Задачи изучения погоды. Совокупность процессов, происходящих в атмосфере данного района в определенный момент времени, называют погодой. Для погоды характерна ее частая изменчивость. Процессы, обусловливающие погоду, теснейшим образом связаны между собой. Так, например, температурные условия оказывают влияние на распределение давлений, давления — на ветры, ветры — на осадки; осадки и давление в свою очередь оказывают влияние на температуру и т. д. Из сказанного ясно, что изучение погоды должно мыслиться как изучение главнейших процессов, происходящих в атмосфере в их взаимной связи.
Изучать погоду — это значит понять, каковы причины, вызывающие те или другие процессы, как эти процессы протекают и как влияют друг на друга. Познав причины возникновения тех или других процессов, непрерывно происходящих в атмосфере, мы получаем возможность предугадывать эти процессы, т. е. предсказывать погоду.
Изменения погоды происходят одновременно в целом ряде мест, причем изменения, происшедшие в одном месте, ведут к изменениям в других. Так, например, большее нагревание воздуха в одном месте приводит к разнице давлений, что в свою очередь ведет к возникновению ветров, к встрече воздушных масс различных температур, образованию облаков, осадков и т. д. Следовательно, для изучения погоды необходимо иметь ясное представление о распределении метеорологических элементов в данный момент времени на большом пространстве. Последнее достигается применением так называемых синоптических карт, которые составляются на основании сведений о погоде, получаемых по телеграфу или радио от всех метеорологических станций.
Организация гидрометеослужбы в СССР. Для систематического наблюдения за состоянием атмосферы у нас в СССР создана государственная гидрометеорологическая сеть, состоящая из нескольких тысяч наблюдательных станций и постов, расположенных во всех районах страны. Центральным учреждением, руководящим работой всей гидрометеорологической сети страны, является Главное управление гидрометеослужбы при Совете Министров СССР. При Главном управлении имеется ряд научно-исследовательских институтов и учреждений, в том числе Главная геофизическая обсерватория имени А. И. Воейкова, Центральный институт прогнозов, Центральная аэрологическая обсерватория, Государственный гидрологический институт и др. Для непосредственного руководства работой гидрометеорологических станций и постов, для обработки результатов их наблюдений, а также для удовлетворения запросов народного хозяйства областей, краев и республик в отношении гидрометеорологических данных и прогноза погоды созданы областные, краевые и республиканские управления гидрометеослужбы. Некоторая небольшая часть метеорологических станций страны, имеющих специальное назначение (по обслуживанию Северного морского пути, курортные, агрометеорологические и др.), не входят в гидрометеорологическую сеть Главного управления гидрометеослужбы, а находятся в ведении соответствующих министерств и ведомств (Главного управления Северного морского пути, Курортного управления и т. д.).
Гидрометеорологические станции ведут наблюдения за атмосферой и состоянием погоды по единым инструкциям и наставлениям Главного управления гидрометеослужбы, при помощи однотипных приборов, в одни к те же точно установленные сроки. С 1931 г. было принято четыре основных срока наблюдений: 1, 7, 13 и 19 час. по местному времени. Чтобы фиксировать состояние атмосферы в одно и то же время по всей территории СССР, с 1947 г. на синоптических станциях наблюдения ведутся еще в 3, 10, 15 и 21 час по единому московскому времени.
На гидрометеорологических станциях определяют атмосферное давление, температуру и влажность воздуха, скорость и направление ветра, облачность, количество атмосферных осадков, солнечную, земную и атмосферную радиацию, температуру почвы, испарение с поверхности воды и почвы; кроме этого, отмечаются различные явления погоды (туманы, гроза и т. д.), а также явления оптические и электрические. На отдельных станциях проводятся еще специальные исследования: аэрологические, актинометрические, изучение атмосферного электричества и оптических явлений.
Но не на всех гидрометеорологических станциях указанные метеорологические элементы изучаются в одинаковом объеме. По программе работ и оснащенности приборами гидрометеорологические станции разделяются на три основных разряда: гидрометеопосты (или станции 3-го разряда), гидрометеостанции 2-го разряда и гидрометеостанции 1-го разряда. Гидрометеорологический пост является простейшим наблюдательным пунктом, на котором обычно ведутся наблюдения только за осадками и снежным покровом или каким-либо еще одним метеорологическим элементом. Станции 2-го разряда являются основными наблюдательными пунктами в гидрометеорологической сети. Они ведут наблюдения за всеми основными метеорологическими элементами и снабжены всеми необходимыми для этого приборами, в том числе и некоторыми самопишущими: обычно барографом, термографом и гигрографом. Гидрометеорологические станции 1-го разряда отличаются наиболее полным оборудованием, включая все самопишущие приборы и специальные приборы для актинометрических и аэрологических наблюдений. Внутри каждого разряда имеются еще свои дополнительные подразделения станций и постов. В настоящее время в гидрометеорологической сети СССР установлено 32 разновидности гидрометеостанций и семь типов гидрометеопостов.
Синоптические карты. Синоптические карты (или карты погоды) при помощи условных обозначений как бы фиксируют состояние погоды на данный момент Бремени. Главнейшие из условных обозначений, принятых для синоптических карт, мы можем видеть на приложенной карте (рис. 88). (Каждый значок, занимающий небольшое место на карте, заключает в себе целый ряд различных данных. Так, кружочек обозначает какую-либо станцию; длинная черта, проведенная к кружку—направление ветра; количество коротеньких черточек, отходящих от длинной черты (оперение), показывает скорость ветра в баллах; степень зачерненности кружка обозначает степень облачности; числа справа от кружков— давление (указываются для краткости только десятки и единицы дробью), числа слева — температуру, вверху — количество осадков и т. д. На той же карте мы видим изобары, линии «фронтов» и некоторые другие обозначения. Подобные карты составляются центральными учреждениями службы погоды ежедневно. Сопоставляя синоптические карты ряда ближайших дней, мы можем видеть, как и в каких направлениях изменились метеорологические элементы и как менялась погода в различных местах. На основании тех же синоптических карт специалисты-синоптики дают прогнозы (т. е. предсказания) погоды на ближайшие дни. Изучение синоптических карт за длительные периоды времени позволило глубже понять процессы, происходящие в атмосфере.
