5.5.3. Хмари та їх класифікація

Загальні поняття про хмари. У тому випадку, коли конденсація водяної пари відбувається на деякій висоті від земної поверхні, утворюються хмари. Принципової різниці між хмарами й туманом немає. Тому хмари можна визначити як видиме скупчення продуктів конденсації водяної пари над земною поверхнею.

Хмарні елементи – краплі і кристали – настільки малі, що врівноважуються силою тертя. Зазвичай швидкість їх падіння у нерухомому повітрі не перевищує декількох міліметрів за секунду. Льодяні кристали падають ще повільніше.

Хмара не є статичною системою, а відображає еволюцію багатьох атмосферних процесів. Повітряні течії переносять хмари з одного місця на інше. При зменшенні відносної вологості навколишнього повітря хмарні елементи випаровуються і хмара поступово зникає. Водночас, значне укрупнення хмарних елементів спричиняє їх випадання із хмари у вигляді опадів. Тим самим замикається коло кругообігу води в природі.

У кожний окремий момент часу хмара є видимою частиною загальної маси води, що залучена в процес хмароутворення. В одній частині хмари може відбуватися ріст і випадіння хмарних елементів, а в іншій частині хмари та в підхмарному шарі – їх випаровування. Навіть якщо хмара не змінює свої форму, розміри та положення у просторі, це досягається завдяки безперервній зміні агрегатного стану великих мас води всередині хмари і довкола неї.

Мікроструктура хмар. Поняття мікроструктури застосовується щодо внутрішньої фізичної будови хмар, зокрема фазового стану хмарних елементів, їхніх розмірів, числа, спектра, вертикального розподілу.

За фазовим складом хмари поділяються на три групи:

а) водяні (крапельні) – складаються з дрібних краплинок води, які при від'ємних температурах можуть перебувати у переохолодженому стані;

б) льодяні (кристалічні) – складаються із кристаликів льоду;

в) мішані – складаються із суміші переохолоджених крапельок та кристаликів льоду.

Наявність хмар і агрегатний стан води в них обумовлюється рівнями конденсації, конвекції та ізотерм 0 і ‑15°C. Рівень конденсації практично збігається з нижньою межею хмар (для його обчислення існує декілька простих формул). Нижче цього рівня атмосферна волога перебуває у вигляді водяної пари. Між рівнем конденсації і рівнем нульової ізотерми хмари складаються з крапельок води. При від'ємних температурах значна частина водяних крапель не замерзає, а перебуває у переохолодженому (метастабільному) стані. Процес замерзання таких крапель води має ймовірнісний характер. Тож від рівня нульової ізотерми до ізотерми ‑15°C хмари складаються як із переохолоджених крапельок води, так і з кристаликів льоду. Ще вище хмари складаються, головним чином, із кристаликів льоду.

Фазова будова певного об’єму хмари залежить від багатьох чинників, найважливішими з яких є температура і вертикальні рухи повітря. Певну роль відіграє також форма хмар, яка в свою чергу пов’язана з характером процесів хмароутворення. В області від'ємних температур для усіх форм хмар виконується така закономірність: зі зниженням температури повторюваність переохолоджених крапель води монотонно зменшується, а кристаликів льоду – зростає. При ‑41°C замерзають практично усі краплі.

В Арктиці та Антарктиці при однаковій температурі повторюваність водяних хмар дещо вища, а льодяних – нижча, ніж у помірних широтах. Це пояснюється тим, що полярне повітря чистіше, а краплі при тій же температурі зазвичай дрібніші, а тому ймовірність їх замерзання нижча. У тропіках, навпаки, при однаковій температурі ймовірність появи кристалів у хмарах вища, ніж у помірних широтах.

Водяні хмари в теплий період року у помірних широтах утворюються в нижній частині тропосфери, мішані – у середній її частині, а льодяні – у верхній. В холодний період року при дуже низькій температурі повітря та земної поверхні льодяні хмари можуть утворюватися і в нижній тропосфері.

Розміри водяних крапель у хмарах коливаються в широких межах – від часток до сотень і навіть тисяч мікрометрів. Діаметр найбільших крапель дощу може досягати 7 мм при масі близько 0,2 г. Краплі більших розмірів не зустрічаються, оскільки поверхневого натягу не вистачає для того, щоб крапля зберегла свою форму, до того ж найбільші краплі у процесі падіння подрібнюються.

Залежно від умов утворення і стадії розвитку хмара може складатися з крапель більш-менш однакових, або ж дуже різних розмірів.

