Лекции по "Навигационной гидрометеорологии"

Понятие фронтов и фронтальных поверхностей было введено в метеорологическую литература и практику в 1918 г. Я. Бьеркнесом (Бергенская школа в Норвегии), который показал, что распределение метеорологических элементов во внетропических циклонах скорее прерывное, чем непрерывное. Бьеркнес нашел, что поверхность разрыва имеет небольшой наклон, причем, холодный (более плотный) воздух образует клин под теплым (менее плотным) воздухом.

В дальнейших исследованиях понятие фронтов было расширено – подчеркивалась их роль как существенных звеньев в общей циркуляции атмосферы высоких и средних широт.

На существование фронтальных зон и их роль в образовании атмосферных вихрей указывал еще в середине прошлого века адмирал Фицрой (1863 г.). Он предполагал, что развитие атмосферных процессов происходит бурно и сопровождается образованием вихрей в тех районах, где встречаются холодные массы воздуха, идущие с севера, и теплые массы воздуха, идущие с юга. Подобная мысль была еще раньше (1837 г.) высказана Дове. Однако, эти предположения не были восприняты с должным вниманием.

Фактически в 1878-1879 гг. ученые Ли и Кеппен выявили характерные признаки того важного явления, которое мы теперь называем холодным фронтом. Но частью последовательной научной системы это понятие стало лишь с 1918 г., когда оно вновь было открыто Бергенской школой.

Теплый фронт долгое время ускользал от внимания метеорологов. И только после 60-ти лет составления синоптических карт в 1918 г. теплый фронт был открыт Бергенской школой и изучена его структура.

Итак, “фронтальная поверхность” – это наклонная поверхность или зону перехода, разделяющую воздушные массы с различными свойствами, в том числе, с различной плотностью.

Проекция фронтальной поверхности на приземную синоптическую карту называется атмосферным фронтом, на карты барической топографии –высотной фронтальной зоной.

Атмосферными фронтами, или просто фронтами, называются переходные зоны между двумя различными воздушными массами. Переходная зона начинается от поверхности Земли и простирается вверх до той высоты, где различия между воздушными массами стираются. Обычно в зависимости от времени года и широты места они прослеживаются до высоты 9—12 км.

Ширина переходной зоны у поверхности Земли не превышает 100 км.

В переходной зоне — зоне соприкосновения воздушных масс — наблюдаются резкие изменения значений метеорологических элементов (температуры, влажности). Здесь наблюдается значительная облачность, выпадает больше всего осадков, происходят наиболее интенсивные изменения давления, силы и направления ветра.

В зависимости от направления перемещения теплых и холодных масс воздуха, расположенных по обе стороны от переходной зоны, фронты делят на теплы и холодные. Фронты, которые мало изменяют свое положение, называют малоподвижными. Особое положение занимают фронты окклюзии, образовавшиеся при смыкании теплого и холодного фронтов. Фронты окклюзии могут быть по типу как холодного, так и теплого фронтов. На картах погоды фронты проводятся либо цветными линиями, либо в виде условных обозначений (см. стр. 8). Подробно о каждом из этих видов фронтов будет сказано ниже. 

 

Теплый фронт

Если фронт движется так, что холодный воздух отступает, уступая месту теплому воздуху, то такой фронт называется теплым. Теплый воздух, продвигаясь 'вперед, не только занимает пространство, где раньше находился холодный воздух, но и 'поднимается вверх 'вдоль переходной зоны. По мере подъема теплый воздух охлаждается, водяной пар, находящийся в нем, конденсируется. В результате этого образуются облака (рис. 11).

Рис. 2.1.3. Теплый фронт на вертикальном разрезе и на карте погоди.

На рис 2.1.3 показаны наиболее характерная облачность, осадки и воздушные течения теплого фронта. Первым признаком приближения теплого фронта будет появление перистых облаков (Ci). Давление при этом начнет падать. Через несколько часов перистые облака, уплотняясь, переходят в пелену перисто-слоистых облаков (Cs). Вслед за перисто-слоистыми облаками натекают еще более плотные высоко-слоистые облака (As), постепенно становящиеся не просвечиваемыми луной или солнцем. Давление падает при этом сильнее, а ветер, несколько поворачивая влево, усиливается. Из высоко-слоистых облаков могут выпадать осадки, особенно зимой, когда они по пути не успевают испариться.

Через некоторое время эти облака переходят в слоисто-дождевые (Ns), под которыми обычно бывают разорванно-дождевые (Fr nb) и разорванно-слоистые (St fr). Осадки из слоисто-дождевых облаков выпадают более интенсивно, видимость ухудшается, давление быстро падает, 'ветер усиливается, часто принимает порывистый характер. При пересечении фронта ветер резко поворачивает вправо, падение давления прекращается или замедляется. Осадки могут прекратиться, но обычно они лишь ослабевают и переходят 'в моросящие. Температура и влажность воздуха постепенно повышаются.

