Фронт окклюзии

31.03.2023

Приложение к выпускам «Облака и погода»

Немного теории

Облака, циклоны, атмосферные фронты

Облака

Из Словаря: Облаком называют видимую совокупность взвешенных в атмосфере и находящихся в процессе непрерывной эволюции капель и/или кристаллов, являющихся продуктами конденсации и/или сублимации водяного пара на высотах от нескольких десятков метров до нескольких километров.

В ряде случаев под облаком может образоваться подоблачная дымка, которая состоит из очень мелких капель радиусом 0,1 мкм и менее, и является признаком начала образования водяного облака. В результате конденсации водяного пара вблизи земной поверхности образуются туман и дымка, ухудшающие метеорологическую дальность видимости до значения 1 км и менее. С точки зрения микрофизического строения нет принципиального различия между облаками и туманами. Однако они существенно различаются по условиям образования, вертикальной мощности, площади распространения, времени существования и т. п.

Облака с давних времен привлекали к себе повышенное внимание людей как наиболее естественное атмосферное явление. Ещё первые исследователи окружающей природной среды пришли к пониманию того, что разнообразие облачных форм связано с характером погоды, т. е. с постоянно изменяющимся состоянием атмосферы. Эту мысль по-иному сформулировал в 1817 году немецкий климатолог Г. Дове, заметивший, что «облако – не предмет, а процесс». Отдельные облака существуют зачастую очень короткое время. Например, время существования отдельных кучевых облаков иногда исчисляется всего 10–15 минутами. Это происходит потому, что капли, из которых состоит облако, быстро испаряются. Даже если облако наблюдается очень долго, это вовсе не означает, что оно является неизменным образованием, состоящим из одних и тех же частиц. В действительности облака постоянно находятся в процессе образования и распада. Главными причинами образования облаков являются: адиабатическое — без обмена теплом с окружающей средой — понижение температуры в поднимающемся влажном воздухе, приводящее к конденсации водяного пара; турбулентный обмен и излучение; наличие ядер конденсации.

Облака бывают фронтальными (фронтальные облачные системы), и внутримассовыми — наблюдающиеся в однородных воздушных массах. Внутримассовые системы облаков не связаны с атмосферными фронтами и с восходящим движением воздуха над какой-либо поверхностью раздела. Они образуются в результате взаимодействия воздушной массы непосредственно с подстилающей поверхностью, или в результате адвекции (переноса) облачных систем из таких барических образований, как циклоны и ложбины (зоны пониженного давления). Характер облачности в таких системах определяется степенью устойчивости и влажности атмосферного воздуха, наличием или отсутствием слоёв инверсий, тепловым состоянием подстилающей поверхности. Различают системы устойчивых и неустойчивых воздушных масс.

Для устойчивых воздушных масс характерны волнистообразные (слоистые и слоисто-кучевые) облака, горизонтальная протяженность которых может достигать нескольких сотен, а иногда и тысяч километров. Большое значение имеет также радиационное выхолаживание верхней границы облачности. В зависимости от влагосодержания воздуха, степени его устойчивости, а также длительности процесса выхолаживания, образующиеся облака могут иметь различную высоту нижней границы и различную вертикальную мощность. Для неустойчивых воздушных масс характерны конвективные (кучевые и кучево-дождевые) облака. Количество и мощность конвективных облаков в неустойчивой воздушной массе зависят от степени ее неустойчивости, влагосодержания воздуха, отсутствия или наличия инверсий, скорости конвективных движений. Конвективные облака неустойчивой воздушной массы имеют достаточно четкий суточный ход: минимальное количество облаков наблюдается ночью, максимальное – днем, в 15–16 ч.

