающийся со скоростью 20 – 30 км/ч. Холодный воздух, подтекая клином под теплый, вытесняет его вверх, образуя перед фронтом кучево-дождевую облачность, ливневые осадки, грозы. Часть ТВ натекает на клин ХВ, образуя за фронтом слоисто образную облачность, обложные осадки. Перед фронтом сильная болтанка, за фронтом плохая видимость. Условия полета через ХФ -1р аналогичны условиям пересечения ТФ.

При пересечении ХФ -1р можно встретить слабую и умеренную болтанку, где теплый воздух вытесняется холодным. Полет на малых высотах может быть затруднен низкой облачностью и плохой видимостью в зоне осадков.

Холодный фронт второго рода (ХФ – 2р) – это фронт, быстро движущийся со скоростью = 30 – 70 км/ч. Холодный воздух быстро подтекает под теплый, вытесняя его вертикально вверх, образуя перед фронтом развитую по вертикали кучево-дождевую облачность, ливневые осадки, грозы, шквалы. Пересекать ХФ – 2го рода запрещается из- за сильной болтанки, шквала грозовой деятельности, сильного развития облачности по вертикали – 10 – 12 км. Ширина фронта у земли составляет от десятков до сотен км. После прохождения фронта давление растет.

Под влиянием нисходящих потоков в полосе фронта после его прохождения наступает прояснение. В дальнейшем ХВ, попадая на теплую подстилающую поверхность, становится неустойчивым, образуя кучевые, мощно кучевые, кучево-дождевые облака с ливнями, грозами, шквалами, сильной болтанкой, сдвигом ветра, образуются вторичные фронты.

Вторичные фронты – это фронты,которые образуется внутри одной ВМ и разделяет области с более теплым и более холодным воздухом. Условия полета в них такие же, как и на основных фронтах, но метеоявления выражены слабее, чем на основных фронтах, но и здесь можно встретить низкую облачность, плохую видимость за счет выпадающих осадков (зимой – метелей). С вторичными фронтами связаны грозы, ливневые осадки, шквалы, сдвиг ветра.

Стационарные фронты – это фронты, которые некоторое время остаются неподвижными, расположены параллельно изобарам. Облачная система похожа на облачность ТФ, но с малой горизонтальной и вертикальной протяженностью. В зоне фронта могут возникать туманы, гололед, обледенение.

Верхние фронты – это состояние, когда поверхность фронта не достигает поверхности земли. Это случается, если на пути фронта встречается сильно охлажденный слой воздуха или в приземном слое фронт размывается, а сложные погодные условия (струя, турбулентность) еще сохраняются на высотах.

Фронты окклюзии образуются в результате смыкания холодного и теплого фронтов. При смыкании фронтов смыкаются их облачные системы. Процесс смыкания ТФ и ХФ начинается в центре циклона, где ХФ, перемещаясь с большей скоростью, настигает ТФ, постепенно распространяясь на периферию циклона. В образовании фронта участвуют три ВМ: - две холодные и одна теплая. Если за ХФ воздух менее холодный, чем перед ТФ, то при смыкании фронтов образуется сложный фронт, называемый ТЕПЛЫМ ФРОНТОМ ОККЛЮЗИИ .

Если воздушная масса за фронтом холоднее передней, то тыловая часть воздуха будет подтекать под переднюю, более теплую. Такой сложный фронт называется ХОЛОДНЫМ ФРОНТОМ ОККЛЮЗИИ.

Условия погоды на фронтах окклюзии зависят от тех же факторов, что и на основных фронтах:- степени устойчивости ВМ, влагосодержания, высоты нижней и верхней границы облаков, рельефа местности, времени года, суток. При этом условия погоды холодной окклюзии в теплое время года сходны с условиями погоды ХФ, а условия погоды теплой окклюзии в холодное время сходны с погодой ТФ. При благоприятных условиях фронты окклюзии могут переходить в основные фронты – теплая окклюзия в ТФ, холодная окклюзия в холодный фронт. Перемещаются фронты вместе с циклоном, поворачиваясь против часовой стрелки.

