Лекции по "Навигационной гидрометеорологии"

Облака классифицируются, кроме того, по генетическим признакам, т. е. по характеру процессов образования (происхождения). Согласно этой классификации все виды облаков разделяют на кучевообразные (конвективные), волнистообразные и слоистообразные.

Формы облаков в тропосфере очень разнообразны. При метеорологических наблюдениях во всех странах используется разработанная международной комиссией морфологическая классификация, в основе которой лежит внешний вид и высота нижнего основания облаков. Эта классификация включает 10 основных форм (родов) облаков, и судоводитель должен уметь различать их.

В этих основных формах различают значительное число видов, разновидностей и дополнительных особенностей, различают также промежуточные формы.

На рис. 1.7 показаны основные роды облаков (облака подразделяются на роды, виды и разновидности). Перистые облака преимущественно состоят из ледяных кристаллов (так называемые ледяные облака). Поскольку кристаллы льда образуются и сублимируют довольно медленно, форма перистых облаков дает возможность различать вертикальные градиенты ветра, существующие на этой высоте. Перистые облака, с характерными резко загнутыми краями, указывают на очень сильные вертикальные сдвиги в воздухе. Перисто-слоистые облака отличаются от высоко-кучевых облаков смешанного строения волнистым краем, а также появлением гало вокруг Солнца или Луны, которое можно увидеть сквозь тонкий слой перисто-слоистых облаков в результате рефракции света на кристаллах льда. Водяные облака обладают, напротив, резко очерченными краями.

Рис. 1.7. Типы облаков и высота, на которой они образуются.  

Слоистые облака образуются на сравнительно небольшой высоте; обычно их основание находится ниже двух километров. Если слоистые облака образуют мощный слой и из них непрерывно идет дождь, их называют слоисто-дождевыми. Слоисто-кучевые и высококучевые облака отличаются главным образом по высоте, на которой находятся их основания; слоисто-кучевые облака обычно более мощные, и между отдельными облаками, как правило, остается меньше чистого пространства, чем у высококучевых. Они могут образовываться соответственно из слоистых и высокослоистых в результате турбулентного или конвективного перемешивания.

Кучево-дождевые облака характеризуются большой вертикальной мощностью. Заметной мощности могут иногда достигать и кучевые облака. Оба эти рода облаков относятся к водяным облакам нижнего яруса, но верхняя часть кучево-дождевого облака, из которого выпадают сильные дожди, состоит из ледяных кристаллов. Международный атлас облаков включает также род перисто-кучевых облаков, однако эти облака-водяные, в то время как все перистые облака являются ледяными. Поэтому некоторые авторы предпочитают опускать этот род облаков и относить их к одному из перечисленных ранее типов: перистых, перисто-слоистых или высококучевых. Более подробную классификацию облаков можно найти в упоминавшемся атласе.

Различные процессы в атмосфере приводят к формированию облаков различных типов. Устойчивый подъем воздуха на большой площади, обусловленный орографическим эффектом или фронтальным подъемом, приводит к формированию на соответствующих высотах слоистых облаков. Конвекция вызывает образование кучевых или кучево-дождевых облаков; в результате турбулентного перемешивания могут образовываться слоистые или (чаще) слоисто-кучевые облака в том случае, если турбуленция захватила поверхностный слой, или же высококучевые облака, если они образовались на большой высоте, например в результате значительного изменения скорости ветра на высоте.

Следует иметь в виду, что нижние основания облаков над океанами располагаются ниже, чем над сушей. Так, основание внутримассовых кучевых облаков может находиться на высоте 0,4— 0,6 км. Это объясняется тем, что из-за большого влагосодержания и большого падения температуры воздуха по высоте уровень конденсации расположен на меньших высотах, чем над сушей. На всех широтах летом облака верхнего яруса и вершины облаков Сu и Сb могут встречаться выше, чем зимой, вследствие того, что тропопауза летом находится выше и поэтому перенос водяного пара возможен до больших высот. Так как в тропиках тропопауза находится на больших высотах, чем в средних и полярных широтах, то облака здесь могут встречаться на высотах 15— 16 км и выше.

