Навигационная метеорология и океанография

5. Особенности погодных условий атмосферных фронтов

С атмосферными фронтами связаны особые явления погоды. С одной стороны, переход из одной воздушной массы в другую сопровождается резким колебанием метеорологических элементов. С другой стороны, восходящие движения воздуха во фронтальных зонах приводят к образованию обширных облачных систем, из которых выпадают осадки на больших площадях, а огромные атмосферные волны, возникающие в воздушных массах по обе стороны от фронта, приводят к образованию атмосферных возмущений - крупномасштабных вихрей - циклонов и антициклонов.

Особенности атмосферной циркуляции складываются так, что атмосферные фронты постоянно размываются и возникают вновь. Вместе с ними формируются, меняют свои свойства (трансформируются) воздушные массы по обе стороны фронта.

Приближение атмосферных фронтов достаточно надежно можно проследить по некоторым признакам.

Теплый фронт

Если фронт движется так, что холодный воздух отступает, уступая месту теплому воздуху, то такой фронт называется теплым.

Угол наклона теплого фронта к горизонтальной поверхности составляет около 0,5^?. По вертикали в тропосфере находятся две воздушные массы. Холодный воздух остается узким клином у земли. Теплый воздух поднимается вверх по фронтальной поверхности. Поскольку подъем на всех высотах происходит медленно, то на огромных пространствах образуются слоисто-образные облака. 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, для которых характерная особая 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 на 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 разорвано-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 повышается.

После прохождения фронта температура увеличивается, осадки прекращаются. Зимой видимость может оставаться плохой уже из-за адвективного тумана в теплом воздухе. Возможна морось. В летнее время видимость за линией фронта улучшается. Перед теплым фронтом давление падает.

Признаками того, что приближается теплый фронт, является падение давления, увеличение плотности, водности облаков, снижение их нижней границы, появление nimbostratus, выпадение обложных осадков, появление обрывков stratus fractus (St, fr) или fractonimbus ().

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.

В холодное время года за 400 км до фронта из высокослоистых облаков могут выпадать осадки в виде снега или снежной крупы. Летом зона осадков сужается до 300 км, так как осадки в виде слабого дождя или мороси из As испаряются в теплом воздухе, не доходя до подстилающей поверхности.

Холодный фронт

Когда холодная воздушная масса замещает теплую, линия по которой фронтальная поверхность пересекается с горизонтальной поверхностью на уровне моря, называется холодным фронтом.

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

• 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.

На холодном фронте первого рода теплый воздух достаточно медленно восходит вверх по клину холодного. В этом случае теплый воздух медленно восходит вверх по вторгающемуся под него клину холодного воздуха. Над зоной раздела воздушных масс образуются сначала слоисто-дождевые (Ns) облака, переходящие на некотором расстоянии за фронтом в высокослоистые (As) и перисто-слоистые (Cs) облака. Осадки выпадают непосредственно на линии фронта и за фронтом. Ширина зоны осадков обычно не превышает 50-120 миль. Летом над океанами в особо глубоких циклонах и зимой в передней части холодного фронта первого рода образуются мощные кучево-дождевые (Сb) облака, из которых выпадают ливневые осадки, сопровождающиеся грозами. Атмосферное давление перед фронтом резко падает, а за фронтом - растет. Одновременно с этим наблюдается поворот ветра влево перед фронтом и резкий его поворот вправо за фронтом. Особенно резко меняет ветер свое направление (иногда на 180°) тогда, когда фронт располагается вблизи оси узкой ложбины. С прохождением фронта наступает похолодание. На условия плавания при пересечении холодного фронта первого рода будет влиять ухудшение видимости в зоне осадков и шквалистый ветер.

На холодном фронте второго рода быстрое движение холодного воздуха приводит к развитию интенсивного конвективного движения предфронтального теплового влажного воздуха и, следовательно, к мощному развитию кучевых (Си) и кучево-дожде-вых (СЬ) облаков.

На больших высотах (у тропопаузы) кучево-дождевые облака вытягиваются вперед на 50-80 миль от линии фронта. Передняя часть облачной системы холодного фронта второго рода наблюдается в виде перисто-слоистых (Cs), перисто-кучевых (Сс), а также чечевицеобразных высококучевых (Ас) облаков. Полезную и достаточно своевременную информацию о приближающемся холодном фронте можно получить с помощью судовых РЛС.

Атмосферное давление перед холодным фронтом второго рода падает медленно, а за линией фронта быстро растет. Ветер поворачивает влево, а за фронтом резко отворачивается вправо и нередко усиливается до штормового. Перед фронтом и на фронте выпадают ливневые осадки, возможны грозы. В теплое время года на некотором удалении от фронта (в холодной воздушной массе) возможно образование вторичного холодного фронта с ливневыми осадками и грозами.

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

Фронты окклюзии

Фронт, состоящий из двух фронтов и сформированный таким образом, что холодный фронт перекрывает теплый или стационарный фронт, называют фронтом окклюзии. Комплексные сложные фронты - фронты окклюзии образуются путем смыкания холодного и теплого фронтов при окклюдировании циклонов. Холодный фронт следует за теплым фронтом. Холодный фронт, как правило, движется быстро. Со временем он догоняет теплый и фронты смыкаются.

