4.3 Атмосферные фронты. Циклоны и антициклоны

Когда идет речь о внетропической циркуляции, имеется ввиду главным образом циркуляция умеренных широт. В областях земного шара вне тропиков всегда имеются районы занятые арктическими (антарктическими) воздушными массами (АВ), очагом формирования которых являются Арктика (Антарктика). Большая часть умеренных широт занята т.н. умеренной, или полярной воздушной массой (УВ). В более низких субтропических широтах всегда присутствуют тропические воздушные массы, либо сформировавшиеся здесь, либо принесенные сюда из тропиков. Границы очагов формирования воздушных масс испытывают сезонные смещения.

4.3.1 Атмосферные фронты

В атмосфере постоянно создаются такие условия, когда две воздушные массы с разными свойствами располагаются одна подле другой и при этом разделены узкой переходной зоной — фронтом. В зоне фронта при переходе от одной воздушной массы к другой температура, ветер и влажность воздуха более или менее резко меняются.

Если атмосферный фронт разделяет две воздушные массы, существенно различающиеся по температуре, влажности и другим свойствам не только у земли, но и в свободной атмосфере (главный фронт), то он имеет большую горизонтальную и вертикальную протяженность. Так, арктический фронт отделяет АВ от УВ; полярный фронт (фронт умеренных широт) разделяет УВ и ТВ. Наиболее резкая граница – у поверхности земли шириной 10 – 20 км – фронтальная линия. Выше зона перехода расширяется – фронтальная зона. На таких фронтах скачок температуры при переходе через линию фронта у земли обычно превышает 5⁰. На главных фронтах развиваются внетропические циклоны и целые их семейства. Главные фронты не непрерывны, наблюдается несколько ветвей фронтов. Это происходит потому, что между воздушными массами могут быть и постепенные переходы при отсутствии фронта.

Фронтальные поверхности проходят в атмосфере наклонно. Поскольку воздушные массы движутся, поверхность фронта может существовать и сохраняться только при условии, что она наклонена к поверхности земли. Угол наклона фронтальной поверхности очень малый ~ 0,5⁰. При этом холодный воздух располагается под теплым воздухом в виде узкого клина.

Фронты в атмосфере не существуют постоянно. Они возникают заново, обостряются, размываются, исчезают. Но условия для их образования всегда существуют в тех или иных частях атмосферы, и потому фронты являются не редкой случайностью, а постоянной, повседневной особенностью атмосферы. Обычный механизм образования фронтов (фронтогенеза) в атмосфере — это кинематический механизм: фронты возникают под влиянием таких движений воздуха, которые сближают между собой воздушные частицы с различной температурой (и другими свойствами). В определенной зоне горизонтальные градиенты температуры растут, что приводит к образованию резкого фронта вместо постепенного перехода между воздушными массами. Аналогично уже существующие фронты могут размываться, т.е. превращаться в широкие переходные зоны и сглаживаться.

Теплый фронт. В действительных условиях фронты не остаются в неизменном положении, а перемещаются. Фронт может перемещаться либо в сторону более холодного воздуха, либо в сторону более теплого воздуха. Если линия фронта перемещается у земли в сторону более холодного воздуха, это значит, что клин холодного воздуха отступает и освобождаемое им место занимает теплый воздух. Такой фронт называют теплым фронтом (Рис.4.2 а). Прохождение его через место наблюдения приводит к смене холодной воздушной массы на теплую, а следовательно, к повышению температуры и к определенным изменениям других метеорологических величин.

В зонах фронтов (или, как обычно говорят, на фронтальных поверхностях) возникают вертикальные составляющие скорости движения воздуха. Наиболее важен тот особенно частый случай, когда теплый воздух находится в состоянии восходящего движения, т. е. когда одновременно с горизонтальным движением он еще перемещается вверх над клином холодного воздуха. Именно с этим связано развитие над фронтальной поверхностью облачной системы, из которой выпадают осадки.

В случае теплого фронта восходящее по клину холодного воздуха движение охватывает мощные слои теплого воздуха над всей фронтальной поверхностью, и возникает обширная система высокослоистых — слоисто-дождевых облаков с обложными осадками шириной до 700 – 1000 км. При полете навстречу теплому фронту прежде всего встречаются предвестники фронта – перистые облака (Ci), затем перисто-слоистые (Cs), высокослоистые (As), слоисто-дождевые (Ns). Из высокослоистых и слоисто-дождевых выпадают обложные осадки, ширина зоны обложных осадков достигает 300-400 км. Под слоисто-дождевыми, вследствие испарения выпадающих осадков, часто образуются разорванно-дождевые облака (Frnb) вертикальной протяженностью 50-150 м. При медленном движении фронта в двухсоткилометровой зоне перед ним может образоваться туман, который сливается с низкими облаками.

Наиболее сложные условия погоды, влияющие на взлет и посадку самолетов и визуальные полеты, отмечаются на расстоянии до 500 км от центра циклона в системе теплого фронта. Здесь наблюдаются низкая облачность, осадки, ухудшение видимости из-за фронтального тумана. В облаках и переохлажденных осадках зимой происходит о бледенение, отмечаются сильные низовые метели.

