Погода – это состояние атмосферы в определенном месте и в определенное время. Основные показатели состояния атмосферы: температура, атмосферное давление, плотность и влажность воздуха, скорость и направление ветра (к дополнительным параметрам относятся данные о содержании таких газов, как озон, углекислый газ и т.п.).
Сочетание этих элементов и явлений в окружающей среде формирует понятие о погоде, определяющей гидрометеорологическую обстановку. Экономические исследования работы морского транспорта показывают, что ходовое время в значительной степени зависит от правильности учета гидрометеорологической обстановки во время плавания. Поэтому знание фактической гидрометеорологической обстановки на трассе перехода и прогноза ее изменения совершенно необходимо.
Температура является характеристикой внутренней энергии физического тела (в том числе и воздуха), которая повышается с увеличением внутренней энергии среды, если баланс энергии положителен. Основными составляющими энергетического баланса воздуха в нижнем слое тропосферы являются:
- нагревание при поглощении ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения;
- остывание за счет излучения инфракрасной радиации;
- теплообмен с земной или водной поверхностью;
- приобретение или потеря энергии при конденсации или испарении воды, а также при сжатии или расширении воздуха.
Температура может измеряться в градусах по шкалам Фаренгейта (F), Цельсия (С) или Кельвина (К). Минимальная возможная температура, 0° по Кельвина, называется «абсолютным нулем».
Разные температурные шкалы связаны между собой соотношениями:
где F, С и К соответственно обозначают температуру в градусах по шкалам Фаренгейта, Цельсия и Кельвина. Шкалы Фаренгейта и Цельсия совпадают в точке –40°, т.е. –40°F = –40°C. В научных исследованиях обычно используются шкалы Цельсия и Кельвина
Атмосферное давление в каждой точке обусловлено массой вышележащего столба воздуха. Оно изменяется, если меняется высота и плотность столба воздуха над данной точкой. Среднее давление воздуха на уровне моря составляет ок. 10,3 т/м2.
Плотность воздуха – это отношение массы воздуха к занимаемому им объему. Плотность воздуха возрастает при его сжатии и уменьшается при расширении.
Температура, давление и плотность воздуха связаны между собой уравнением состояния. Воздух в значительной степени подобен «идеальному газу», для которого, согласно уравнению состояния, температура (выраженная в шкале Кельвина), умноженная на плотность и разделенная на давление, есть величина постоянная.
Скорость и направления ветра согласно второму закону Ньютона (закону движения), обусловлены действующими в атмосфере силами. Это сила тяжести, которая удерживает слой воздуха у земной поверхности, градиент давления (сила, направленная из области высокого давления в область низкого) и сила Кориолиса. Сила Кориолиса оказывает влияние на крупномасштабные движения воздуха. Чем меньше их масштабы, тем менее существенна для них эта сила. Например, от нее не зависит направление вращения смерча (торнадо).
Радиация
В метеорологии термин «радиация» означает электромагнитное излучение, к которому относят видимый свет, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, но не включают радиоактивное излучение.
Каждый объект в зависимости от своей температуры испускает разные лучи: менее нагретые тела – главным образом инфракрасные, горячие тела – красные, более горячие – белые. Еще более горячие объекты испускают голубые лучи. Чем сильнее нагрет объект, тем больше он излучает световой энергии.
Хотя температура внутри Солнца составляет миллионы градусов, цвет солнечного света определяется температурой его поверхности (ок. 6000° С). Электрическая лампа накаливания испускает световые лучи, спектр которых существенно отличается от спектра солнечного света, так как температура нити накала в лампочке составляет от 2500° С до 3300° С.
Преобладающим типом электромагнитного излучения облаков, деревьев или людей является инфракрасное излучение, невидимое для человеческого глаза. Оно является основным способом вертикального обмена энергией между земной поверхностью, облаками и атмосферой.
Метеорологические спутники оснащены специальными приборами, которые выполняют съемку в инфракрасных лучах, испускаемых в космическое пространство облаками и земной поверхностью. Более холодные, чем земная поверхность, облака излучают меньше и, следовательно, выглядят в инфракрасных лучах темнее, чем Земля. Преимущество инфракрасной фотосъемки заключается в том, что ее можно проводить круглосуточно.
Доля солнечной радиации, отраженная объектом (обычно выражается в процентах или долях единицы) называется Альбедо. Альбедо свежевыпавшего снега может достигать 0,81, альбедо облаков в зависимости от типа и вертикальной мощности колеблется от 0,17 до 0,81. Альбедо темного сухого песка – ок. 0,18, зеленого леса – от 0,03 до 0,10. Альбедо крупных водных акваторий зависит от высоты Солнца над горизонтом: чем оно выше, тем меньше альбедо.