Трудности, которые могут встретиться при пересечении теплого фронта, связаны в основном с длительным пребыванием в зоне плохой видимости, ширина которой колеблется от 150 до 200 миль. Необходимо знать, что условия плавания в умеренных и северных широтах при пересечении теплого фронта в холодную половину года ухудшаются вследствие расширения зоны плохой видимости и возможного обледенения. 

 

Холодный фронт

Холодным фронтом называется фронт, перемещающийся в сторону теплой воздушной массы. Различают два основных типа холодных фронтов:

Рис. 2.1.4. Холодный фронт первого рода на вертикальном разрезе, и на карте погоды.

1) холодные фронты первого рода—медленно  движущиеся или замедляющиеся  фронты, которые чаще всего наблюдаются  на периферии циклонов или  антициклонов;

2) холодные фронты второго рода  — быстро движущиеся или перемещающиеся  с ускорением, они возникают во внутренних частях циклонов и ложбин, перемещающихся с большой скоростью.

Холодный фронт первого рода. К холодному фронту первого рода, как было оказано выше, относится медленно движущийся фронт. В этом случае теплый воздух медленно восходит вверх по вторгающемуся под него клину холодного воздуха (рис. 2.1.4).

Вследствие этого над зоной раздела образуются сначала слоисто-дождевые облака (Ns), переходящие на некотором расстоянии от линии фронта в высоко-слоистые (As) и перисто-слоистые (Cs) облака. Осадки начинают выпадать у самой линии фронта и продолжаются после его прохождения. Ширина зоны зафронтальных осадков составляет 60—110 миль. В теплое время года в передней части такого фронта создаются благоприятные условия для образования мощных кучево-дождевых облаков (Сb), из которых выпадают ливневые осадки, сопровождаемые грозами.

Рис. 2.1.5. Холодный фронт второго рода на вертикальном разрезе и на карте погоды.

Давление перед самым фронтом сильно падает и на барограмме образуется характерный “грозовой нос”— острый пик, обращенный книзу. Ветер перед самым прохождением фронта поворачивает к нему, т. е. делает поворот влево. После прохождения фронта давление начинает расти, ветер круто поворачивает вправо. Если фронт располагается в хорошо выраженной ложбине, поворот ветра иногда достигает 180°, например, южный ветер может смениться северным. С прохождением фронта наступает похолодание.

На условия плавания при пересечении холодного фронта первого рода будет влиять ухудшение видимости в зоне осадков и шквалистый ветер.

Холодный фронт второго рода. Это быстро движущийся фронт. Быстрое движение холодного воздуха приводит к очень интенсивному вытеснению предфронтального. теплого воздуха и, как следствие этого, к мощному развитию кучевых облаков (Сu) (рис. 2.1.5).

Кучево-дождевые облака на больших высотах обычно вытягиваются вперед на 60—170 миль от линии фронта. Эта передняя часть облачной системы наблюдается в виде перисто-слоистых (Cs) и перисто-кучевых (Сс), а также чечевицеобразных высоко-кучевых облаков (Ас). Давление перед приближающимся фронтом падает, но слабо, ветер поворачивает влево. Выпадает ливневый дождь. После прохождения фронта давление быстро повышается, ветер резко поворачивает вправо и значительно усиливается, принимает характер штормового. Температура воздуха понижается иногда на 10° за 1—2 часа.

Условия плавания при пересечении такого фронта неблагоприятные, так как у самой линии фронта мощные восходящие токи воздуха способствуют образованию вихря с разрушительными скоростями ветра. Ширина такой зоны может достигать 30 миль.

Малоподвижные, или стационарные, фронты

Фронт, который не испытывает заметного смещения ни в сторону теплой, ни в сторону холодной воздушной массы, называется стационарным. Стационарные фронты располагаются обычно в седловине, либо в глубокой ложбине или на периферии антициклона. Облачная система стационарного фронта представляет собой систему перисто-слоистых, высоко-слоистых и слоисто-дождевых облаков, которая выглядит примерно так, как у теплого фронта. Летом на фронте часто образуются кучево-дождевые облака.

Рис. 2.1.6. Малоподвижный фронт на карте погоды

Рис. 2.1.7. Волновые возмущения на малоподвижном фронте.

Направление ветра на таком фронте почти не изменяется. Сила ветра на стороне холодного воздуха меньше (рис. 2.1.6). Давление значительных изменений не испытывает. В узкой полосе (30 миль) выпадает обложной дождь.

На стационарном фронте могут образовываться волновые возмущения (рис. 2.1.7). Волны быстро перемещаются вдоль стационарного фронта таким образом, что холодный воздух остается слева, т. е. в направлении изобар в теплой воздушной массе. Скорость перемещения достигает 30 и более узлов.