Понятие о воздушных массах. Температура, влажность и целый ряд других свойств воздуха в значительной степени зависят от характера и состояния той части земной поверхности, в пределах которой этот воздух находился долгое время. Так, например, воздух Арктики отличается низкими температурами во все времена года, а воздух тропических стран, наоборот, отличается высокими температурами также во все времена года. Воздух северной части Атлантического океана по температурам и влажности самым существенным образом отличается от воздуха материка Евразии и т. д. Все это вместе взятое заставило рассматривать атмосферу не только в целом, но и по отдельным участкам, значительно отличающимся друг от друга. Такими участками в северном, более изученном полушарии, являются:
1) арктический воздух,
2) полярный воздух (воздух умеренных широт),
3) тропический воздух и
4) экваториальный воздух.
Остановимся несколько подробнее на характеристике каждой воздушной массы и особенно на характеристике арктического воздуха.
Арктический воздух (АВ) в северном полушарии формируется над Северным Ледовитым океаном. Зимой эта область значительно расширяется, распространяясь на Таймыр, северную часть Яно-Колымского края, Чукотку, Аляску и северную Канаду.
Летом большая часть Арктического бассейна покрыта льдами. Поэтому температура арктического воздуха даже летом очень низка.
Низкая температура подстилающей поверхности обеспечивает сильное охлаждение нижних слоев атмосферы, что в свою очередь приводит к значительной устойчивости стратификации и преобладанию высокого давления. Низкие температуры воздуха обусловливают очень малую абсолютную влажность и большую прозрачность арктического воздуха. Таким образом, низкая температура, преобладание высокого давления, устойчивость, малая влажность и прозрачность являются наиболее характерными чертами арктического воздуха. Вторгаясь в более южные пределы, арктический воздух приносит с собой значительное похолодание, которое обычно называют «волнами холода». Волны холода хорошо известны в Европе, Азии и Северной Америке. Зимой они вызывают резкое усиление морозов, весной и осенью — ночные заморозки.
Вертикальная мощность арктических масс воздуха различна. В пределах Арктики она доходит до 5—6 км, в пределах Северной Европы 3—5 км, Центральной — около 3 км, а в ее южных районах—1—2 км. Поэтому пояс горных хребтов южной Европы (Пиренеи, Альпы, Карпаты, Балканы, Кавказ) является уже серьезным препятствием распространения арктических вторжений. Однако нередки случаи, когда массы арктического воздуха проникают и в Средиземноморский бассейн. Черное и Каспийское моря являются более удобными воротами, через которые арктические массы проникают в северные районы Малой Азии и Иран. Через Западно-Сибирскую же низменность, пониженные участки северного Казахстана и Туранскую низменность арктический воздух достигает южных пределов Средней Азии. Но столь далекие вторжения все же наблюдаются очень редко (один раз в несколько лет). Обычно они ограничиваются низменными равнинами Европы, Азии и Северной Америки. Понятно, что в северных районах этих стран вторжение арктического воздуха бывает наиболее частым. Наиболее высокой частью этого горного пояса является Кавказский хребет. Тем не менее арктический воздух «обходом» попадает и в Закавказье. Приведем пример.
Утром 2/II 1933 г., когда арктический воздух подходил к Азовскому морю, температура в Сочи была +8, в Батуми +7°. К вечеру того же дня арктический воздух достиг Кавказского хребта и начал его обтекать с запада и востока. В результате утром 3/II в Сочи температура упала на 13° (стало — 5°), а в Батуми на 15° (стало —8°). При этом холодный воздух заполнил всю долину Риони и нижнего течения Куры, где началась снежная буря. В эти дни арктический воздух перевалил через Кавказ только там, где высота хребта была менее 1 тыс. м. Следовательно толщина слоя арктического воздуха здесь не превышала 1 км.
Арктический воздух при движении к югу меняет свои свойства. Весной, летом и осенью, прогреваясь снизу, он приобретает уже неустойчивую стратификацию. Особенной неустойчивостью арктический воздух на Европейской территории СССР отличается в апреле и мае. Земная поверхность, лишенная к этому времени снежного покрова, быстро нагревается под лучами Солнца и так же быстро передает свое тепло нижним слоям воздуха. Возникающие вертикальные восходящие токи обусловливают быстрое образование кучеволивневых облаков, коротких ливней со шквалами, крупой и снегом. Иногда эти ливни сопровождаются слабыми грозовыми явлениями. Быстро возникающие шквальные ливни столь же быстро прекращаются и сменяются ясной погодой. Однако ясная погода снова очень быстро сменяется облачностью и ливнем — так в течение нескольких часов может повториться много раз. Подобные явления, особенно типичные для весенних вторжений арктического воздуха, изредка наблюдаются и летом. В зимнее время арктический воздух, как уже говорилось, по большей части приносит морозную и ясную погоду. Это обусловливается тем, что подстилающая поверхность охлаждена и арктический воздух сохраняет устойчивую стратификацию.
Арктический воздух в различных своих частях неодинаков. Так, например, в Сибирском секторе Арктики море холоднее и площади льдов
значительно больше. В западной же части Арктики (Гренландское море), куда проникают теплые воды мощного Атлантического течения, температура воды выше и площадь льдов значительно меньше. Ясно, что арктический воздух Гренландского моря теплее, давление его ниже и влажность больше. Поэтому различают арктический воздух Сибирского сектора Арктики и арктический воздух Гренландского моря.
Полярный воздух (ПВ) — это воздух умеренных широт, формирующийся главным образом из арктических масс воздуха и лишь частично пополняется тропическим. Формирование полярного воздуха обычно сводится к преобразованию (трансформации) арктического воздуха. Кроме того, запас полярного воздуха пополняется проникновением сюда тропического воздуха путем циклональной деятельности. Различают два основных типа полярного воздуха: морской и континентальный.
