Атмосфера и климат

Сайт об атмосфере, климате и метеорологии

Атмосферные фронты

Подписаться на эту рубрику по RSS

Атмосферные фронты и воздушные массы

Как мы уже видели, атмосфера не однородна и свойства ее не всюду одинаковы. Наоборот, свойства воздушных масс, формирующихся в различных районах земного шара, более или менее постоянные в пределах одной массы, заметно различаются у разных масс. Из очагов зарождения воздушные массы перемещаются в районы, где условия значительно отличаются от тех, при которых формировалась данная масса.

Воздушная масса, формируясь в каком-то районе, постепенно приобретает свойства, характерные именно для него. Эти свойства определяются физическими параметрами данного района. Перемещаясь в другой район, воздушная масса непременно изменяет погоду и здесь.

Пока воздушная масса формируется, что обычно бывает над крупными водоемами или обширными однородными пространствами суши, свойства ее остаются приблизительно одинаковыми, что объясняется более или менее однородными свойствами той поверхности, над которой она формируется.

Классификация воздушных масс

Поскольку каждая воздушная масса сравнительно однородна, метеорологи создали классификацию, в которой выделили четыре главных типа воздушных масс, причем каждый тип подразделяется на подтипы. Классификация основана на физических свойствах рассматриваемых воздушных масс. Названия воздушным массам при классификации давались на основании климатических особенностей тех областей Земли, в которых формируются эти массы. Тем самым название каждой массы сразу дает некоторое указание на ее температуру и влажность.

Четыре главные воздушные массы, выделенные в рассматриваемой классификаций, таковы. Арктическая (А) и полярная (П) воздушные массы имеют низкую температуру и малую влажность. Разница между этими воздушными массами невелика, но она отражает некоторое различие тех очагов, в которых массы формируются. Тропическая (Т) и экваториальная (Э) воздушные массы — теплые и влажные. Разница между ними тоже невелика, но и она характерна для двух воздушных масс, сформировавшихся в разных очагах.


Воздушные массы, образовавшиеся в четырех главных очагах, отражаемых названиями этих масс, подразделяются далее в зависимости от вида поверхности, над которой они формировались. Различают массы континентальные (к), сравнительно сухие, сформировавшиеся над сушей, и морские (м) — сравнительно влажные за счет испарения с водоемов, над которыми они формировались.

Метеорологи используют еще и более детальное подразделение воздушных масс, которое уже не представляет особенно большого интереса для читателей данной книги. Отметим лишь те детали, которые будут встречаться при описании воздушных масс над США. Названия „теплая" (т) и „холодная" (х) указывают на тепловое состояние данной массы по сравнению с тепловым состоянием земной поверхности, над которой находится или двигается данная воздушная масса. Кроме того, названия „тихоокеанский воздух", „атлантический воздух" и „воздух Мексиканского залива" характеризуют основные водные бассейны, над которыми формируются воздушные массы, поступающие на территорию США.

Воздушные массы, встречающиеся в США, описаны ниже в связи с описанием климатических особенностей районов их формирования и вида поверхности, над которой они образуются. Поэтому мы используем эти признаки при рассмотрении воздушных масс на территории США. Такие же воздушные массы определяют характер погоды и в других районах земного шара. Климатические же условия, создающие весьма различную погоду в разных его частях, определяются такими факторами, как широта места, его близость или удаленность от крупных водоемов, характер ближайших морских течений, особенности окружающих районов суши.

Итак, основные воздушные массы, встречающиеся на Земле, формируются в четырех главных очагах. В каждом очаге формируется воздушная   масса, обладающая  своими особыми физическими свойствами, приобретенными ею при взаимодействии с местными источниками тепла, влаги и т. д.