Это обычный процесс в последней стадии развития циклона, когда холодный фронт догоняет теплый. Существует три основных типа фронтов окклюзии, обусловленных относительной прохладностью воздушной массы, идущей вслед за первоначальным холодным фронтом к воздуху впереди теплого фронта. Это фронты холодной, теплой и нейтральной окклюзии.

Различают теплый фронт окклюзии, если воздух за холодным фронтом оказывается теплее, чем воздух перед теплым фронтом, и холодный фронт окклюзии, когда воздух за холодным фронтом холоднее, чем воздух перед теплым фронтом.

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 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.

В своем развитии фронты окклюзии проходят три стадии. Особенно сложные погодные условия на фронтах наблюдаются в момент смыкания теплого и холодного фронтов. Облачная система представляет собой сложное сочетание облаков, характерных как для теплого, так и для холодного фронтов. Предфронтовые обложные осадки из слоисто-дождевых и кучево-дождевых облаков переходят в ливневые непосредственно в зоне фронта. Направление и скорость ветра при прохождении фронтов окклюзии меняются так же, как на простых фронтах. С течением времени теплый воздух вытесняется вверх и фронт окклюзии постепенно размывается, вертикальная мощность облачной системы уменьшается и в облачном покрове появляются просветы. При этом слоисто-дождевая облачность постепенно переходит в слоистую, высокослоистая - в высококучевую, а перисто-слоистая, в свою очередь,- в перисто-кучевую. Эта перестройка облачных систем приводит к прекращению осадков.

Гидрометеорологические условия плавания в зонах фронтов окклюзии незначительно отличаются от условий плавания при прохождении простых фронтов: холодного или теплого.

Облачная система представляет собой сложное сочетание облаков, характерных как для теплого, так и для холодного фронтов. Погодные условия при прохождении таких фронтов также неблагоприятны для яхтсменов - они сопровождаются дождями с грозами и градом, сильными и порывистыми ветрами с резкой сменой направлений и временами - плохой видимостью.

Предфронтовые обложные осадки из слоисто-дождевых и кучево-дождевых облаков переходят в ливневые непосредственно в зоне фронта. Направление и скорость ветра при прохождении фронтов окклюзии меняются так же, как на простых фронтах. С течением времени теплый воздух вытесняется вверх и фронт окклюзии постепенно размывается, вертикальная мощность облачной системы уменьшается и в облачном покрове появляются просветы. При этом слоисто-дождевая облачность постепенно переходит в слоистую, высокослоистая - в высококучевую, а перисто-слоистая, в свою очередь,- в перисто-кучевую. Эта перестройка облачных систем приводит к прекращению осадков.

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.

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

На стационарном фронте могут образовываться волновые возмущения. 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.

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.

6. Природа возникновения циклонов

Циклоны это огромные атмосферные вихри со сложной циркуляцией воздуха, характерними полями метеорологических величин, своеобразными погодними условиями в разных их частях. Барические системы возникают, розвиваються и исчезают. Передвигаясь по земной поверхности и интенсивно перемешивая атмосферный воздух, они переносять тепло с юга и холод с севера в другие районы, а влажный воздух - с океанов на материки. Циклоны, как и антициклоны, являються носителями погоды на нашей планете.

Размеры циклонов.

Огромные атмосферные вихри - циклоны по вертикали часто занимают всю тропосферу, по горизонтали они охватывают несколько тисяч километров.. В них происходит вращение вокруг оси против часовой стрелки (в северном полушарии) и по часовой - в южном.

Одновременно в северном полушарии можно насчитать до 15-20 циклонов и около 10 антициклонов. Хотя антициклоны следуют за циклонами, их меньше потому, что между отдельными циклонами находятся отроги одного антициклона. Ежегодно в северном полушарии бывает около тысячи циклонов и несколько меньше антициклонов. Примерно такая же картина в южном полушарии.

Повторяемость циклонов зимой над океанами в 2 раза больше, чем летом. Зимой они занимают большую часть площади океанов. Летом они уменшаются в размерах и смещаются к шестидесятой широте.

Классификация циклонов.

По широтной зоне циклоны делят на внетропические и тропические. По связи с фронтальными разделами рассматривают фронтальные и нефронтальные циклоны. Циклоны умеренных широт (внетропические) в основном являются фронтальными. К нефронтальным циклонам относятся тропические циклоны и термические циклоны.

Циклоны могут быть одноцентровыми и многоцентровыми. В последнем случае два или более близько расположенных центра на периферии имеют общие замкнутые изобары. Второй центр называют вторичным или частным циклоном. Они могут играть большую роль в развитии барических систем.

По скорости перемещения барические образования делят на подвижные, малоподвижные и стационарные. В начальной стадии развития циклоны движутся быстро, до 40-50 км/час. Считается, что средняя скорость перемещения циклонов составляет около 30-40 км/час. В поздней стадии развития, когда циклоны превращаются в высокие барические образования, скорость их перемещения уменьшается (5-10 км/час). И они становятся малоподвижными. Циклоны смещающиеся со скоростью менее 5 км/час, называются стационарными.

Вторичные циклоны.

Под «вторичными» или «частными» циклонами подразумеваются депрессии, вовлеченные в циркуляцию больших, или более сильных депрессий. Последние известны как основные или первичные. Обычно частный циклон быстро движется по периферии основного циклона, огибая его против часовой стрелки. С течением времени вторичный центр может углубиться и приобрести самостоятельное значение.

Нефронтальные депрессии.