Морской полярный воздух (мПВ) формируется над океанической поверхностью в умеренных широтах. Находясь долгое время над морем, он в нижних своих слоях нагревается, а в верхних сохраняет низкую температуру. В результате долгого пути над теплыми водами океана нижние слои морского полярного воздуха могут приобрести температуру, близкую к температурам тропического воздуха. Но даже и при этих условиях в верхних слоях разница температур морского полярного и морского тропического воздуха остается значительной. В зимнее время температура нижних слоев морского полярного воздуха значительно выше температуры континентального полярного воздуха. Поэтому вторжение морского полярного воздуха на материк зимой сразу же приводит к резкому потеплению и длительным оттепелям. Летом явление обратное: вторжение морского полярного воздуха понижает температуру.
В пределы территории СССР морской полярный воздух приходит с запада. При этом значительное расстояние он проходит над холодной сушей, в результате чего его свойства сильно изменяются. Тем не менее он все же очень быстро изменяет погоду. Зимнее голубое небо буквально в течение нескольких минут затягивается скоплениями мрачных рваных облаков. Потом обычно налетают шквальные ветры со снегом, причем температура воздуха быстро повышается.
Для Европейской части территории СССР вторжение сильно измененного морского полярного воздуха в зимнее время составляет обычную картину. Подробнее этот вопрос будет освещен в разделе о циклонах.
Летом морской полярный воздух приходит на территорию Европейской части СССР с повышенным давлением и образует подвижные гребни высокого давления, и таким образом летом морской полярный воздух по большей части приносит нам холодную солнечную погоду с синим небом, которое по мере возникновения вертикальных токов покрывается легкими кучевыми облаками.
Континентальный полярный воздух (кПВ) формируется над материковыми площадями умеренных широт. Для него характерны очень высокие летние температуры и очень низкие зимние. Летом, когда нагревание воздуха идет снизу, континентальный полярный воздух имеет неустойчивую стратификацию и несет неустойчивую погоду. Зимой, когда охлаждение идет снизу, он, наоборот, будет отличаться устойчивостью.
Над территорией СССР континентальный полярный воздух формируется по большей части из пришедшего с севера арктического воздуха и пришедшего с северо-запада морского полярного воздуха. В верхних слоях можно отметить еще приток тропического воздуха.
Зимой вместе с охлаждением нижних слоев воздуха возникают устойчивые антициклоны. Началом подобных антициклонов чаще всего являются вторгнувшиеся с севера массы арктического воздуха, При длительном стационарном состоянии антициклона нижние слои выхолаживаются особенно сильно, и температура континентального полярного воздуха может опускаться значительно ниже арктического. Примером могут служить зимние температуры Яно-Колымского края (—68°) и Якутской котловины (—60°). Однако такие низкие температуры характерны только для нижних слоев, верхние же слои зимой имеют температуру выше арктического воздуха. Эта сильно выраженная температурная инверсия в зимнее время очень типична для континентального полярного воздуха. Из всего сказанного ясно, что континентальный полярный воздух, находящийся над материком зимой, будет обусловливать или устойчивую ясную погоду, или слабую облачность и туман. Особенной устойчивостью этот воздух в зимнее время отличается в Сибири.
Летний континентальный полярный воздух, наоборот, в нижних слоях имеет очень высокие температуры, что определяется сильным нагреванием земной поверхности. Согласно наблюдениям, температура нижних слоев континентального полярного воздуха летом лишь немного ниже тропического воздуха. Сильное прогревание почвы, вызывающее сильные вертикальные токи, приводит к образованию не только кучевых облаков, но и значительной грозовой деятельности.
Воздушные массы, формирующиеся в субтропических широтах, носят название тропического воздуха (ТВ). Здесь, как и в полярном воздухе, различают морской тропический воздух и континентальный.
Морской тропический воздух (мТВ), приходящий в Европу, формируется или в субтропических районах Атлантического океана (район Азорских островов), или в районах Средиземного моря. В Западную Европу чаще всего морской тропический воздух приходит с Атлантического океана, а на территорию Европейской части СССР — преимущественно из пределов Средиземноморского бассейна. И тот и другой воздух, приходя в Европу, и зимой и летом отличается очень высокой температурой с очень большой влажностью и резко выраженной устойчивостью. Видимость в морском тропическом воздухе понижена по причине большой запыленности (влияние пустынь Африки).
Континентальный тропический воздух (кТВ), приходящий в Европу, формируется в северной Африке, Малой Азии и южной части Балкан. Кроме того, в пределы Восточной Европы значительные массы континентального тропического воздуха приходят из Средней Азии. И, наконец, часть континентального тропического воздуха формируется летом на юге Европейской территории СССР из полярного континентального воздуха. Континентальный тропический воздух отличается высокими температурами, значительной влажностью и очень сильной запыленностью.
И морской, и континентальный тропический воздух приносит значительное количество осадков.
Экваториальный воздух (ЭВ)—воздух пассатов и муссонов, формирующийся в полосе экватора. В пределы территории СССР экваториальный воздух не проникает.
Каждая из отмеченных нами воздушных масс в свою очередь распадается на массы второго порядка, которые в настоящее время пока еще очень мало изучены. Во всех дальнейших наших рассуждениях мы будем иметь дело только с отмеченными нами наиболее крупными воздушными массами, горизонтальные размеры которых измеряются тысячами километров.
Трансформация воздушных масс. Воздушные массы находятся в непрерывном движении. Переместившись из места своего формирования в район с другими условиями, они начинают постепенно менять свои первоначальные свойства и переходят в воздушные массы другого типа. Процесс превращения воздушных масс из одного типа в другой под влиянием местных условий носит название трансформации воздушных масс.
