книги из ГПНТБ / Воронцов, П. А. Аэрологические исследования пограничного слоя атмосферы

равной 0,6 км, с высоты 1,5 км начинался устойчивый западный

ветер. Слой максимальной скорости ветра 8 м/сек. в восточном

потоке был на высоте 0,9 км и совпадал со слоем инверсии.

Относительная влажность к моменту начала западного потока

несколько повысилась, достигнув 26%, и дальше продолжала

постепенно увеличиваться.

Вертикальный температурный градиент от конца слоя ин­

инверсия до высоты 730 м с повышением температуры на 3°,2. Высота восточного потока составляет в этот срок около 0,5 кмг с высоты 1,0 км начинается устойчивый западный ветер, отно­

сительная влажность достигает на этой высоте минимальных

значений 34%, в то время как у земной поверхности ее вели­ чина была 61%. В этом подъеме также видно быстрое падение относительной влажности в слое инверсии и более замедленное ее понижение выше инверсионного слоя. С началом западного потока относительная влажность начинает возрастать и с 34%

на высоте 1,0 км достигает 97% на высоте 5,0 км. Величина

вертикального температурного градиента в инверсионном слое составляет —0°,52 и в западном потоке 0°,79.

Весьма характерно наличие приземной инверсии при всех трех выпусках.

Рассмотрим изменение Ri с высотой, приведенное на рис. 148. Кривая дает распределение Ri с высотой по данным радиозондовых подъемов в 1936 г., а пунктирная линия — до высоты 0,5 км ход Ri по зондированию 1935 г.

В 1936 г. до высоты 0,3 км наблюдался слой температурной инверсии, выше слоя инверсии значения Ri соответствовали

условиям, благоприятным для развития турбулентности. В пе­ реходном слое и в слое с западным потоком Ri > 10.

В 1935 г. в нижнем слое наблюдалась значительная неустой­ чивость с интенсивным развитием турбулентных движений. При восточных ветрах у земной поверхности, как правило, утром

и вечером имеется приземная инверсия. Выше инверсии до на­ чала западного потока в слое с западным ветром величина

градиента примерно одинакова и находится в среднем в преде­

лах 0,6—0°,7. Относительная влажность в восточном потоке от земли начинает уменьшаться и достигает минимума на высоте начала западного ветра, в западном потоке относительная влажность быстро увеличивается и на высоте около 4—5 км часто достигает 100% насыщения.

В 1936 г. иногда восточный ветер больших скоростей не создавал фёнового эффекта у земли, в то время как в верхних слоях наблюдался типичный фён. Наличие сухого воздуха до

высоты примерно 1,0—2,0 км препятствует образованию обла­ ков нижнего яруса. Высокая влажность на высоте 3—4 км при

407

фёнах является причиной образования облаков типа высоко-ку­ чевых, а иногда при снижении западного влажного потока до 1—2 км — образованию слоисто-кучевых или слоисто-дожде­

вых форм облаков. Поэтому иногда при фёновых явлениях внизу начинает идти дождь, что обычно соответствует затуха­

нию восточного потока и окончанию фёна в ближайшие часы. Материалы аэрологических наблюдений при фёнах на стан­ циях Кутаиси, Мта-Сабуети и Тбилиси за последние годы подтверждают, что ветровой режим при фёнах выявлен авто­ ром в общем правильно. К сожалению, изучение температур-

Рис. 148. Распределение Ri при фёнах. Октябрь

1936 г.

ного режима 'фёнов Рионской долины не проводится, и под­ твердить или уточнить его по более длинному ряду наблюде­ ний не удалось.

Для выяснения условий развития фёнов весьма важным

фактором является знание количественных характеристик ни­ сходящих потоков воздуха. Около десятка уравновешенных шаров, выпущенных с земной поверхности в дневные часы,

из-за малой высоты подъема не могли характеризовать слои выше 250—300 м, и их движение в большей степени зависело

ний воздуха можно получить, рассматривая движение обычного

408

шара-пилота. Все наблюдения за шарами-пилотами проводи­ лись с двух пунктов, поэтому было возможно проследить изме­ нение вертикальной скорости шара-пилота по высоте. При фё­ нах можно отметить слои с отрицательными отклонениями вертикальной скорости шара от ее табличных значений. Будем

ность вертикальной скорости табличной wT и фактической вер­ тикальной скорости по базисным наблюдениям w$. Максималь­ ное число случаев 46% приходится на wH порядка 0,01 — 0,2 м/сек., 12% падает на 0,2—0,3 м/сек., наибольшие величины нисходящих скоростей доходят до 1,2 м/сек. Скорости нисходя­

щих движений при фёнах больше 1,0 м/сек. наблюдаются сравнительно редко.

