10.2. Атмосферные фронты
Различные воздушные массы находятся обычно в постоянном движении. При этом они могут сближаться и встречаться, образуя так называемые фронтальные зоны – переходные зоны между воздушными массами с разными физическими свойствами. Ширина их – первые сотни километров, длина – тысячи километров. В них наблюдаются быстрые изменения всех метеорологических величин по горизонтали – температуры, давления, влажности, так как фактически они представляют собой «поле битвы» между теплым и холодным воздухом. Во фронтальных зонах возникают поверхности раздела между теплыми и холодными воздушными массами, которые называются фронтальными поверхностями (лат. frons (род. п. frontis) – лоб, передняя сторона). Эта поверхность – неширокая полоса в несколько десятков километров, но по сравнению с размерами воздушных масс, которые ею разграничиваются, она представляется плоскостью. Угол между фронтальной плоскостью и земной поверхностью очень мал, менее 1°, но на рисунках для наглядности он преувеличен. Фронтальная поверхность всегда наклонена в сторону холодного воздуха, так что холодный плотный воздух располагается внизу, под нею, а теплый, менее плотный и легкий воздух – вверху, над нею. Линия пересечения фронтальной плоскости с поверхностью Земли образует линию фронта, которую кратко также называют фронтом. Все эти перечисленные понятия часто объединяются выражением атмосферный фронт.
Так как барическая ступень в теплом воздухе больше, чем в холодном, то расстояние между изобарическими поверхностями по обе стороны фронтальной поверхности будет различным. Изменение свойств воздуха в условиях его неразрывности в атмосфере достигается образованием в зоне фронта ложбины всех изобарических поверхностей. Она проявляется у земной поверхности в виде ложбины, очерченной изобарами (рис. 56). Таким образом, все атмосферные фронты лежат в барических ложбинах.
Атмосферные фронты бывают стационарные и движущиеся.
Если воздушные течения направляются с обеих сторон вдоль линии фронта и она не перемещается заметно ни в сторону теплого, ни в сторону холодного воздуха, то фронт называется стационарным.
Движущийся фронт образуется в том случае, если одна из воздушных масс имеет составляющую скорости, перпендикулярную линии фронта. В зависимости от направления перемещения движущиеся фронты подразделяют на теплые и холодные. Теплый фронт образуется при натекании теплого воздуха на холодный. Линия фронта при этом перемещается в сторону холодного воздуха. После прохождения теплого фронта наступает потепление (рис. 57). Холодный фронт образуется при подтекании холодного воздуха под теплый.
Рис. 57. Теплый фронт. Названия облаков указаны в таблице 2 (по И. И. Гуральнику)
Рис. 58. Холодный фронт первого рода (по И. И. Гуральнику)
При этом линия фронта перемещается в сторону теплого воздуха, который вытесняется наверх. После прохождения холодного фронта наступает похолодание. Различают холодные фронты первого и второго рода. Холодный фронт первого рода образуется в случае медленного наступания холодного воздуха. При этом теплый воздух спокойно поднимается по фронтальной поверхности и линия фронта движется медленно (рис. 58). Холодный фронт второго рода возникает при быстром движении холодного воздуха и резком подтекании его под теплый воздух, который подбрасывается вверх. Фронтальная поверхность при этом круто поднимается над земной поверхностью из-за того, что приземные слои воздуха тормозятся трением. Линия фронта движется быстро (рис. 59).
В атмосфере нередко возникают и более сложные комплексные фронты при смыкании (объединении) двух основных фронтов – теплого и холодного. Это фронты окклюзии (лат. occlusio – запирание). При их образовании соединяются две холодные воздушные массы, а теплый воздух вытесняется в верхние слои тропосферы и теряет связь с земной поверхностью. Если наступающий холодный воздух менее холодный, чем предыдущий, образуется фронт окклюзии по типу теплого фронта. Если наступающий воздух более холодный, чем предыдущий, возникает фронт окклюзии по типу холодного фронта (рис. 60).