Фронты. Между двумя соприкасающимися воздушными массами всегда существует некоторая переходная полоса большей или меньшей ширины. Эта переходная полоса (или зона), характеризующаяся резкими изменениями метеорологических элементов в горизонтальном направлении, носит название фронта. Можно также сказать, что фронт — это поверхность раздела между двумя воздушными массами. В северном полушарии мы имеем четыре основные зоны воздушных масс: (сокращенно) АВ, ПВ, ТВ и ЭВ, разделенных тремя основными фронтами. Самый северный фронт — арктический (между АВ и ПВ), второй (южнее) — полярный (между ПВ и ТВ) и третий (самый южный) — тропический (между ТВ и ЭВ).
Воздушные массы не находятся в покое, а чаще всего перемещаются. Ясно, что вместе с ними и фронты меняют свое положение. Однако, несмотря на сложность этих перемещений, мы все же имеем возможность установить средние положения фронтов для тех или других месяцев. Наиболее характерными являются положения фронтов в январе и июле.
Фронтальная поверхность наклонена к поверхности Земли под очень малым углом (обычно порядка нескольких секунд). Иначе говоря, она настолько полога, что приближается к горизонтальному положению; ширина фронтальной плоскости обыкновенно бывает очень велика и измеряется сотнями километров.
Ввиду того что теплый воздух легче холодного, он обычно располагается вверху (над фронтальной поверхностью), а холодный внизу (под фронтальной поверхностью).
Воздушные массы обыкновенно не находятся в покое, а чаще всего перемещаются. Вместе с перемещением воздушных масс перемещаются и фронты. В тех случаях, когда более теплые массы воздуха надвигаются на область холодного воздуха, возникает так называемый теплый фронт. При обратном движении — холодный фронт. Каждый из этих фронтов обусловливает совершенно различные метеорологические явления и приносит различную погоду.
Остановимся на каждом из этих фронтов отдельно.
Теплый фронт. Когда теплый воздух перемещается в сторону холодного, то он, как более легкий, надвигается на холодный воздух. При этом холодный воздух, оставаясь внизу, утончаясь, выклинивается, а теплый воздух скользящим движением поднимается по отлогому склону клина (рис. 89). По мере поднятия теплый воздух охлаждается и путем конденсации паров образуются капельки воды. Передний, наиболее приподнятый край теплого воздуха может оказаться выше границы положительных температур и выделить атмосферную воду в верхних слоях в виде ледяных кристалликов, а ниже — в виде капель. Поэтому впереди теплого фронта обычно появляются перистые облака, а в поясе фронта, с большей или меньшей последовательностью, перистослоистые, высокослоистые и слоисто-дождевые. Последние дают осадки. Полоса осадков теплого фронта достигает 300, а в холодное время (со снегом) даже 400 км ширины. Точнее говоря, полоса осадков располагается впереди линии теплого фронта, и количество осадков постепенно увеличивается по мере приближения к фронту. По линии самого фронта осадки чаще всего прекращаются. Постепенная смена холодного воздуха более легким теплым приводит к понижению
давления и усилению ветров. Вообще в полосе теплого фронта наблюдается резкое изменение погоды (облачность, дожди, туманы, плохая видимость и т. д.).
Остановимся несколько подробнее на характере облаков теплого фронта.
Первыми облаками, появляющимися впереди теплого фронта, являются перистые (Ci). Они обычно имеют вид параллельных полос с крючковатыми образованиями на своих передних концах. Наблюдателю, находящемуся на земной поверхности, полосы кажутся сходящимися в какой-то точке горизонта (следствие перспективы). Перистые облака появляются обычно очень далеко от линии фронта (в расстоянии от нескольких сот до 1 тыс. км), а потому могут служить хорошими предвестниками надвигающегося теплого фронта.
По мере приближения фронта наблюдатель видит, как перистые облака сменяются перистослоистыми (Cs) полупрозрачными облаками с легкой дымкой (вуалью). Эти облака в свою очередь сменяются высокослоистыми (As), основание которых уже снижается до 3—5 км, при мощности облачного слоя в 2—4 км. Высокослоистые облака могут давать и осадки, но осадки эти обычно испаряются еще в воздухе, т. е. не доходят до земной поверхности. Наконец, высокослоистые облака переходят в слоисто-дождевые (Ns). Мощность слоисто-дождевых облаков достигает 3—5 км при высоте основания от 1 до 3 км над земной поверхностью. Эти-то облака и дают осадки.
В очень редких случаях, когда теплый воздух оказывается очень сухим, в полосе теплого фронта осадков может и не быть. Примерами могут служить фены, переваливающие через мощные хребты.
Несколько иной характер погоды наблюдается в тех случаях, когда на пути теплого фронта поднимаются горы. Здесь прежде всего движение фронта замедляется. Теплый воздух, перевалив через хребет гор, спускается вниз. Нисходящее течение приводит к разрыву облачности и не дает осадков на подветренном склоне. Осадки же здесь выпадают только на наветренном склоне.
Холодный фронт. Фронт, движущийся в сторону теплого воздуха, как уже говорилось, называется холодным фронтом. Холодный воздух, как более тяжелый, движется по земной поверхности, приподнимая впереди себя теплый воздух. Преодолевая сопротивление теплого воздуха, «голова холодного воздуха» принимает характер тупого клина с крутым наклоном нижней части фронтальной поверхности (рис. 90). При
этих условиях холодный воздух «обрушивается» вниз и как бы валом перекатывается вперед. Вытесняемый же теплый воздух также валом поднимается вверх. В результате возникают шквалы, огромные кучево-ливневые облака и ливни, сопровождаемые грозами. В некоторых случаях (летом при большой разности температур) шквальные ветры достигают огромной силы и приводят к разрушениям. Эти ветры могут быть очень опасны для авиации, но их легко предвидеть, если хорошо поставлена служба погоды. Быстро восходящие токи теплого воздуха сразу же создают густой облачный «вал» и бурные дожди ливневого характера. Ширина полосы осадков может быть различна. В некоторых случаях, особенно зимой, холодный фронт может быть без осадков и даже без облачности (по причине сухости воздуха и малой разности температур).