Наблюдать за изменениями погоды очень увлекательно. Солнце сменяется дождем, дождь - снегом, и над всем этим разнообразием веют порывистые ветра. В детстве это вызывает восхищение и удивление, у людей постарше - желание понять механизм процесса. Давайте попробуем понять, что формирует погоду и как с этим связаны атмосферные фронты.

Граница воздушных масс

В привычном восприятии "фронт" - термин военный. Это грань, на которой происходит столкновение вражеских сил. А понятие атмосферные фронты - это границы соприкосновения двух воздушных масс, которые формируются над огромными площадями поверхности Земли.

По воле природы человек получил возможность жить, эволюционировать и заселять все большие территории. Тропосфера - нижняя часть атмосферы Земли - обеспечивает нас кислородом и находится в непрерывном движении. Вся она состоит из отдельных воздушных масс, объединенных общим возникновением и похожими показателями. Среди основных показателей этих масс определяют объем, температуру, давление и влажность. Во время движения различные массы могут сближаться и сталкиваться. Однако они никогда не теряют своих границ и не смешиваются между собой. - это участки, где соприкосаються и происходят резкие погодные скачки.

Немного истории

Понятия «атмосферный фронт» и «фронтальная поверхность» возникли не сами по себе. Их ввел в метеорологию норвежский ученый Я. Бьеркнес. Произошло это в 1918 году. Бьеркнес доказал, что атмосферные фронты - это основные звенья в высоких и средних слоях. Однако до исследований норвежца, еще в 1863 году, адмирал Фицрой предположил, что яростные атмосферные процессы начинаются в местах встреч масс воздуха, идущих с разных сторон света. Но в тот момент научное сообщество не обратило внимания на эти наблюдения.

Бергенская школа, представителем которой был Бьеркнес, не только проводила собственные наблюдения, но и свела воедино все знания и предположения, высказанные более ранними наблюдателями и учеными, и изложила их в виде последовательной научной системы.

По определению, наклонную поверхность, представляющую собой область перехода между разными воздушными потоками, называют фронтальной поверхностью. А вот атмосферные фронты - это отображение фронтальных поверхностей на метеорологическую карту. Обычно переходная область атмосферного фронта завязывается у поверхности Земли и поднимается вверх до тех высот, на которых размываются различия между воздушными массами. Чаще всего порог этой высоты составляет от 9 до 12 км.

Теплый фронт

Атмосферные фронты бывают разные. Они зависят от направленности передвижения теплых и холодных массивов. Выделяют три типа фронтов: холодный, теплый и окклюзий, образованный в месте смыкания различных фронтов. Рассмотрим подробнее, что представляют собой теплые и холодные атмосферные фронты.

Теплый фронт - такое движение воздушных масс, при котором холодный воздух уступает место теплому. То есть воздух более высокой температуры, продвигаясь, располагается на территории, где господствовали холодные воздушные массы. Кроме этого, он поднимается ввысь вдоль переходной зоны. При этом температура воздуха постепенно снижается, из-за чего происходит конденсация находящегося в нем водяного пара. Так образовываются облака.

Основные признаки, по которым можно определить теплый атмосферный фронт:

• резко падает атмосферное давление;
• возрастает ;
• повышается температура воздуха;
• появляются перистые, затем перисто-слоистые, а после - высоко-слоистые облака;
• ветер немного поворачивает влево и становится более сильным;
• облака становятся слоисто-дождевыми;
• выпадают осадки различной интенсивности.

Обычно после прекращения осадков теплеет, но это длится недолго, поскольку холодный фронт движется очень быстро и нагоняет теплый атмосферный фронт.

Холодный фронт

Наблюдается такая особенность: теплый фронт всегда наклонен в сторону движения, а холодный - в противоположную. Когда происходит движение фронтов, холодный воздух вклинивается в теплый, выталкивая его вверх. Холодные атмосферные фронты ведут к снижению температуры и похолоданию на значительной территории. По мере остывания поднявшихся теплых воздушных масс влага конденсируется в облачность.

