Лекции по "Навигационной гидрометеорологии"

Такие условия погоды характерны при перемещении воздушной массы из теплого района океана в более холодный. Поэтому в теплой воздушной массе плавание будет проходить а условиях плохой видимости, а при отрицательной температуре воздуха возможно обледенение. Холодная воздушная масса

Холодные воздушные массы обычно бывают устойчивыми. При перемещении в районы с более теплой подстилающей поверхностью холодная воздушная масса начинает прогреваться снизу. Это приводит к усилению конвекции, что уменьшает устойчивость воздушной массы (рис. 2.1.2).

Рис. 2.1.2. Погода над морем в холодной воздушной массе.

По мере увеличения неустойчивости возрастает турбулентность, а это приводит к усилению ветра порывистого характера. Теплый воздух, поднимаясь вверх, охлаждается, водяной пар, находящийся в воздухе, конденсируется, образуются облака кучевых форм. Выпадают ливневые осадки, сопровождаемые в летний период грозовыми явлениями и шквалами. Условия плавания в холодной воздушной массе благоприятны, за исключением зоны ливневых осадков, при подходе к которой наблюдается шквалистый ветер.

Чтобы определить, охлаждается или прогревается воздушная масса в данном районе, следует сравнить за несколько дней температуру воздуха, измеренную в один и тот же срок, или же средние суточные температуры воздуха.

Местной (нейтральной) воздушной массой называют массу, находящуюся в тепловом равновесии со своей средой, т.е. день за днем сохраняющую свои свойства без существенных изменений.

Таким образом, трансформирующаяся воздушная масса может быть и теплой, и холодной, а по завершении трансформации она становится местной. 

 

Неустойчивые и устойчивые воздушные массы

Воздушная масса может характеризоваться как неустойчивым, так и устойчивым равновесием. Данное разделение воздушных масс учитывает один из важнейших результатов теплового обмена – вертикальное распределение температуры воздуха и соответствующий ему вид вертикального равновесия. С устойчивыми и неустойчивыми воздушными массами связаны определенные условия погоды.

Устойчивой (УВМ) называют воздушную массу, в которой преобладает устойчивое вертикальное равновесие, т.е. в основной ее толще вертикальный температурный градиент g меньше влажноадиабатического gва.

Термическая конвекция в УВМ не развивается, а динамическая развита слабо. Среднее значение вертикального температурного градиента в УВМ обычно меньше 0.6°/100м. Здесь встречаются слои инверсии и изотермии (задерживающие слои).

В УВМ могут возникать облака динамической конвекции – слоистые и слоисто-кучевые. Если же динамическая конвекция развита незначительно, например, при слабых ветрах, или же уровень конденсации лежит выше верхней границы динамической конвекции, то наблюдается ясная погода.

Значительных осадков в УВМ не наблюдается, из слоистых облаков, достигших значительной вертикальной мощности, в ряде случаев могут выпадать моросящие осадки, а из слоисто-кучевых зимой – слабый снег. Ввиду малого вертикального обмена скорость приземного ветра более или менее слабая. В случае мощных приземных инверсий у земли преобладает штиль. Благодаря слабому вертикальному обмену, в УВМ обычно наблюдаются дымки, а в ряде случаев и туманы.

Неустойчивой (НВМ) называется воздушная масса, в основной толще которой преобладает влажнонеустойчивое равновесие. Здесь различают абсолютную неустойчивость, или сухонеустойчивость, когда g>gва, и относительную неустойчивость, или влажнонеустойчивость, когда g>gа.

Среднее значение вертикального температурного градиента в НВМ чаще всего более 0.6°/100м. В неустойчивой воздушной массе может развиваться как термическая, так и динамическая конвекция. чем слабее ветер, тем более преобладает термическая конвекция, при значительных скоростях ветра и быстром изменении его с высотой роль динамической конвекции возрастает.

Для НВМ характерны кучевые и кучево-дождевые облака. Если преобладает динамическая конвекция, то облачность частично или полностью имеет характер слоисто-кучевой, иногда довольно большой вертикальной мощности.

Скорость ветра в НВМ при одной и той же величине барического градиента больше, чем в устойчивой. Ветер часто бывает порывистым, а при прохождении кучево-дождевых облаков наблюдаются шквалы. Наиболее ярко неустойчивость проявляется в образовании мощных кучево-дождевых облаков, выпадении ливневых осадков, развитии гроз.