Льодяні кристалики, що входять до складу хмар, відрізняються не тільки за розмірами, але й за формою. Серед них переважають невеликі, діаметром 10–20 мкм, кристали у вигляді шестигранних призм – пластин та стовпчиків (рис. 5.5, а, б). Кристали такої форми утворюються тільки при повільній та рівномірній сублімації водяної пари. Значний ріст при інтенсивній сублімації призводить до появи на кристалах виступаючих кутів. На цих розгалуженнях утворюються нові, і кристали набувають вигляду шестипроменевих зірочок (сніжинок) або дендритів складної і різноманітної структури (рис. 5.5, в). Радіус їх може досягати декількох міліметрів.

Сніжинка, падаючи в хмарі переохолоджених крапель і захоплюючи їх (торкаючись льоду, переохолоджені краплі миттєво замерзають), утворює частинку крупи або граду. При захопленні дрібних крапель у градині утворюються білі аморфні шари, а при захопленні великих крапель, які розтікаються по поверхні градини, утворюються шари прозорішого льоду. Росту градин сприяє висхідний потік повітря, який подовгу підтримує їх у хмарі. Завдяки цьому градини інколи сягають розмірів волоського горіха. Найбільші градини (діаметром до 15–20 см) утворюються при обмерзанні менших градин у процесі їх зіткнень між собою.

Рис. 5.5. Основні форми льодяних кристалів:

а) пластини; б) стовпчики; в) дендрити

Число водяних крапель в 1 см³ хмари порівняно невелике: від декількох сотень у нижній тропосфері до одиниць у високих шарах тропосфери. Ще меншим є число льодяних кристалів – близько 0,1 на 1 см³.

Водність і водозапас хмар. Важливою характеристикою хмар є їхня водність, під якою розуміють масу води, що перебуває у сконденсованому стані (у вигляді краплинок води і кристаликів льоду) в одиниці об'єму хмари. В помірних широтах середня водність хмар нижнього та середнього ярусів становить 0,2–0,4 г/м³. Найбільші значення водності (до 4–5 г/м³) досягаються в купчастих хмарах великої потужності. За деякими даними, в сильних висхідних потоках тропічного повітря вміст сконденсованої вологи сягає 20 г/м³. Льодяні хмари верхнього ярусу характеризуються значно меншою водністю – близько 0,03 г/м³ при температурі ‑15…‑20°C і 0,006 г/м³ при температурі ‑30°C.

Оскільки при конденсації агрегатний стан змінює тільки частина водяної пари, що міститься у повітрі, то водність хмар поступається абсолютній вологості повітря.

Водозапас являє собою масу продуктів конденсації у вертикальному стовпі одиничного перерізу від основи до вершини хмари. Вимірюється в кг/м².

Водозапас залежить від потужності хмарного шару. Так, при товщині хмарного шару не менше 1 км для шаруватих і шарувато-купчастих хмар водозапас змінюється від 0,08 до 0,28 кг/м². У потужних шарувато-дощових хмарах він може досягати 0,56 кг/м².

Поділ хмар за умовами виникнення та основними морфологічними ознаками. Хмари утворюються внаслідок збільшення загального вологовмісту, зниження температури повітря або конденсації (сублімації) водяної пари.

За умовами виникнення, згідно з класифікацією видатного норвезького синоптика Тура Бержерона, розрізняють такі генетичні типи хмар:

1. хмари висхідного ковзання, фронтальні;

2. хмари конвекції в нестійко стратифікованій повітряній масі;

3. хмари стійких повітряних мас.

Іноді додатково виділяються орографічні хмари, утворення і форма яких визначаються рельєфом земної поверхні.

За морфологічними ознаками фронтальні хмари переважно шаруватоподібні, хмари конвекції – купчастоподібні; в стійких повітряних масах – хвилеподібні.

Шаруватоподібні хмари мають вигляд більш-менш суцільного шару, покривала. Горизонтальна протяжність цих хмар у десятки і сотні разів перевищує їх вертикальні розміри. Утворюються вони унаслідок повільних, плавних рухів повітря, зокрема над фронтальними поверхнями. Можуть утворюватися і в межах окремої повітряної маси, коли виникає турбулентний перерозподіл тепла та водяної пари в пограничному шарі. Вплив турбулентності добре помітний по пошматованій нижній межі хмар, що утворилися.

Купчастоподібні хмари мають вигляд ізольованих хмарних мас. Вони добре розвинені по вертикалі і мають порівняно невелику горизонтальну протяжність. Виникають при потужних та інтенсивних висхідних потоках повітря (термічна або динамічна конвекція).

