Причиной возникновения горизонтальных градиентов температуры и давления в атмосфере, как и воздушных течений, является неодинаковое нагревание воздуха в различных широтах, над материками и океанами и вообще над неоднородной подстилающей поверхностью. Вследствие переноса теплые и холодные 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. Зоны, в которых происходит сближение разнородных воздушных масс, например сравнительно сухих и холодных с влажными теплыми, называются переходными или фронтальными зонами. Во фронтальных зонах, в соответствии с горизонтальной циркуляцией, холодные массы воздуха стремятся продолжить свой путь в область расположения тепло1-го воздуха, а теплые массы воздуха — в область расположения холодного воздуха. В этих зонах больших горизонтальных контрастов температуры и сильных ветров концентрируются большие запасы энергии, которые расходуются на образование циклонов и антициклонов.
Фронтальные зоны тропосферы ежедневно можно обнаружить в поле температуры и давления преимущественно во внетропических широтах. Величины горизонтальных градиентов температуры и давления здесь наибольшие. Особенно много фронтальных зон образуется в умеренных широтах, где происходят встречи холодного воздуха, движущегося с севера, и теплого воздуха — с юга.
Фронтальные зоны непрерывно возникают, обостряются и разрушаются. Однако по интенсивности они различны, в зависимости от разности температур встречающихся воздушных масс.
Во фронтальных зонах в соответствии с большими горизонтальными градиентами температуры, давления и влажности наблюдаются большие скорости ветра, обычно возрастающие с высотой. На высотах 9—12 км в этих зонах ветры нередко достигают ураганной силы — 200 км/ч и более. Фронтальные зоны играют важную роль в развитии погодообразующих процессов.
Ширина фронтальных зон по сравнению с относительно однородными воздушными массами обычно невелика. Но в этих зонах, где имеются большие запасы энергии, возникают крупнейшие атмосферные вихри — циклоны и антициклоны.
Формирование фронтальной зоны сопровождается возникновением поверхностей разделов между холодными и теплыми воздушными массами. Эти поверхности раздела называются атмосферными фронтами.
Фронтальные поверхности всегда наклонены в сторону холодного воздуха, который как более плотный и тяжелый располагается под теплым воздухом в виде узкого клина 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 300 км, то фронтальная поверхность будет находиться на высоте 2—3 км. При удалении в горизонтальном направлении на 600 км фронтальная поверхность будет находиться на высоте 3,0—6,0 км. Так как углы наклона фронтов очень малы, то для более наглядного представления фронтов в вертикальной плоскости обычно горизонтальный масштаб берется во много раз меньший, чем вертикальный. Наибольшая протяженность фронтов по высоте в средних широтах 8—12 км. Нередко они достигают тропопаузы. Встретившиеся холодные и теплые массы воздуха продолжают свое движение в сторону массы, движущейся с большей скоростью. Одновременно движется и разделяющая их фронтальная поверхность.
В зависимости от направления движения фронтальной поверхности различают холодные и теплые фронты. Атмосферный фронт называется холодным, когда наступающий холодный воздух движется быстрее отступающего теплого и фронт перемещается в сторону высоких температур. После прохождения холодного фронта наступает похолодание. Когда теплый воздух наступает и фронт перемещается в сторону низких температур, тогда фронт называют теплым. 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 имеющаяся здесь сходимость воздушных течений у поверхности земли; вследствие этой сходимости в зоне фронта встречаются массы воздуха с низкими и высокими температурами.
На рисунке 43, 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 4—6°, а южнее — теплая масса воздуха с температурами до 15—19° выше нуля.
В антициклонах, вследствие расходящейся системы воздушных течений, фронты у поверхности земли размываются. На рисунке 43, б показано размывание холодного участка фронта у поверхности земли в правой части гребня, где потоки направлены не к фронту, а от фронта в стороны.
Скорость движения фронта зависит от величины нормальной составляющей воздушного потока. В Европе в переходные сезоны года средняя скорость перемещения фронтов достигает примерно 30—35 км/ч, что составляет за сутки более 700 км; но нередки случаи, когда 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. Так как градиенты температуры и давления зимой значительно больше, чем летом, то фронты зимой отличаются большей интенсивностью.
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. Однако если в приземном слое восходящие движения воздуха вызваны сходимостью течений приземного ветра, то причиной подъема воздуха на высотах является агеострофичность (нестационарность) движения, обусловленная отклонением действительного ветра от
геострофического, и разность скоростей ветра в зафронтальном и предфронтальном воздухе.