Альбедо Земли вместе с атмосферой изменяется в зависимости от облачности и площади снежного покрова. Из всей солнечной радиации, поступающей на нашу планету, ок. 34% отражается в космическое пространство и теряется для системы Земля – атмосфера.
Поглощается атмосферой около 19% солнечной радиации, поступающей на Землю (по осредненным оценкам для всех широт и всех времен года).
В верхних слоях атмосферы ультрафиолетовое излучение поглощается преимущественно кислородом и озоном, а в нижних слоях красная и инфракрасная радиация (длина волны более 630 нм) поглощается в основном водяным паром и в меньшей степени – углекислым газом.
47% прямой солнечной радиации приходящей на верхнюю границу атмосферы проходит сквозь атмосферу к земной поверхности.
Изменение поглощаемого земной поверхностью количества энергии в зависимости от широты показано в таблице 4.1 и выражено через среднегодовое количество энергии (в ваттах), поглощенное за сутки горизонтальной поверхностью площадью 1 кв. м.
Разность среднегодового прихода солнечной радиации к верхней границе атмосферы за сутки и радиации, поступившей на земную поверхность при отсутствии облачности на разных широтах, показывает ее потери под влиянием различных атмосферных факторов (кроме облачности).
Разница между величиной прихода солнечной радиации к верхней границе атмосферы и величиной ее прихода на земную поверхность при средней облачности, обусловленная потерями радиации в атмосфере, существенно зависит от географической широты:
52% на экваторе, 41% на 30° с.ш., 57% на 60° с.ш.
Это прямое следствие количественного изменения облачности с широтой. Из-за особенностей циркуляции атмосферы в Северном полушарии количество облаков минимально на широте ок. 30°, поэтому максимум энергии доходит до земной поверхности не на экваторе, а в субтропических широтах.
Разница между количеством радиации, приходящей на земную поверхность, и количеством поглощенной поверхностью радиации образуется только за счет альбедо, которое особенно велико в высоких широтах и обусловлено большой отражательной способностью снежного и ледяного покрова.
В среднем по планете поглощается подстилающей поверхностью примерно треть приходящей к ней радиации.
Из всей солнечной энергии, используемой системой Земля – атмосфера, менее одной трети непосредственно поглощается атмосферой, а основную часть энергии она получает отраженной от земной поверхности.
Несмотря на непрерывный приток солнечной энергии в атмосферу и на земную поверхность, средняя температура Земли и атмосферы довольно постоянна. Причина этого заключается в том, что почти такое же количество энергии излучается Землей и ее атмосферой в космическое пространство, в основном в виде инфракрасной радиации, поскольку Земля и ее атмосфера намного холоднее, чем Солнце, и лишь малая доля энергии излучается Землей в видимой части спектра.
В результате сложного энергетического обмена между земной поверхностью, атмосферой и межпланетным пространством каждый из этих компонентов получает в среднем столько же энергии от двух других, сколько теряет сам. Это состояние называется тепловым балансом (Рис. 4.1).
Водяной пар и облака
Водяной пар – это вода в газообразном состоянии. Если воздух не способен удерживать большее количество водяного пара, он переходит в состояние насыщения, и тогда вода с открытой поверхности перестает испаряться.
Влажность (абсолютная влажность) - содержание водяного пара в воздухе (мг/м3). Содержание водяного пара в насыщенном воздухе находится в тесной зависимости от температуры и при ее повышении на 10°С может увеличиться не более, чем вдвое.
Относительная влажность – это отношение фактически содержащегося в воздухе водяного пара к количеству водяного пара, соответствующему состоянию насыщения. Относительная влажность воздуха вблизи земной поверхности часто велика утром, когда прохладно. С повышением температуры относительная влажность обычно уменьшается, даже если количество водяного пара в воздухе мало изменяется.
Облака возникают при конденсации водяного пара в атмосфере, когда образуются либо капельки воды, либо кристаллы льда. Формирование облаков происходит, когда при подъеме и охлаждении водяной пар переходит через точку насыщения.
Ненасыщенный воздух с подъемом на каждый километр охлаждается примерно на 10° С. Если воздух с относительной влажностью ок. 50% поднимется более чем на 1 км, начнется образование облака.
Конденсация сначала происходит у основания облака, которое растет вверх до тех пор, пока воздух не перестанет подниматься и, следовательно, охлаждаться. Летом этот процесс легко увидеть на примере кучевых облаков с плоским основанием и поднимающейся и опускающейся вместе с перемещением воздуха вершиной.
В современной международной классификации облаков для описания внешнего вида облаков использованы латинские термины: alto – высоко, cirrus – перистый, cumulus – кучевой, nimbus – дождевой и stratus – слоистый.
Различные сочетания этих терминов применяются для наименования десяти главных форм облаков:
Облака нижнего яруса (слоистые, слоисто-кучевые и слоисто-дождевые) состоят почти исключительно из воды, их основания располагаются примерно до высоты 2000 м.