Для холодного фронта характерно резкое повышение давления, понижение температуры, малая абсолютная влажность и улучшение видимости; для предфронтовой же области — меняющееся давление, редкие, иногда шквальные ветры, быстрое образование облаков и быстрое выпадение дождей, нередко ливневого характера.
По расположению воздушных масс холодный фронт является как бы зеркальным отображением теплого фронта. Однако здесь есть и существенная разница. Резкое «падение» вниз холодного воздуха вызывает, как уже говорилось, резкое поднятие воздуха впереди фронта. При этих условиях над линией фронта и впереди фронта образуются груды гигантских кучеволивневых облаков, разражающихся ливнями, грозами и сопровождающихся шквальными ветрами. Однако на некоторой высоте (3—4 км) фронтальная поверхность холодного воздуха становится отлогой и там (т. е. позади фронта) кучеволивневые облака сменяются более равномерным покровом высококучевых (Ас) облаков.
При переходе холодного фронта через горную цепь движение фронта замедляется. Перевалив через горы, нисходящие массы воздуха приобретают фенообразный характер. Осадки падают преимущественно на наветренном склоне.
Фронтальные возмущения. Линии фронтов обычно кривые. Однако теоретически можно представить себе фронт и прямолинейным, что очень облегчит нам понимание тех возмущений, которые на фронтах происходят. Представим себе подобный прямолинейный фронт, по обе стороны которого воздушные течения имеют одинаковые силы и одинаковые направления, параллельные линии фронта. При взятых нами условиях фронт будет стационарным, т. е. не будет менять своего положения. Однако в природе подобного стационарного положения почти никогда не бывает. Чаще всего распределение давлений и воздушных течений по обе стороны фронта бывает неодинаково, в силу чего в полосе фронта происходят различные изменения, известные под общим названием фронтальных возмущений.
Первичной формой возмущения являются
фронтальные волны, которые в дальнейшем своем развитии обычно приводят к образованию циклонов и антициклонов.
Фронтальные волны. При волновом характере возмущений каждый участок фронта вместе с воздушными массами, расположенными по обе стороны от фронта, смещаются то к северу, то к югу. Это волнообразное колебание пробегает по фронту в направлении теплого течения на протяжении сотен и тысяч километров. В результате подобных волновых колебаний общее положение фронта существенно не меняется.
Волновые возмущения обусловливаются различием плотностей и скоростей воздушных масс, разделенных фронтами. Волновые возмущения на синоптических картах имеют вид волновых искривлений линий фронта, причем языки теплого воздуха проникают к северу, а языки холодного воздуха к югу (рис. 91). Вершины языков теплого воздуха, выдвинутые к северу, можно назвать гребнями волн, а вершины холодных языков, смещенные к югу — междуволновыми понижениями или долинами волн. Из приведенного схематического рисунка фронтальной волны видно, что участок фронта перед гребнем волны принимает характер теплого фронта (ветры с северо-запада на юго-восток), а участок фронта в тылу волны — холодного (ветры с юго-запада на северо-восток).
Фронтальная волна в северном полушарии движется всегда в направлении теплого течения. Сила, обусловливающая поступательное движение волны, состоит из двух слагаемых. Первое слагаемое — это собственное перемещение волны, не зависящее от того, как движутся воздушные течения, разделенные фронтом. Средняя скорость этого перемещения около 10 м/сек (колебания от 2 до 20 м/сек). Второе слагаемое — это воздушные течения, увлекающие волну вдоль фронта. Понятно, что в тех случаях, когда воздушные течения по обе стороны фронта имеют одно направление, поступательная скорость волны будет наибольшей (до 80 — 100 км/Час, а в некоторых отдельных случаях и более). Само собой разумеется, что перемещение волны с запада на восток вдоль фронта несет с собой соответствующие изменения погоды. Зная положение фронта и поступательную скорость волны, мы получаем существенные данные для предсказания погоды на ближайшие дни.
Циклоны. Фронтальные волны бывают двух родов: устойчивые и неустойчивые. Первые перемещаются по фронту без увеличения своей амплитуды и в конце концов затухают. Вторые, наоборот, увеличивая амплитуду, создают условия для образования циклонов.
Циклоном, как мы уже знаем, называют область пониженного давления с замкнутыми концентрическими изобарами и наиболее низким давлением в центре. Всякая барическая система подобного роде приводит к
сложным динамическим процессам в тропосфере и представляет собой один из наиболее резких видов фронтальных возмущений.
Возникновение и развитие циклонов. Неустойчивая фронтальная волна, перемещаясь по фронту, постепенно увеличивает свою амплитуду. В конце концов фронт, выведенный из состояния равновесия, уже не возвращается к своему прежнему состоянию. Вершина волны, далеко выдвинувшаяся на север, постепенно оформляется в циклон.
В развитии циклона различают несколько стадий.
1. Выдвинутая к северу волна фронта несет на север значительные массы теплого воздуха, в тыл которым постепенно заходит холодный воздух. В результате к северу от основного фронта, в пределах переместившихся сюда теплых воздушных масс, образуется область пониженного давления и начинают возникать круговые воздушные течения против часовой стрелки. При создавшихся условиях в выдвинутой волне оформляются собственные теплый и холодный фронты (рис. 92). Таким образом, мы имеем уже ясно выраженный, но пока еще молодой циклон, фронты которого еще не отделились от основного фронта. Теплый фронт молодого циклона особенно хорошо выражен. Здесь массы теплого воздуха путем восходящего скольжения надвигаются на холодный воздух и имеют широкую полосу предфронтальных осадков. Скорость поступательного движения молодого циклона несколько меньше скорости волны. Первая стадия циклона обычно держится не более 24 часов.
