книги из ГПНТБ / Колодочка А.С. Метеорологические условия стрельбы артиллерии учебное пособие

Развивается оно преимущественно в тропосфере и особенно в ее нижних слоях.

Кроме термической конвекции, большую роль в вертикальном обмене тепла играет так называемая динамическая конвекция — турбулентность, которая возникает при горизонтальном передвиже­ нии воздушных масс со скоростью, превышающей 3—4 м/сек. В этом случае движущиеся в горизонтальном направлении массы воздуха испещрены множеством беспорядочно распределенных маленьких вихрей, то поднимающихся, то опускающихся. Эти перемещающие­ ся в вертикальном и горизонтальном направлении вихри и создают динамическую конвекцию. Перенос тепла путем тепловой и динами­ ческой конвекции имеет в пределах тропосферы' первенствующее значение и нередко превосходит в сотни и тысячи раз перенос тепла путем теплопроводности и в1десятки раз — путем земной длинно­ волновой радиации.

В среднем за год температура земной поверхности, как извест­ но, остается почти постоянной; следовательно, приток тепла должен равняться его расходу. Земная поверхность расходует часть тепла на таяние снега и испарение, а также непрерывно теряет тепло за счет длинноволновой радиации в атмосферу и конвекции. Однако пока приход тепла от солнца превышает его расход, земная поверх­ ность нагревается. Когда же расход тепла становится больше при­ хода, что особенно характерно для зимы и для ночей, начинается охлаждение земли. Как только температура поверхности земли окажется ниже температуры прилегающих масс воздуха, последние также начинают охлаждаться. При этом степень охлаждения воз­ духа уменьшается по мере увеличения высоты над земной поверх­ ностью.

Охлаждение поверхности земли, как и ее нагревание, происхо­ дит неравномерно в зависимости от ее физических свойств. Поверх­ ность суши охлаждается быстрее, чем водные поверхности. Наибо­ лее интенсивно охлаждается снеговая поверхность из-за большой лучеиспускательной способности снега. Неравномерное охлаждение поверхности земли вызывает неравномерное охлаждение и приле­ гающих масс воздуха. Охлажденный слои воздуха приобретает большую плотность, поэтому тепловая конвекция в этом случае воз­ никнуть не может, а динамическая конвекция значительно умень­ шается. Наибольшее охлаждение земной поверхности и прилегаю­ щего слоя воздуха, как и нагревание их, происходит в ясную, без­ облачную погоду, когда атмосфера наиболее прозрачна.

Помимо перечисленных тепловых процессов, происходящих в атмосфере, большое значение в ее тепловом состоянии имеет пе­ ренос тепла воздушными и морскими течениями.

§ 9. ВОЗДУШНЫЕ МАССЫ И АТМОСФЕРНЫЕ ФРОНТЫ

Погода определенного района в данный момент времени зависит от физических свойств воздушной массы, расположенной над этим

40

районом, и от физических процессов, происходящих в ней. С другой стороны, чем дольше воздушная масса находится над данным рай­ оном, тем больше сказывается влияние подстилающей поверхно­ сти* этого района на физические свойства воздушной массы.

Наиболее резкие непериодические изменения погоды связаны со сменой воздушных масс, т. е. с прохождением: атмосферных фрон­ тов, что в свою очередь тесно связано с образованием, развитием и перемещением тропосферных барических систем — циклонов и антициклонов.

С

Рис. 6- Географическая классификация воздушных масс

Воздушные массы разделяются:

1.По характеру относительной температуры — на теплые и хо­ лодные.

2.По месту формирования (географическая классификация —

рис. 6) — на арктические,' умеренные (полярные), тропические

иэкваториальные.

3.По характеру подстилающей поверхности — на континен­

тальные и морские.

Теплой (холодной) называется воздушная масса, с приходом которой в данный район связано потепление (похолодание). При­ шедшая теплая (холодная) воздушная масса, взаимодействуя с бо­ лее холодной (теплой) подстилающей поверхностью данного рай­ она, постепенно охлаждается (прогревается). Изменение свойств воздушной массы, т. е. ее трансформация, приводит к тем или иным изменениям погоды, а значит — к изменениям метеорологических условий стрельбы артиллерии.