Важной характеристикой облаков являются выпадающие из них осадки. Некоторые формы облаков всегда или почти всегда дают осадки, другие облака либо совсем не дают осадков, либо их осадки достигают земной поверхности лишь в исключительных случаях. Иногда осадки бывают очень слабыми, но их выпадение заметно по полосам под основанием облаков. Однако сам факт выпадения осадков, а также их вид (ливневые, обложные или моросящие) и интенсивность служат хорошим признаком для определения формы облаков.

Описание отдельных видов облаков приводится в “Наставлении” и в атласах облаков. Для судоводителей издан специальный “Сокращенный атлас облаков для судовых гидрометеорологических наблюдений”. (М., Гидрометиздат, 1966).

Описание отдельных видов облаков приводится в «Наставлении» и в атласах облаков. Для судоводителей издан специальный «Сокращенный атлас облаков для судовых гидрометеорологических наблюдений». (М., Гидрометиздат, 1966)

При наблюдениях за облачностью судоводитель должен определить общее количество облаков и отдельно количество облаков нижнего яруса в баллах, форму облаков, и высоту их нижней границы. 

Образование кучевообразных (конвективных облаков). К кучевообразным относятся кучевые и кучево-дождевые облака. Эти облака сильно развиты по вертикали и имеют, как правило, небольшую горизонтальную протяженность (по сравнению со слоистообразными).

Рис. 1.8. Схема зарождения облаков: а – кучевообразных, б – слоистообразных, в – волнистообразных. 

Кучевообразные облака развиваются главным образом при неустойчивой стратификации атмосферы и возникают над сушей, в частности над островами, преимущественно в теплое время года, днем, когда для нагревания воздуха снизу создаются благоприятные условия. Над, морем кучевообразные облака образуются обычно в ночное время, в результате ночного радиационного выхолаживания верхней части слоя влажного воздуха, расположенного над сравнительно теплой водной поверхностью. Кроме того, эти облака образуются в любое время года, над морем и сушей, когда холодный воздух быстро подтекает под теплый и последний быстро поднимается вверх, а также при вынужденном подъеме воздуха по горному склону.

При конвекции сначала подъем массы ненасыщенного воздуха идет по сухоадиабатическому закону. На уровне конденсации воздух достигает состояния насыщения и дальше поднимается по влажноадиабатическому закону. Благодаря понижению температуры происходит конденсация водяного пара и образование облачности. Воздух будет подниматься до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой окружающего воздуха. Это произойдет на уровне конвекции. Если восходящие токи встречают на своем пути задерживающий слой (слой инверсии температуры или слой с малым вертикальным температурным градиентом), то развитие облака вверх прекращается и его вершина делается плоской.

Характерной особенностью образования кучевообразных облаков над морем является то, что они возникают отдельными полосами, между которыми находятся значительные пространства чистого неба. Это показывает, что в море имеются районы с неодинаковой температурой поверхностного слоя воды.

Если уровень нулевой изотермы проходит через облако, то в нем не существует резкой границы между жидкими и твердыми частицами, а наблюдаются мощные переходные слои, в которых одновременно присутствуют переохлажденные капли и ледяные кристаллы.

Кучевообразным облакам присуща сильная турбулентность. Скорость чередующихся здесь восходящих и нисходящих струй может достигать 35 м/с и более. 

Образование волнистообразных облаков. К волнистообразным относятся слоистые, слоисто-кучевые, высококучевые и перисто-кучевые облака. Эти облака образуются, когда в воздухе на некоторой высоте располагаются два слоя имеющие разную температуру, влажность и плотность. Если эти два слоя перемещаются один над другим, то на границе между ними возникают волны с большой длиной и амплитудой. В результате образуются облака, располагающиеся полосами, грядами или валами, между которыми бывают видны менее плотные части облака или просветы голубого неба. Охлаждение воздуха при подъеме способствует конденсации пара, вследствие чего облака делаются более плотными. Наоборот, при опускании воздух нагревается, поэтому облачные частицы испаряются и облака редеют, в облачном покрове появляются более светлые части и даже просветы голубого неба.

Образование слоистообразных облаков. К слоистообразным относятся перисто-слоистые, высокослоистые и слоисто-дождевые облака. Эти облака образуются, когда теплый воздух поднимается вверх по клину холодного воздуха, а также при медленном подтекании холодного воздуха под теплый. При подъеме теплого воздуха он адиабатически охлаждается, что приводит к конденсации содержащегося в нем водяного пара.

