Погода и ее предвидение

Облака делятся на три основных класса: кучевообразные, слоистообразные и волнистые[4].

Осадки в свою очередь делятся на ливневые, обложные и моросящие.

Ливневые осадки, выпадающие из кучеводождевых облаков в виде дождя, снега, крупы или града, занимают небольшие площади и сопровождаются резким усилением ветра.

Обложные осадки выпадают из сплошных слоистообразных облаков в виде дождя или снега. Они обычно продолжительны и охватывают большие территории.

Моросящие осадки выпадают из низких слоистых или слоистокучевых облаков в виде мельчайших капель, снежинок или ледяных игл. По характеру они также являются обложными, так как распространяются на больших площадях.

Облака и осадки, наряду с температурой и влажностью воздуха, характеризуют основные свойства воздушных масс.

На синоптических картах часто обнаруживаются зоны, в которых условия погоды на больших пространствах почти не меняются. Это объясняется тем, что над соответствующим районом располагается и перемещается одна и та же воздушная масса.

Основные свойства воздушных масс — температура, влажность, запыленность и т. д., определяются тем районом, где они формируются, находясь продолжительное время в более или менее однородных географических условиях, например, над океаном, над льдами Арктики, над пустынями и т. д. Так, воздушная масса, сформировавшаяся в районе Азорских островов, отличается высокой температурой, большим количеством влаги и большой запыленностью (из-за близости пустыни Сахары). Воздушная масса, текущая из Арктики, во всех своих частях относительно холодна, воздух ее сух и прозрачен.

Каковы причины, которые обусловливают однородность воздушной массы? Вот основные из них. Во-первых, степень нагрева воздушной массы зависит от географической широты места, времени года и времени суток. Очевидно, что, например, воздушная масса в районе Средней Азии получает тепла значительно больше, чем воздушная масса, находящаяся над Арктикой. Во-вторых, на температуре и влажности воздушной массы сказывается влияние подстилающей поверхности, над которой воздушная масса формируется. Как известно, воздух нагревается не непосредственно солнечными лучами, а путем получения тепла от нагреваемой Солнцем земной поверхности, различные же участки земной поверхности нагреваются по-разному. Так, суша нагревается сильнее, чем вода, участки, покрытые растительностью, нагреваются меньше, чем песчаные пустыни и т. д. Соответственно по-разному нагревается и воздух. Подстилающая поверхность, кроме тою, является источником увлажнения воздушных масс. Естественно, что воздушная масса, формирующаяся над океаном, будет содержать больше влаги, чем масса, формирующаяся над континентом.

Воздушные массы делятся на два основных вида — теплые и холодные. Теплой называют массу, у которой температура в нижнем слое выше, чем температура подстилающей поверхности, т. е. той зоны земной поверхности, над которой воздушная масса формируется. Холодной воздушной массой называется та масса, у которой температура в нижнем слое ниже, чем температура подстилающей поверхности.

Теплая воздушная масса, перемещаясь над холодной подстилающей поверхностью, охлаждается снизу. Благодаря этому внутри массы создаются условия, неблагоприятные для возникновения вертикальных потоков. Перенос водяных паров вверх при этом незначителен и конденсация водяного пара наблюдается только в нижних слоях в виде туманов, сплошных низких облаков и моросящих туманообразных дождей.

При движении холодной воздушной массы над более теплой подстилающей поверхностью нижние слои воздуха начинают прогреваться, внутри массы создаются условия, благоприятные для развития вертикальных потоков. Эти потоки переносят водяные пары высоко вверх и вызывают образование кучевообразных облаков и интенсивных осадков.

По своему географическому происхождению воздушные массы в северном полушарии делятся на арктические (АВ), умеренные (УВ), тропические (ТВ) и экваториальные (ЭВ). Кроме того, каждый из этих типов разделяется на два подтипа — морской и континентальный, в зависимости от того, где (над морем или над сушей) находится очаг формирования воздушной массы.

Наблюдениями были установлены следующие особенности географических типов воздушных масс. Арктический воздух формируется в центральном полярном бассейне. При этом континентальный арктический воздух (КАВ) приходит в Европу через Баренцево и Карское моря или с Таймыра; на Азиатскую часть СССР — с сибирских районов Арктики, с районов Таймыра, бассейна Колымы и с Чукотки. Морокой арктический воздух (МАВ) вторгается в Европу из района Гренландия — Шпицберген через Норвежское или Северное моря, а из восточного сектора Арктики — на Чукотку, Берингово море, Тихий океан. Как правило, он приносит понижение температуры. «Волны холода» распространяются до южных границ нашей страны. Летом сухой и холодный арктический воздух, попадая на материк, быстро прогревается и приводит к жаркой сухой погоде. Во многих случаях он создает засушливую погоду в районах Приуралья и Заволжья.