Воздушные массы и атмосферные фронты

Воздушными массами называются большие объемы воздуха, сохраняющие некоторое время свои физические свойства. Пока мы находимся внутри одной воздушной массы, погода не меняется сколь-нибудь заметно. Резкие изменения погоды происходят на границе соприкосновения воздушных масс. При этом чрезвычайно важно то, что на этой границе — в переходной зоне — развиваются такие явления погоды, которых нет ни в одной из двух соприкасающихся воздушных масс. Пограничные зоны-слои между воздушными массами с разными свойствами называются атмосферными фронтами, а поверхность раздела двух воздушных масс разной температуры и давления называется фронтальной поверхностью. Сам процесс возникновения атмосферных фронтов называется фронтогенезом. Причина этого процесса в том, что тёплая воздушная масса содержит, как правило, больше влаги, чем холодная. При конденсации водяного пара, с подъёмом тёплого воздуха, выделяется тепло. Поэтому температура тёплой воздушной массы со временем понижается меньше, чем в холодной массе под нею. По этой причине вблизи наклонной границы двух воздушных масс формируется слой с инверсионным или с уменьшенным вертикальным градиентом температуры. Этот слой толщиной в несколько сотен метров и называется фронтальной зоной. Горизонтальная протяженность этой зоны, как и расположенной над ней системы облаков, составляет сотни (600-800) километров. Линию пересечения фронтальной поверхности с земной поверхностью называют фронтом (тангенс угла наклона этой линии имеет величину порядка 0.01-0.001). Система сформировавшихся над фронтальной поверхностью (зоной) облаков носит название фронтальных облаков, или облаков восходящего скольжения. Ниже фронтальной зоны из-за оседания облака испаряются. Чем влажнее воздушная масса в зоне фронта, тем активнее погода (тёплый воздух может непрерывно нагреваться за счет конденсации и выпадения дождя). Вдоль линии фронта располагаются характерные для каждого типа фронта облака и зоны осадков. Нáд фронтальными поверхностями образуются обширные облачные системы, включающие слоисто-дождевые и кучево-дождевые облака — облака, дающие осадки.

Фронты тёплые и холодные

Тёплый фронт перемещается в сторону низких температур («наступление» тёплых масс, холодный воздух неподвижен или «отступает»). После прохождения тёплого фронта наступает потепление. Облака в зоне тёплого фронта имеют преимущественно слоистый характер, а осадки – затяжной характер. Перед тёплым фронтом идут высокие перистые и перисто-слоистые облака, которые за 12-15 часов предвещают ухудшение погоды, — это свойство названных облаков «предсказывать» приближение циклона-депрессии было известно морякам задолго до появления метеорологической службы. Для типичной системы облаков тёплого фронта характерна достаточно чёткая последовательность смены форм облаков во времени и пространстве (рис.1). Впереди идут перистые облака: они образуют параллельные полосы очень большой длины, благодаря большой горизонтальной и вертикальной протяженности области пересыщенного водяным паром воздуха. Ориентацию фронта можно определить по длинным полосам слоистых облаков, быстро перемещающихся в продольном направлении благодаря термическому ветру (направленного по изотерме так, что низкие температуры остаются слева — в Северном полушарии. В Южном полушарии наоборот).

Рис. 1

Тёплый фронт и его облачные системы.

Холодный фронт перемещается в сторону высоких температур («вторгается» холодная масса, а тёплая стоит неподвижно на месте, или «отступает и поднимается»). После прохождения холодного фронта наступает похолодание.

В системе холодного фронта тёплый воздух (неподвижный) попадает под нажим вала холодного воздуха. Вследствие замедляющего влияния трения на ветер, профиль холодного фронта становится более крутым: холодный слой «подъезжает» под теплый (рис. 2). У фронта развивается бурная конвекция, образуются мощные кучево-дождевые облака с ливнями, грозами и сильными шквалами. Облака холодного фронта могут достигать очень большой высоты, но в ширину (глубину фронта) простираются на небольшое расстояние. Так как обычно холодный фронт движется быстро, то дождливая погода продолжается недолго. Более сильные и быстрые течения воздуха в верхних слоях выносят из облачной массы холодного фронта отдельные, иногда плоские, иногда круглые высококучевые облака – знакомые всем «барашки». Они опережают фронт и за несколько часов предупреждают о его приближении. Впереди холодного фронта, под кучево-дождевыми, часто образуется вал низких разорванно-дождевых облаков, вращающихся вокруг горизонтальной оси — шкваловый вóрот (будущий смерч), который летом сопровождается сильными шквалами, грозами, выпадением интенсивного града и возникновением пыльных бурь, сдвигов ветра.

Рис. 2

Облака холодного фронта.

Различают ещё третий тип фронта, вторичный, называемый фронтом окклюзии. В его формировании принимают участие три воздушные массы: две «по-разному» холодные воздушные массы и одна тёплая. Подвижный холодный фронт, перемещаясь быстрее тёплого, догоняет и «подрезает» его: при этом – при смыкании тёплого и холодного фронтов — образуется фронт окклюзии. Тёплый воздух, оказавшийся в пространстве между двумя фронтами, вытесняется вверх и больше не оказывает влияния на погоду, а холодные («по-разному» холодные) воздушные массы двух других фронтов соединяются по линии, называемой фронтом окклюзии (от лат. occlusion – запирание, скрывание). Различают тёплый фронт окклюзии, или фронт окклюзии характера тёплого фронта, в том случае, если воздух за холодным фронтом оказывается теплее, чем воздух перед теплым фронтом (рис. 3), и холодный фронт окклюзии, или фронт окклюзии характера холодного фронта, если воздух за холодным фронтом холоднее, чем воздух перед теплым фронтом (Рис. 4). В каждом фронте окклюзии различают нижний фронт – линию пересечения одной из фронтальных поверхностей с землей; верхний фронт – линию, вдоль которой граничат три воздушные массы; поверхность окклюзии – поверхность раздела двух холодных масс между нижним и верхним фронтами.