Суточный и годовой ход облачности различен для разных видов облаков. Суточному и годовому изменению подвержено не только количество облаков, но также их форма и высота.

Над материками в неустойчиво стратифицированной (стратификация – распределение температуры с высотой) воздушной массе (γ>1°С/100м) максимум кучевообразных облаков приходится на послеполуденные часы, а над морем — на предутренние. В устойчиво стратифицированной воздушной массе (γ<1°С/100м) как над сушей, так и над морем максимум слоистой облачности приходится на предутренние часы.

Годовой ход облачности отличается большим разнообразием в разных климатических зонах. Над океаном в высоких широтах наибольшая облачность наблюдается летом, а наименьшая - зимой. Объясняется это тем, что относительно теплый воздух летом, двигаясь над более холодной подстилающей поверхностью океана, охлаждается, что приводит к образованию адвективных туманов и слоистых облаков St. Экстремальные среднегодовые значения облачности в северном полушарии характеризуются следующими величинами: Белое море - 8,8 балла, Египет: (Ассуан) - 0,5 балла. 

Осадки.

Образование осадков почти всегда связано с восходящим движением воздуха. Так как облако состоит из очень мелких частичек с ничтожной скоростью падения, то они не только не выпадают из облака, но поднимаются вверх вместе с воздухом. Одно из условий выпадения осадков заключается в том, что скорость падения облачных частичек должна быть больше, чем скорость вертикального подъема воздуха. Следовательно, для образования осадков капли должны увеличиться до определенных размеров.

Чтобы выпасть на землю, дождевые капли должны пройти путь от облака до земной поверхности, а так как влажность в нижних слоях воздуха обычно недостаточна для насыщения, то падающие капли могут по пути испариться, причем испарение тем больше, чем меньше размер капли. Расчеты показывают, что путь, проходимый каплей до испарения, возрастает примерно пропорционально радиусу капли в четвертой степени. Так, при относительной влажности воздуха 90 % для капли с радиусом 1 мкм это расстояние составляет всего 1—2 см, а радиусом 100 мкм оно увеличивается до 15 см, и только капли с радиусом 1 мм могут пройти путь больше 1 км. При низкой относительной влажности воздуха капли испаряются на еще более коротком пути, и летом, например, под облаками часто наблюдаются темные полосы дождя, не достигающие, земной поверхности. Основными процессами, определяющими рост и укрупнение частиц в облаках, являются их коагуляция (слияние) и конденсация или сублимация на них водяного пара, Но эти процессы в различных облаках протекают по-разному в зависимости от широты (температурных условий), водности и микрофизического строения облака.

Наблюдения, проведенные в облаках, показывают, что хотя большинство капель очень малы (радиус 10—12 мкм), среди них всегда есть относительно «крупные», имеющие в диаметре несколько сотен микрон. По-видимому, они образуются на крупных гигроскопических ядрах. Такие капли растут в результате столкновений с более мелкими. Если облако имеет большую вертикальную мощность и характеризуется высокой водностью, как, например, мощные кучево-дождевые облака в тропиках, то крупные капли становятся настолько тяжелыми, что уже не могут удержаться восходящими токами. Они начинают падать вниз, еще более вырастают за счет дальнейших столкновений и, наконец, выпадают из облака. Некоторые капли достигают критических размеров (до 7 мм в диаметре), становятся неустойчивыми и распадаются. Так начинается «цепная реакция», результатом которой является выпадение сильного ливня.

В тропической зоне, где нижняя часть облаков находится в области высоких положительных температур, происходит и другой процесс, приводящий к росту капель. Так как в облаке существуют восходящие и нисходящие движения, то капли, пришедшие сверху, оказываются на данном уровне холоднее капель, пришедших на тот же уровень снизу. Упругость насыщения над поверхностью более теплой капли больше, чем над поверхностью холодной (при одном и том же радиусе капель). Благодаря этому начнется перегонка пара с теплой капли на холодную, причем тем интенсивнее, чем выше температура окружающего воздуха. В средних широтах, где облака находятся в области низких температур, этот эффект не имеет существенного значения.