Основания облаков среднего яруса (высококучевых и высокослоистых) находятся на высотах от 2000 до 7000 м. Эти облака имеют температуру от 0° С до –25° С и представляют собой смесь капель воды и ледяных кристаллов.
Облака верхнего яруса (перистые, перисто-кучевые и перисто-слоистые) имеют нечеткие очертания, так как состоят из ледяных кристаллов. Их основания располагаются на высотах более 7000 м, а температура ниже –25° С.
Кучевые и кучево-дождевые облака относятся к облакам вертикального развития и могут выходить за пределы одного яруса. Основание кучево-дождевых облаков, может находятся всего в нескольких сотнях метров от земной поверхности, а вершины могут достигать высот 15–18 км. В нижней части они состоят из капелек воды, а в верхней – из кристаллов льда.
Туман представляет собой облако, расположенное у самой земной поверхности. Он часто опускается на землю в тихие, ясные ночи, когда воздух влажный, а земная поверхность охлаждается, излучая в пространство тепло.
Туман также может образоваться при прохождении теплого влажного воздуха над холодной поверхностью суши или воды.
Если холодный воздух оказывается над поверхностью теплой воды, прямо на глазах возникает туман испарения. Он часто образуется по утрам поздней осенью над озерами, и тогда кажется, что вода кипит.
Конденсация является сложным процессом, при котором микроскопические частицы содержащихся в воздухе примесей (сажи, пыли, морской соли) служат ядрами конденсации, вокруг которых формируются капельки воды (Рис. 4.3). Такие же ядра необходимы для замерзания воды в атмосфере. Капельки воды в атмосфере почти никогда не замерзают при переходе температуры через 0°С. Для их замерзания требуются существенно более низкие температуры.
В очень чистом воздухе при их отсутствии капельки воды не замерзают до температур ок. – 40° С. Ядро льдообразования представляет собой маленькую частицу, похожую по структуре на кристалл льда, вокруг которой и формируется кусочек льда. Находящиеся в воздухе ледяные частицы являются лучшими ядрами льдообразования.
Если ледяные кристаллы внутри облака слишком тяжелы, чтобы оставаться взвешенными в восходящем потоке воздуха, они выпадают в виде снега.
Если нижние слои атмосферы достаточно теплые, снежинки тают и выпадают на землю дождевыми каплями. Даже летом в умеренных широтах дожди обычно зарождаются в форме льдинок. И даже в тропиках дожди, выпадающие из кучево-дождевых облаков, начинаются с ледяных частичек. Убедительным доказательством того, что лед в облаках существует даже летом, служит град. Дождь обычно идет из «теплых» облаков, т.е. из облаков с температурой выше точки замерзания.
Здесь мелкие капельки, несущие заряды противоположного знака, притягиваются и сливаются в более крупные капли. Они могут увеличиться настолько, что станут слишком тяжелыми, перестанут удерживаться в облаке восходящими потоками воздуха и прольются дождем.
Контрольные вопросы для проверки усвоения учебного материала:
- Основные характеристики погоды.
- Основные составляющие энергетического баланса приземного слоя воздуха.
- Что такое альбедо? Почему альбедо водной поверхности уменьшается по мере увеличения угла склонения Солнца?
- Какая часть солнечной радиации поглощается атмосферой, и какая – земной поверхностью?
- Виды облаков и их распределение по высоте?
Атмосферные осадки
Дождь - это вода, образующаяся при конденсации водяного пара, выпадающая из облаков и достигающая земной поверхности в виде капель жидкости. Диаметр дождевых капель колеблется от 0,5 до 6 мм. Капли мельче 0,5 мм называются моросью.
В зависимости от объема осадков, выпадающих за определенный промежуток времени, по интенсивности различают слабые, умеренные и сильные (ливневые) дожди.
Интенсивность осадков измеряется высотой слоя воды равномерно распределенной по площади в месте измерения. Интенсивность слабого дождя меняется от ничтожно низкой до 2,5 мм/ч, умеренного дождя – от 2,5 до 8 мм/ч и при сильном дожде – более 8 мм/ч, или более 0,8 мм за 6 мин.
Обложные затяжные дожди при сплошной облачности на значительной территории обычно слабые и состоят из мелких капель.
Дожди, выпадающие на небольших участках спорадически, обычно более интенсивны и состоят из более крупных капель. За один сильный грозовой ливень продолжительностью всего 20–30 мин может выпасть до 25 мм осадков.
Грозы, или грозовые бури, представляют собой локальные атмосферные возмущения, связанные с развитием кучево-дождевых облаков. Такие бури всегда сопровождаются громом и молниями, сильными порывами ветра и ливневыми осадками. Иногда выпадает град. Большая часть гроз заканчивается быстро, и даже самые длительные из них редко продолжаются более одного-двух часов.