В случае холодного фронта быстро движущийся холодный за-фронтальный 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 результате происходит облакообразование и выпадение осадков.
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 восходящее движение теплого воздуха, конденсация, образование облаков и осадков.
На хорошо выраженном фронте бывают представлены облака всех ярусов. (Об облачных системах см. главу VIII.) 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 рисунке 44 изображен вертикальный
разрез теплого фронта с системой облаков. 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. Ниже всего располагаются слоистые и разорванно-дождевые облака. При этом, как видно на рисунке 44, облака нижнего яруса образуются не только в теплом надфронтальном воздухе, но и частично в холодном воздухе в непосредственной близости от поверхности фронта. Стрелки на рисунке показывают направление воздушных потоков в теплом и холодном воздухе при общем переносе слева направо в плоскости представленной здесь схемы.
Система облаков обычного холодного фронта изображена на рисунке 45. Как легко заметить, профили теплого и холодного фронтов заметно отличаются друг от друга. Это объясняется тем, что при движении теплый воздух в нижнем слое вследствие трения о земную поверхность растягивается в направлении, обратном движению, а движение холодного фронта у самой поверхности земли, вследствие трения, замедляется по сравнению с верхней
его частью. Тогда фронтальная поверхность на высотах 0—2 км, становясь более крутой, приобретает форму вала.
Представленная здесь система облаков теплого и холодного фронтов возникает при большой вертикальной протяженности фронтов, значительных контрастах температуры между холодным и теплым воздухом и интенсивном восходящем движении воздуха. При этом массы воздуха по обе стороны фронта являются устойчивыми. В тех случаях, когда холодный воздух стратифицирован неустойчиво, на холодном фронте возникают не слоисто-кучевые облака, а мощные кучевые и кучево-дождевые. Если одновременно холодный и теплый воздух стратифицированы неустойчиво, то перед фронтом формируется мощная шкваловая облачность (рис. 46), дающая сильные ливневые осадки, летом сопровождающиеся грозами, часто даже с выпадением града и шквальным ветром, а зимой с метелями и пургой. Облачная система теплого фронта тоже имеет разновидности.
По вертикали атмосферные фронты не всегда достигают тропопаузы. Нередко высота их не превышает 1—3 км. В соответствии с этим и фронтальная облачность получает ограниченное развитие, за исключением тех случаев, когда при наличии неустойчивости образуется конвективная облачность, достигающая высоты 5—6 км и более. Даже при большой вертикальной протяженности фронта фронтальная облачность не всегда представляет собой сплошную среду, как показано на приведенных выше схемах (рис. 44 и 45), а состоит из ряда слоев с безоблачными
пространствами между ними (рис. 47, 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. 47, б).
Существуют еще и другие разновидности фронтов, которые образуются при смыкании двух основных фронтов: теплого и холодного. Смыкание фронтов происходит из-за различия скоростей их движения. Холодный фронт обычно располагается в тыловой части циклона, а теплый — в передней. В системе развивающегося циклона холодный фронт движется быстрее теплого. При разных скоростях движения через некоторое время холодный фронт догоняет теплый и, смыкаясь с ним у поверхности земли, образует так называемый фронт окклюзии.
Облачные системы обоих фронтов, сомкнувшись, сначала сохраняются и дают обильные обложные осадки. Однако в связи с общим подъемом воздуха в системе циклона и его охлаждением горизонтальные разности температуры уменьшаются, фронт окклюзии ослабевает, а облака рассеиваются. На рисунке 48 схематически изображено смыкание холодного и теплого фронтов при их движении слева направо. Холодный воздух как более тяжелый вклинивается под теплый и вытесняет его вверх.
Все виды фронтов, встречаясь с горными препятствиями, оставляют много влаги на их наветренной стороне. По мере преодоления горного хребта облачная система фронтов нарушается: на подветренной стороне гор облака растекаются и осадки, как правило, прекращаются. Затем, когда горы остаются позади, облачная система фронтов снова восстанавливается.
Изучение фронтов, условий их возникновения, развития и разрушения— одна из важнейших задач метеорологии, Это диктуется настоятельными требованиями практики, особенно авиации.
—Источник—
Погосян, Х.П. Атмосфера Земли/ Х.П. Погосян [и д.р.]. – М.: Просвещение, 1970.- 318 с.
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