Значительная часть циклонов умеренных широт формируется на полярном фронте. Такие циклоны называются фронтальными. Циклоны могут быть и нефронтальными. Это: термические депрессии, депрессии вертикальной неустойчивости и топографические депрессии. Последние образуются только над материками.

Термические циклоны. Формирование термических циклонов происходит в результате неодинакового нагревания воды и суши. Летом давление над материком менше, чем над водной поверхностью. Например, низкою давление над Азией в июле, известно как южноазиатский муссонный циклон. Он определяет погоду на обширной территории Юго-Восточной Азии.

Депрессии вертикальной неустойчивости. Температурная неустойчивость по вертикали играет важную роль в развитии иного вида циклонов. В них падение давления происходит из-за разности температур между теплым воздухом и окружающим его воздухом. До тех пор, пока градиенты температуры невелики и не превышают предел устойчивости (1°С/100 м), эти циклоны неглубоки. Когда же градиенты температуры велики, могут образовываться более глубокие циклоны.

7. Стадии развития циклонов

Как было уже показано ранее, граница раздела между холодным воздухом, зародившемся в умеренных широтах, и относительно теплым воздухом более низких широт называется фронтом умеренных широт или полярным фронтом. Этот полярный фронт достаточно большой. С небольшими разрывами он опоясывает всю планету. Именно на этом полярном фронте зарождаются депрессии умеренных широт (рис.2).

Рисунок 2 Возникновение циклона

Формированию (зарождению) депрессий способствует большая разность температур между теплыми и холодными воздушными массами. В этих широтах, как известно, преобладает западный перенос. Для формирования циклона на полярном фронте, необходимо, чтобы теплый воздух двигался на восток с большей скоростью, чем холодный воздух. Как правило, такие депрессии начинаются как маленькие волновые возмущения на фронтальной поверхности. Как только появляется волна, теплый воздух устремляется к северу, а холодный к югу. Возникает вихревое движение. Теплый воздух медленно поднимается по клину холодного воздуха на теплом фронте; холодный воздух вклинивается (подтекает) под теплый воздух на холодном фронте. Это начинается у поверхности Земли и постепенно распространяется вверх. Одновременно происходит падение давления в центре; другими словами, депрессия углубляется.

Холодный фронт движется быстрее теплого. Фронты закручиваются, сливаются. Это называется окклюзией (рис.3).

Рисунок 3 Развитие окклюзии

Перед фронтом окклюзии находится холодный воздух, который был перед теплым фронтом, за фронтом окклюзии холодный воздух, который до того был за холодным фронтом. Теплый воздух оказывается вытесненным вверх. У Земли разность температур между воздушными массами уменьшается и, поскольку воздух холодный, давление растет.

Хорошо различимы закрученный фронт окклюзии, длинная полоса холодного с плотными кучевыми облаками, короткий участок теплого фронта с широкой зоной слоистой облачности; безоблачные пространства за холодным фронтом.

В общем случае для всех циклонов условно выделяют:

1) стадию возникновения - от начала появления признаков возникновения замкнутой циклонической циркуляции, до первой замкнутой изобары. Продолжается эта стадия обачно менее 12 часов;

2) стадию молодого циклона (стадию углубления) - от момента появления первой замкнутой изобары на приземной синоптической карте до момента прекращения интенсивного углубления. Это приблизительно длится двое суток;

3) стадию максимального развития - давление в центре циклона изменяется незначительно, начинается окклюдирование;

4) стадию заполнения - от момента интенсивного роста давления в центре циклона до исчезновения замкнутой циклонической циркуляции у земной поверхности. Последние две стадии длятся обачно 3-4 суток.

Для фронтальних циклонов выделяют такие стадии:

1) стадия волны - то же, что и стадия возникновения;

2) стадия молодого циклона - до начала процесса окклюдирования;

3) стадия окклюдирования - от начала окклюдирования до исчезновения циклона. Эта стадия для нефронтальных циклонов включает стадию максимального развития и стадию заполнения.

Серии циклонов.

Число депрессий в семействе меняется, но наиболее часто оно равно четырем. Все циклоны находятся в разных стадиях развития. Первый окклюдирует, в то время как последний может только зарождаться. Циклоны обычно разделены гребнями высокого давления, которые обеспечивают краткие периоды ясной погоды между продолжительными осадками. Завершает это семейство антициклон в субтропиках.

Первый циклон следующей цепочки формируется намного севернее, на восстановившемся полярном фронте.

Регенерация циклонов.

Иногда начавшееся заполнение циклона сменяется новым его углублением. Более широко под регенерацией понимается любое резкое усиление циклона (аналогично антициклона).

Регенерация циклона происходит:

1) при вхождении в систему существующего циклона нового основного фронта;

2) при развитии вблизи центра существующего циклона нового центра с последующим их слиянием или при быстром заполнении старого.

И в первом и во втором случаях обязательным является вторжение в тыл циклона новой порции холодного воздуха. В некоторых случаях процессы регенерации происходят неоднократно, что поддерживает длительное существование обширных малоподвижных циклонов, которые надолго нарушают западный перенос. Их называют блокирующими или центральными.

После регенерации циклон проходит такой же путь развития, как и вновь возникшее барическое образование, но на фоне более низкого давления. Регенерировавший окклюдированный циклон имеет внешние признаки молодого циклона, т.к. в нем есть теплый сектор с характерными для него условиями погоды.