Грозы возникают из-за атмосферной неустойчивости и связаны в основном с перемешиванием слоев воздуха, которые стремятся достичь более устойчивого распределения по плотности. Мощные восходящие потоки воздуха являются отличительной особенностью начальной стадии грозы (Рис.4.4). Сильные нисходящие движения воздуха в зонах ливневых осадков характерны для ее заключительной фазы. Грозовые облака часто достигают высоты 12–15 км в умеренных широтах и еще большей – в тропиках. Их вертикальный рост ограничен устойчивым состоянием нижних слоев стратосферы.
На первой стадии (слева) кучевое облако под воздействием внутренних воздушных течений растет в высоту и превращается в грозовое облако.
На стадии зрелости (в центре) верхняя часть облака достигает более холодной стратосферы. Здесь влага, содержащаяся в облаке, конденсируется, образуя капли воды или ледяные кристаллы, которые падают, охлаждая облачную массу воздуха.
В результате на заключительной стадии (справа) все грозовое облако остывает и выпадает дождь. Стратосферные воздушные течения смещают вершину грозового облака вниз, придавая ему типичную форму наковальни.
Количество атмосферных осадков, достигающих поверхности земли в данном месте в виде дождя, града или снега, оценивается толщиной слоя воды (в миллиметрах). Оно измеряется специальными приборами – осадкомерами, которые обычно располагаются на расстоянии в несколько километров один от другого и фиксируют количество осадков за определенный промежуток времени, обычно за 24 ч.
Простой осадкомер (Рис. 4.5) состоит из вертикально установленного цилиндра с круглой воронкой. Дождевая вода попадает в воронку и стекает в измерительный градуированный цилиндр. Площадь поверхности измерительного цилиндра в 10 раз меньше площади входного отверстия воронки, так что слой воды толщиной 25 мм в измерительном цилиндре соответствует 2,5 мм выпавших осадков. Если ожидается выпадение осадков в виде снега, воронка и измерительный стакан убираются, а снег собирается в осадкомерное ведро.
Более сложные измерительные приборы непрерывно регистрируют количество выпадающих осадков на ленте, укрепленной на барабане с часовым механизмом.
Достаточно надежную оценку интенсивности дождя на значительной территории дает применение радиолокационного метода (Рис. 4.6). Сигнал, посылаемый радиолокатором, отражается дождем, снегом или температурной инверсией, и этот отраженный сигнал поступает на принимающее устройство. Облака обычно не видны на экране радиолокатора, так как образующие их капельки слишком малы, чтобы эффективно отражать радиосигнал.
К середине 1990-х годов Национальная метеорологическая служба США была переоснащена радиолокаторами с эффектом Доплера. В установках такого типа для измерения скорости приближения отражающих частиц к радиолокатору или удаления от него используется принцип т.н. доплеровского смещения. Поэтому эти радиолокаторы могут применяться для измерения скорости ветра и скорости смещения дождевого фронта. Особенно они полезны для обнаружения смерчей, поскольку ветер по одну сторону смерча быстро несется навстречу радиолокатору, а по другую – стремительно от него удаляется. Современные радиолокаторы могут обнаруживать метеорологические объекты на расстоянии до 225 км.
Кислотные осадки - это осадки, имеющие повышенную кислотность. Кислотные осадки возникают главным образом из-за выбросов оксидов серы и азота в атмосферу при сжигании ископаемого топлива (угля, нефти и природного газа). Растворяясь в атмосферной влаге, эти оксиды образуют слабые растворы серной и азотной кислот и выпадают в виде кислотных дождей.
Обычная незагрязненная дождевая вода имеет рН = 5,65. Кислотными называются дожди с рН менее 5,65. На значительных территориях в промышленных регионах среднегодовые значения рН атмосферных осадков колеблются от 4,0 до 4,5.
Кислотность атмосферных осадков приблизительно на 65% определяется присутствием серной кислоты (H2SO4), на 30% – азотной кислоты (HNO3) и на 5% – соляной кислоты (HCl).
Кислотные дожди могут также выпадать при поступлении в атмосферу серной кислоты и азотсодержащих газов (диоксида азота NO2 и аммиака NH3) от естественных источников (например, при извержении вулканов).
Кислотные осадки могут привести к изменению химических свойств почвы и воды, разрушают поверхность предметов.
Там, где вода в реках и озерах стала довольно кислой (рН менее 5), исчезает рыба.
Метеорологические спутники
Спутниковые метеорологические наблюдения (Рис. 4.7-4.8) имеют высокую плановую разрешающую способность, однако их вертикальное разрешение намного ниже обеспечиваемого радиозондами.