Погода в воздушной массе над данным районом в значительной степени определяется предшествующим путем воздушной массы

ирайоном ее формирования, поэтому воздушные массы классифи­

*Подстилающей поверхностью принято называть все разнообразие покро­

ва земли: наличие суши или водной поверхности, различная растительность, почвы и породы разного состава, цвет поверхности, степень уплотнения и влажности почвы и т. п.

41

цируются также по месту их формирования. Районы формирования воздушных масс в общем располагаются соответственно широтным зонам, поэтому основные типы воздушных масс в тропосфере по месту их формирования получили следующие названия: арктиче­ ский воздух, умеренный, тропический и экваториальный. Похарак­ теру подстилающей поверхности каждый из этих основных типов (кроме экваториального) подразделяется на континентальный и морской воздух.

Арктический воздух формируется в районах Арктики, покрытых большую часть года снегом и льдами. Этот воздух характеризуется низкими температурами и медленным убыванием температуры

свысотой, малой абсолютной влажностью и хорошей видимостью

впределах до 10—20 км. Морской арктический воздух в отличие от континентального обладает большей влажностью и меньшей устой­

чивостью.

Умеренный воздух формируется над районами умеренных (сред­ них) широт. Наиболее характерные его свойства — большая абсо­

к континентально-тропическому.. Морской умеренный воздух более влажный, чем континентальный; в холодное время года он теплее континентального воздуха, а летом — холоднее. В целом умерен­ ный воздух не обладает столь определенными свойствами, как арк­ тический или тропический воздух. Объясняется это тем, что в сред­ ние широты, где он формируется, вторгается то арктический, то тропический воздух и, медленно передвигаясь и задерживаясь здесь, изменяет свои первоначальные свойства. Поэтому умерен­ ный воздух часто называют переходным.

Местом формирования тропического воздуха являются районы субтропических широт и частично тропики. Континентальный тро­ пический воздух формируется над районами северной' Африки и Малой Азии, а летом, кроме того, — над южными районами уме­ ренных широт, в частности — над южными районами Советского Союза. Этот воздух характеризуется очень большой прогретостью до высоты 2—3 км, обычно резкими колебаниями температуры

внижних слоях от дня к ночи, большой запыленностью и плохой видимостью, малой абсолютной и особенно относительной влаж­ ностью в дневное время. Морской тропический воздух формируется

всубтропиках Атлантического' и Тихого океана. Этот воздух, при­ ходя в континентальные районы, характеризуется большой прогре­ тостью до высоты 1,5—2 км, очень большой абсолютной влаж­ ностью и малой запыленностью. Зимой с вторжением морского тро­ пического воздуха в умеренные широты обычно наблюдаются сильные оттепели.

Каждой воздушной массе соответствует, как правило, свой тип

погоды.

42

Благодаря воздушным течениям массы воздуха, получившие те или иные свойства в районе их формирования, перемещаются вдоль земной поверхности. Скорость перемещения воздушных масс в от­ дельных случаях может достигать до 80 км!час и более. При этом разнородные по свойствам воздушные массы соприкасаются, и меж­ ду ними образуется узкая переходная зона или в пространстве — некоторый слой. При незначительной толщине переходного слоя он условно отождествляется с поверхностью, которая называется фрон­ тальной, или поверхностью раздела. Эту поверхность раздела при­ нято называть атмосферным фронтом, или просто фронтом. Иногда фронтом называют линию пересечения поверхности раздела с зем­ ной поверхностью (линия фронта). При прохождении атмосферных

ческих элементов: температуры, давления, влажности, ветра и т. д. Кроме того, в переходной зоне обычно развиваются такие явления погоды, как характерная облачность, осадки и другие.