Чем больше неустойчивость ВМ, тем на большую высоту может подняться данная воздушная масса.

Поскольку величина gва сильно зависит от температуры воздуха и меньше от давления (табл. 4.):

Таблица 4.

Зависимость gва от температуры и давления воздуха

Давление, гПа	Т,  °С	gва,  °С/100м
1000	20	0.44
	0	0.66
	-20	0.88
	<-45	gса=0.98
500	20	0.34
	0	0.52
	-20	0.78

 

 

Отсюда следует, что более теплая воздушная масса относительно и более неустойчива, чем холодная – температура в ней с высотой падает медленнее, чем в холодной, поэтому более теплая воздушная масса имеет возможность подняться на большую высоту, пока ее температура не сравняется с температурой окружающей среды и прекратится подъем.

Кроме того, при одних и тех же условиях более влажная масса относительно неустойчивее менее влажной воздушной массы. Другими словами, чем ниже уровень конденсации в воздушной массе, тем она относительно более неустойчива при прочих равных условиях. Это можно проиллюстрировать следующими соображениями. Температура поднимающейся частицы воздуха до уровня конденсации изменяется по сухоадиабатическому закону, т.е. температура воздуха понижается на 0.98°С/100м, выше уровня конденсации – по влажноадиабатическому закону, т.е. в среднем с gва=0.66 °С/м (см. табл. 10.2).

Очевидно, при одной и той же начальной разности между воздушной частицей и средой и при одном и том же значении g в окружающем воздухе частица поднимется на большую высоту (где ее температура сравняется с температурой окружающей среды и прекратится подъем), если происходит подъем влажного воздуха и в процессе подъема будет достигнуто насыщение водяного пара, и на меньшую высоту, если поднимается сухой или менее влажный воздух.

Особенно велико влияние на устойчивость воздушной массы свойств подстилающей поверхности.

Если воздушная масса теплее подстилающей поверхности, то в приземном слое она охлаждается, у земли температуры воздуха могут стать ниже, чем на более высоких уровнях, могут образоваться задерживающие слои. Воздушная масса становится устойчивой, по крайней мере, в нижнем слое атмосферы.

Если воздушная масса холоднее подстилающей поверхности, то в приземном слое она прогревается, увеличиваются контрасты температуры между нижними слоями атмосферы и вышележащими, величина g быстро возрастает и создаются благоприятные условия для развития конвекции. Воздушная масса становится неустойчивой.

Свойства УВМ и НВМ подвержены суточному ходу. Например, летом над сушей неустойчивая воздушная масса ночью приобретает многие свойства устойчивой. Исчезают конвективные облака, возникают приземные инверсии и даже радиационные туманы. Устойчивая воздушная масса над сушей бывает наиболее выражена ночью. Таким образом, определяя, является ли данная воздушная масса над сушей устойчивой или неустойчивой, основное внимание надо обращать на явления погоды, развивающиеся днем.

Над морем наблюдается обратный суточный ход свойств УВМ и НВМ. Следовательно, над морем более показательны явления погоды, наблюдающиеся ночью, особенно это относится к неустойчивым воздушным массам.

Но все же более часто встречаются воздушные массы со слабо выраженной неустойчивостью или устойчивостью, и нелегко бывает решить, к какому типу их отнести. 

 

Теплая устойчивая воздушная масса

Условия подстилающей поверхности. Теплая устойчивая воздушная масса над материками наблюдается, как правило, в холодную половину года. Обычно это воздушная масса, перемещающаяся с теплого океана на холодный материк. Над океанами и морями теплая устойчивая воздушная масса отмечается в основном в теплую половину года, когда теплый воздух с материка смещается на холодную водную поверхность.

Синоптические условия. Теплая устойчивая воздушная масса поступает в данный район в теплых секторах циклонов и примыкающих к ним северных окраин антициклонов.

Типичная погода. Сплошная слоистая или слоисто-кучевая облачность, иногда с выпадением моросящих осадков или с образованием адвективных туманов. Суточный ход метеорологических элементов выражен слабо. Возможно возникновение адвективной инверсии температуры, в особенности при движении воздушной массы над охлажденной поверхностью с большой теплоемкостью (снежный покров, поверхность моря). Турбулентное перемешивание может “поднять” инверсию к верхней границе турбулентного слоя. В отдельных случаях вертикальная мощность слоистых облаков возрастает настолько, что они достигают своей верхней границей уровня кристаллизации, превращаются в слоисто-дождевые и начинают давать обложные осадки. 