Воздух умеренных широт (УВ) приобретает свои свойства в умеренной зоне материков (КУВ) или океанов (МУВ). Морской воздух умеренных широт поступает летом на материк в виде холодной массы, но довольно быстро прогревается. Появление МУВ летом приводит к образованию кучевообразной облачности и ливневых облаков. Зимой морской воздух умеренных широт приходит на материк в виде теплой массы, которая постепенно охлаждается над холодной подстилающей поверхностью. Вторжение МУВ зимой часто приводит к оттепелям с низкой облачностью, туманами и моросящими осадками.

Континентальный умеренный воздух (КУВ) образуется над континентом Европы из масс арктического или морского умеренного воздуха. В первом случае он обладает небольшим запасом влаги и облачность в нем небольшая, во втором влажность его, а соответственно и облачность, больше. Зимой над арктическим материком КУВ может охлаждаться до очень низких температур. Так, в районе Верхоянск — Оймякон зимой температура воздуха понижается иногда до 70 градусов мороза.

Тропический воздух формируется в субтропических, районах. Континентальный тропический воздух (КТВ) образуется на севере Африки и на юге Азии, на юге Европейской части СССР и в Средней Азии, а морской тропический воздух (МТВ) в районе Азорских островов. В Европу МТВ приходит как теплая устойчивая масса со сплошной низкой облачностью, туманами и моросящими осадками. Континентальный тропический воздух летом характеризуется образованием кучевообразных облаков и дождями, иногда с грозами. Весной и летом — это типичная устойчивая масса со слоистой облачностью, туманами.

Перемещаясь в другой район, воздушная масса несет туда свои свойства; однако одновременно эти свойства постепенно изменяются в зависимости от влияния подстилающей поверхности. Таким образом, свойства воздушных масс не остаются неизменными. Недостаточно определить, из какого района и с какими свойствами вышла данная воздушная масса. Нужно учесть и ее возможное превращение под влиянием подстилающей поверхности, над которой масса перемещается.

Характер погоды в районе, куда пришла та или иная воздушная масса, будет определяться, с одной стороны, теми свойствами массы, которые она приобрела в районе формирования, а с другой, — теми изменениями, которые воздушная масса претерпела и претерпевает по пути движения.

Воздушные массы находятся в постоянном взаимодействии. Соседние массы различной температуры, влажности и прозрачности разделяются более или менее узкими переходными зонами, которые характеризуются быстрым переходом от свойств одной массы к свойствам другой. Эти зоны носят название атмосферных фронтов. Ширина такой переходной зоны у поверхности земли обычно не превышает 100 километров. В вертикальном сечении фронт представляет собой наклонную поверхность толщиной порядка нескольких сотен метров, причем под поверхностью раздела находится холодный воздух, а над поверхностью теплый (рис. 6).

Рис. 6. Положение фронтальной поверхности в пространстве.

Если фронт перемещается в сторону холодного воздуха, т. е. холодный воздух отступает от теплого, то фронт называется теплым. Если же фронт перемещается в сторону теплого воздуха (холодный воздух смещается в сторону теплого), фронт называется холодным.

По горизонтали протяженность фронтов может быть весьма значительной, достигая многих сотен и даже нескольких тысяч километров.

На синоптических картах линии фронтов обозначаются разными цветами: теплый — красным, а холодный — синим, а на картах типографских изданий — черными зубчатыми линиями: теплые фронты линиями с круглыми зубцами, а холодные — линиями с острыми зубцами. При этом зубцы обращены в сторону перемещения фронта; у линии теплого фронта они обращены в сторону холодного воздуха, а у линии холодного фронта — в сторону теплого воздуха.

Фронт, который не смещается, называют стационарным. Обозначается он комбинированным расположением круглых и острых зубцов (рис. 7).

Рис. 7. Обозначение линий атмосферных фронтов на синоптических картах:

а) теплый фронт, б) холодный фронт, в) стационарный фронт.