Рис. 3

Тёплый фронт окклюзии

Рис. 4

Холодный фронт окклюзии

Фронты окклюзии не относятся к основным (динамически знáчимым) атмосферным фронтам, и прослеживаются до высоты не более 1.5 км. Их горизонтальная протяжённость не выходит за пределы одного циклона: это явление так и называется — окклюдирование циклона, — процесс перехода фронтального циклона из стадии молодого циклона с тёплым сектором у поверхности земли в последующую заключительную стадию окклюдированного циклона. Окклюзия циклона и заключается в смыкании холодного фронта циклона с медленнее движущимся тёплым фронтом. При этом тёплый сектор циклона у поверхности земли ликвидируется, а тёплый воздух все более вытесняется холодным воздухом в верхние слои тропосферы: вертикальная мощность окклюдированного циклона при этом возрастает. Фронт окклюзии может существовать до 48 часов. С течением времени нижняя граница облаков фронта окклюзии повышается, облачность постепенно размывается, осадки прекращаются. В отличие от основных фронтов, осадки на фронтах окклюзии могут выпадать по обе стороны от линии фронта у поверхности земли. Облачность и осадки фронта окклюзии являются результатом объединения облачных систем и осадков тёплого и холодного фронтов. В зависимости от характера взаимодействия облачная система фронта окклюзии может быть похожей или на систему теплого фронта, или на систему холодного фронта, но меньшую по своей протяженности – в рамках одного циклона (его части).

Законы атмосферной циркуляции

«Вся трудность физики состоит в том,

чтобы по явлениям движения распознать

силы природы, а затем по этим силам

объяснить остальные явления», (Ньютон).

Возникновение циклонов связывают с атмосферными фронтами, их ещё называют возмущениями-волнами на атмосферных фронтах, или фронтальными циклонами. Образуются циклоны в зоне между двумя взаимодействующими и противоположно направленными воздушными потоками. А воздушные потоки всех размеров – от планетарных до самых маленьких воздушных вихрей – подчиняются фундаментальным законам атмосферной циркуляции, — законам Элеоноры Лир.

Познакомимся с ними.

1-й закон Э. Лир: в потоке воздуха, движущемся в Северном полушарии в процессе приспособления к условиям геострофического равновесия, общее число нарушений последнего значительно превышает общее число восстановлений его же. В результате этого возникает скопление масс воздуха (так называемая компрессия) во всей зоне направо по движению потока и недостаток их (депрессия) по всей зоне налево по движению потока. (В Южном полушарии имеет место обратное соотношение). То есть воздушный поток создаёт разные давления слева и справа. Первый закон Э. Лир прямо говорит, что поток – причина появления циклонов и антициклонов, а не наоборот, как широко принято было считать. С началом своего движения поток создаёт (фронтальные) волны — депрессии слева и компрессии справа — это и есть волны, а по мере дальнейшего продвижения потока, «за счёт» его энергии, зарождаются и «полноценные» циклоны-антициклоны (рис. 5, 6, 7).

2-й закон Э. Лир: условия, сопутствующие возникновению какой-нибудь циркуляции, являются в то же время причиной её прекращения на данном участке через некоторый промежуток времени. Всякий частный атмосферный процесс, по Э.С. Лир, состоит из двух фаз, так называемой консервативной и финитивной: «Консервативная фаза длится до тех пор, пока развитие процесса не привело к преобладанию сил, приводящих к его ликвидации».

3-й закон является следствием первых двух — их объединением. Он может быть назван законом действия и противодействия атмосферных движений: в случае возникновения какого-либо достаточно устойчивого потока воздуха, проникающего на далёкое расстояние вдоль земной поверхности, в атмосфере возникает тенденция к распространению воздуха в противоположном направлении вдоль границы с первым потоком.