Хвилеподібні хмари – видовжений по горизонталі шар хмар, що мають вигляд "баранців", окремих валів або пасом. Утворюються унаслідок хвильових рухів в атмосфері, які виникають в стійко стратифікованих шарах. Такі хмари можуть з'являтися і в межах конвективних осередків.

Міжнародна класифікація хмар. Перші детальні класифікації хмар появилися ще на початку XIX ст. у зв’язку з необхідністю систематизації спостережень за ними. Їх запропонували, незалежно один від одного, знаменитий французький природодослідник Ж.Б. Ламарк (1802) та англійський хімік-фармацевт Лука Говард (1803). Завдяки Говарду в науковий обіг увійшли латинські назви – cirrus, cumulus, stratus (перисті, купчасті, шаруваті) – для позначення основних форм хмар, при поєднанні або трансформації яких виникають інші форми.

У 1887 р. Х. Гільдебрандсон (Швеція) і Р. Еберкромбі (Англія) опублікували нову, близьку до сучасної, номенклатуру хмар. Згідно цієї класифікації, виділялося 10 видів хмар. Спеціальний комітет, створений Міжнародною конференцією директорів метеорологічних служб, упродовж 1891–1896 рр. доопрацював її та підготовив до друку перший Міжнародний атлас хмар. У подальшому класифікація спостережуваних форм хмар ще декілька разів уточнювалася, однак найважливіші її положення майже не змінились.

Відповідно до Міжнародної класифікації хмар, усі хмари за висотою їх утворення поділяються на чотири родини, або сімейства: А) хмари верхнього ярусу; Б) хмари середнього ярусу; В) хмари нижнього ярусу та Г) хмари вертикального розвитку. Далі, за зовнішнім виглядом хмари поділяються ще на десять родів, або форм, а форми – на види та різновиди (табл. 5.4).

Хмари верхнього ярусу утворюються на висоті від 6 до 10 км. Вони складаються із кристаликів льоду. Серед хмар цього ярусу виділяють перисті – Cirrus (Ci), перисто-купчасті – Cirrocumulus (Cc) та перисто-шаруваті – Cirrostratus (Cs).

Хмари середнього ярусу утворюються на висоті від 2 до 6 км. Це мішані хмари, які представлені тільки двома формами: висококупчастими – Altocumulus (Ac) та високошаруватими – Altostratus (As). Хоча високошаруваті хмари і дають опади, однак влітку вони досить часто випаровуються у повітрі і не досягають землі.

Таблиця 5.4

Морфологічна класифікація хмар

(за "Атласом облаков", 1978)

Ро­ди­на	Форма	Вид	Число різно­видів
А	I. Перисті (Cirrus, Ci)	1. Ниткоподібні (fibratus, Ci fib.)	3
		2. Щільні (spissatus, Ci sp.)	2
	II. Перисто-купчасті (Cirrocumulus, Cc)	1. Хвилясті (undulatus, Cc und.)	1
		2. Купчастоподібні (cumuliformis, Cc cuf.)	2
	III. Перисто-шаруваті (Cirrostratus, Cs)	1. Ниткоподібні (fibratus, Cs fib.)	–
		2. Туманоподібні (nebulosus, Cs neb.)	–
Б	IV. Висококупчасті (Altocumulus, Ac)	1. Хвилясті (undulatus, Ac und.)	4
		2. Купчастоподібні (cumuliformis, Ac cuf.)	4
	V. Високошаруваті (Altostratus, As)	1. Туманоподібні (nebulosus, As neb.)	3
		2. Хвилясті (undulatus, As und.)	3
В	VI. Шарувато-купчасті (Stratocumulus, Sc)	1. Хвилясті (undulatus, Sc und.)	3
		2. Купчастоподібні (cumuliformis, Sc cuf.)	4
	VII. Шаруваті (Stratus, St)	1. Туманоподібні (nebulosus, St neb.)	–
		2. Хвилясті (undulatus, St und.)	–
		3. Розірвані (fractus, St fr.)	1
	VIII. Шарувато-дощові (Nimbostratus, Ns)	–	–
Г	IX. Купчасті (Cumulus, Cu)	1. Плоскі (humilis, Cu hum.)	1
		2. Середні (mediocris, Cu med.)	–
		3. Потужні (congestus, Cu cong.)	1
	X. Купчасто-дощові (Cumulonimbus, Cb)	1. Лисі (calvus, Cb calv.)	1
		2. Волохаті (capillatus, Cb cap.)	3

Хмари нижнього ярусу утворюються на висоті нижче 2 км. Виділяється три форми: шарувато-купчасті – Stratocumulus (Sc), шаруваті – Stratus (St) та шарувато-дощові – Nimbostratus (Ns).