Таким образом, 1) фронтальные циклоны образуются на полярном фронте (фронт умеренных широт) в результате возникновения на нем волны, а затем теплого сектора с теплой и холодной ветвями фронта. Через несколько дней теплый и холодный фронты сливаются, а цент циклона оказывается вытесненным к северу. Теперь он находится в относительно однородной холодной массе. Не имея энергии для поддержки своего существования, циклон исчезает. На это уходит около недели.

2) циклоны следуют обычно серией, как правило, по четыре. Каждый следующий циклон находится южнее предыдущего. Первым в серии идет наиболее старый, находящийся в стадии окклюдирования. Завершает серию циклон в стадии зарождения. Они передвигаются к востоку или северо-востоку (юго-востоку в южном полушарии) и постепенно заполняются.

8. Погода в циклонах и барических ложбинах

Строение фронтального циклона.

В центре циклона есть место с наиболее низким давлением. Если таких мест несколько, то депрессия называется многоцентровой. Изобары очерчивающие центр депрессии, чаще всего имеют форму, близкую к кругу или овалу. Давление в центре депрессии в умеренных широтах обычно составляет 950-1010 гПа. От центра циклона в ложбинах проходят фронты (рис.4).

Рисунок 4 Молодой циклон

До начала окклюзии они направлены в разные стороны. Теплый фронт направлен на восток, юго-восток или юг. Теплый фронт простирается примерно на тысячу километров и постепенно исчезает. Холодный фронт уходит на запад или юго-запад очень далеко. На нем могут возникать новые циклоны.

Большая облачность находится в центре циклона, широкой полосой перед теплым фронтом и сравнительно узкой полосой вокруг холодного или за ним, в зависимости от характера самого холодного фронта. Граница облачного вихря примерно совпадает с положением последней замкнутой изобары на приземной карте погоды. Осадки выпадают на огромных территориях. Лишь тыловая часть циклона сравнительно свободна от облаков и осадков.

Так как холодный воздух тяжелее теплого воздуха, то давление растет. Это проявляется в отклонении изобар влево сразу после теплого фронта (по той же причине при пересечении линии холодного фронта в обратном направлении, изобары отклоняются вправо в холодном воздухе).

Поскольку сам циклон и фронты в нем со временем передвигаются примерно в том же направлении (от Х к Х¹), то в каждой фиксированной точке пространства перед теплым фронтом давление падает. Барометрическая тенденция отрицательна, на ленте барографа кривая давления опускается вниз. После прохождения теплого фронта падение давления прекращается. На судне прохождение фронта можно заметить, засекая момент стабилизации давления на барографе.

Прохождение фронта можно так же заметить по изменению направления ветра по часовой стрелке, т.е. ветер поворачивает вправо (в северном полушарии). Наиболее часто перед теплым фронтом наблюдается юго-западный ветер. В теплом секторе циклона он становится западным, а после прохождения холодного фронта - северо-западным.

Облачность и осадки на фронтах соответствуют описанию погоды во фронтах.

Если центр циклона южнее, то мы оказываемся в холодном воздухе. Теплый воздух находится наверху. На протяжении нескольких сотен километров наблюдается низкая слоисто-дождевая облачность и обложные осадки. Осадки выпадают из теплого воздуха. Летом теплые капли, попадая в холодный воздух, частично испаряются и, образовавшийся водяной пар может опять конденсироваться. В результате такой переконденсации влаги, под нижней границей слоисто-дождевых облаков могут возникать клочья разорвано-дождевых облаков (Fr nb).

Погода в отдельных частях циклона.

Обычно циклонический тип погоды связывают с пасмурной, с осадками и сильными ветрами погодой. Антициклон, напротив, отождествляют с малооблачной без осадков и слабыми ветрами погодой. Однако такое представление является весьма общим, во-первых, потому, что погодные условия в этих крупномасштабных вихрях зависят от сектора, где находится судно относительно их центров, и, во-вторых, от индивидуальных особенностей циклонов и антициклонов.

Погодные условия во внетропических циклонах определяются свойствами воздушных масс, интенсивностью циклонов и активностью фронтов, скоростями вертикальных движений воздуха, географическими особенностями района, сезоном года, свойствами подстилающей поверхности, стадией его развития и т. д.

Наиболее типичный циклонический характер погоды выражается в молодом циклоне. В этом случае выделяют три зоны с резко отличающимися условиями погоды.

Зона I - передняя и центральная части циклона. Погодные условия здесь обусловливаются холодной устойчивой воздушной массой и приближающимся теплым фронтом. Чем ближе к центру циклона и линии теплого фронта, т.е. при быстром углублении циклона и значительной влажности воздуха образуются слоисто-дождевые облака (Ns), нередко захватывающие вершину теплого сектора, из которых выпадают интенсивные обложные осадки. Тем самым более мощной становится система облаков Ns-As. Зимой в таких случаях может наблюдаться резкое ухудшение видимости, а летом возможна гроза. При низких значениях влажности воздуха облачная система не успевает полностью развиться, поэтому осадки в этом случае менее интенсивны и чаще носят моросящий характер. Вдоль линии теплого фронта широкая (300-400 км, а в холодный период до 600 км) полоса обложных осадков. Видимость плохая из-за осадков.