При соприкосновении теплых и более холодных масс воздуха по­ верхность раздела между ними обычно очень сильно наклонена в сторону холодных масс, как показано на рис. 7. Объясняется это тем, что менее плотный теплый воздух как бы всплывает над! хо­ лодным или более холодные воздушные массы подтекают под теп­ лые, образуя своего рода острый клин холодного воздуха. Угол на­ клона фронтальной поверхности к горизонту (а) обычно составляет несколько'десятков минут, а тангенс этого угла — менее 0,01. Мощ­ ность фронтальных слоев по вертикали может достигать 0,5 км и даже больше, а ширина фронтальной зоны в горизонтальной пло­ скости — до 50—60 км.

В соответствии с направлением перемещения атмосферные фронты делятся на два основных вида: теплые и холодные. Теплым называется фронт, перемещающийся в сторону холодной воздушной

43

разделяет арктический и умеренный воздух, полярный — умерен­ ный и тропический, тропический — тропический и экваториальный воздух. Тропические фронты в умеренных широтах не встречаются. Главные фронты разделяют основные географические типы воздуш­ ных масс и в1большинстве случаев характеризуются наибольшими контрастами метеорологических элементов, значительным развити­ ем облачности, осадков и других атмосферных явлений. Вторичны-

ми фронтами называются разделы между различными частями од­ ной и той же воздушной массы, которые наблюдаются при ее боль­ шой неоднородности. Вторичные фронты обычно характеризуются меньшими изменениями метеорологических элементов и меньшей погодной активностью, чем главные.

Рис. 9. Схема вертикального строения теплого фронта

Рассмотрим более подробно основные фронты — теплый и хо­ лодный, а также характер изменения метеорологических элементов и погоды при их прохождении через данный район.

Теплый фронт, перемещаясь в сторону холодной воздушной мас­ сы, является поверхностью, по которой теплый воздух как бы скользит, поднимаясь вверх, по клину холодного. Восходящее скольжение теплого воздуха захватывает главным образом слои, непосредственно прилегающие к фронтальной поверхности, и рас­ пространяется до высоты 5—7 км, а иногда и больше. Вследствие адиабатического охлаждения в поднимающемся теплом воздухе происходит конденсация водяных паров и образование облаков. Облака располагаются в виде облачной системы вдоль поверхности

44

теплого фронта, как показано на рис. 9. Из облаков, главным обра­ зом слоисто-дождевых, выпадают обложные осадки, которые обыч­ но охватывают предфронтальную зону шириной 300—400 км. Осад­ ки, выпадающие из высоко-слоистых облаков, в большинстве своем испаряются, не достигая земли. При обычной скорости движения теплого фронта в 30—50 км/час продолжительность обложных осадков составляет 6—12 часов и даже больше. Если фронт мало­ подвижный, то данный пункт длительное время остается в зоне об­ ложных осадков, которые могут продолжаться сутками с коротки­ ми перерывами без прояснений.

Рис. 10. Схема вертикального строения холодного фронта 2-го рода

Распределение температуры по вертикали перед теплым фрон­

7—10 мб и даже больше. С прохождением теплого фронта осадки прекращаются (иногда обложные осадки переходят в морось), дав­ ление почти не меняется или даже слегка повышается, температу­ ра повышается, а ветер резко поворачивает вправо.

Холодный фронт, перемещаясь в сторону теплой воздушной мас­ сы, вызывает в большинстве случаев резкое похолодание. При этом падение Температуры достигает нередко 103 за 1—2 часа. При пе­ ремещении холодного фронта нижние слои холодного воздуха не­ сколько задерживаются в своем движении по сравнению с вышеле­ жащими слоями. Вследствие этого клин наступающего холодного воздуха имеет тупую форму (рис. 10). При большой скорости дви­ жения такой клин оттесняет воздух в направлении движения, при этом теплый воздух над большей частью фронтальной поверхности находится в активном нисходящем движении, перед самой же ли­ нией фронта вытесняется вверх. При вынужденном подъеме теплый воздух адиабатически охлаждается, и в передней части клина и не­

45

сколько впереди его (до 100 км) образуются мощные кучево-дож­ девые облака, дающие ливневые осадки, иногда шквалы, а в теп­ лую половину года грозы. С прохождением холодного фронта лив­ невые осадки прекращаются и наступает прояснение, температура резко понижается, давление начинает сильно расти (на 3—5 мб и более за три часа), ветер резко поворачивает вправо и отличает­ ся большой порывистостью.