Основные признаки, по которым можно определить холодный фронт:

• перед фронтом давление падает, за линией атмосферного фронта резко повышается;
• образовываются кучевые облака;
• появляется порывистый ветер, с резкой сменой направления по часовой стрелке;
• начинается проливной дождь с грозой или градом, продолжительность осадков около двух часов;
• резко падает температура, иногда на 10°С сразу;
• за атмосферным фронтом наблюдаются многочисленные прояснения.

Для путешественников пройти через холодный фронт - испытание не из легких. Иногда приходится преодолевать вихри и шквалы в условиях плохой видимости.

Фронт окклюзий

Уже говорилось, что атмосферные фронты бывают разные, если с теплыми и холодными более-менее все понятно, то фронт окклюзий вызывает массу вопросов. Формирование подобных эффектов происходит в местах смыкания холодного и теплого фронтов. Более теплый воздух при этом вытесняется вверх. Основное действие происходит в циклонах в момент, когда более стремительный холодный фронт нагоняет теплый. В результате происходит движение атмосферных фронтов и столкновение трех воздушных масс, двух холодных и одной теплой.

Основные признаки, по которым можно определить фронт окклюзий:

• облака и осадки обложного типа;
• резкие смены без сильного изменения скорости;
• плавное изменение давления;
• отсутствие резких перепадов температур;
• циклоны.

Фронт окклюзий зависит от температуры холодных воздушных масс перед ним и за его линией. Различают холодный и теплый фронты окклюзий. Самые сложные условия наблюдаются в момент непосредственного смыкания фронтов. По мере вытеснения теплого воздуха фронт размывается, улучшаются.

Циклон и антициклон

Поскольку в описании фронта окклюзий было употреблено понятие "циклон", то надо рассказать, что же это за явление.

Вследствие неравномерного распределения воздуха в поверхностных слоях образуются зоны высокого и низкого давления. Зоны высокого давления характеризуются избыточным количеством воздуха, низкого - недостаточным его количеством. В результате перетока воздуха между зонами (из избыточной в недостаточную) образуется ветер. Циклон - участок низкого давления, который затягивает, как в воронку, недостающий воздух и облака из зон, где они в избытке.

Антициклон - участок с повышенным давлением, который вытесняет избыток воздуха в зоны низкого давления. Основная характеристика - ясная погода, поскольку облака из этой зоны также вытесняются.

Географическое разделение атмосферных фронтов

В зависимости от климатических зон, над которыми формируются атмосферные фронты, их разделяют по географическому признаку на:

1. Арктический, отделяющий холодные арктические воздушные массы от умеренных.
2. Полярный, располагающийся между умеренной и тропической массами.
3. Тропический (пассатный), разграничивающий тропическую и экваториальную зоны.

Влияние подстилающей поверхности

На физические свойства воздушных масс влияет радиация и вид Земли. Поскольку характер такой поверхности может быть различным, то и трение об нее происходит неравномерно. Сложный географический рельеф может деформировать линию атмосферного фронта и изменить его эффекты. Например, известны случаи разрушения атмосферных фронтов при переваливании через горные хребты.

Воздушные массы и атмосферные фронты приносят синоптикам множество сюрпризов. Сопоставляя и изучая направления движения масс и капризы циклонов (антициклонов), они составляют графики и прогнозы, которыми люди ежедневно пользуются, даже не задумываясь над тем, насколько большой труд за этим стоит.

АТМОСФЕРНЫЙ ФРОНТ (тропосферный фронт), промежуточная, переходная зона между воздушными массами в нижней части атмосферы - тропосфере. Зона атмосферного фронта очень узка по сравнению с разделяемыми ею воздушными массами, поэтому её приближённо рассматривают как поверхность раздела (разрыва) двух воздушных масс разной плотности или температуры и называют фронтальной поверхностью. По той же причине на синоптических картах атмосферный фронт изображают в виде линии (линия фронта). 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, причём холодный воздух лежит в виде очень пологого клина под тёплым. Тангенс угла наклона фронтальной поверхности (наклон фронта) порядка 0,01. Атмосферные фронты могут простираться иногда до самой тропопаузы, но могут и ограничиваться нижними километрами тропосферы. В пересечении с земной поверхностью зона атмосферного фронта имеет ширину порядка десятков км, горизонтальные же размеры самих воздушных масс - порядка тысяч км. В начале образования атмосферных фронтов и при их размывании ширина фронтальной зоны будет больше. По вертикали атмосферные фронты представляют собой переходный слой толщиной в сотни м, в котором температура с высотой понижается меньше, чем обычно, или возрастает, то есть наблюдается инверсия температуры.