Наклон фронтальной поверхности к горизонтальной плоскости очень невелик и в среднем колеблется около 0,5°. Подсчеты показывают, что при наблюдающихся наклонах фронтальной поверхности горизонтальное протяжение фронта может быть в 50–300 раз больше его высоты. Это необходимо учитывать при рассмотрении приводимых в дальнейшем схем вертикального строения фронтов, на которых в связи с размерами чертежей углы наклона фронтов даны значительно большими, чем в действительности.

Наибольшая протяженность фронтов по высоте в наших широтах составляет 8–12 километров.

Основные зоны образования атмосферных фронтов — это разделы между основными воздушными массами по их географической классификации. Это так называемые главные фронты. Названия их определяются по более холодной из двух масс. Так, раздел между арктическим воздухом и воздухом умеренных широт носит название арктического фронта. Раздел между воздухом умеренных широт и тропическим воздухом называется полярным (умеренным) фронтом. Между тропическим и экваториальным воздухом располагается тропический фронт.

Главные фронты подразделяются на отдельные ветви. Кроме того, они претерпевают изменения и во времени, иногда размываясь и возникая вновь. При этом каждый главный фронт на отдельных участках может быть теплым или холодным, в зависимости от того, в какую сторону происходит смещение фронта на том или ином участке.

Следует отметить, что анализ высотных синоптических карт позволяет находить фронтальные зоны на больших высотах. Если рассмотреть эти зоны над всем северным полушарием, то оказывается, что они, как правило, опоясывают весь земной шар, разрываясь лишь на сравнительно небольших расстояниях. Четко выраженные при этом потоки воздуха обладают большими скоростями, порядка 70–100 метров в секунду (т. е. 250–350 километров в час). Эти потоки носят название струйных течений, а зоны, в которых они наблюдаются, называются планетарными высотными фронтальными зонами. Ширина планетарной фронтальной зоны может достигать 500–1000 километров.

Причиной возникновения главных фронтов является перемещение огромных масс воздуха в земной атмосфере в связи с ее общей циркуляцией.

Подробнее об этом мы будем говорить дальше. Сейчас же разберемся в том, как отражается прохождение фронтов на погоде.

Как уже говорилось, при возникновении теплого фронта (рис. 8) более теплый воздух, натекая на отступающую массу более холодного воздуха, медленно поднимается вверх и начинает охлаждаться. Это охлаждение приводит к конденсации содержащегося в теплом воздухе водяного пара и к образованию облачности, а затем и осадков. Так как в этом случае теплая масса воздуха спокойно натекает на более холодную, то образующиеся облака располагаются растянутым слоем вдоль поверхности раздела. При этом впереди теплого фронта на расстоянии до 1000 километров от линии фронта на высоте 9–10 километров образуются тонкие перистые облака. Эти облака, кстати, при их дальнейшем уплотнении являются характерным признаком приближения теплого фронта. Вслед за ними надвигаются также тонкие, но несколько более плотные перистослоистые облака. Затем облака еще более уплотняются, снижаются и переходят в высокослоистые, закрывающие небо сплошной пеленой. В самой фронтальной зоне к этим облакам добавляются низкие слоистодождевые и разорваннодождевые облака.

Рис. 8. Теплый фронт в разрезе.

Ширина всей этой облачной системы обычно равна нескольким сотням километров, длина же вдоль линии фронта может достигать нескольких тысяч километров.

Мощность облачного слоя по вертикали увеличивается по мере снижения фронтальной поверхности и может значительно изменяться в зависимости от активности фронта. В случае резко выраженного теплого фронта, когда теплый воздух активно натекает по клину холодной массы, слой слоистодождевых и высокослоистых облаков превышает 5–6 километров по вертикали. Осадки в виде обложного дождя при этом наблюдаются в зоне до 300 километров вперед от линии теплого фронта, а осадки в виде снега — в зоне до 400 километров. Интенсивность осадков повышается по мере приближения к линии фронта. Прекращаются они либо вдоль линии фронта, либо на некотором расстоянии от нее (не далее 50 километров). Прохождение теплого фронта обычно вызывает потепление.

В теплом воздухе за фронтом в большинстве случаев наблюдается пасмурная погода со слабыми осадками. Если запас влаги в нем невелик, погода может здесь проясняться.

В отдельных случаях, в частности, при очень большой влажности теплого воздуха, натекание его по клину холодного воздуха уже не носит спокойного характера: он довольно бурно поднимается вверх. Это приводит к развитию над фронтальной поверхностью кучеводождевых облаков, из которых выпадают ливневые осадки; иногда наблюдаются и грозы. Подобные явления, однако, сравнительно редки и еще не очень хорошо изучены.