Фронтальная деятельность наиболее интенсивна в умеренных и близлежащих широтах. Здесь систематически возникают, движутся (преимущественно с запада на восток) и разрушаются на протяжении нескольких дней атмосферные фронты. С ними связано образование атмосферных возмущений вихревого характера – циклонов (восходящих вихрей) и антициклонов (нисходящих вихрей), которые определяют различные типы погоды.
Рис. 59. Холодный фронт второго рода (по И. И. Гуральнику)
На климатических картах выделяются зоны, где, по средним многолетним данным, чаще встречаются воздушные массы различных типов и подтипов и где наиболее активно образуются атмосферные фронты. Такие статистически устойчивые фронтальные зоны называются климатическими фронтами. В этих зонах больших горизонтальных контрастов температуры, давления и сильных ветров концентрируются большие запасы энергии, которые расходуются на образование циклонов и антициклонов. Таким образом, эти зоны отражают среднее многолетнее наиболее типичное положение серий подвижных атмосферных фронтов.
Среди климатических фронтов выделяют главные и вторичные фронты.
Главные фронты являются зонами раздела и взаимодействия основных типов воздушных масс, контрастных прежде всего по температуре. Между арктическим (антарктическим) и полярным (умеренных широт) воздухом они называются соответственно арктическим и антарктическим фронтами, между полярным и тропическим воздухом – полярным фронтом. Раздел между теплыми воздушными массами – относительно сухой тропической и влажной экваториальной, – считавшийся ранее тропическим фронтом, представляет собой зону сходимости пассатов северного и южного полушарий и называется в настоящее время внутритропической зоной конвергенции (ВЗК) (рис. 61, 62).
Особенности главных фронтов таковы. Во-первых, они прослеживаются вверх до самой стратосферы, часто вызывая образование так называемых струйных течений – очень сильных ветров, которые достигают наибольшей величины близ тропопаузы. Во-вторых, они не образуют на Земле сплошных полос, а разрываются на отдельные ветви (отрезки), которые носят собственные названия. Особенно это заметно на примере полярного фронта, который разделяется на целый ряд ветвей. В-третьих, эти ветви смещаются по сезонам вслед за Солнцем: летом фронты вместе с возникающими на них сериями циклонов мигрируют в сторону полюсов, зимой – к экватору, причем некоторые из них в определенные сезоны размываются. На рисунке 62 видно, что зимой ветвь полярного фронта, отделяющая морской полярный воздух Атлантики от морских тропических масс Северо-Атлантического максимума, располагается на широте Франции. Средиземноморская ветвь полярного фронта, которая отделяет тропический воздух от континентальных воздушных масс умеренных широт, зимой пролегает над Средиземным морем и далее к востоку переходит в Иранскую ветвь, но летом обе ветви размываются. Над восточным Забайкальем и севером Приморья летом формируется Монгольская ветвь полярного фронта, разделяющая континентальные полярную и тропическую воздушные массы, а над Японским морем – Тихоокеанская ветвь между морскими полярными и тропическими массами.
Рис. 61. Климатические фронты в июле (по С. П. Хромову)
Рис. 62. Климатические фронты в январе (по С. П. Хромову)
Концы полярных фронтов, проникающих далеко в глубь тропиков, называются пассатными фронтами. Они разделяют в тропиках уже не полярный и тропический воздух, а различные по свойствам массы тропического воздуха, приносимого из разных океанических субтропических максимумов ветрами, называемыми пассатами. Нередко они возникают между двумя мТВ, одна из которых сформировалась из ЭВ над теплыми морскими течениями западной периферии субтропических максимумов, а вторая – из мПВ над холодными течениями восточной их периферии (например, летом вблизи Мексиканского нагорья, полупустыни Калахари и др.).
Вторичные фронты (фронты второго порядка) образуются обычно между воздушными массами разных подтипов одного и того же географического типа.
Они часто возникают между морским и континентальным полярным воздухом, прежде всего зимой, когда температурная разница между ними достигает наибольших значений. Такой полярный фронт намечается над центром Восточно-Европейской равнины, в связи с чем Москву образно называют «прифронтовым» городом. Вторичные фронты прослеживаются на меньшую высоту, чем главные, – на несколько километров в пределах тропосферы.