2. Амплитуда волны основного фронта постепенно увеличивается, и теплый сектор циклона суживается. Холодный воздух, находившийся ранее в тыловой части волны, теперь движется к югу и востоку и, сжимая волну, захватывает все большее и большее пространство за счет теплого сектора.
3. В конце концов теплый и холодный фронты циклона смыкаются, и в циклоне создается полное вихревое движение против часовой стрелки. При этом во внутренней области циклона теплого воздуха у поверхности земли больше не остается, потому что он весь оттесняется в более высокие слои (рис. 93). Отмеченная нами третья (заключительная) стадия эволюции циклона известна под названием окклюзии (или окклюдирования) циклона. Фронт, образовавшийся от соединения теплого и холодного воздуха, теперь уже носит название фронта окклюзии Характерная особенность этого фронта заключается в том, что он имеет не одну, а две фронтальные поверхности. Одна из них начинается от поверхности земли, а другая располагается в свободной атмосфере.
В дальнейшем развитии циклона теплый воздух более или менее равномерно размещается над холодным. При этом равновесие восстанавливается и циклоническое возмущение затухает. В результате циклонических возмущений воздушные массы, двигавшиеся ранее в западно-восточном направлении, приобретают новое движение с большим или меньшим отклонением на север. В итоге теплый воздух, находившийся ранее у земной поверхности к югу от фронта, переносится в верхние слои к северу от фронта, что является одним из важнейших звеньев общей циркуляции атмосферы.
Серия циклонов. Циклоны редко возникают поодиночке. Обыкновенно один циклон сменяется другим, причем каждый следующий циклон движется хотя и в том же направлении, но всегда южнее предыдущего. Происходит это потому, что каждый окклюдирующий циклон становится потом частью холодного воздуха, в результате чего южная граница холодного воздуха, а следовательно, и фронт постепенно передвигаются к югу. Однако такое перемещение фронта к югу не может продолжаться беспредельно. Когда полярный воздух достигнет пояса высокого барометрического давления, деятельность фронта заканчивается. Ряд циклонов, следующих друг за другом, принято называть серией циклонов (рис. 94). Средняя продолжительность циклонической серии (считая от начала появления первого циклона и до последнего) приблизительно пять-шесть дней. Подсчеты проходящих за год циклонических серий в Западной Европе дали цифру около 60—65.
Циклоны, как уже говорилось, движутся вдоль фронтальных зон с запада на восток, отклоняясь преимущественно к северу. Смещение фронтов ведет и к изменению путей циклонов.
Большая часть циклонов, идущих в Европу, зарождается в западных частях Атлантики и, двигаясь на восток, приходит туда же в стадии окклюзии. В пределах европейской территории СССР в летнее время хорошо выражен полярный фронт. Окклюдированные циклоны здесь как бы обновляются, т. е. дают начало образованию новых циклонов с теплыми и холодными фронтами. В зимнее время возникающие континентальные антициклоны, наоборот, иногда очень надолго прекращают деятельность полярного фронта.
Полярный воздух, проникший благодаря циклонической серии к югу, замещает там субтропический антициклон и, прогреваясь, трансформируется в тропический воздух. На севере же на месте бывшего фронта возникает новый фронт, а вместе с ним и новый цикл фронтальных возмущений.
Описанный нами процесс волновых и циклонических возмущений нужно рассматривать лишь как очень грубую схему. На самом деле происходящие в атмосфере процессы много сложнее и разнообразнее. К тому же нужно сказать, природа их еще далеко не может считаться изученной.
Состояние погоды в циклоне. Для первой стадии развития циклона характерны два фронта: теплый и холодный. В последней стадии развития циклона эти фронты как бы сливаются и образуют один фронт окклюзии. Таким образом, в первых стадиях развития циклона мы прежде всего будем иметь в переднем (правом) секторе погоду теплого фронта, а в тыловом (левом) — холодного фронта. В центральной же части — элементы обоих фронтов.
Остановимся на типах погоды первых стадий циклона несколько подробнее. Впереди наступающего теплого фронта, как мы уже знаем, воздушные массы скользящим движением поднимаются по отлогому приземному слою холодного воздуха вверх. Охлаждаясь при поднятии, они конденсируют атмосферную влагу (рис. 95). В результате впереди теплого фронта образуется широкая полоса (200—400 км) длительных, более или менее спокойно падающих осадков (полоса обложных осадков). Полосе же обложных осадков предшествует еще более широкая полоса облачности (до 500 км), где последовательно (от полосы осадков) располагаются облака сначала слоисто-дождевые (Ns), а потом высокослоистые (As) и, наконец, перистослоистые (Cs). Последние оказываются в нескольких стах километров от фронта (500—700—1000 км) и служат предвестниками приближающегося циклона (приблизительно за сутки, в зависимости от скорости движения циклона). Таким образом, наблюдатель, находящийся на пути дальнейшего следования циклона, сначала увидит высоко в небе перистые облака и отметит начало падения барометра. По движению перистых облаков (принимая во внимание законы отклонения ветров) наблюдатель получает представление о направлении приближающегося циклона, а следовательно, и той погоде, которую следует ожидать на ближайшие дни.
После перистых и перистослоистых облаков небо покрывается высокослоистыми облаками, которые, уплотняясь, переходят в дождевые облака. Далее начинается дождь (зимой снег), который постепенно усиливается и в зависимости от скорости движения циклона может продолжаться довольно долго (ибо ширина полосы дождя, как уже говорилось, около 200—300, а снега 400 км)..
По мере приближения фронта дождевые облака спускаются все ниже и ниже и дожди усиливаются. Потом довольно быстро дожди прекращаются, облака рассеиваются и наступает ясная и теплая погода. Момент резкого изменения погоды связан с моментом перехода фронта через пункт наблюдения. Иначе говоря, причиной прекращения дождя, прояснения неба и повышения температуры является смена бывшего здесь ранее полярного воздуха тропическим, со всеми присущими ему свойствами.