Хмари вертикального розвитку представлені двома формами: купчастими – Cumulus (Cu) та купчасто-дощовими – Cumulonimbus (Cb). Перші з них опадів не дають, другі ж дають опади зливового характеру.

Для правильного визначення видів та підвидів хмар слід користуватися спеціальними атласами, які містять їхні детальні описи та фотографії. В основі використовуваних в Україні атласів хмар лежить Міжнародний атлас хмар, виданий ВМО у 1956 р.

Короткий опис основних форм і видів хмар.

I. Перисті хмари являють собою тонкі хмари волокнистої структури, які майже не зменшують загальну освітленість і навіть в світлу частину доби не дають помітних тіней. Численні льодяні кристали, з яких складаються ці хмари, надають їм своєрідного шовковистого блиску. Якщо через перисті хмари просвічується Сонце або Місяць, то навколо світил можуть спостерігатися білі кола (гало) або частини цих кіл.

В будові перистих хмарах виділяються окремі перистоподібні елементи у вигляді тонких білих ниток або білих чи переважно білих пластівців і продовгуватих пасом. Значні відмінності у швидкості та напрямку вітру на висотах, де формуються перисті хмари, можуть спричиняти скошеність і викривлення їх ниток.

Перисті хмари характерні для переднього краю хмарної системи теплого фронту або фронту оклюзії, що пов’язана з висхідним ковзанням. Водночас перисті хмари можуть розвиватися і в умовах антициклонічної погоди, або ж бути частинами чи залишками льодяних вершин купчасто-грозових хмар. Дрібні льодяні кристали, які випадають із Ci, утворюють смуги падіння, однак землі не досягають.

Розрізняються два види перистих хмар.

1. Волокнисті, або ниткоподібні (Cirrus fibratus, Ci fib.), які мають вигляд паралельних або ж, навпаки, переплутаних клубків волокон. Цей вид перистих хмар поділяється на три різновиди: гачкуваті, хребтоподібні та переплутані. Поява на небі гачкуватих перистих хмар (Cirrus uncinus, Ci unc.) вважається передвісником зміни погоди.

2. Щільні, або густі (Cirrus spissatus, Ci sp.), які містять численні ущільнення неправильної форми, в яких волокниста структура виражена гірше. Різновиди: грозові (післягрозові), пластівцеподібні, радіальні (променеподібні).

II. Перисто-купчасті хмари – пасма або шари тонких білих хмар, що складаються з дуже дрібних елементів у вигляді зерен, пластівців, брижів – таких, що зрослися, або окремих, розташованих більш-менш упорядковано. Частково, принаймні по краях, виявляють волокнисту будову. Видимі розміри більшої частини елементів не перевищують одного градуса. Часто переходять у покрив перистих або перисто-шаруватих хмар, які появляються одночасно з ними.

Складені з дрібних льодяних кристалів, іноді містять переохолоджені крапельки. У перисто-купчастих хмарах можуть спостерігатися гало і вінця навколо Сонця та Місяця.

Cc виникають у результаті конвективних і хвильових рухів у верхній тропосфері, а також у зв'язку з фронтами, особливо холодними. Опадів не дають.

Виділяють два види перисто-купчастих хмар.

1. Перисто-купчасті хвилясті (Cirrocumulus undulatus, Cc und.) – з хвилями або дрібними брижами.

2. Перисто-купчасті купчастоподібні (Cirrocumulus cumuliformis, Cc cuf.) – мають вигляд дрібних баранців або пластівців, які ростуть по вертикалі. Одним із різновидів цих хмар є конденсаційні сліди за літаком – Cirrocumulus tractus (Cc trac.).

III. Перисто-шаруваті хмари мають вигляд білої або ледь блакитної напівпрозорої пелени, зазвичай волокнистої структури, інколи розмитої. Ці хмари можуть вкривати усе небо. Cs складаються з дрібних льодяних кристалів переважно у формі голок або стовпчиків. У них значно частіше, ніж в інших хмарах, може спостерігатися гало.

Cs разом з перистими хмарами часто входять до хмарної системи теплого фронту або фронту оклюзії. Відносно часто утворюються при розтіканні купчасто-грозових хмар. Опади із Сs, якщо і випадають, то не досягають земної поверхні.

Перисто-шаруваті хмари поділяють на два види.

1. Перисто-шаруваті волокнисті (Cirrostratus fibratus, Cs fib.) – нагадують біле покривало з волокнистою структурою, однак їх волокна проступають не так чітко, як в Ci fib.