Рассмотренный случай относится к быстро передвигающемуся холодному фронту, который носит наименование холодного фронта 2-го рода в отличие от холодного фронта 1-го рода, который дви­ жется медленнее и характеризуется иным распределением облачно­ сти и осадков. В последнем зона осадков располагается не только перед фронтом, но и за ним, где осадки носят характер обложных. Происходит это потому, что при медленном движении холодного фронта теплый воздух поднимается вверх над вторгающимся хо­ лодным клином. Вследствие этого на поверхности холодногофрон­ та 1-го рода после кучево-дождевых облаков располагаются слои­ сто-дождевые и высоко-слоистые, т. е. те же, что и при теплом фронте, только в обратном порядке.

В том случае, когда холодный фронт, располагающийся за теп­ лым, движется быстрее последнего и догоняет его (смыкаясь), об­ разуется так называемый фронт окклюзии. В районе фронта окклю­ зии, представляющего собой сочетание холодного и теплого, фрон­ тов, теплого воздуха у земной поверхности нет, он* вытеснен вверх и располагается над холодными массами, граничащими Вдоль фронта окклюзии.

Кроме перечисленных атмосферных фронтов, Ва территории Советского Союза нередко наблюдаются зимой сложные и верхние, фронты, которые еще в большей степени усложняют характер рас­ пределения температуры, давления, ветра и облачности в пределах тропосферы над определенным районом.

§10. ОСНОВНЫЕ БАРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Вформировании погоды над обширными районами, помимо воз­

душных масс, атмосферных фронтов и периодических явлений и процессов, происходящих в атмосфере, важнейшая роль принад­ лежит циклонической деятельности. Под циклонической деятель­ ностью понимают образование, развитие и перемещение основных барических систем: циклонов и антициклонов.

Схематически циклоны (рис. 11) представляют собой области пониженного давления, ограниченные замкнутыми изобарами — линиями, соединяющими пункты с одинаковым давлением, а анти­ циклоны (рис. 12) — области повышенного давления. В циклонах наиболее низкое давление наблюдается в центре и повышается к окраинам, а в антициклонах — наоборот.

Циклоны и антициклоны образуются вследствие ряда термоди­ намических причин и, главным образом, волновых процессов, про­

46

исходящих при определенных условиях на главных атмосферных фронтах.

Внутри циклонов воздушные массы обычно являются неустой­ чивыми, а атмосферные фронты и связанные с ними процессы рез­ ко выраженными и, наоборот, внутри антициклонов воздушные массы более устойчивые, а фронты размыты. Поэтому циклоны при­ нято считать областями плохой, а антициклоны —- хорошей погоды.

Вбарических системах вследствие разности давления в центре

ина периферии, а также под влиянием отклоняющего действия вращения Земли создается самостоятельная циркуляция воздуш­ ных потоков (ветра). Эта циркуляция для северного полушария на

рисунках показана стрелками. В циклоне ветер у поверхности зем­ ли имеет направление против хода часовой стрелки, отклоняясь от изобар в сторону низкого давления в среднем на 30—40°'. Скорость ветра колеблется в широких пределах. В самом центре циклона ве­ тер слабый. В свободной атмосфере ветер в циклоне направлен примерно по касательной к изобаре против хода часовой стрелки.

Диаметр циклонов умеренных широт составляет в среднем ,1500 км, но в отдельных случаях может достигать 3000 км и даже больше. Вертикальная мощность циклонов в зависимости от стадии их развития может доходить до 8—10 км. Обычная глубина цикло­ нов умеренных широт составляет от 1010 до 970 мб. Распределение температуры воздуха внутри циклона является несимметричным; в циклоне наблюдается обычно резко выраженный теплый сектор (рис. 13). В передней части циклона (по направлению движения) этот сектор ограничен теплым фронтом, а в тыльной — холодным. Облачность и осадки в циклоне определяются характером располо­ жения в нем фронтов и состоянием воздушных масс. При прохож­ дении циклона последовательность явлений погоды определяется положением центра циклона относительно пункта наблюдений.:

Циклоны, развивающиеся из волновых возмущений на главных атмосферных фронтах, обычно возникают не поодиночке, а серия­ ми (семействами) в количестве от трех до пяти и следуют один за другим. Жизнь такой серии, с мРмента зарождения и до момента

47

ее разрушения, длится около 7—10 суток. С отмиранием одной се­ рии развивается другая. В пределах СССР циклоны перемещаются зимой преимущественно на восток, а летом на северо-восток. Сред­ няя скорость их перемещения зимой 40 км/час, летом — 30 км/час,

СССР за год, в среднем около 75; повторяемость же их зимой вдвое больше, чем летом. Зимой, кроме того, циклоны отличаются большими размерами и интенсивностью.

Рис. 13. Схема циклона

Размеры антициклонов примерно такие же, как й циклонов, хо­ тя иногда встречаются малоподвижные (стационарные) антицикло­ ны, размеры которых по диаметру крайних изобар достигают пяти

1040Ч-Ю50 мб и даже до 1070 мб.

Ветер в антициклонах направлен у земной поверхности по ходу часовой стрелки, отклоняясь от изобары в сторону низкого давле­ ния в среднем на 30', т. е. в нижней части антициклона наблю­ дается система воздушных течений (ветра), расходящихся бт центра к периферии. В свободной атмосфере ветер направлен обычно покасательной к изобаре в сторону движения часовой стрелки. В температурном отношении антициклон, как и циклон, несимметричен. Наиболее холодной является обычно восточная часть антициклона, где преобладает ветер северного направления.

48

Фронты в центральной части антициклона в большинстве случаев размыты. Здесь преобладает, как правило, безоблачная или мало­ облачная со слабым ветром сухая ясная, летом жаркая, а зимой холодная погода. Средняя скорость передвижения антициклонов не­ сколько меньше, чем у циклонов. Часто наблюдаются даже почти неподвижные антициклоны, стоящие на одном месте от нескольких суток до недели и более (сибирские антициклоны).

С точки зрения метеорологического обеспечения стрельбы ар­ тиллерии изучение воздушных масс, атмосферных фронтов, цикло­ нов и антициклонов представляет значительный интерес. Все они определяют те или иные изменения погоды, а значит и характер распределения метеорологических элементов в пространстве и из­ менение их со временем, что особенно важно учитывать при уста­ новлении необходимых сроков зондирования атмосферы, сроков год­ ности и радиуса действия метеорологических бюллетеней.

При составлении и' использовании бюллетеней необходимо учи­ тывать, как долго удержится тот или иной погодный режим и в ка­ кую сторону возможны в ближайшее время1погодные изменения. С этой целью и в первую очередь учитываются данные ГМС (про­ гнозы погоды и различная метеорологическая информация). Наря­ ду с этим необходимо также широко использовать общедоступные, научно обоснованные местные признаки состояния и изменения погоды.

Наиболее характерные признаки могут дать наблюдения над облачностью, изменением наземного давления и ветра.

Так, при наблюдении в западной стороне горизонта быстро дви­ жущихся высоких перистых облаков следует ожидать приближение циклона с последующим ухудшением погоды.

Заволакивание всего видимого горизонта плотным слоем высо­ ко-слоистых облаков с последующим их понижением указывает на приближение теплого фронта с обложными и продолжительными осадками, со сменой направления ветра и повышением температу­ ры после его прохождения.

При образовании кучевой облачности, не рассеивающейся к ве­ черу, следует ожидать приближения холодного фронта с резким ухудшением погоды и выпадением ливневых осадков. Летом при наблюдении днем разрозненных кучевых облаков, рассеивающихся к вечеру, можно судить об установившейся антициклональной по­ годе на сравнительно длительное время.

Устойчивость наземного давления в последние 3—5 часов ха­ рактеризует установившийся тип погоды. Значительное, но плавное падение давления свидетельствует о приближении теплого фронта (циклона), а резкое падение — холодного'. Сильный рост давления за холодным фронтом с переходном к ровному ходу — признак улучшения погоды.

Если при ясной погоде несколько дней подряд ветер сохранял приблизительно одно и то же направление, а затем резко изменил-