Рисунок 5 Погода в циклоне

Зона II - тыловая часть циклона за холодным фронтом. Погода здесь обусловливается холодной неустойчивой воздушной массой и свойствами холодного фронта. При высокой влажности и значительной неустойчивости в этой зоне выпадают осадки и нередки грозы. В непосредственной близости от фронта ветер шквалистый, возможны смерчи. Если фронт движется медленно и его облачная система является зеркальным отражением облачной системы теплого фронта, то за ним будут обложные осадки на протяжении, как правило, не более 200 км. По мере прояснения (за линией холодного фронта) на большом удалении видимость улучшается и может быть значительной (особенно в холодное время года при плавании в полярных морях), атмосферное давление растет. Ветер и волнение зависят от плотности изобар. Если влажность воздуха большая, то могут местами появляться кучево-дождевые облака (Cb) и выпадать внутримассовые ливневые осадки. Над океанами это наиболее часто наблюдается в ночное время.

Если холодный фронт быстро движется, то в относительно неширокой полосе (50-100 км) вдоль линии фронта выпадают ливневые осадки. Вдали от фронта, так же, как и в первом случае, холодный воздух стратифицирован неустойчиво, видимость хорошая, погода малооблачная, возможны локальные осадки из Cb

Зона III - теплый сектор между фронтами. Характер погоды здесь обусловливается теплой устойчивой воздушной массой: пасмурно, сплошная или значительная слоистая или слоисто-дождевая облачность (St, Sc), обложные и моросящие осадки, адвективные туманы, плохая видимость, умеренные и слабые ветры, низкое давление (ровный ход или слабое падение), высокие и длинные волны зыби, зимой возможно обледенение. Летом погода может быть облачной или безоблачной, а иногда даже с ливневыми осадками в зависимости от устойчивости и влажности теплого воздуха.

В молодом циклоне теплый воздух движется быстрее, чем перемещается сам вихрь, поэтому все новые и новые порции теплого воздуха притекают к циклону, опускаются по клину холодного воздуха в тылу его и восходят в передней части. В таком состоянии циклон находится около 2 суток. Примерно вдвое дольше (3-4 суток) продолжается стадия окклюдирования. Постепенно теплый сектор циклона суживается и наступает момент, когда движущийся быстрее холодный фронт (скорость его движения составляет 0,8 скорости геострофического ветра) нагоняет теплый и смыкается с ним. Центральные районы циклона у поверхности земли заполняются холодным воздухом, а теплый сектор оттесняется в более высокие слои. Это и есть процесс окклюзии циклона, т.е. наступает момент максимального развития циклона. На приземной карте можно видеть, что циклон очерчен максимальным числом изобар, вплоть до исчезновения последней замкнутой изобары.

В начале окклюдирования можно выделить несколько зон с различными условиями погоды. В окклюдированном циклоне можно выделить зоны преобладающих условий погоды аналогично типизации ее в молодом циклоне. В отличие от молодого циклона теплый сектор в окклюдированном циклоне либо полностью отсутствует, либо располагается на периферии циклона. Поэтому в окклюдированном циклоне практически выделяют лишь две зоны преобладающих условий погоды: обширная передняя область циклона перед фронтом окклюзии и тыловая часть за фронтом окклюзии. Условия погоды здесь определяются свойствами воздушных масс по обе стороны от фронта окклюзии. Характер погоды в передней части окклюдированного циклона в холодное время года определяется теплым фронтом окклюзии, а в теплое время года - холодным фронтом окклюзии. Условия погоды в тыловой части окклюдированного циклона схожи с условиями погоды в тыловой части молодого циклона. По мере заполнения циклона зона осадков распадается на отдельные участки, фронты размываются, и условия погоды постепенно выравниваются во всех секторах циклона.

Скорость ветра в циклоне достигает максимума сразу же после начала окклюдирования. Область наибольших скоростей ветра располагается на расстоянии 1/3 радиуса вихря вблизи холодного атмосферного фронта.

Начало окклюдирования циклона является поворотным моментом в его развитии. Барическая депрессия достигает наибольшей глубины у земной поверхности и циклон становится высоким холодным барическим образованием. В дальнейшем наступает стадия заполнения циклона: атмосферное давление начинает расти, скорость ветра уменьшается, количество изобар уменьшается от срока к сроку.

В южном полушарии молодой циклон является зеркальным отображением циклона северного полушария.

Как и фронтальные циклоны северного полушария, он перемещается с западным переносом на восток, несколько отклоняясь к полюсу (к юго-востоку в южном полушарии). Теплый сектор циклона обращен к экватору. На рисунке очерчена зона выпадающих осадков. На теплом фронте это широкая полоса, на холодном - узкая. Поскольку на холодном фронте полоса осадков показана за фронтом, холодный фронт является медленно движущимся. Таким образом, все, что рассказывалось о циклонах для северного полушария, в равной степени относится и к циклонам южного полушария, только все как бы в зеркальном отображении. В циклонах южного полушария воздух движется по часовой стрелке и к центру.

9. Признаки приближения циклонов

Приближение циклона и, следовательно, общее резкое ухудшение условий плавания достаточно своевременно и надежно оценивается по характеру волнения моря (волны зыби перемещаются с той точки горизонта, откуда идет циклон), по признакам приближения теплого фронта циклона. Циклоны и антициклоны перемещаются под действием движения воздушных масс в 3-5-километровом слое тропосферы и изменения поля давления. Давление в центре циклона (глубина циклона) зависит от стадии его развития и изменяется в пределах от 1010 до 970 гПа.