Для дневных съемок облачного покрова освещение обеспечивается солнечным светом, инфракрасное излучение, испускаемое всеми телами, позволяет вести съемки и днем и ночью инфракрасной камерой. Используя фотографии в разных диапазонах инфракрасного излучения, можно рассчитать температуру отдельных слоев атмосферы, по движению облаков могут быть рассчитаны скорости ветра.
Некоторые спутники, как, например, американский TIROS, выведены на круговую полярную орбиту на высоте ок. 1000 км. Поскольку Земля вращается вокруг своей оси, с такого спутника каждая точка земной поверхности видна обычно дважды в сутки.
Еще большее значение имеют т.н. геостационарные спутники, которые вращаются над экватором на высоте ок. 36 тыс. км. Такому спутнику требуется 24 ч для полного оборота. Поскольку это время равняется продолжительности суток, спутник остается над одной и той же точкой экватора, и с него открывается постоянный вид на земную поверхность. Таким образом, геостационарный спутник может повторно фотографировать одну и ту же территорию, фиксируя изменения погоды.
Атмосферные синоптические объекты
Воздушная масса – значительный объем воздуха, свойства которого (главным образом температура и влажность) сформировались под воздействием подстилающей поверхности в определенном регионе и постепенно меняются по мере его перемещения из очага формирования в горизонтальном направлении.
Воздушные массы выделяются, прежде всего, по характеристикам районов формирования, например тропические и полярные, морские и континентальные, а также по температуре и влажности: холодные и теплые, сухие и влажные (Рис. 4.9).
Перемещение из одних областей в другие воздушных масс, сохраняющих многие первоначальные характеристики, можно проследить по синоптическим картам. Трансформация воздушных масс определяется изменениями условий, встречающихся на их пути.
Когда воздушные массы, обладающие разными свойствами, из удаленных очагов формирования вступают в контакт, они вначале сохраняют свои особенности. Затем воздушные массы перемешиваются, рассеиваются и, в конце концов, перестают существовать как обособленные объекты.
Циклон — воздушная масса в виде огромного (от сотен до нескольких тысяч километров) диаметра атмосферного вихря с пониженным давлением воздуха в центре (Рис. 4.10).
Воздух в циклонах циркулирует против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном. В пограничном слое атмосферы действие внутреннего трения приводит к появлению у вектора скорости ветра составляющей, направленной к центру циклона, против направления барического градиента (в сторону убывания давления). Величина силы трения уменьшается с высотой, что приводит к повороту ветра.
Циклон — не просто противоположность антициклону, у них различается механизм возникновения. Циклоны постоянно и естественным образом появляются из-за вращения Земли, благодаря силе Кориолиса (Рис. 4.11).
Различают два основных вида циклонов — внетропические и тропические. Внетропические образуются в умеренных или полярных широтах и имеют диаметр от тысячи километров в начале развития, и до нескольких тысяч в случае сформировавшегося циклона. Среди внетропических циклонов выделяют южные циклоны, образующиеся на южной границе умеренных широт (средиземноморские, балканские, черноморские, южнокаспийские и т. д.) и смещающиеся на север и северо-восток. Южные циклоны обладают колоссальными запасами энергии; именно с южными циклонами в средней полосе России связаны наиболее сильные осадки, ветры, грозы, шквалы и другие явления погоды.
Внетропические циклоны часто формируются с подветренной стороны горных хребтов (например, над восточными склонами Скалистых гор) и вдоль восточных берегов Северной Америки и Азии.
Ниже 8—10° северной и южной широты циклоны возникают очень редко, а в непосредственной близости от экватора — не возникают вообще.
В циклонах умеренных широт обычно выражен холодный фронт, а теплый, если и существует, не всегда хорошо заметен.
Циклоны характеризует облачная, дождливая погода с сильными порывами ветра, возникающими из-за разницы давления атмосферы между центром циклона и его краями.
Продолжительность жизни циклонического вихря обычно составляет от нескольких дней до недель, но в некоторых регионах может просуществовать около года: обычно это области пониженного давления (например, Исландский или Алеутский циклоны).
Тропические циклоны образуются в тропических широтах и имеют меньшие размеры (сотни, редко — более тысячи километров), но большие барические градиенты и скорости ветра. Тропические циклоны могут в ходе своего развития превращаться во внетропические.
Более подробно тропические циклоны будут рассматриваться в Разделе «Плавание в циклонах».
Антициклоном называется вихрь, в центре которого высокое давление, на периферии – пониженное. Образовывается он в нижних слоях атмосферы Земли, когда холодные воздушные массы вторгаются в более тёплые.
Возникает антициклон в субтропических и приполярных широтах, а скорость его передвижения составляет около 30 км/ч. Для него характерно отсутствие влажности. Антициклон характеризуется сухой, ясной, и безветренной погодой, летом – жаркой, морозной – зимой. Для него также характерны значительные колебания температуры в течение суток (особенно сильна разница на континентах: например, в Сибири она составляет около 25 градусов). Объясняется это отсутствием осадков, которые обычно делают температурную разницу менее заметной.