Обратимся теперь к холодному фронту, ограничивающему теплый сектор с запада и северо-запада. Здесь дуют северные и северо-западные ветры, несущие холодный полярный воздух. Прохождение надвигающегося холодного фронта, как уже говорилось, выражается резким повышением давления, резким понижением температуры, резкими, порывистыми ветрами, приобретающими иногда шквальный характер. Также очень быстро здесь образуются густые кучево-дождевые облака и выпадают короткие, но сильные дожди, нередко принимающие характер ливней (ширина этой полосы осадков обычно не превышает 70—100 км). Вслед за прохождением холодного фронта чаще всего наступает прояснение, при котором синева неба увеличивается и видимость (прозрачность воздуха) резко возрастает. Все эти явления означают резкую смену теплого тропического воздуха полярным. На фронтах, возникающих между полярным и арктическим воздухом, характер циклонических возмущений по существу тот же самый. В последней стадии развития циклона теплый и холодный фронты, как уже говорилось, сливаются вместе и образуют фронт окклюзии. Характер облачности и осадков здесь довольно близок к теплому фронту. Наиболее мощные толщи облачности приурочены к «желобу», т. е. наиболее пониженной части теплого воздуха. Осадки носят обложной характер, но временно могут переходить в ливни. Вообще отличить фронт окклюзии от теплого фронта довольно трудно. Первым отличием может служить отсутствие резких смен температуры (внизу везде холодный воздух). Второе отличие — характерные переходы облаков из слоистых в волнистые.
Антициклоны. Антициклоны в противоположность циклонам — области повышенного давления с замкнутыми концентрическими изобарами и максимальным давлением в центре. Для антициклона характерны малые горизонтальные градиенты давления, а потому и слабые ветры во внутренней части системы.
Направление ветров в антициклоне противоположно ветрам циклонов, т. е. по часовой стрелке. В антициклоне развиты нисходящие воздушные токи, что удаляет воздух от состояния насыщения и обусловливает в области антициклона преобладание ясной погоды. Пасмурная погода в антициклоне — явление сравнительно редкое. Она зависит от влагосодержания и температуры воздушных масс антициклона. Если, например, воздушные массы антициклонов идут с моря (морской полярный воздух), то более теплый и более влажный морской воздух, охлаждаясь сушей, может принести пасмурную погоду. Что же касается антициклонов, образованных арктическим или полярным континентальным воздухом, то они почти всегда будут иметь ясную погоду.
Для всех антициклонов характерно отсутствие фронтов в их центральных частях.
Существует несколько типов антициклонов.
1. Области повышенного давления между отдельными циклонами, принадлежащими одной и той же серии циклонов. Они возникают внутри холодного воздуха и чаще всего имеют характер гребня повышенного давления без замкнутых изобар. Изредка, впрочем, они принимают более компактную форму с замкнутыми изобарами. Размеры таких обособленных антициклонов невелики. Они не превышают размеров обычных циклонов и движутся довольно быстро.
2. Антициклоны, развивающиеся в тылу серии циклонов. Они в общем сходны с первыми, но более обособлены и почти всегда имеют замкнутые изобары. Эти антициклоны менее подвижны и имеют тенденцию к стабильности, чем приближаются к типу малоподвижных антициклонов, к которым мы сейчас и перейдем.
3. Длительно существующие малоподвижные антициклоны, состоящие из арктического или полярного воздуха. Размеры подобных антициклонов значительно больше, и время их существования определяется не днями, а неделями. Иногда эти антициклоны имеют муссонное происхождение (над охлажденной сушей). Как правило, эти муссонные области повышенного давления «пополняются» стабилизирующимися антициклонами только что рассмотренного нами второго типа. Площадь таких антициклонов может быть колоссальна. Наибольшего развития они достигают зимой, и давление в центре стабильных антициклонов доходит до 1060 мб и более. В летнее время стабильные антициклоны имеют сильно размытые очертания, отличаются малым повышением давления в центре и иногда являются просто обширными безградиентными зонами слабо повышенного давления.
4. Океанические антициклоны субтропической зоны. Существование их обусловлено общей циркуляцией атмосферы, вторжением антициклонов второго типа из умеренных широт и некоторыми другими процессами, происходящими в тропосфере.
Скорость движения антициклонов. Антициклоны, являющиеся промежуточными гребнями высокого давления между фронтальными циклонами, а также антициклоны, замыкающие циклоническую серию, движутся вместе с циклонами и, в сущности говоря, имеют приблизительно ту же скорость. Согласно подсчетам эта скорость в среднем разна 27 км в час, а наибольшая из наблюдавшихся — 80 км в час. При стабилизации антициклонов скорость их сильно убывает. Нередко стабилизировавшиеся циклоны подолгу остаются на месте.
Состояние погоды в антициклоне. Погода в антициклонах и зимой и летом представляет собой полную противоположность погоде в циклонах. Высокое устойчивое давление, падающее к периферии, вызывает вихревые воздушные течения от центра к краям антициклона по часовой стрелке. В тех случаях, когда изобары антициклона вытянуты в виде овалов, воздушные течения расходятся не от точки, а от линии, проходящей через центр антициклона, по длине овала. От этой линии воздушные токи движутся в противоположные стороны. В общем воздушные токи в антициклоне значительно проще, чем в циклоне.
Примером наиболее вытянутой формы антициклона может служить мощная полоса высокого давления, которая тянется от Западной Европы до южной части Байкала через нижний Дон, нижнюю Волгу, Мугоджары и Казахстан. Она отмечена как вертикальная линия климатологом Воейковым и известна под названием оси Воейкова. От нее дуют ветры к северу и югу. Эти воздушные течения, идущие от центра к периферии, обусловливают образование нисходящих токов, которые в свою очередь являются причиной ясной и сухой погоды, характерной для антициклона. Зимой, когда антициклоны достигают наибольшей мощности, ясный и прозрачный воздух благоприятствует излучению тепла и обусловливает морозы. По краям антициклона, на месте встречи холодных воздушных масс с более теплыми, зимой возникают обширные области туманов. Летом стабилизировавшиеся антициклоны благодаря той же ясности воздуха хорошо прогреваются и имеют устойчивую жаркую и сухую погоду.