Облака теплого фронта имеют достаточно большую вертикальную мощность, и выход из этих облаков обычно осуществляется на высотах 5-6 км, а выше отмечаются безоблачные прослойки, достаточно устойчивые по времени, которые можно использовать для полета. Летом в ночные часы с верхней границы облачной системы теплого фронта начинается радиационное излучение тепла, в результате чего возрастает контраст температуры между верхним и нижним краем облачной системы, что приводит к увеличению вертикального температурного градиента. Большие вертикальные градиенты температуры являются причиной развития вертикальных токов внутри слоистообразных облаков теплого фронта. Эти токи приводят к возникновению очагов Cb с ливнями и грозами, которые замаскированы слоисто-дождевой, высокослоистой облачностью. Болтанка может наблюдаться лишь в отдельных случаях, когда в зоне фронта отмечаются струйные течения, расположенные перед линией фронта на расстоянии 400-500 км и на высоте 7-9 км.

Холодный фронт. Если линия фронта перемещается в сторону теплого воздуха, это значит, что клин холодного воздуха продвигается вперед и теплый воздух перед ним отступает либо вытесняется вверх наступающим холодным клином. Такой фронт называют холодным фронтом. При его прохождении теплая воздушная масса сменяется холодной, температура понижается и резко изменяются другие метеорологические величины. В случае холодного фронта восходящее движение теплого воздуха ограничено более узкой зоной и особенно сильно перед холодным клином, где теплый воздух вытесняется холодным (Рис.4.2 б).

В зависимости от скорости движения фронта, характера восходящих движений ТВ, а также от расположения зон облачности и осадков относительно фронтальной поверхности, холодные фронты подразделяются на:

• холодный фронт 1 рода – медленно движущийся (15-30 км/час);

• холодный фронт 2 рода – быстро движущийся фронт (35-50 км/час и более).

Холодные фронты наиболее выражены в теплое время и обостряются в середине дня. Холодный фронт 1 рода чаще формируется в холодное полугодие. В восходящем теплом воздухе процесс конденсации не носит бурного характера и его облачная система сходна с облачностью теплого фронта, но ширина фронтальной зоны меньше, 300-400 км, полоса обложных осадков шириной 150-200 км, а верхняя граница облачной системы находится на высоте 4-5 км. В зоне холодного фронта 1 рода значительно усложнены полеты на малых высотах, в связи с ограниченной видимостью и образованием низкой подфронтальной разорванно-дождевой облачности, которая иногда переходит во фронтальный туман. Летом в передней части фронта за счет развития конвекции образуются Cb с грозами, ливневыми осадками и шквалистым усилением ветра. Конвективная облачность на холодном фронте 1 рода представляет собой ограниченную по ширине зону в виде отдельных очагов. За фронтом Cb переходят в слоисто-дождевые, а затем в высокослоистые. Ливневые осадки сменяются обложными, полет сопровождается болтанкой.

Холодный фронт 2 рода представляет наибольшую опасность для полетов. Он характерен для молодого развивающегося циклона. С этим фронтом связана узкая зона мощной кучево-дождевой облачности и интенсивных ливневых осадков, которая располагается в основном на линии фронта шириной 50-100 км. Впереди фронта, под кучево-дождевыми, часто образуется вал низких разорванно-дождевых облаков, вращающихся вокруг горизонтальной оси - шкваловый ворот, который очень опасен при попытке пересечения фронта. Летом прохождение такого фронта сопровождается сильными шквалами, грозами, выпадением интенсивного града и возникновением пыльных бурь, сдвигов ветра, интенсивной болтанки, что резко усложняет условия полетов для всех типов самолетов. Кучево-дождевые облака такого фронта на экране локатора обычно представляют собой непрерывную цепь засветок с небольшими просветами. При полете навстречу фронту, вблизи него, как правило будет наблюдаться гряда кучево-дождевых облаков с полосами ливневых осадков. Предвестником холодного фронта 2 рода являются высококучевые чечевицеобразные облака, которые появляются впереди фронта за 200-300 км. Зимой холодный фронт 2 рода вызывает резкое похолодание, усиление ветра, снежные заряды, метели.

Фронт окклюзии. В атмосфере при эволюции циклонов возникают и более сложные комплексные фронты, представляющие собой объединение двух или нескольких фронтальных поверхностей. Холодный фронт, как более активный, имеет и большую скорость, чем теплый фронт, в результате происходит их слияние. Образуется новый сложный фронт – фронт окклюзии. При процессе слияния фронтов, теплый воздух вытесняется вверх, а в приземном слое встречаются две холодные массы. Если тыловой холодный воздух оказывается более холодным, образуется фронт окклюзии по типу холодного фронта. Если же тыловой холодный воздух будет теплее отступающего, то образуется окклюзия по типу теплого фронта (Рис. 4.3)

Наиболее сложные условия погоды и полетов у точки окклюзии. В отличие от основных фронтов, осадки на фронтах окклюзии могут выпадать по обе стороны от линии фронта у поверхности земли. Здесь зимой низкая облачность, слоисто-дождевые и разорванно-дождевые облака, осадки, обледенение, гололед, туманы. Летом – кучево-дождевые облака, грозы, ливни, болтанка. Условия погоды на окклюзиях зависят от степени устойчивости воздушной массы, её влагосодержания, рельефа местности, времени года и суток. Для облачной системы фронтов окклюзии характерна значительная расслоенность, до 5-7 слоев. Облачная система холодного фронта окклюзии является более мощной и опасной, чем облачность теплого фронта окклюзии, т.к. в ней преобладают Cb облака. Толщина слоев и прослоек между ними достигает несколько км, что дает возможность пересекать эти разделы, а также производить полеты в их зоне, но однако наличие на фронтах окклюзии кучево-дождевых облаков требует повышенного внимания летного состава при полетах.