В Северном полушарии дующие из центра антициклона ветры отклоняются по часовой стрелке (Рис. 4.12), а в Южном – против часовой стрелки. Размеры антициклонов обычно больше, чем циклонов, и перемещаются они медленнее.
Поскольку в антициклоне воздух растекается от центра к периферии, более высокие холодные слои воздуха опускаются, компенсируя его отток.
В циклоне, наоборот, воздух, вытесняемый сходящимися ветрами, поднимается вверх. Поскольку именно восходящие движения воздуха приводят к формированию облаков, облачность и осадки приурочены большей частью к циклонам, тогда как в антициклонах преобладает ясная или малооблачная погода.
Атмосферным фронтом называют границу раздела между двумя воздушными массами разной плотности. Поскольку температура является главным регулятором плотности воздуха, то фронт обычно разделяет воздушные массы с разной температурой. Наряду с этими характеристиками, прохождение фронтов обуславливает изменение давления, направления и силы ветра, влажности, облачности (Табл. 4.2).
Существует несколько типов атмосферных фронтов: теплый фронт, холодный фронт, фронт окклюзии и стационарный фронт. Обычно, фронт называют соответственно температуре воздушной массы, идущей вслед за ним.
При приближении теплого фронта, после первого появления перистых облаков, небо постепенно понижается, наполняясь перисто-слоистыми облаками. 22-градусное гало вокруг солнца или луны указывает на наличие ледяных кристаллов в этих облаках. Непрерывный, мелкий дождь начинается между первым появлением перистых облаков и прохождением самого фронта. Давление постепенно падает, а ветер усиливается и при прохождении фронта достигает наибольшей силы и резко поворачивает по часовой стрелке (Рис. 4.13, Табл. 4.3).
Холодный фронт при своем приближении выглядит как стена темных кучево-дождевых грозовых облаков (Рис. 4.14, Табл. 4.4). При прохождении фронта ожидается проливной дождь с грозой, возможно град. Ветер порывистый и резко сменяет направление по часовой стрелке. Затем небо проясняется.
Участок теплого воздуха в циклоне, ограниченный теплым и холодным фронтом, называется теплый сектор (Рис.4.15). Характеризуется более или менее прямыми изобарами. Погода в теплом секторе характеризуется сильными ветрами постоянной силы и направления. На небе - кучевые и слоисто-кучевые облака, периодически идут ливни.
Фронт, состоящий из двух фронтов и сформированный таким образом, что холодный фронт перекрывает теплый или стационарный фронт, называют фронтом окклюзии (Рис. 4.16).
Это обычный процесс в последней стадии развития циклона, когда холодный фронт догоняет теплый. Существует два основных типа фронтов окклюзии, обусловленных относительной прохладностью воздушной массы, идущей вслед за первоначальным холодным фронтом к воздуху впереди теплого фронта. Это фронты холодной и теплой окклюзии.
Погодные условия при прохождении фронтов окклюзии также неблагоприятны – они сопровождаются дождями с грозами и градом, сильными и порывистыми ветрами с резкой сменой направлений и временами - плохой видимостью.
Фронт, который неподвижен или почти неподвижен, называют стационарный фронт (Рис. 4.17). Обычно фронты, движущиеся со скоростью менее 5 узлов, рассматривают как стационарные.
Погодные условия стационарного фронта не могут быть описаны, как принадлежащие именно этому фронту по той причине, что как теплый, так и холодный фронт могут остановиться в своем движении и превратиться в стационарный фронт. В этом случае он имеет погоду того фронта, из которого он сформировался. На некоторой стадии существования, стационарный фронт будет иметь погодные условия фронта окклюзии. Как только он остается стационарным на долгий период времени, существует большая вероятность приобретения свойств теплого фронта.
В средних широтах северного полушария циклоны обычно движутся в восточном и северо-восточном направлении, а их фронты находятся в южной части циклона. Если судно находится в этой части циклона, оно - на «опасной стороне» циклона и должно быть готовым встретить весьма тяжелые погодные условия. Левая же сторона циклона более безопасна для навигации. Даже циклоны без фронтов, имеют значительно более сильные ветра на своей опасной стороне. Поэтому будет интересным рассмотреть прохождение циклона и фронтов над наблюдателем, находящимся на опасной стороне циклона (Рис. 4.18 – 4.20).
При приближении теплого фронта, атмосферное давление понижается и стабилизируется за фронтом, в теплом секторе. Обычно имеется резкий изгиб в изобарах на линиях фронтов, отражающий различие в структуре воздушных масс. При подходе холодного фронта, давление обычно постоянно или немного понижается с тем, чтобы при прохождении холодного фронта, начался его рост.