Наиболее часто нисходящие движения при фёнах над Цулу­ кидзе наблюдались в слое до 1 км с максимумом на уровне

0,6—0,7 км.

По движению уравновешенных шаров можно исследовать траектории движения воздуха при фёнах в приземном слое и определить величины вертикальных скоростей (табл. 130).

Т аб лица 130

Распределение w по слоям при фёнах в дневные часы

и скорости их меньше. В слое 100—200 м и выше вероятность восходящих и нисходящих потоков примерно одинакова, но в слое 100—200 м еще преобладают восходящие потоки до­

300 м скорости восходящих и нисходящих потоков имеют при­ мерно одинаковые значения. Максимальные величины восхо­

409

дящих потоков в слое 0—100 м были 215 см/сек., в слое 100— 200 м—165 см/сек. и в слое 200—300 м — 80 см/сек. Скорости

нисходящих потоков в слое 0—200 м значительно меньше ско­ ростей восходящих потоков. Можно считать, что в дневные часы при фёнах примерно до высоты 200 м будут наблюдаться

значительные термические воздействия подстилающей поверх­

ности с преобладанием восходящих потоков.

Интенсивность фёнов тесно связана также_ с величиной

осредненных по площади нисходящих потоков w. Для района Мта-Сабуети — Кутаиси по профилям скорости ветра были

подсчитаны значения w для отдельных дней с фёнами в преде­ лах от 2 до 36 см/сек. Аналогично по профилям скорости ветра для Цулукидзе и Ципы, взятых из табл. 126, были определены w = 10 -ь 15 см/сек. При больших скоростях фёнового ветра в Рионской долине осредненные нисходящие потоки могут до­ ходить до 1 м/сек. Подсчеты w двумя методами дают примерно одинаковые значения.

Проведенные в течение двух осенних периодов аэрологиче­ ские наблюдения позволяют осветить роль подстилающей по­

верхности в развитии фёнов.

По наблюдениям 1935 г. в Цулукидзе, каждый, даже крат­

ковременный прорыв восточного потока создавал фёновые явле­ ния у земной поверхности.

Повторяемость числа дней с восточными ветрами в нижних

слоях в период сентябрь — октябрь 1935 г. составила около

54% общего числа дней. Так как фён, хотя бы слабый, наблю­ дался при каждом восточном ветре, можно считать, что вероят­ ность фёнового эффекта у земной поверхности при восточных ветрах составляла в этот период 100%.

В те же месяцы 1936 г. в Цулукидзе повторяемость дней с во­

сточным ветром составляла 50%, т. е. число, почти равное по­ вторяемости восточных ветров в 1935 г. Строение восточного по­

тока как в 1935 г., так и в 1936 г. было совершенно одинаково,

обычно слабые. В 1936 г. количество выпавших осадков в рас­ сматриваемый период было значительно больше, чем в 1935 г. В некоторые периоды сентября и октября 1936 г. окрестности

не было заметно. Можно считать, что уменьшение фёнового эф­

фекта у земной поверхности в 1936 г. в Цулукидзе было вызвано тем, что при восточных ветрах происходило усиленное испаре­ ние воды с поверхности почвы и питание ею приземных слоев воздуха. Испарение вызывало понижение температуры воздуха и увеличение относительной влажности, вследствие чего фён у

410

земли прекращался, и иногда за счет испарения образовывалась даже приземная инверсия температуры.

Еще А. И. Воейков (1912) дал в основном правильное объяс­ нение общих условий образования фёнов Рионской долины, ука­

зав, что они возникают между циклоном, проходящим по Чер­ ному морю, и антициклоном, расположенным в районе Средней Азии.

Наблюдения автора при осенних фёнах (сентябрь—октябрь)

подтверждают эту точку зрения.

Можно считать, что фёны в Рионской долине образуются

преимущественно при наличии гребня или отрога области повы­ шенного давления, создающих над Закавказьем поток воздуха восточного или юго-восточного направления. На фоне антицик-

лонических условий погоды можно выделить три типа процессов образования фёнов в Рионской долине:

1)орографические фёны,

2)фёны из свободной атмосферы с растеканием воздуха по

обеим сторонам Сурамского хребта, 3) местные фёны, вызванные отражением потоков общей цир­

куляции горными хребтами.