2. Перисто-шаруваті туманоподібні (Cirrostratus nebulosus, Cs neb.) – тонша чи щільніша хмарна пелена більш однорідної будови, без чітких структурних елементів.

IV. Висококупчасті хмари – білі, іноді сіруваті або синюваті хмари у вигляді упорядкованих (хвилеподібно) шарів і пасом, що складаються з окремих пластин, округлих мас, валів або пластівців. Окремі елементи цих хмар значно більші, ніж в Cc (видимі розміри їх коливаються від 1 до 5°). Вони мають чіткі обриси, що розділяються просвітами блакитного неба, однак можуть бути й розмитими, а також зливатися між собою.

Ac зазвичай складаються з крапельок води, при низьких температурах – переохолоджених, але в них можуть міститися і льодяні кристали. В таких хмарах можливе виникнення вінців і деяких форм гало, зокрема світлових стовпів. Краї Ac частіше, ніж інших хмар, забарвлюються в райдужні кольори (явище іризації). З висококупчастих хмар іноді можуть випадати опади у вигляді окремих крапель дощу або сніжинок.

Ac виникають унаслідок хвильових рухів в повітрі, особливо в зоні атмосферних фронтів, при обтіканні орографічних перешкод, унаслідок конвекції, а також при трансформації деяких форм хмар, чим пояснюється велике різноманіття їх видів і різновидів. Основними є хвилясті (Altocumulus undulatus, Ac und. та купчастоподібні (Altocumulus cumuliformis, Ac cuf.) хмари. Перші з них розташовуються рядами або пасмами, другі ж – являють собою відокремлені або такі, що зливаються, маси Ac з ознаками розвитку по вертикалі.

V. Високошаруваті хмари мають вигляд сірого або синюватого однорідного покривала ледь волокнистої будови. Як правило, поступово затягують усе небо. Здебільшого складаються із суміші кристаликів льоду та переохолоджених крапель води. Тонкі As складаються переважно з льодяних кристалів. В нижній частині цих хмар можуть міститися крупні сніжинки або дрібні крапельки (у шарі з додатною температурою).

Високошаруваті хмари поділяються на два основні види: високошаруваті туманоподібні (Altostratus nebulosus; As neb.) та високошаруваті хвилясті (Altostratus undulatus; As und.). Перші з них являють собою однорідний мало структурований сірий шар хмар, другі ж виявляють помітну хвилясту будову. Один із різновидів As und. – високошаруваті хмари, що дають опади (Altostratus praecipitаns; As pr.) – часто дають безперервні або переривчасті опади, які в літній час можуть не досягати земної поверхні.

VI. Шарувато-купчасті хмари складаються з крупних пасом, хвиль, пластин, пластівців, розділених просвітами або зливаються в суцільний сірий хвилястий покрив. Часто зустрічаються одночасно із купчастими хмарами. Складаються переважно із крапельок радіусом 5–7 мкм, взимку – переохолоджених. Іноді в них міститься деяка кількість кристалів і сніжинок.

Відомі два основні види цих хмар: шарувато-купчасті хвилясті (Stratocumulus undulatus; Sc und.) та шарувато-купчасті купчастоподібні (Stratocumulus cumuliformis; Sc cuf.).

1. Хвилясті шарувато-купчасті хмари характеризуються світло сірим, або сірим забарвленням, змінною щільністю. Опишемо деякі із різновидів цих хмар. Із шарувато-купчастих хмар, що не просвічуються (Stratocumulus opacus; Sc op.) випадають слабкі короткочасні опади у вигляді дощу або снігу. В полярних районах, іноді на підвітряних схилах височин утворюються окремі, порівняно плоскі, витягнуті у довжину хмари – шарувато-купчасті лінзоподібні (Stratocumulus lenticularis; Sc lent.).

2. Шарувато-купчасті купчастоподібні мають аж чотири різновиди: баштоподібні; денні, що розтікаються; вечірні, що розтікаються; та вименеподібні. Останній різновид (Stratocumulus mammatus; Sc mam.) відрізняється наявністю на нижній межі хмар повернених у бік землі характерних опуклостей.

VII. Шаруваті хмари утворюють однорідний шар сірого кольору, схожий на туман, але розташований не поблизу земної поверхні, а на деякій висоті. Часто нижня межа шаруватих хмар буває розірваною, пошматованою. Такі хмари часто закривають усе небо, але іноді можуть мати вигляд розірваних окремих хмарних мас.