Ветер медленно поворачивает против часовой стрелки при подходе теплого фронта. Непосредственно на фронте он резко меняет направление по часовой стрелке, в соответствии с резким изгибом изобар. Такое изменение направления происходит на всех фронтах. В теплом секторе направление ветра стабильно. На холодном фронте изменение направления ветра может быть больше, чем на теплом. Затем ветер плавно идет по часовой стрелке в хвосте циклона.
Скорость ветра постепенно возрастает с приближением теплого фронта и затем стабилизируется в теплом секторе. После прохождения холодного фронта сила ветра уменьшается. Наибольшей силы он достигает при прохождении фронтов. В обоих случаях при пересечении фронтов, ветер становится порывистым и шквальным.
Струйные потоки в атмосфере (Рис. 4.21) представляют собой сильные воздушные течения, как бы струи в середине воздушных потоков, имеющих малые скорости. Вместе с высотными фронтальными зонами они, усиливаясь и ослабевая, быстро смещаются во внетропических широтах на сотни и тысячи километров. Струйные течения обычно имеют протяжение несколько тысяч километров, но интенсивность их не везде одинакова. Усиление и ослабление струйных течений происходит в зависимости от процессов фронтогенеза и циклогенеза. Во фронтальных зонах очень часто скорости ветра на высотах превышают 30 м/сек, или 108 км/ч, т. е. имеют порядок скоростей, принятых в качестве критерия для определения струйных течений.
Струйное течение представляет сплюснутую, сравнительно узкую зону больших скоростей ветра, сотни километров в ширину и несколько километров в толщину. От центра струи скорости ветра к периферии быстро уменьшаются. Эти изменения скорости называют сдвигом ветра. Вертикальный сдвиг ветра составляет 5—10 м/сек на 1 км и боковой сдвиг — 5 м/сек на 100 км.
Струйные течения характерны для всех районов земного шара. По высоте они подразделяются на тропосферные и стратосферные (Рис. 4.22). В свою очередь тропосферные струйные течения подразделяются на струйные течения полярных, умеренных и субтропических широт, с преобладающим западным направлением потоков. Стратосферные струйные течения зимой имеют преимущественно западное, а летом восточное направление.
Струйные течения умеренных широт возникают между высокими антициклонами и циклонами. Они являются наиболее подвижными, а по интенсивности наиболее изменчивы и связаны с непрерывным возникновением и развитием циклонов и антициклонов.
Высота оси струи в умеренных широтах располагается чаще всего на уровне 7—10 км зимой и 8—11 км летом. Максимальные скорости ветра на оси струи колеблются в широких пределах, в зависимости от температурных контрастов в высотных фронтальных зонах. Средние максимальные скорости ветра в струе умеренных широт обычно равны 40—50 м/сек, т. е. являются ураганными. Иногда наблюдаются скорости, превышающие 80—100 м/сек.
Субтропические струйные течения в северном полушарии формируются на северной периферии высоких субтропических антициклонов. Они являются менее подвижными, но при меридиональных преобразованиях заметно перемещаются, меняя интенсивность. Средние максимальные скорости ветра на оси субтропических струй зимой местами превышают 50 — 60 м/сек, летом около 30—40 м/сек. Высота оси струй 12—14 км. Зимой субтропическая струя смещается в сторону тропиков и находится большей частью между широтами 25—35°. К лету она смещается к северу на океанах на 5—10°, на суше на 10—15°. Струйные течения особенно интенсивны у восточных берегов материков Азии и Северной Америки и относительно слабее над восточными районами Атлантики и Тихого океана.
Исследования показали, что любое струйное течение возникает в результате формирования высотных фронтальных зон с большими горизонтальными градиентами температуры. Даже субтропические струйные течения, которые ряд авторов относит к бесфронтальным, также связаны с фронтальными зонами. Как правило, размываясь в нижних слоях, фронт продолжает существовать на высотах, хотя вследствие нисходящих движений происходит уменьшение относительной влажности воздуха и не образуются не только осадки, но и облака (Рис. 4.23.-4.24).
Стратосферные струйные течения усиливаются при меридиональном преобразовании термобарического поля зимой в широтной зоне 50—70° на высотах 25—30 км. Летом для этих высот характерны течения восточного направления с наибольшими скоростями в низких широтах. Средние скорости - свыше 60—70 м/сек. Зимой западные струйные течения характеризуются средними скоростями до 100 м/сек. Максимальные скорости, особенно зимой и в переходные сезоны года, иногда превышают 100—120 м/сек.
Смерч (торнадо) – вращающееся воронкообразное облако (Рис. 4.25). Несмотря на сравнительно небольшие размеры, смерчи относятся к наиболее опасным штормовым явлениям.