В районах северного и южного тропиков формируются две основные воздушные массы: над континентами — континентальный тропический воздух (кТ), над океанами — морской тропический (мТ). Сухой горячий континентальный воздух является главной причиной возникновения многих пустынь в субтропических широтах нашей планеты. В поясе пассатов формируется теплый и влажный морской экваториальный воздух (мЭ). В этом поясе мало суши, несмотря на это он оказывает на развитие атмосферных процессов не меньшее влияние, чем континентальные районы. В северных районах Атлантического и Тихого океанов формируются воздушные массы третьего типа. Это — прохладный и влажный морской полярный воздух (мП) и холодный и сухой континентальный полярный воздух (кП), формирующийся в поясе 55—65° с. ш.

Континентальный полярный воздух

Зимой основным районом формирования масс континентального полярного воздуха, поступающего на территорию США, являются северо-запад Канады и Аляска, граничащие с Северным Ледовитым океаном. Образующиеся здесь воздушные массы выхоложены путем радиационной теплоотдачи и отличаются ростом температуры с высотой, т. е. температурной инверсией. В очаге своего формирования они очень устойчивы. Их устойчивость уменьшается лишь тогда, когда они покидают этот очаг и начинают прогреваться снизу при соприкосновении с более теплой    подстилающей    поверхностью. В таких воздушных массах низкая влажность. Поступая на территорию США, они создают здесь ясную и очень холодную погоду. Перемещаясь к югу, они прогреваются и становятся более влажными, особенно в тех районах, где проходят над крупными водоемами — например, над Великими   озерами.   Приобретаемый    ими пар конденсируется—образуется облачность и выпадают осадки.

Осенью и зимой Великие озера служат источником тепла и снабжают проходящий над ними холодный воздух не только паром, но и теплом. Это создает неустойчивость воздуха, также проявляющуюся в образовании облаков и увеличении количества осадков. Вследствие этого, в частности, значительно  усиливаются снегопады на подветренной стороне этих озер — в некоторых местах годовая    сумма    осадков   достигает 500  мм. Летом же  озера создают „сток" тепла. Этим они тормозят развитие облачности и потому количество осадков уменьшается. Лишь немногие пресные водоемы Земли оказывают столь же сильное регулирующее воздействие на климат, как Великие озера. Это объясняется еще и тем, что к северу от них находятся пространства суши, обеспечивающие приток  континентального полярного воздуха в район озер.

В летние месяцы континентальный полярный воздух тоже нередко формируется над Аляской и центральными районами Канады. Он опять-таки содержит мало пара и приходит в США как холодная и сухая воздушная масса, создающая сравнительно малооблачную погоду.

Морской полярный воздух

На запад США из северных районов Тихого океана поступают массы морского полярного воздуха. На востоке же очагом формирования таких воздушных масс являются районы Ньюфаундленда, полуострова Лабрадор и Гренландии. От поверхности океана воздушные массы получают значительное количество влаги. Перемещаясь летом над континентом, они прогреваются. Зимой же на западе США относительная влажность этих воздушных масс увеличивается еще и за счет охлаждения от земной поверхности. Встречая далее на своем пути горные цепи, тянущиеся вдоль западного побережья США, эти массы совершают восходящее движение, что приводит к выпадению большого количества осадков на наветренных склонах гор. Опускаясь затем по подветренным склонам, воздушные массы оказываются уже более сухими, чем были сначала. Поэтому на подветренных склонах этих гор часто отмечается „дождевая тень".

Если морской полярный воздух прогревается от земной поверхности, что бывает летом, то в нем развивается сильная турбулентность. Воздух остается влажным, но все же удерживается малооблачная погода. На востоке же такой воздух бывает холодным и очень устойчивым. Зимой над континентом он еще более выхолаживается и а нем образуются тонкие волокнистые облака. Такая воздушная масса несет довольно холодную и ясную погоду. В жаркие же летние месяцы такие воздушные массы, вторгаясь на сушу, весьма разнообразят температуры воздуха в прибрежных районах.

Континентальный тропический воздух

В летние месяцы небольшой очаг формирования тропической воздушной массы создается над территорией Мексики. Это теплая и очень сухая воздушная масса. В ней сильно развито турбулентное перемешивание, и когда она поступает в США, в ней быстро развивается конвекция. Сухой теплый воздух продолжает нагреваться днем, но выхолаживается в ночные часы. В такой воздушной массе удерживается теплая, сухая, ясная погода, хотя воздух при этом довольно сильно замутнен.