Складаються із дрібних крапель води розміром 2–5 мкм. При від'ємній температурі краплі перебувають в переохолодженому стані, можуть зустрічатися також кристали. Із цих хмар іноді йде мряка або дрібний сніг.

Шаруваті хмари поділяються на три види.

1. Шаруваті туманоподібні хмари (Stratus nebulosus; St neb.) являють собою однорідний сірий шар, який іноді розташований так низько, що закриває верхні частини високих наземних предметів і споруд.

2. Шаруваті хвилясті хмари (Stratus undulatus; St und.) мають хвилясту основу. Хвилі, унаслідок їх великої довжини та при малій висоті хмар, виявляються тільки у вигляді регулярних чергувань темніших і світліших смуг на суцільному тлі хмар.

3. Шаруваті розірвані хмари (Stratus fractus; St fr.) мають вигляд окремих хмар з розірваними краями або майже суцільного покриву, але пошматованого вигляду. Відомий один різновид цих хмар – розірвано-дощові хмари (Fractonimbus; Frnb). Це – низькі, пошматовані темно-сірі пасма хмар, які швидко рухаються. Вони утворюються під шаром хмар, з яких випадають опади (As, Ns, Cb, Sc op.) та існують тільки у поєднанні із цими хмарами.

VIII. Шарувато-дощові хмари належать до мішаних хмар, які дають опади. Вони утворюють характерний темно-сірий шар хмар, який при опадах здається однорідним, але у перервах між ними помітною стає його неоднорідність. Основа цих хмар розмита смугами опадів, що випадають. Як правило, шарувато-дощові хмари закривають усе небо суцільним шаром без просвітів, часто під таким шаром утворюються розірвані хмари (Frnb), які можуть цілком закривати основний шар Ns.

Із Ns випадають облогові опади (сніг або дощ), хоча у випаданні опадів можливі перерви.

IX. Купчасті хмари являють собою щільні, розвинені у вертикальному напрямку хмари з білими куполоподібними вершинами і плоскою сіруватою основою. Можуть бути окремими, рідко розташованими хмарами або утворювати скупчення, що закривають майже усе небо. Хмари складаються в основному із крапель води, які при від'ємній температурі перебувають у переохолодженому стані.

Купчасті хмари поділяються на плоскі купчасті Cumulus humilis (Cu hum.), товщина яких поступається їх горизонтальній протяжності; купчасті середні – Cumulus mediocris (Cu med.), горизонтальні і вертикальні розміри яких приблизно однакові; та потужні купчасті – Cumulus congestus (Cu cong.), які сильно розвинені у висоту. Зрідка з Cu cong можуть випадати окремі краплі дощу. В тропіках вони можуть давати зливи.

Доволі часто зустрічається різновид купчастих плоских хмар – купчасті розірвані хмари (Cumulus fractus; Cu fr.). Вони являють собою окремі купчасті хмари, які мають розірваний, "пошматований" вигляд. Виділяються на фоні блакитного неба яскраво білим кольором. Розміщуються на значній відстані одна від одної. Мають плоску основу, обриси хмар безперервно змінюються.

X. Купчасто-дощові хмари – потужні білі хмарні маси з темною основою. Підіймаються у вигляді гір або башт, верхні частини яких мають волокнисту структуру. Із хмар випадають зливові опади, влітку часто із грозами, іноді із градом.

Виділяють лисі та волохаті види купчасто-дощових хмар. Купчасто-дощові лисі хмари (Cumulus calvus; Cb calv.) не мають перистоподібної верхньої частини, а купчасто-дощові волохаті хмари (Cumulonimbus capillatus; Cb cap.) її мають. Один із різновидів Cb cap. – купчасто-дощові з "ковадлом" (Cumulonimbus incus; Cb inc.) – утворюються, коли верхня зледеніла частина хмар розтікається у різні боки і набуває вигляду гігантського ковадла, що розміщується над верхньою частиною хмари.

Стадії розвитку конвективних хмар. Хмари вертикального розвитку утворюються в результаті потужних висхідних рухів повітря (конвекції), з чим пов'язане його адіабатичне охолодження до стадії конденсації і сублімації водяної пари. Конвекція може бути термічною у нестійкому шарі повітря і динамічною при натіканні повітря на гірський хребет або при проходженні атмосферного фронту (холодного), коли холодне повітря клином підтікає під теплий, змушуючи його до бурхливого висхідного руху.

Внутрішньомасові конвективні хмари на суходолі влітку появляються незабаром після сходу Сонця, найбільшого розвитку досягають у полуденні години та із заходом Сонця розтікаються. У тропіках над океанами купчасті хмари мають протилежний добовий хід, тобто розвиваються в нічний час (рис. 5.6).