После прохождения волны фронт восстанавливает свое положение. Усиление волнового возмущения до образования циклона наблюдается, как правило, в том случае, если с тыла подтекает холодный воздух (рис. 2.1.8).

Весной и осенью, а особенно летом прохождение волн на стационарном фронте обусловливает развитие интенсивной грозовой деятельности, сопровождаемой шквалами.

Условия плавания при пересечении стационарного фронта осложняются вследствие ухудшения видимости, а в летний период — вследствие усиления ветра до штормового.

Рис.2.1.8. Образование циклона на малоподвижном фронте.

Фронты окклюзий

Фронты окклюзий образуются в результате смыкания холодного я теплого фронтов и вытеснения теплого воздуха вверх.

Процесс смыкания происходит в циклонах, где холодный фронт, перемещаясь с большой скоростью, настигает теплый.

В образовании фронта окклюзии участвуют три воздушные массы — две холодные и одна теплая. Если холодная воздушная масса за холодным фронтом теплее, чем холодная масса перед фронтом, то она, вытесняя теплый 'воздух вверх, одновременно сама будет натекать на переднюю, более холодную массу. Такой фронт называется теплой окклюзией (рис. 2.1.9).

Рис. 2.1.9. Фронт теплой окклюзии на вертикальном разрезе и на карте погоды.  

 

Если же воздушная масса за холодным фронтом холоднее воздушной массы 'перед теплым фронтом, то эта тыловая масса будет подтекать как под теплую, так и под переднюю холодную воздушную массу. Такой фронт называется холодной окклюзией (рис. 2.1.10).

Фронты окклюзий в своем развитии проходят ряд стадий. Наиболее сложные условия погоды на фронтах окклюзий наблюдаются в начальный момент смыкания теплого и холодного фронтов. В этот период облачная система, как видно на рис. 18, представляет собой сочетание облаков теплого и холодного фронтов. Осадки обложного характера начинают выпадать из слоисто-дождевых и кучево-дождевых облаков, в зоне фронта они переходят в ливневые.

Ветер перед теплым фронтом окклюзии усиливается, после прохождения ослабевает и поворачивает вправо.

Перед холодным фронтом окклюзии ветер усиливается до штормового, после прохождения ослабевает и резко поворачивает вправо. По мере вытеснения теплого воздуха в более высокие слои, фронт окклюзии постепенно размывается, вертикальная мощность облачной системы уменьшается, появляются безоблачные прослойки. Слоисто-дождевая облачность постепенно переходит в слоистую, высокослоистая — в высококучевую и перисто-слоистая — в перисто-кучевую. Осадки прекращаются. Прохождение старых фронтов окклюзии проявляется в натекании высоко-кучевой облачности 7—10 баллов.

Условия плавания через фронты окклюзии в начальной стадии развития почти не отличаются от условий плавания 'при пересечении теплого или холодного фронтов соответственно.

Рис. 2.1.10. Фронт холодной окклюзии на вертикальном разрезе и на карте погоды.  

 

Непрерывность давления накладывает определенные условия на пространственную ориентацию фронтальной поверхности. Очевидно, что она не может быть вертикальной, поскольку из-за различия температур воздушных масс давление с высотой у них убывает по-разному. В теплой массе барическая ступень больше – давление убывает медленнее, в холодной – барическая ступень меньше, и давление убывает быстрее. Следовательно, давление не может оставаться одинаковым с обеих сторон фронтальной поверхности. При отсутствии движения любой разрыв в поле плотностей (или зона быстрого перехода) должен быть горизонтальным. При наличии движения разрыв может стать наклонным, при этом более плотный воздух (холодный) образует клин под менее плотным (теплым).

В гидродинамике доказывается, что если поверхность разрыва все время разделяет одни и те же воздушные массы воздуха, то для нее выполняется следующее динамическое условие: значения давления по обе стороны поверхности разрыва одинаковы, следовательно, в любой точке фронтальной поверхности P1=P2=0, или , т.е. давление не испытывает скачка на поверхности разрыва. В случае разрыва на бесконечно малом участке создались бы бесконечно большие градиенты давления и, соответственно, огромные скорости ветра, при которых устойчивая поверхность существовать не может. Следовательно, скачок плотности на фронтальной поверхности обусловлен только скачком температуры и влажности.

Для поверхности разрыва, состоящей все время из одних и тех же частиц, должно выполняться кинематическое условие: нормальные к поверхности слагающие скорости в обеих массах должны быть равны. Это условие связано с условием непрерывности: на фронтальной поверхности не должно возникать пустоты и не должно появляться новой массы.

Для этого в одной массе скорость должна иметь слагающую, направленную к фронтальной поверхности, а в другой – равную по величине слагающую, направленную от фронтальной поверхности.