Ветер в циклоне у поверхности океана дует в направлении против часовой стрелки (в южном полушарии - наоборот), отклоняясь от изобары в сторону низкого Давления в среднем на 10- 15°. Градиент давления от центральной части циклона к периферии сначала растет, а затем убывает. Наибольшие барические градиенты чаще наблюдаются в передней и тыловой частях циклона, обычно в южном и западном квадрантах. Скорость ветра в циклоне соответственно изменениям градиента колеблется в широких пределах. В центре циклона ветер слабый (нередко штиль), а в южной и западной четвертях наиболее сильный. К перифериям скорость ветра ослабевает.

Температура воздуха в циклоне зависит от стадии его развития. В стадии фронтальной волны (стадии зарождения) температура воздуха в северной половине циклона ниже, чем в южной, так как через центральную его часть в этой стадии развития проходит фронт, разделяющий холодную и теплую массы воздуха.

По мере развития циклона холодный воздух вытесняет теплый из южной половины циклона, и в конце своего развития (в стадии окклюдирования) холодный воздух занимает всю область циклона у поверхности моря.

Над океанами перемещение циклонов чаще всего происходит с юго-запада и запада на северо-восток и восток. Перемещение их с севера на юг и с юга на север наблюдается значительно реже. Повторяемость циклонов зависит от географического района и времени года. В среднем над океанами повторяемость циклонов зимой больше, чем летом, но эти сезонные различия невелики.

Скорость перемещения циклонов меняется в широких пределах. Обычно она составляет 40-50 км/ч, но нередки случаи, когда циклон в течение нескольких суток является малоподвижным.

Циклоническая деятельность и общая циркуляция атмосферы.

Циклонической деятельностью называют процессы возникновения, развития и перемещения циклонов и антициклонов. Наиболее интенсивно циклоническая деятельность развита в умеренных широтах, где ее можно рассматривать как форму общей циркуляции атмосферы. Циклоническая деятельность особенно развита в зимнее время, когда очень велики контрасты температур между тропическими и полярными широтами. Большие контрасты температур в это время и между материками и океанами.

В южном полушарии в умеренных широтах отмечается активная циклоническая деятельность. Глубокие циклоны перемещаются с запада на восток вокруг Антарктиды, обуславливая на климатических картах полосу относительно пониженного давления вдоль побережья. Циклоны южного полушария характерны более низким давлением (980-985 гПа), чем исландские или алеутские циклоны северного полушария. При той же интенсивности субтропических антициклонов это и определяет большие горизонтальные барические градиенты в южном полушарии. В отличие от циклонов северного полушария циклоны южного полушария не участвуют активно в переносе тепла из тропиков в высокие широты. Их роль в общей циркуляции атмосферы южного полушария заключается в создании больших барических градиентов. Между субтропическими антициклонами и зоной пониженного давления находится широкий пояс параллельных, расположенных вдоль широт, изобар. Барические градиенты здесь очень велики. Это зона действия сильных западных ветров, которая препятствует воздухообмену между тропиками и Антарктикой.

Постоянные и сезонные центры действия атмосферы.

Циклоны и антициклоны, расположенные в определенных географических центрах стационарно, называются постоянными центрами действия атмосферы. Их можно в любой момент времени найти на синоптической карте. В северном полушарии это:

- исландский циклон (исландский минимум);

- азорский антициклон (азорский максимум),

- северотихоокеанский антициклон,

- гренландский антициклон.

Есть сезонные центры действия атмосферы, которые наблюдаются в зимнее или в летнее время:

- алеутский зимний циклон (алеутская депрессия),

- средиземноморский зимний циклон,

- азиатский зимний антициклон (сибирский антициклон),

- североамериканский зимний антициклон (канадский антициклон),

- южноазиатский летний циклон,

- североамериканский летний циклон.

В южном полушарии выделяют следующие постоянные центры действия атмосферы:

- южноатлантический антициклон,

- южноиндийский антициклон,

- южнотихоокеанский антициклон,

- предантарктическая зона пониженного давления.

В южном полушарии есть, конечно, и сезонные центры действия атмосферы. Расположены они над сушей.

10. Понятие антициклона, особенности его формирования и перемещения

Антициклоны - область повышенного атмосферного давления с замкнутыми концентрическими изобарами на уровне моря и с циркуляцией воздуха от центра по часовой стрелке в северном полушарии и против часовой стрелки в южном.

Давление в центре антициклона иногда достигает 1060- 1070 гПа (над Азией зимой), но обычно оно ниже. Нередко антициклон бывает многоцентровым. Горизонтальные барические градиенты в антициклонах, как правило, меньше, чем в циклонах. Это объясняется большими горизонтальными (до 4000 км) размерами антициклонов. Центральные части антициклонов характеризуются штилевой погодой. Однако в северной части Тихого океана антициклоны в осенне-зимний период могут иметь сильный (до штормового) ветер.

Различают промежуточные антициклоны между циклонами циклонических серий и заключительные между циклоническими сериями. Скорость перемещения подвижных антициклонов составляет обычно 30-40 км/ч. Перемещаясь в общем с запада на восток, антициклоны отклоняются (сепарируются от циклонов) к низким широтам. Обычно подвижный антициклон с холодной передней (восточной) периферией и теплой тыловой (западной)' частью, прогреваясь и усиливаясь, превращается со временем в теплый, высокий и малоподвижный антициклон. Этот процесс чаще всего происходит в низких широтах, где формируются мощные, высокие и теплые субтропические антициклоны. Стабилизация антициклонов происходит и в средних, и в высоких широтах.