У земной поверхности атмосферные фронты характеризуются увеличенными горизонтальными градиентами температуры воздуха — в узкой зоне фронта температура резко переходит от значений, свойственных одной воздушной массе, к значениям, свойственным другой, причём изменение иногда превышает 10°С. Меняются во фронтальной зоне также влажность воздуха и его прозрачность. В барическом поле атмосферные фронты связаны с ложбинами пониженного давления (смотри Барические системы). Над фронтальными поверхностями образуются обширные облачные системы, дающие осадки. Атмосферный фронт перемещается со скоростью, равной нормальной составляющей к фронту скорости ветра, поэтому прохождение атмосферного фронта через место наблюдения приводит к быстрому (в течение часов) и подчас резкому изменению важных метеорологических элементов и всего режима погоды.

Атмосферные фронты характерны для умеренных широт, где между собой граничат основные воздушные массы тропосферы. В тропиках атмосферные фронты редки, а постоянно имеющаяся там внутритропическая зона конвергенции существенно отличается от них, не являясь температурным разделом. Основная причина возникновения атмосферного фронта (фронтогенеза)- наличие таких систем движения в тропосфере, которые приводят к сближению (сходимости) масс воздуха, обладающих разной температурой. Первоначально широкая переходная зона между воздушными массами становится при этом резким фронтом. В особых случаях возможно образование атмосферного фронта при течении воздуха вдоль резкой температурной границы на подстилающей поверхности, например, над кромкой льда в океане (так называемый топографический фронтогенез). В процессе общей циркуляции атмосферы между воздушными массами разных широтных зон с достаточно большими контрастами температуры возникают длинные (тысячи км), вытянутые преимущественно по широте главные фронты - арктические, антарктические, полярные, на которых происходит образование циклонов и антициклонов. При этом динамическая устойчивость главного атмосферного фронта нарушается, он деформируется и продвигается на одних участках к высоким широтам, на других - к низким. По обе стороны поверхности атмосферного фронта возникают вертикальные составляющие скорости ветра порядка см/с. Особенно важно восходящее движение воздуха над поверхностью атмосферного фронта, которое приводит к образованию облачных систем и осадков.

В передней части циклона главный атмосферный фронт принимает характер тёплого фронта (рисунок, а), при продвижении которого к высоким широтам тёплый воздух занимает место отступающего холодного воздуха. В тыловой части циклона атмосферный фронт принимает характер холодного фронта (рисунок, б) с продвижением холодного клина вперёд и с вытеснением тёплого воздуха перед ним в высокие слои. При окклюзии циклона тёплый и холодный атмосферный фронт соединяются, образуя сложный фронт окклюзии с соответствующими изменениями облачных систем. В итоге эволюции фронтальных возмущений сами атмосферные фронты размываются (так называемый фронтолиз). Однако изменения в поле атмосферного давления и ветра, создаваемые циклонической деятельностью, приводят к возникновению условий для образования новых атмосферных фронтов и, следовательно, к постоянному возобновлению процесса циклонической деятельности на фронтах.

В верхней части тропосферы в связи с атмосферным фронтом возникают так называемые струйные течения. От главных фронтов отличают вторичные атмосферные фронты, возникающие внутри воздушных масс той или иной природной зоны при некоторой их неоднородности; они не играют значительной роли в общей циркуляции атмосферы. Бывают случаи, когда атмосферный фронт хорошо развит в свободной атмосфере (верхний атмосферный фронт), но мало выражен или вовсе не проявляется вблизи земной поверхности.

Лит.: Петерсен С. Анализ и прогнозы погоды. Л., 1961; Пальмен Э., Ньютон Ч. Циркуляционные системы атмосферы. Л., 1973; Океан - атмосфера: Энциклопедия. Л., 1983.