При очень небольшой влажности теплого воздуха теплый фронт может и не вызывать облачности. В этом случае его продвижение можно обнаружить лишь измерением температуры, в частности, по наблюдениям температуры на разных высотах.

На рис. 9 изображено, как выглядит теплый фронт на синоптической карте за 9 часов 3 марта 1955 года.

Рис. 9. Теплый фронт на синоптической карте за 9 часов 3 марта 1955 г.

Фронт обозначен зубчатой линией, полукруглые зубцы на которой обращены в сторону движения фронта. В более теплой массе воздуха, к западу от линии фронта, температура (она указана цифрами слева, сверху близ кружков, обозначающих метеорологические станции) колеблется в пределах от –3 до –9 градусов, а в более холодной массе, к востоку от линии фронта, в пределах от –10 до –22 градусов.

Перед линией фронта широкая полоса, покрытая штрихами, обозначает зону осадков. Об этих осадках в виде снега свидетельствуют расположенные у кружков-станций значки в виде звездочек. Кружки в зоне осадков зачернены полностью: это означает, что во всей зоне сплошная облачность. Высоты нижнего слоя облаков колеблются в пределах 300–600 метров.

Рассматривая стрелки, обозначающие направление ветра, нетрудно видеть, что более теплая воздушная масса перемещается с запада на восток, а более холодная — с юга на север.

Холодный фронт образуется, когда массы холодного воздуха подтекают под отступающий теплый воздух.

Рис. 10. Холодный фронт в разрезе:

а) быстро движущийся холодный фронт, б) медленно движущийся холодный фронт.

Различают два рода таких фронтов (рис. 10). Холодный фронт первого рода (рис. 10, б) характеризуется тем, что холодный воздух, подтекая под теплый, движется сравнительно медленно. При этом вдоль фронта, часто на сотни километров, образуется мощная кучеводождевая облачность с ливнями, грозами и шквалами. По мере продвижения холодного воздуха поверхность раздела между ним и теплым воздухом повышается и становится более пологой. В результате за линией фронта теплый воздух натекает на вторгающийся в него клин холодного воздуха уже более медленно. При этом кучеводождевые облака сменяются равномерным покровом слоистодождевых и высокослоистых облаков, мощность которых по вертикали постепенно уменьшается по мере удаления от линии фронта. Из этих облаков, в зоне до 200 километров за линией фронта, выпадают обложные осадки. Если масса холодного воздуха неустойчива, в зафронтальной зоне могут развиваться облака кучевых форм.

Холодный фронт второго рода (рис. 10, а) отличается от первого тем, что холодный воздух движется значительно быстрее. Вытеснение теплого воздуха происходит очень бурно, сопровождается сильным и быстрым развитием мощных кучеводождевых облаков, грозами и ливнями. Вдоль фронта нередко (при большой разнице в температурах теплой и холодной масс воздуха) возникают шквальные ветры, достигающие разрушительной силы. Впереди фронта, на расстоянии до 200 километров, иногда наблюдаются высококучевые, так называемые чечевицеобразные облака.

Характер облачности быстро движущегося холодного фронта второго рода зависит от времени суток. Ночью и утром фронт зачастую значительно размывается и сопровождается образованием низких облаков, разорваннодождевых или слоистых. Днем этот фронт рождает мощную кучеводождевую облачность.

Холодные фронты особенно отчетливо проявляют себя в теплое время года. В холодное время года все явления холодного фронта выражены гораздо менее резко. Обычно в этом случае дело ограничивается тем, что на линии фронта развивается слоистокучевая или слоистая облачность и выпадают осадки.

Зона ливневых осадков при прохождении холодного фронта второго рода обычно ограничивается шириной в 10–20 километров. Прохождение холодного фронта, как правило, вызывает похолодание.

На рис. 11 показан холодный фронт на синоптической карте за 15 часов 17 июня 1955 года. Он обозначен зубчатой линией; острия зубцов направлены в сторону перемещения фронта. В более холодной массе воздуха, к западу от линии фронта, температура воздуха колеблется в пределах от 12 до 16 градусов. В менее холодной массе, к востоку от линии фронта, температура достигает 25–28 градусов. Значки облачности на линии фронта  свидетельствуют о наличии кучеводождевых облаков, а значки  обозначают грозы.

Рис. 11. Холодный фронт на синоптической карте за 15 часов 17 июня 1955 г.