Нисходящие движения воздуха при всяком типе фёна явля­ ются результатом взаимодействия общециркуляционных про­ цессов. Интенсивность же фёнов у земной поверхности будет определяться еще рядом дополнительных факторов, а именно: физическими свойствами воздушной массы, стратификацией ат­ мосферы до начала фёна и при фёне, условиями увлажнения подстилающей поверхности и другими факторами.

Орографические фёны являются классическим примером об­ разования фёнов. Судя по толщине слоя восточного потока и направлению его движения, подъем и опускание_ воздуха при фёнах в Рионской долине происходят через сравнительно невы­ сокий Сурамский перевал. В этих условиях воздух, вызвавший фён, растекался из антициклона и был уже до перевала прогре­ тым и относительно сухим. Путь движения воздуха при этом типе фёна вначале был вдоль долины р. Куры. Уменьшение об­ лачности в юго-восточном потоке над Тбилиси при последующем появлении фёна в Рионской долине указывает на то, что этот воздух был относительно сухим и прогретым уже в долине р. Куры. Обычно толщина антициклонического юго-восточного потока над долиной р. Куры небольшая, всего 1,5—2,0 км со скоростями до 6—8 м/сек. После перехода через Сурамский перевал и опускания вдоль западного склона воздух приобре­ тает фёновые свойства и меняет направление на восточное

вдоль Рионской долины. Толщина восточного потока примерно та же, что и над Тбилиси, скорость же его в Рионской долине резко возрастает, так как эта долина, особенно вначале, зна­ чительно уже долины р. Куры. Типовая схема начала фёна этого типа приведена на рис. 149. Переваливающий через Су-

411

рамский хребет восточный поток не сразу опускается до земли, а постепенно вытесняет западный поток. Вторая стадия соответ­ ствует развитому фёну и, наконец, дана стадия затухания фёна с наличием в некоторых случаях облаков нижнего яруса с осад­ ками в западном потоке.

Рис. 149. Схема орографического фёна.

Иногда орографический тип фёна может наблюдаться в мас­ сах тропического воздуха, пришедших из юго-востока или с во­ стока, тогда начало фёна сопровождается резким ухудшением горизонтальной видимости.

Образование фёна вследствие опускания и двухстороннего растекания воздуха по склонам гор из антициклона частично на­ чинается уже в свободной атмосфере, а частично совершается по обоим склонам Сурамского хребта. Самым существенным отли-

412

чием этого типа фёна от предыдущего является одновременное наличие фёна по обеим сторонам хребта и почти противополож­ ное направление ветра в нижних слоях в долинах р. Куры и Риони. Типовая схема таких фёнов приведена на рис. 150.

Наконец образование восточных фёнообразных ветров Рион­ ской долины может быть вызвано отражением западного по­ тока от Главного Кавказского хребта или Сурамского перевала.

В этом случае развивается своеобразный вихрь с горизонталь­ ной осью. В условиях антициклонического типа погоды такие фёны могут явиться следствием нисходящих течений по склонам

гор при горно-долинной циркуляции. Схема местного фёна при­ ведена на рис. 151. При фёнах этого типа не наблюдается зна­

чительного повышения температуры воздуха у земной поверх­

413

ности, так как высота опускания воздуха сравнительно неболь­

шая. Горно-долинная циркуляция в Рионской долине усиливает фёновые эффекты у земной поверхности ночью и несколько ос­ лабляет их днем.

Местные фёны наблюдались также ночью при ветре с гор в ряде пунктов Кавказского побережья. Если высоты гор были достаточно велики, то стекающий вниз воздух настолько нагре­ вался, что имел все фёновые свойства.

По записям самописцев температуры и относительной влаж­ ности такие фёны можно было легко выявить. Например, ночью

22 и 25/V 1955 г. на ст. Гагра по записям самописцев были заре­

гистрированы фёновые потоки, продолжавшиеся 40 и 30 мин. и

вызвавшие повышение температуры воздуха с 15 до 20,0, 20°,5 и

понижение относительной влажности с 90 до 48%. Зона распро­ странения местных фёнов обычно была небольшой — всего не­ сколько километров.