 

Холодная устойчивая воздушная масса

Условия подстилающей поверхности. Холодная устойчивая воздушная масса наблюдается над материками, в основном, зимой. Над океанами и морями – как правило, не отмечается.

Синоптические условия. Антициклонические системы в целом, особенно – центральные части антициклонов.

Типичная погода. Основной тип – морозная безоблачная погода, иногда с радиационными туманами. Дополнительный тип – значительная и сплошная слоистая и слоисто-кучевая облачность, иногда слабые снегопады. 

 

Теплая неустойчивая воздушная масса

Условия подстилающей поверхности. Теплая неустойчивая воздушная масса над материками наблюдается летом, вблизи побережий морей может наблюдаться и зимой. Над океанами и морями теплая неустойчивая воздушная масса наблюдается в холодную половину года.

Синоптические условия. Условия, при которых воздушная масса может быть неустойчивой достаточно разнообразны. Теплая воздушная масса может быть неустойчивой в теплых секторах циклонов и на западной периферии антициклонов. Как правило, неустойчива относительно теплая воздушная масса во вторичных теплых секторах циклонов.

Типичная погода. Кучевая, иногда кучево-дождевая облачность с ливневыми осадками, часто с грозами, в том числе, ночными, радиационными туманами (преимущественно после выпадения дождя и ночного прояснения).  

 

Холодная неустойчивая воздушная масса

Условия подстилающей поверхности. Холодная неустойчивая воздушная масса над материками наблюдается летом, над океанами и морями – преимущественно в холодное полугодие.

Синоптические условия. Холодная неустойчивая воздушная масса наблюдается в тыловых частях циклонов за холодными фронтами и частично примыкающими к ним окраинами антициклонов.

Типичная погода. Кучевая, кучево-дождевая облачность, ливневые осадки, часто многократно повторяющиеся, иногда днем грозы, ночью над материками наблюдаются радиационные туманы.  Суточный ход метеорологических элементов особенно велик. Холодная неустойчивая воздушная масса особенно характерно проявляется ранней весной – “апрельская погода”, когда в северной зоне умеренных широт еще лежит снег, а в южной зоне почва уже заметно прогрелась.

Нейтральные (местные) воздушные массы в любой сезон могут быть как устойчивыми, так и неустойчивыми в зависимости от начальных свойств и направления трансформации той воздушной массы, из которой образовалась данная воздушная масса. Над материками нейтральные воздушные массы летом, как правило, неустойчивы, зимой – устойчивы. Над океанами и морями такие массы летом чаще устойчивы, зимой неустойчивы.

Неравномерная адвекция температуры на различных высотах приводит к возрастанию устойчивости, если с высотой адвекция тепла усиливается или адвекция холода уменьшается. При уменьшении адвекции тепла с высотой или возрастании адвекции холода происходит повышение неустойчивости воздушной массы. Наибольший эффект имеет место, когда знак адвекции в нижнем слое противоположен знаку адвекции в верхнем слое. Радиационное охлаждение верхнего слоя воздушной массы способствует возрастанию неустойчивости, а нагревание – возрастанию устойчивости.

К оглавлению. 

 

 

 

Атмосферные фронты. Классификация фронтов

Неравномерное нагревание земной поверхности и нижних слоев атмосферы является причиной возникновения горизонтальных градиентов температуры. Особенно большие горизонтальные градиенты температуры воздуха создаются между высокими и низкими широтами. Вследствие горизонтального переноса теплые и холодные воздушные массы могут сближаться друг с другом или, наоборот, удаляться друг от друга.

При сближении воздушных масс, имеющих различные характеристики, в зоне их сближения увеличиваются горизонтальные градиенты температуры воздуха, влажности, давления, возрастает скорость ветра. Наоборот, при удалении воздушных масс друг от друга градиенты метеорологических величин и скорости ветра уменьшаются. Зоны в тропосфере, в которых происходит сближение воздушных масс с различными характеристиками называются переходными зонами или фронтальными поверхностями.