О методах предсказания погоды. Основой для составления прогнозов погоды является тщательное изучение атмосферы за предшествующее время и определение направления, в котором идет изменение ее состояния. Эти вопросы решаются при помощи синоптических карт.
Сущность метода краткосрочных прогнозов погоды по синоптическим картам заключается в следующем. На основании рассмотрения синоптической карты устанавливают для данного района тип воздушной массы, направление ее движения, возможность и степень ее трансформации под влиянием местных условий, скорость и направление перемещения фронтов, наличие циклонов и антициклонов, а также путь и скорость их движения. Затем, сопоставляя ряд синоптических карт за предыдущий период, определяют возможное развитие атмосферных процессов на будущее время. Установив направление развития атмосферных процессов, предсказывают вероятные изменения погоды и определяют величины, характеризующие состояние атмосферы на следующий день. В настоящее время метод краткосрочных прогнозов довольно хорошо развит. При прогнозе некоторых явлений погоды (ночного понижения температуры, заморозков, радиационных туманов) разработаны специальные графики и формулы, упрощающие всевозможные предварительные расчеты.
Краткосрочные прогнозы могут быть сделаны и без синоптических карт на основе изучения местных признаков погоды. Для этого необходимо тщательно и систематически вести наблюдения за количеством и формами облаков, за прозрачностью воздуха, цветом неба, учитывать давление и температуру воздуха, направление и силу ветра. Учитывая состояние атмосферы в данное время и зная закономерности развития метеорологических процессов, предсказывают состояние погоды для данного района на сравнительно небольшой срок (обычно 6—12 час, реже на сутки).
Долгосрочные прогнозы погоды имеют очень важное практическое значение. Они необходимы для целого ряда отраслей народного хозяйства страны, и в особенности для сельского хозяйства, где заблаговременное знание погоды вперед на месяц или сезон позволяет правильно решать вопросы о сроках сева, о подборе сельскохозяйственных культур и о применении различных агротехнических мероприятий. Долгосрочные прогнозы делятся на прогнозы малой заблаговременности (на 3—10 дней) и прогнозы большой заблаговременности (на месяц, сезон).
Методика составления прогнозов малой заблаговременности примерно такая же, как и при составлении краткосрочных прогнозов. Прогноз же погоды на долгий срок является делом сложным и до сего времени не является окончательно решенным. Оправдываемость долгосрочных предсказаний не является еще высокой; в отдельных случаях развитие метеорологических процессов существенно отличается от предсказанного.
При составлении долгосрочных прогнозов погоды применяются различные приемы. Одни авторы пытаются установить периодичность явлений погоды путем изучения метеорологических материалов за много лет наблюдений и на этой основе предсказывать ход синоптических процессов на длительный период вперед. Другие исследователи пытаются отыскать связь между солнечной активностью и последующим характером погоды. Некоторые исследователи стремятся предсказывать погоду на основе установления корреляционных связей между атмосферными процессами, протекающими в различных районах земного шара. Эти исследователи исходят из того, что количество тепла, получаемого Землей от Солнца, в течение определенного периода не может существенно измениться. Меняться может только его распределение по земной поверхности в зависимости от облачности и циркуляции атмосферы. Следовательно, если в одном районе наблюдается избыток тепла и отклонение от нормы, то в другом районе в это время будет недостаток тепла. Таким образом, существует связь между явлениями погоды в разных районах, и изменение погоды в одном месте ведет к изменению погоды через некоторый промежуток времени в другом месте. Такие отдельные связи в природе уже установлены для некоторых районов. Так, например, замечено, что если происходит усиление атлантического северо-восточного пассата с июня по сентябрь, то после этого на большей части территории Европы бывает теплая зима, а в СССР и в Скандинавских странах, наоборот, холодная; известно также, что существует тесная связь между ледовитостью арктических морей и состоянием погоды в Европе и т. д.
Следует отметить, что все три отмеченных приема долгосрочных предсказаний погоды еще не дали хороших результатов. Наиболее надежным приемом долгосрочных предсказаний погоды является синоптический метод Б. П. Мультановского и последователей его школы.
Основой метода Б. П. Мультановского является изучение закономерностей циркуляции атмосферы и установление влияния этой циркуляции на последующее течение метеорологических процессов на протяжении длительного отрезка времени. Особое внимание при этом уделяется изучению циклонов и антициклонов, а также путей их движения. Определив путь и скорость движения циклона или антициклона и зная, какую погоду приносят с собой эти барические образования, и срок их действия (так называемый «естественный синоптический период»), можно предсказывать состояние погоды вперед на 8—10 дней. При составлении прогнозов большой заблаговременности определяются распределения циклонических и антициклонических областей за продолжительный предшествующий отрезок времени. Исходя из того, что предшествующие синоптические процессы предопределяют в известной мере распределение циклонов и антициклонов в последующее время, предсказывают погоду на месяц или сезон.
Для изучения распределения барических областей в синоптическом районе Б. П. Мультановский применил метод «сборных карт». На этих сборных картах в условных значках отмечается положение и пути перемещения циклонов и антициклонов за предшествующие дни. При составлении прогноза погоды на месяц или сезон поступают следующим образом: подбирают по материалам прошлых лет аналог прошедшему синоптическому сезону, используя сборные карты, устанавливают ожидаемые в следующем месяце или сезоне циркуляции воздушных масс. Затем подбирают аналоги к ожидаемым синоптическим процессам, составляют схемы предполагаемого развития этих процессов и на основе наиболее близких аналогов за прошлые годы предсказывают условия погоды для того или другого района.
—Источник—
Половинкин, А.А. Основы общего землеведения/ А.А. Половинкин.- М.: Государственное учебно-педагогическое издательство министерства просвещения РСФСР, 1958.- 482 с.
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