Фёны из свободной атмосферы

Если при орографических фёнах минимальные значения от­

носительной влажности наблюдаются у подножия горного скло­ на, а высокая относительная влажность — на перевале, то при фёнах из свободной атмосферы значения влажности будут не­ большими уже на вершинах гор и в свободной атмосфере на тех же уровнях.

Рассмотрим по данным аэростатного зондирования распре­ деление основных метеорологических элементов при фёне из свободной атмосферы в районе Эльбруса (табл. 131).

Таблица 131

Распределение метеорологических элементов при фёне из свободной

414

Отметка точки наблюдений-—2150 м над уровнем моря. На склоне горы на высоте 0,95 или 3,1 км над уровнем моря отно­ сительная влажность была 13%—несколько выше, чем в сво­ бодной атмосфере. Судя по ходу удельной влажности у поверх­ ности долин в слое примерно 100 м эффективность фёна была уменьшена влиянием подстилающей поверхности. Опускание масс воздуха было из антициклона, образовавшегося над Евро­ пейской территорией СССР. Наличие слоя воздуха на высоте 0,1—0,5 км с относительной влажностью менее 20% иногда наб­

людается и над равнинными районами, в частности, в Москве,

в пос. Воейково и других пунктах.

Фёны из свободной атмосферы с опусканием и растеканием воздуха из антициклона часто сопровождаются образованием инверсии оседания. В этом случае на склонах гор и в атмосфере, лежащих выше слоя инверсии, наблюдаются все типичные для фёна явления, а в то же время ниже инверсии фён выражен весьма слабо или полностью отсутствует.

Фёны оз. Севан

Над высокогорным оз. Севан в дневные часы теплого пе­ риода года почти постоянно наблюдаются фёны. В июле 1956 г. в связи с особенностями макросиноптических процессов в ниж­ них слоях атмосферы наблюдались северо-восточные ветры, на­ правленные под большими углами к горным хребтам, располо­

женным с восточной стороны озера. Ввиду того что высоты

хребтов были неодинаковы и увеличивались к восточной и юговосточной части озера, эффект переваливания воздуха на раз­ ных участках был различным. Над северной частью озера фёно­

415

Для исследования режима температуры и влажности воз­ духа проводилось горизонтальное самолетное зондирование на разных уровнях вдоль озера, начиная от о. Севан, располо­ женного в северо-западной части озера, до пункта Цовак, ле­ жащего на юго-восточной стороне, с расстоянием между ними примерно 70 км.

Осредненные значения t и г из 10—11 полетов за каждый пе­ риод приведены в табл. 132.

В июле 1956 г. наблюдаются большие контрасты темпера­ туры и влажности воздуха между северным и южным Севаном с А^ = 4°,0 и Аг = 20^25%, причем по отдельным наблюдениям над южным Севаном фёновые потоки проявлялись еще более резко. Фён обычно не достигал поверхности озера, а расте­

кался на высоте 0,1—0,15 км от водоема. Непосредственно над водоемом располагался более холодный воздух, в зоне раздела

этих двух потоков иногда была хорошо заметна инверсия тем­ пературы. Вследствие такого распределения t и г наблюдалось значительное уменьшение количества облаков нижнего яруса над южным Севаном. Во второй период (сентябрь 1957 г.) на­ блюдалось более равномерное распределение t и г по акватории озера, но с более высокими температурами воздуха и более низ­

кой относительной влажностью. Часто сухой и теплый воздух распространялся почти до поверхности водоема.

Таким образом, в зависимости от макросиноптических про­ цессов над оз. Севан развиваются или орографические фёны, охватывающие только часть озера, или фёны из свободной атмо­ сферы, распространяющиеся по всей площади озера.

Местные ветры, образующиеся при стоке холодного воздуха по склонам возвышенностей

При стоке выхоложенного воздуха по склонам возвышенно­

стей могут возникать местные ветры, наиболее известными из которых являются: а) бора, б) ледниковые ветры, в) ночные ветры пологих склонов летнего времени.

Бора

Бора — это сильный и порывистый ветер, направленный вниз по горному склону и приносящий в зимнее время значительное похолодание. Обычно наблюдается в местностях, где невысокий горный хребет граничит с морем.

Наиболее известна Новороссийская бора. На Черноморском побережье с востока на расстоянии 2,5—3,0 км от Новороссий­ ска проходит горный кряж с отметками 610—640 м и небольшим

416