В этом случае высокие блокирующие антициклоны нарушают общий западно-восточный перенос. Именно устойчивые, малоподвижные антициклоны являются наиболее важными очагами формирования воздушных масс.

Особенности строения антициклона.

В центре барического максимума имеется одна или несколько точек с наивысшим давлением. Обычно оно находится в пределах от 1000 до 1035 гПа. Были случаи, когда давление повышалось до 1080 гПа. Размеры барического максимума измеряются наибольшим расстоянием между точками, находящимися на внешней замкнутой изобаре. Наиболее часто это 2-3, но может быть и до 4-х и более тыс. км. Как правило, в антициклонах расстояния между изобарами больше, чем в циклонах. В центральных частях антициклонов барический градиент небольшой, в соответствии, скорости ветра там маленькие. Барические градиенты увеличиваются к периферии антициклона.

В отличие от циклонов, через центр антициклонов фронты на приземной карте не проходят. Как известно, антициклоны являются областями дивергенции воздушных течений. Воздух оттекает во все стороны от центра антициклона. Это исключает возможность сближения различных воздушных масс. Линия фронта может проходить лишь по окраине антициклона или пересекать его гребень приблизительно перпендикулярно оси гребня.

11. Стадии развития антициклона

Возникновение и развитие антициклонов тесно связано с развитием циклонов, т.е. с процессом циклогенеза тесно связан и механизм развития антициклонов. По существу это единый процесс, связанный с длинными волнами на стационарном фронте.

Антициклоны зарождаются в гребнях сверхдлинных атмосферных волн на малоподвижном фронте. Анализ синоптических ситуаций показывает, что промежуточные антициклоны зарождаются в холодной воздушной массе за холодным фронтом последнего в серии циклона. В центральных частях антициклонов атмосферные фронты проходить не могут, хотя некоторая температурная асимметрия в них сохраняется. На перифериях антициклонов могут проходить линии атмосферных фронтов.

Заключительный антициклон в отличие от промежуточных, проходит все стадии развития: начальную (возникновения или зарождения), молодого антициклона, стадию максимального развития и стадию разрушения. В двух первых стадиях антициклон на приземной карте погоды представляет собой гребень за холодным фронтом, в центральной части которого появляются замкнутые изобары. Он является низким холодным барическим образованием. В его тыловой части наблюдается адвекция тепла, а в передней адвекция холода.

Область роста давления у поверхности земли охватывает центральную и переднюю части антициклона. Эти факторы (адвекция тепла и холода, и рост давления) способствуют продолжению антициклогенеза. В стадии максимального развития антициклон у поверхности земли очерчивается уже несколькими замкнутыми изобарами. При этом, в первых трех стадиях антициклон перемещается с ведущим потоком на восток. Антициклоны в северном полушарии отклоняются к югу (в южном полушарии - к северу). Они вторгаются в более низкие широты в тылу циклонов за холодными фронтами. Сначала это перемещение довольно быстрое, но по мере старения антициклон уменьшается.

12. Погода в антициклоне

Во внетропическом антициклоне различают шесть типов погоды. Центральная часть антициклона характеризуется двумя типами погоды: основным (I) и дополнительным (II). Интенсивные нисходящие движения воздуха (оседание) в центральной части антициклона приводят к тому, что здесь преобладает ясная, малооблачная погода, слабые ветры или штили, морозная зимой и жаркая (теплая) летом. Но если, антициклон находится в своей последней стадии - стадии разрушения, то под слоем инверсии, вызываемой адиабатическим нагреванием опускающегося воздуха, может наблюдаться значительная и сплошная облачность слоисто-кучевых и слоистых форм (Sc, St), нередки туманы, над крупными промышленными городами - смог. В зимнее время здесь умеренная холодная погода со слабыми снегопадами. Летом при дополнительном типе нередко наблюдается душная, влажная погода.

Погодные условия на перифериях хорошо развитых антициклонов сходны с условиями погоды в примыкающих к ним секторах соседних циклонов. Например, восточная (Е) периферия антициклона примыкает к тыловой части циклона за холодным его фронтом, поэтому здесь могут развиваться кучево-образные облака, возможны ливни, грозы, порывистый и шквалистый ветер и т. д. Западная (W) периферия, напротив, примыкает к передней части циклона, и погода здесь будет обусловливаться холодной устойчивой воздушной массой и приближающимся теплым фронтом. Перистые облака сменяются перисто-слоистыми, затем высокослоистыми и, наконец, слоистыми и слоисто-дождевыми. В холодное время года здесь нередко выпадает снег. Северная периферия антициклона, как правило, примыкает к теплому сектору циклона и в этих районах наблюдаются низкие (400- 800 м) слоистые и слоисто-дождевые облака с моросящими и обложными осадками, нередки адвективные туманы, особенно в районах теплых океанских течений. В южной части наблюдаются перистые, перисто-слоистые, а иногда высокослоистые и слоистые облака, обусловленные северной частью циклона или его теплым фронтом (рис.6).



Рисунок 6 Погода в антициклоне

Малоподвижные и длительное время существующие антициклоны отличаются наличием накапливающихся фронтальных разделов на западной периферии, которые обладают большими термодинамическими градиентами, а следовательно, и сильными ветрами, мощными облачными системами, осадками, грозами.