При проходженні атмосферного фронту ці хмари можуть бути у будь-який час доби.

Якщо рівень температурної інверсії знаходиться нижче за рівень конденсації, то хмари не утворюються.

Проходження крупних купчасто-дощових хмар влітку часто супроводжується шквалом, сильним, тривалістю у декілька хвилин, вітром зі швидкістю до 20–30 м/с. Шквали виникають в результаті утворення вихрового руху повітря з горизонтальною віссю в передній по ходу руху частині хмари.

Рис. 5.6. Стадії розвитку конвективних хмар:

рівні: 1 – конденсації; 2 – конвекції; 3 – нульової ізотерми; 4 – кристалізації

Рис. 5.7. Схема повітряних потоків у зоні Cb, за Фенкхаузером

При цьому самі Cb переміщуються у горизонтальному напрямку як єдине ціле незалежно від вертикального розподілу вітру з висотою. Тобто, швидкість вітру всередині Cb не на усіх висотах дорівнює її значенню поза хмарою. Відхилення швидкості вітру помітні на відстані у декілька кілометрів від Cb, а поблизу найбільших хмар – навіть на десятки кілометрів. Такі відхилення досягають 15–20 м/с за модулем і 180° – за напрямком (рис. 5.7).

Еволюція форм хмар. При зміні умов утворення хмар (вертикальна температурна стратифікація, вологість, рівень конденсації, рівень замерзання) форми і різновиди хмар можуть видозмінюватися. Загальні закономірності і можливості таких переходів представлено у табл. 5.5.

Таблиця 5.5

Взаємні переходи одних форм хмар в інші

Початкова форма хмар	Форма хмар внаслідок еволюції початкових форм
	Ci	Cc	Cs	Ac	As	Sc	St	Ns	Cu	Cb
Ci	#	+	+
Cc	+	#	+	+
Cs	+	+	#		+
Ac		+		#	+	+			+
As			+	+	#			+
Sc				+		#	+	+	+	+
St						+	#	-	-	-
Ns					+	+	-	#	-	+
Cu				+		+	-	-	#	+
Cb	v	v	v	v	v	+	-	+	-	#

Умовні позначення: «+» – можлива зміна родів; «-» – неможлива зміна родів; «(+)» – можлива зміна родів з утворенням перехідних форм; «v» – перехідна форма, можливе утворення хмар при рості Cb; «#» – співпадання форм в таблиці.

Перисті хмари можуть перетворитися у перисто-шаруваті. Перисто-шаруваті хмари при значному ущільненні і зниженні переходять у високошаруваті, які при ущільненні і опусканні нижньої межі переходять в шарувато-дощові.

Висококупчасті часто переходять в шарувато-купчасті. Шарувато-купчасті при зниженні можуть перейти в шаруваті і в шарувато-дощові. Також можливий зворотний перехід хмар.

У вечірні години при ослабленні або припиненні термічної конвекції відбувається розтікання купчастих хмар і вони переходять в шарувато-купчасті вечірні – Stratocumulus vesperalis (Sc vesp.).

Висота і товщина хмар. Висотою нижньої межі хмари називається відрахований від земної поверхні рівень її основи. Висота верхньої межі хмари – це рівень її вершини, який також відраховується від земної поверхні. Вертикальна протяжність хмар є їх товщиною. Усі ці характеристики хмар вимірюються в одиницях довжини – метрах і кілометрах.

Систематичні спостереження за висотою хмар здійснюються з допомогою наземних приладів та аерологічних засобів. На метеорологічних станціях вимірюється висота хмар тільки нижнього ярусу. Для цього використовуються вимірювачі висоти хмар та кулі-пілоти. Під час повітряної розвідки погоди та з дослідницькою метою для визначення нижньої і верхньої межі хмар, а також їх товщини і розшарованості використовуються літаки та вертольоти.

Нижня межа хмар визначається процесами перенесення вологи і тепла в атмосфері. Із послабленням турбулентності, зменшенням дефіциту точки роси і зі зростанням вертикального градієнта температури вона знижується.

Висота хмар різних ярусів значно змінюється залежно від пори року і часу доби, а також загальної географічної обстановки місцевості, де вони утворилися. Так, зі зменшенням географічної широти висота хмар зазвичай зростає, і в екваторіальній зоні рівень, що відділяє хмари одного ярусу від іншого, на 1–2 км вищий, ніж в помірних широтах.