Морской тропический воздух

Основными очагами формирования морского тропического воздуха, поступающего в США, являются Мексиканский залив, Карибское море, а также субтропические широты Тихого и Атлантического океанов. Это теплые и влажные воздушные массы. Проходя над континентом зимой, они выхолаживаются и их относительная влажность заметно возрастает. Выхолаживание продолжается до тех пор, пока воздушная масса двигается на север. Ее высокая относительная влажность приводит к образованию тумана, мороси и плотной облачности вдоль побережья. Когда этот влажный воздух на западном побережье США встречает на своем пути высокие горные хребты, выпадает большое количество осадков. С Мексиканского залива и Атлантического океана зимой в США поступает теплый воздух, который по мере продвижения на север усиливает испарение влаги с земной поверхности. Поэтому чем севернее, тем чаще при охлаждении воздуха от земной поверхности образуются туманы, морось и слоистые облака. Так как зимой этот воздух значительно теплее подстилающей поверхности, то при перемещении на север он часто приносит оттепели и при выхолаживании становится причиной выпадения большого количества осадков.

Однако в летние месяцы на территорию США такие воздушные массы поступают значительно чаще. Они приходят сюда с Мексиканского залива и Атлантического океана и приносят высокую температуру и влажность, создавая мощную конвекцию воздуха, следствием которой являются сильные грозы.

Грозовая деятельность в такой воздушной массе понижает ее температуру, и нередко в этой массе образуется слоистая облачность. Конвективные движения развиваются в таком воздухе преимущественно в дневные часы, когда земная поверхность нагревается от солнечных лучей.

На атмосферных фронтах, образующихся в таких воздушных массах, возникают интенсивные осадки, охватывающие обширные территории. В районе Великих озер и на северо-востоке США при этом часты туманы и слоистая облачность. На всем восточном побережье США этот воздух летом создает жаркую и влажную, расслабляющую погоду. В этом районе часты также грозы и торнадо.

Волновой циклон

Воздушные массы не застаиваются долго в одном и том же районе. Вскоре после возникновения воздушная масса начинает перемещаться из очага формирования в другие районы Земли. Перемещаясь, она перемешивается с приземным воздухом тех районов, куда поступает, и оказывает влияние на устойчивость этого воздуха. Кроме того, двигающаяся воздушная масса встречает на своем пути другие массы, т. е. между порциями воздуха с различными физическими свойствами возникает контраст. Воздушные массы, различающиеся, в частности, температурой и влажностью, значительно изменяют метеорологические условия у земной поверхности. Линия соприкосновения двух воздушных масс, т. е. линия „разрыва непрерывности" в постепенном изменении свойств этих масс, обычно называется атмосферным фронтом. Вдоль линии фронта изменяется погода, причем иногда очень сильно.

Атмосферные фронты часто сопровождаются распределением ветра циклонического типа. Поэтому термин „циклон" имеет довольно широкий смысл. Размеры циклонов весьма различны. Они могут занимать и очень небольшие районы и огромные области радиусом много сотен километров. Циклоны возникают при встрече двух различных воздушных масс, одна из которых обычно теплее другой, влажность их тоже может быть неодинаковой. Так, если полярный воздух встречается с воздухом более теплым, субтропическим, то между ними образуется четко выраженный атмосферный фронт: внезапно сменяется направление ветра и вообще быстро изменяется погода — появляется облачность и выпадают осадки.

Процесс образования циклона называется циклогенезом. При развитии циклона область сильных ветров может расшириться. Сильные ветры порой служат источником энергии для бурь и шквалов. Достигнув максимального развития, циклон начинает постепенно разрушаться.