Смерч зарождается на высотах до 1000 м над поверхностью. Некоторые из них так и не достигают земли, другие могут коснуться ее и вновь подняться.
Смерчи обычно связаны с грозовыми облаками, из которых на землю выпадает град, и могут возникать группами по два и более. В этом случае первым образуется более мощный смерч, а затем еще один или несколько более слабых вихрей. Их цвет меняется от серого до черного.
Обычно поперечный диаметр воронки смерча в нижнем сечении составляет 300—400 м, хотя, если смерч касается поверхности воды, эта величина может составлять всего 20—30 м, а при прохождении воронки над сушей может достигать 1,5—3 км. Развитие смерча из облака отличает его от некоторых внешне подобных, но различных по природе явлений, например, смерче-вихрей и песчаных вихрей.
Водяной смерч — это воронкообразный воздушно-водяной вихрь (Рис. 4.26), по своей природе подобный обычному смерчу, образующийся над поверхностью большого водоема и соединённый с кучевым облаком. Водяной смерч может образоваться в случае прохождения обычного смерча над водной поверхностью. Чаще встречается в тропических широтах.
В отличие от классического смерча, водяной смерч существует всего 15-30 минут, намного меньше в диаметре, скорость движения и вращения ниже в два-три раза, он не обязательно сопровождается ураганным ветром. Несмотря на то, что в основном водяные смерчи рождаются в тропических широтах, они могут появиться и в умеренных широтах. Их можно часто наблюдать на западном побережье Европы.
Водяные смерчи не ограничены солеными водоемами — многие наблюдались над озёрами и реками. Также водяной смерч был замечен на Волге в период летней жары 2010 года.
Очень часто водяные смерчи встречаются на побережье Черного моря.
Смерчи отмечаются по всему земному шару, но наиболее благоприятные условия для их формирования имеются в центральных районах США (Рис. 4.27). Частота возникновения торнадо обычно повышается в феврале – июне. Среднее количество смерчей на территории США ок. 800 в год. Приблизительно в 80% торнадо на территории США максимальные скорости ветра достигают 65–120 км/ч и только в 1% – 320 км/ч и выше. Приближающийся торнадо обычно издает шум, подобный грохоту движущегося товарного поезда. С 1961 по 1999 г. на территории США от торнадо погибало в среднем 82 человека в год. Однако вероятность того, что смерч пройдет в данном месте, крайне низка, поскольку средняя длина его пробега довольно коротка (ок. 25 км), а полоса охвата невелика (шириной менее 400 м).
Разрушения, вызванные смерчами происходят как из-за ветра огромной силы, так и из-за больших перепадов давления на ограниченной площади. Внутри воронки воздух опускается, а снаружи поднимается, быстро вращаясь. Создаётся область сильно разреженного воздуха. Смерч способен разрушить здание. Резкое снижение давления приводит к тому, что тяжелые предметы, даже находящиеся внутри зданий, поднимаются в воздух, как бы всасываемые гигантским насосом, и иногда переносятся на значительные расстояния.
Для формирования смерча в воздушных массах необходим резкий контраст температуры, влажности, плотности и параметров воздушных потоков. Прохладный и сухой воздух надвигается на теплый и влажный, находящийся в приземном слое. Это сопровождается сильными ветрами в узкой переходной зоне, где происходят сложные преобразования энергии, которые могут вызвать формирование вихря. Вероятно, смерч образуется только при строго определенном сочетании нескольких довольно обычных факторов, изменяющихся в широких пределах.
Сам смерч перемещается вместе с порождающим его облаком. Скорость этого движения может достигать десятков км/ч, обычно 20—60 км/ч. По косвенным оценкам, энергия обычного смерча радиусом 1 км и средней скоростью 70 м/с сравнима с энергией эталонной атомной бомбы, которую взорвали в США во время испытаний 16 июля 1945 года.
Контрольные вопросы для проверки усвоения учебного материала:
- Для какой стадии развития грозы и ливневых осадков характерны восходящие потоки воздуха, а для какой – нисходящие?
- Какие атмосферные процессы фиксируются радиолокатором?
- Преимущества гидрометеорологического мониторинга с использованием ИСЗ?
- По каким признакам классифицируются воздушные массы?
- Основные факторы формирования и признаки внетропических циклонов?
- Основные факторы формирования и признаки антициклонов?
- Как формируются и классифицируются атмосферные фронты?
- Основные признаки приближения и прохождения холодного фронта?
- Основные признаки приближения и прохождения теплого фронта?
- Как формируется фронт окклюзии и стационарный фронт?
- Расположение струйных потоков в атмосфере и их характеристики (размеры, скорости ветра и др.).
- Закономерности образования смерча и его характеристики (размеры, скорости ветра и др.)
Литература
Гидрометеорологическое обеспечение судовождения - Панов Б.Н. [2020]