Законы эти – эмпирические, полученные на основании опытов, как и законы Ньютона. Рассмотрев синоптические материалы за почти 50 лет (с 1890г), Элеонора Лир разработала типы сезонной циркуляции, и доказала, что всякому атмосферному потоку сопутствует встречный (компенсационный), текущий слева от него. Процесс описывается Элеонорой Лир так (см. схему на рис. 5): возникает устойчивый перенос воздуха с юга на север (к примеру); образующаяся к западу (слева) от него область депрессии (1-й закон) вызовет появление зональных (запад-восток) градиентов давления на всем протяжении этого потока. При наличии достаточного «запаса холода» в северных широтах (а разность температур — или «запас холода» — является основанием-причиной возникновения переноса воздуха, — наряду/совместно с разностью давлений) существование зональных градиентов будет способствовать образованию потока обратного направления, то есть адвекции (переносу-вторжению) холодного воздуха с севера на юг (3-й закон). Причем этот обратный поток не будет строго параллельным или симметричным первому, поскольку он будет течь по уже «готовому руслу» (рис. 5, 6). Поэтому в холодном потоке вблизи поверхности земли, вследствие преобладания градиентной (зональной) составляющей (создающей «русло»), возникает движение к востоку, которое приводит, в конечном результате, к «подрезанию» тёплого потока, лежащего на востоке, — к процессу окклюзии (вот откуда появляется третья — более холодная — воздушная масса в структуре окклюдированного циклона). Таким образом, распространение тёплого воздуха в самом себе несет причину своей ликвидации (2-й закон). И это есть следствие внутренних взаимоотношений, возникающих в этом процессе. Отсюда и объяснение термических особенностей окклюдированного циклона: в центре его – «менее холодный» воздух (из «стоячей-местной» воздушной массы, с которой «напрямую» сталкивается – на которую «наезжает» южный поток), а в вихрях циклона воздух более холодный — из компенсационного потока, родившегося на крайней северной точке маршрута южного потока. Таким образом, на основании своих трёх законов Э. Лир открыла важнейшее соотношение о существовании в атмосфере процессов, совершающихся с ритмическими колебаниями, благодаря закономерной взаимозависимой смене холодных и тёплых потоков воздуха.

Рис. 5

СХЕМЫ ЭЛЕОНОРЫ ЛИР

Схема взаимодействия взаимно противоположных потоков

Рис. 6

СХЕМЫ ЭЛЕОНОРЫ ЛИР

Схема взаимодействия взаимно противоположных потоков: завершение цикла, образование холодного фронта окклюзии

Рис. 7

СХЕМЫ ЭЛЕОНОРЫ ЛИР

Схема взаимодействия взаимно противоположных потоков: завершение цикла, образование тёплого фронта окклюзии

На рис. 7 изображена ситуация, когда «первым» вторгается холодный поток, а встречный поток тёплого воздуха – компенсационный поток – появляется через некоторое время и течёт по «руслу», созданному холодным потоком. Картинки 6 и 7 как бы зеркально повторяют друг друга. Так же компенсационный теплый поток «подрезает» вторгающийся холодный и прерывает этот «процесс вторжения». Но есть и разница: компенсационный холодный поток движется сверху вниз, и подрезает тёплый поток снизу, — образуя холодный фронт окклюзии (рис. 6), а тёплый компенсационный поток движется снизу вверх, и подрезает холодный поток вверху (где он начинался), — образуя тёплый фронт окклюзии (рис. 7). Законы атмосферной циркуляции Э.С. Лир аналогичны законам Ньютона в механике. Можно сказать, что Элеонора Севериновна Лир сделала для динамики атмосферы (метеорологии) тó и стóлько, чтó и скóлько сделал Ньютон для классической механики. Ньютон, проведя свои наблюдения и опыты, нашел точные математические формулы законам механики, и впервые объединил объяснения природных явлений с мощным инструментом предсказания результатов наблюдений. А Элеонора Лир, на основании анализа многолетних метеонаблюдений сформулировавшая законы динамики атмосферы, создала предпосылки для перехода от объяснения метеоявлений к их предсказанию-прогнозу.

Законы атмосферной циркуляции Э.С. Лир имеют характер ЗАКОНОВ ПРИРОДЫ, поскольку они действуют всегда и повсюду, где существует атмосферная циркуляция. Другими словами, — законы Элеоноры Лир существуют и действуют, хотим мы этого или нет.

Равно как и законы Ньютона.

Л И Т Е Р А Т У Р А

Беспалов Д.П. и др., «Атлас облаков», Санкт-Петербург, 2011.
Кистерский А.П., «ОТКУДА ВЕТЕР ДУЕТ (Популярная метеорология)», Казань, 2015.
Кистерский А.П., «ТРЕТЬЯ ВОЗДУШНАЯ МАССА», Казань, 2019.
Кистерский А.П., «ПОТЕПЛЕНИЕ ИЛИ ПОХОЛОДАНИЕ (спросим у солнца)», Казань, 2020.
https://www.avers-i.ru