По стрелкам, указывающим направление ветра, видно, что более холодная масса воздуха перемещается с северо-запада на юго-восток, а более теплая масса воздуха — в основном с юга на север.

Помимо основных типов фронтов, теплого и холодного, в атмосфере возникают еще так называемые фронты окклюзии. Дело в том, что холодный фронт всегда следует за теплым, и так как он движется быстрее теплого, то в конце концов нагоняет его. В результате массы воздуха, следующие за холодным фронтом, смыкаются с массами воздуха, отступающими перед теплым фронтом, а теплый воздух вытесняется вверх. Это явление и называется окклюзией[5]. Различают три типа окклюзий.

Окклюзия по типу холодного фронта возникает в том случае, когда массы воздуха, следующие за холодным фронтом, оказываются более холодными, чем массы воздуха, отступающие перед теплым фронтом. При этом более холодный воздух, смыкаясь с менее холодным, будет подтекать под последний и заставлять его подниматься вверх. В результате этого движения, а также смыкания облачности и осадков холодного и теплого фронтов, получается картина, изображенная на рис. 12.

Рис. 12. Фронт окклюзии по типу холодного фронта.

Рис. 13. Фронт окклюзии по типу теплого фронта.

Окклюзия по типу теплого фронта возникает в случае, если массы воздуха, следующие за холодным фронтом, оказываются менее холодными, чем массы воздуха, отступающие перед теплым фронтом. Нетрудно видеть, что при этом менее холодные массы, встречаясь с более холодными, начинают скользить вверх, натекая вдоль поверхности раздела теплого фронта.

Распределение облачности и осадков при этом типе окклюзии показано на рис. 13. Облачность имеет здесь различную мощность, распространяясь по вертикали иногда на значительную высоту. В большинстве случаев наблюдается несколько слоев облаков. Верхняя граница самого нижнего слоя лежит обычно на высоте 1000–1500 метров, а самого верхнего слоя — достигает высоты 5000 и более метров.

На рисунках 12 и 13 изображена начальная стадия окклюзии. В дальнейшем в массе вытесняемого теплого воздуха образуется плотный слой волнистых облаков.

Горизонтальные движения воздуха и их влияние на погоду

Итак, изменения погоды обусловливаются движением и взаимодействием воздушных масс. Если по синоптическим картам будет установлено, что какая-либо воздушная масса в каком-то районе задерживается, то можно считать, что погода в этом районе будет меняться мало. Если же по картам видно, что воздушная масса скоро уступит свое место другой, с иными свойствами, то следует ожидать и соответствующего изменения погоды. Отсюда становится ясно: чтобы решать вопросы о вероятных переменах погоды, необходимо разбираться в причинах и закономерностях горизонтальных движений воздуха.

Как же возникают в атмосфере горизонтальные движения воздуха? Исследования показали, что основной причиной возникновения воздушных течений является неравномерное распределение атмосферного давления. Если на какой-то площади создается высокое давление, то избыток масс воздуха над ней начинает оттекать к областям с более низким давлением. Разность давления и является той движущей силой, которая вызывает перемещение воздуха. Причиной неоднородного распределения давления является неравномерность распределения температуры воздуха. Эта неравномерность приводит к тому, что атмосфера в разных ее частях оказывается нагретой не одинаково. В результате в ней как бы создаются столбы воздуха с разной температурой. В более теплом воздухе давление его с высотой уменьшается медленнее, чем в более холодном, и на некоторой высоте давление в теплом воздухе окажется выше, чем давление на той же высоте в холодном воздухе. Это вызовет в верхнем слое ток более теплого воздуха в сторону холодного. В результате произойдет увеличение массы в столбе холодного воздуха и повышение давления у его основания. Это, в свою очередь, вызовет в нижнем слое движение холодного воздуха в сторону теплого. Очевидно, что эти рассуждения сохраняют силу вне зависимости от масштабов процесса. Следовательно, они могут быть применимы и при рассмотрении вопроса о циркуляции атмосферы всего земного шара, так как на Земле всегда имеются постоянный очаг тепла (экваториальная зона) и два постоянных очага холода (район полюсов).

Разберемся в этом подробнее.

Как уже говорилось, поверхность земного шара нагревается Солнцем неодинаково. Непосредственно лучами Солнца воздух нагревается очень незначительно, основная масса тепла поступает в атмосферу от нагретой Солнцем поверхности Земли. Атмосферный воздух нагревается от земной поверхности как от печки.