Образование циклона

Волновая теория циклонов явилась одним из первых открытий XX в. в науке о погоде нашей планеты. Во время первой мировой войны Норвегия, отрезанная от большинства источников метеорологической информации того времени, была вынуждена разработать собственную систему крупномасштабного анализа погодообразующих процессов. При этом было сделано много важных открытий. Кроме того, в интенсивные исследования атмосферы в начале нынешнего века включились некоторые ведущие теоретики-метеорологи из других стран. Крупный теоретик В. Бьеркнес разработал волновую теорию циклонов, которая объясняла взаимодействие встречающихся воздушных масс.

Когда в умеренных широтах полярный воздух встречается с более теплой воздушной массой, возникает полярный атмосферный фронт. Теплой массой при этом может быть, например, теплый влажный воздух, сформировавшийся в тропических широтах, тогда как очагом формирования холодной и более сухой воздушной массы были полярные области. Область встречи этих двух воздушных масс в умеренных широтах и становится атмосферным фронтом.

Когда теплый воздух движется на север, а холодный на юг, между ними образуется пограничная область, которая на карте погоды представляется некоторой линией. На линии встречи двух воздушных масс возникают волны.

Встреча двух воздушных масс вызывает целый ряд атмосферных процессов, которые и приводят к развитию волнового циклона. Теплый воздух образует длинный воздушный язык, вклинивающийся в область, занятую холодным воздухом. При этом на атмосферном фронте возникает возмущение в виде волны, в которой обе воздушные массы вращаются друг вокруг друга, в результате чего вершина волны становится все более заметной.

Когда возникает волна, давление в ее вершине постепенно понижается, а пространство, занятое волной, расширяется. Понижение давления в центральной части области кругового движения воздуха увеличивает градиент давления, что приводит к усилению ветра в данном районе. Теплый воздух при этом постепенно вытесняется вверх, а холодный продолжает перемещаться к югу.

Развитие атмосферных фронтов

Когда встречаются воздушные массы, образуется пограничная область, т. е. атмосферный фронт. Соприкасаются две воздушные массы вдоль довольно узкой наклонной фронтальной зоны. Причем более теплый воздух движется наклонно вверх — между массами возникает линия фронта длиной от 80 до 800 км. На карте погоды фронты легко обнаружить по тому, как быстро (скачком) изменяется температура воздуха. Холодный воздух располагается в нижней части воздушного клина.

В любое время года атмосферные фронты изменяют погоду там, куда приходят. Более того, каждому фронту всегда предшествуют особые погодные условия. Погода в районе фронта и после его прохождения зависит от типа этого фронта и характера встречи воздушных масс.

Теплые фронты

Теплые фронты образуются в том случае, когда масса теплого и обычно влажного воздуха надвигается на более холодную и сухую воздушную массу. При этом теплый воздух перемещается вверх по „клину" более холодного воздуха, остающегося внизу. Однако поднимается теплый воздух под очень небольшим углом к земной поверхности. Отношение высоты „клина" к длине его основания составляет около 1/300 .

При формировании теплого фронта на значительной территории наблюдаются определенные условия погоды. В связи с восходящим движением теплого воздуха вдоль фронта развивается мощный облачный покров, из которого выпадают осадки. При этом теплая воздушная масса обычно неустойчива и развивающаяся в ней конвекция тоже приводит к быстрому подъему воздуха и выпадению осадков.

Приближению теплого фронта к данному району предшествует постепенное понижение атмосферного давления. Затем последовательно появляются перистые и перисто-слоистые облака, которые при приближении теплого фронта к данному району сменяются облаками среднего яруса. Постепенно   высоко-слоистые и высоко-кучевые облака могут закрыть все небо. При подходе фронта к данному месту температура воздуха несколько повышается, а давление быстро падает. Перед самым фронтом появляются слоисто-кучевые и слоисто-дождевые облака, имеющие значительную вертикальную протяженность. Если выпадают осадки, то не особенно сильные, но непрерывные. Иногда на теплом фронте наблюдаются кучево-дождевые облака и даже с грозой. Иногда же теплому фронту предшествуют слоистые облака или туман.

После того как теплый фронт пройдет, обычно температура воздуха повышается — за этим фронтом в данный район приходит теплая воздушная масса — и либо наступает полное прояснение, либо сохраняется лишь незначительная облачность.