Середня висота хмар верхнього ярусу улітку на декілька сотень метрів більша, ніж взимку, а зі зменшенням широти вона зростає. Зазвичай зі збільшенням кількості хмар висоти нижньої межі зменшується, а потужність хмар зростає.

Висота хмар нижнього ярусу збільшується зі зменшенням відносної вологості.

Висота конвективних хмар найменша в ранкові години, коли низько лежить рівень конденсації. Після полудня (близько 16–18 год. за місцевим часом), коли цей рівень найвищий, висота хмар також максимальна. Добова амплітуда нижньої межі купчастих хмар іноді перевищує 600–800 м. Дані щодо зміни із широтою висоти і товщини купчасто-дощових хмар представлено на рис. 5.8.

Товщина хмар різних форм також різна і до того ж значно змінюється у часі. Із хмар основних форм найбільшими її значеннями вирізняються купчасто-дощові (див. рис. 5.8) і шарувато-дощові хмари. Найтоншими ж є перисто-купчасті і висококупчасті хмари. Розірвано-шаруваті і розірвано-дощові хмари можуть мати товщину 50–100 м.

Рис. 5.8. Середня товщина та висота нижньої і верхньої меж (м)

купчасто-дощових хмар у Східній Європі. Літо

Вертикальна протяжність перистих і перисто-шаруватих хмар коливається від 100 м до декількох кілометрів. Однак їх межі при літаковому зондуванні визначаються візуально зі значними похибками, що пояснюється великою розрідженістю цих хмар.

Хмарність і спостереження за нею. Важливою характеристикою погоди є хмарність – сукупність хмар, які спостерігаються на небозводі у місці спостереження або уздовж траси польоту літака. Однак поняття хмарності використовують також для позначення кількості хмар на небі в десятих частках покриття неба, тобто у балах. Іноді для оцінки кількості хмар використовуються й інші одиниці.

У наш час хмарність усе ще оцінюється візуально. Спостереження за хмарами виконуються на відкритій місцевості, з якої добре видно усе небо. Спочатку визначається хмарність усіх ярусів (т. зв. загальна хмарність), а потім окремо визначається хмарність нижнього ярусу (нижня хмарність). При цьому до нижньої хмарності відносять і хмари вертикального розвитку. У книжки спостережень вносять також дані про основні форми і різновиди хмар, а для хмар нижньої хмарності – ще й висоту їх основи.

Добовий і річний хід хмарності. Добовий хід кількості хмар різних форм неоднаковий. Шаруваті і шарувато-купчасті хмари найчастіше виникають уранці, коли найбільшим є радіаційне охолодження. Удень в результаті посилення вітру і розвитку конвекції вони розсіюються.

Максимум кількості хмар вертикального розвитку над континентами збігається у часі з періодом максимального розвитку конвекції, тобто у післяполуденні години. Під вечір такі хмари зазвичай уже розтікаються. Тож над континентами в теплий період року спостерігається два максимуми кількості конвективних хмар – відносно слабкий уранці та основний у післяполудневі години. В холодний період року найчастіше спостерігаються шаруваті хмари і тому максимум їх кількості припадає на уранішні години. Над океанами конвекція влітку розвивається переважно уночі. Тому добовий хід кількості хмар тут протилежний добовому ходу на континентах. У тропічних широтах, де основним хмароутворювальним процесом є конвекція, увесь рік переважає післяполудневий максимум кількості хмар.

Під впливом місцевих чинників добовий хід кількості хмар може значно відрізнятися від описаного. Наприклад, улітку в горах зранку здебільшого спостерігається ясна погода, а вдень в результаті перенесення водяної пари висхідними потоками повітря кількість хмар збільшується. На берегах морів та океанів удень кількість хмар зменшується.

Великою різноманітністю вирізняється і річний хід кількості хмар. Над Україною та прилеглими територіями сусідніх країн максимум кількості хмар спостерігається пізньої осені і взимку, коли активізується циклонічна діяльність, а мінімум – влітку. У помірних широтах над центральними частинами материків узимку розвиваються потужні антициклони, з утворенням яких встановлюється тривала безхмарна погода. Улітку ж, зі зміною розподілу атмосферного тиску, хмарність тут дуже зростає.

У високих широтах над океанами найбільша кількість хмар улітку, а найменша – взимку. Улітку сюди з континентів часто надходить відносно тепле повітря, яке в нижніх шарах значно вихолоджується, а тому у ньому розвиваються адвективні тумани і шаруваті хмари. Літній максимум і зимовий мінімум хмарності особливо сильно виражений в областях мусонного клімату.