13. Признаки приближения антициклона

Давление в центре антициклонов в среднем составляет 1020- 1030 гПа. В очень редких случаях давление в центре антициклона над океаном превышает 1040 гПа.

Барические градиенты небольшие (из-за больших размеров антициклонов), особенно в центральной части. К перифериям градиенты растут. В соответствии с этим скорость ветра возрастает от центра антициклона к его перифериям. Наибольшие скорости ветра чаще всего наблюдаются в передней (обычно северо-восточной) части антициклона, а наименьшие - в тыловой (обычно западной) части.

Основные траектории антициклонов проходят с запада на восток с небольшой южной составляющей. Повторяемость их в теплую половину года над океанами больше, чем в холодную. Антициклоны перемещаются с меньшими скоростями, чем циклоны. Обычно их скорость не превышает 15-18 уз, но в отдельных случаях может достигать 40-50 уз. По мере развития антициклона скорость его перемещения уменьшается и он становится малоподвижным барическим образованием.

Блокирующие антициклоны.

Блокирующими антициклонами называются обширные, высокие и малоподвижные антициклоны, нарушающие господствующий в умеренных широтах западный перенос на длительное время (от нескольких суток до нескольких недель). Частота возникновения блокирующих антициклонов пропорциональна степени перегретости воздуха в данном районе. С блокирующими антициклонами связаны резкие аномалии погоды. На западной периферии такого антициклона возрастают горизонтальные градиенты температуры и давления, возникают сильные ветры. Циклоны огибают антициклон по часовой стрелке. Подвижные циклоны. Их называют «ныряющими», начинают передвигаться вдоль меридианов. Размеры их сравнительно небольшие, а скорости перемещения значительные. Они создают в океане особенно изменчивое и сложное волнение. Волны не успевают получать полного развития из-за изменчивости параметров ветра во времени и пространстве.

Нефронтальные антициклоны.

К нефронтальным антициклонам относятся огромные барические образования с повышенным давлением, находящиеся постоянно в субтропических широтах океанов. Это азорский антициклон в северной Атлантике, северотихоокеанский в северной части Тихого океана, антициклоны в субтропиках южного полушария.

Нефронтальными являются и огромные антициклоны, образующиеся над сильно охлажденной подстилающей поверхностью зимой. Это гренландский, канадский антициклоны и особенно азиатский (сибирский) антициклон, определяющий погоду на востоке и юго-востоке Азии. Именно в сибирском антициклоне наблюдалось максимальное давление на нашей планете - 1083,8 гПа 31 декабря 1968 г..

Летом над сушей в ночное время иногда могут возникать термические антициклоны. Они образуются в размытых барических полях над охлажденной подстилающей поверхностью. Такие термические антициклоны очерчены одной, редко двумя замкнутыми изобарами. Они имеют небольшие размеры и днем разрушаются при прогреве приземного слоя.

Вторичные антициклоны. Гребни.

Иногда в хорошо развитом гребне антициклона, занимающем большие площади, может возникнуть самостоятельный центр высокого давления, очерченный одной замкнутой изобарой. Такой антициклон называется вторичным или частным, а гребень с частным антициклоном называется отрогом. В последующем вторичный антициклон может исчезнуть, а иногда он развивается и становится со временем больше основного. В летнее время на юге Украины очень высокие температуры (до 40°С и выше) связаны с отрогом азорского антициклона. В зимнее время на юге Украины могут быть иногда температуры до - 40°С. Это также отрог, но уже холодного сибирского антициклона.

Размытое барическое поле.

В центральных частях обширных антициклонов могут находиться и занимать большие площади, измеряемые многими сотнями квадратных километров безградиентные или малоградиентные барические поля. Погоды там безоблачные и безветренные. Это характерно для огромных субтропических антициклонов. В северной Атлантике это азорский максимум, в котором получили историческую известность безветренные «конские широты». В Тихом океане это северотихоокеанский (гавайский) антициклон.

Седловины.

Седловины - это области между двумя циклонами и антициклонами, накрест лежащими.

Седловина в поле давления аналогична рельефу местности, расположенному между двумя смежными вершинами хребта. Изобарические поверхности в седловине понижаются в направлениях к центрам циклонов и повышаются к центрам антициклонов, т.е. имеют форму седла. Барические градиенты в седловине обычно малы, ветры слабы, нередки туманы. Летом в седловине над океаном ясная погода. Над сушей в седловинах могут наблюдаться грозы.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое погода?

2. В чем состоят особенности формирования воздушных масс и каковы изменения их особенностей при трансформации?

3. Каковы особенности географической и термодинамической классификации воздушных масс?

4. Каковы особенности погоды в воздушных массах?

5. Дать понятие атмосферного фронта.

6. Каковы особенности формирования атмосферних фронтов?

7. Какую погоду несет теплый фронт?

8. В чем состоят особенности погоды холодных фронтов?

9. Каковы особенности погоды при формировании фронтов окклюзий и стационарных фронтов?

10. Какие Вы знаете циклоны и как они отличаются в зависимости от географии возникновения?

11. Каковы стадии развития циклона?

12. Каковы особенности погоды в циклонах и при их перемещении?

13. В чем заключаються особенности приближения циклонов?

14. Каковы признаки приближения внетропического циклона?

...