Атлас облаков. Ббк 26. 233Удк 551. 5 А92
 Скачать 3.5 Mb.
|
|
1 ОБРАЗОВАНИЕ ОБЛАКОВ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ 1.1 Образование облаков 11 Фронтальные облака (облака восходящего скольжения). Поскольку теплофизические и радиационные свойства земной поверхности очень неоднородны, то возникает горизонтальная разность температур воздуха и адвекция холода. При доста- точно больших значениях этой разности зарождается циклон. Первоначально зона контраста температур делит циклон на две равные части: западную холодную и восточную теплую. В циклоне под влиянием сходимости (конвергенции) воздуш- ных течений возникают восходящие движения, при которых температура воздуха понижается, а его относительная влаж- ность растет и достигает 100 %. Этот динамический фактор – вертикальные движения си- ноптического масштаба – является основной причиной облач- ной погоды в циклонах. Однако наиболее благоприятные условия для образования облаков создаются в циклоне внутри и вблизи зоны контраста температур. Поскольку здесь наиболее значительна (по срав- нению с остальной частью циклона) адвекция холода, то имен- но здесь (вблизи зоны контраста температур) больше, чем в других частях, понижается давление, т. е. формируются лож- бины и возникают дополнительные вертикальные движения. Немаловажную роль в процессе облакообразования игра- ет тепло, выделяющееся при конденсации водяного пара. Температура воздуха в облаке при влажноустойчивой стра- тификации со временем понижается меньше, чем в холодной массе под облаком. По этой причине вблизи наклонной ниж- ней границы облачной массы формируется слой с инверсион- ным или с уменьшенным вертикальным градиентом темпе- ратуры. Этот слой толщиной в несколько сотен метров носит название фронтальной зоны, или фронтальной поверхности. Горизонтальная протяженность этой зоны, как и располо- женной над ней системы облаков, составляет сотни километ- ров. Линию пересечения фронтальной поверхности (тангенс угла наклона которой порядка 10 -2 ) с земной поверхностью на- зывают фронтом. Система сформировавшихся над фронтальной поверхно- стью (зоной) облаков носит название фронтальных облаков, или облаков восходящего скольжения. Их вертикальная и го- ризонтальная протяженность, структура определяются углом наклона фронтальной поверхности и скоростью ее смещения. Если во фронтальной зоне теплый воздух медленно нате- кает на клин более холодного воздуха (теплый фронт), то про- исходит адиабатическое охлаждение мощных слоев теплого воздуха и конденсация содержащегося в нем водяного пара. В результате образуется достаточно однородная система сло- истообразных (перисто-слоистые – высокослоистые – слои- сто-дождевые) облаков, располагающаяся в теплом воздухе и простирающаяся на многие сотни (иногда и на тысячи) кило- метров. Наибольшую вертикальную протяженность облака име- ют вблизи линии фронта и там, где их основания находятся на высоте нескольких сотен метров от поверхности земли. Эта часть облачной системы, занимающая зону шириной 300–400 км перед теплым фронтом, состоит из слоисто-дождевых обла- ков. По мере удаления от линии фронта в сторону холодного воздуха, приблизительно на 500–600 км, слоисто-дождевые облака переходят в высокослоистые (см. рис. 3.1). При дальнейшем удалении от линии фронта облачная си- стема трансформируется в облака верхнего яруса. Располага- ются они на некоторой высоте над фронтальной поверхностью. Их образование связано с тем, что при восходящем движении теплого воздуха по фронтальной поверхности более высокие слои воздуха вытесняются еще выше. Иная система облачности наблюдается на холодном фронте. Холодный воздух клином подтекает под теплый воздух, вынуж- дая его подниматься по поверхности раздела. Вследствие трения 12 холодного воздуха о земную поверхность его нижние слои отста- ют от верхних. В результате этого поверхность холодного фрон- та в нижней части приобретает крутой наклон. Выделяют два типа холодных фронтов: холодный фронт первого рода и холодный фронт второго рода. Эти фронты раз- личаются в основном по степени неустойчивости и по удельной влажности теплого воздуха. Кроме того, у них неодинаковая скорость смещения разных участков фронта. Холодный фронт первого рода характеризуется упорядо- ченным подъемом теплого воздуха до больших высот над втор- гающимся клином холодного воздуха. При адиабатическом охлаждении поднимающегося теплого воздуха образуется об- лачная система, аналогичная системе облаков теплого фронта, но она проходит над пунктом наблюдений в обратном порядке (см. рис. 3.2). Особенность холодного фронта второго рода заключается в том, что восходящее скольжение теплого воздуха происходит в сравнительно узкой зоне вдоль фронтальной поверхности, но- сит бурный (как бы порциями) характер и распространяется только до высоты 2–3 км. Выше этого уровня происходит нис- ходящее движение теплого воздуха. Поэтому облачная система холодного фронта второго рода представляет собой довольно узкую полосу. На линии фронта образуется система кучевоо- бразных облаков (кучево-дождевые – высококучевые – перисто- кучевые), растянутая в виде мощного вала на десятки, иногда на сотни километров. Верхняя часть кучево-дождевых облаков увлекается общим потоком теплого воздуха и вытягивается на большое расстояние перед фронтом в виде облаков верхнего яруса. В среднем ярусе образуется слой облаков, которые под влиянием нисходящих потоков впереди облачной системы раз- рываются на отдельные чечевицеобразные облака (см. рис. 3.3). Вследствие различной скорости смещения теплых и холод- ных фронтов последний, обладая большей скоростью, как пра- вило, настигает более медленно смещающийся теплый фронт и происходит их смыкание. Облачность такого сомкнутого фрон- та (фронта окклюзии) носит черты как теплого, так и холодно- го фронтов. Внутримассовые облака в зависимости от характера про- цессов их образования, а также от соотношения их горизонталь- ной (L) и вертикальной (h) протяженности подразделяются на конвективные (кучевообразные) – h/L t 1, облака турбулентно- сти (облака устойчивой воздушной массы) – h/L 1 и волнисто- образные, характеризующиеся повторяющимся соотношением h/L и возникающие в зоне волновых движений в атмосфере. Конвективные облака в зависимости от облакообразующих факторов подразделяются на облака термической конвекции и облака динамической конвекции. Облака термической конвекции. Летом в ясную погоду под действием солнечной радиации происходит интенсивный нагрев деятельной поверхности. Однако различные ее участки нагрева- ются неодинаково. Например, открытое поле и холмы нагрева- ются сильнее, чем лес, река и т. д. В результате над более нагре- тыми участками развиваются восходящие движения воздуха, а над менее нагретыми – нисходящие. Так возникает термическая конвекция. Постепенно отдельные восходящие струйки слива- ются и образуют мощный восходящий поток, вовлекающий в себя все большие и большие объемы воздуха. На периферии этого потока образуются многочисленные нисходящие движения. Вследствие вертикальных движений, обусловленных кон- векцией, в атмосфере образуются конвективные (кучевообраз- ные) облака. Конкретная форма этих облаков зависит от ин- тенсивности конвекции, которая определяется как степенью неоднородности поверхности, так и характером термической стратификации атмосферы, т. е. степенью ее неустойчивости. Скорость восходящих движений воздуха в конвективных облаках составляет от 0,1 до 20 м/с, а иногда и более. Практически все 13 внутримассовые конвективные облака, как и фронтальные, об- разуются и наблюдаются в областях пониженного давления – циклонах и ложбинах. Если под влиянием прогрева подстилающей поверхности в нижних слоях атмосферы вертикальный градиент температу- ры увеличивается и создается неустойчивая стратификация, а в более высоких слоях, под уровнем конденсации, сохраняется малый или даже отрицательный вертикальный градиент темпе- ратуры, то развивающиеся конвективные движения не достига- ют уровня конденсации и облака не образуются. Если же уро- вень конвекции (высота, до которой развиваются конвективные движения) находится выше уровня конденсации, то образуются конвективные облака, вертикальная мощность которых зави- сит от разности высот этих уровней. При этих условиях конвек- тивное облако быстро растет в вертикальном и отчасти в гори- зонтальном направлениях. Конвективные облака образуются не только весной и летом, когда возможно влияние термического фактора, но также осе- нью и зимой, когда термический фактор не действует. Над оке- аном практически равновероятно образование конвективных облаков во все сезоны года. Над сушей они образуются летом значительно чаще, чем зимой. Над морями кучевообразные облака могут образоваться как днем, так и ночью при вторжении холодного воздуха на сравни- тельно теплую поверхность воды. При этом облака возникают на обширных пространствах и сравнительно небольшом рассто- янии друг от друга и имеют более или менее одинаковую струк- туру и высоту. Основания таких облаков над морем обычно рас- полагаются ниже, чем над сушей, что объясняется меньшей высотой уровня конденсации над водными пространствами. Облака динамической конвекции. На возникновение облаков в тропосфере существенное влияние оказывают динамические факторы: конвергенция потоков воздуха, вынужденный подъем воздуха при обтекании препятствия, перпендикулярного к пото- ку, а также вертикальные движения синоптического масштаба. Например, если поток воздуха встречает на своем пути гор- ный хребет, то с наветренной стороны хребта процесс конденса- ции усиливается. В летнее время при неустойчивом состоянии атмосферы в горных районах в результате большого контраста температур воздуха над различно ориентированными склона- ми образуются кучевообразные облака, круто растущие вверх, но имеющие небольшие узкие основания. При тихой погоде они часто образуются над наиболее нагретыми обращенными к солнцу склонами. Над вершинами горных хребтов в дневное время часто мож- но наблюдать облака, которые длительное время находятся на одном и том же месте. Их образование связано с долинными ветрами, создающими упорядоченные восходящие движения, приводящие к конденсации водяного пара. Исследования последних лет показывают, что соотношение термических и динамических факторов в образовании конвек- тивных облаков не столь простое и очевидное, как это представ- лялось ранее. Например, в умеренных и субполярных широтах северного полушария основную роль в образовании конвектив- ных облаков играет не термический, а динамический фактор – вертикальные движения синоптического масштаба, в результате которых увеличивается вертикальный градиент температуры и выше уровня конденсации возникают конвективные движения. Облака турбулентности (облака устойчивой воздушной массы). Причиной образования этих облаков является турбу- лентное перемешивание воздуха в нижних слоях атмосферы при наличии в них инверсии. Турбулентное перемешивание приводит к понижению температуры подынверсионного слоя и одновременно к увеличению его влажности. В результате проис- ходит конденсация водяного пара и как следствие образование слоистообразных облаков. 14 Верхняя граница этих облаков обычно совпадает с осно- ванием инверсионного слоя. Благоприятные условия для об- разования облаков турбулентности создаются под слоем сло- исто-дождевых и кучево-дождевых облаков, где водяной пар, попадающий в воздух вследствие испарения выпадающих осад- ков, близок к состоянию насыщения. При этом образуются от- дельные облака с разорванными краями, называемые разорван- но-дождевыми. Волнистообразные облака. В атмосфере часто возникают волновые движения с различными амплитудой и длиной волн. При определенных условиях под их влиянием образуются вол- нистообразные облака. Чаще всего волновые движения в ат- мосфере связаны с устойчиво стратифицированными слоями, с инверсиями. Нижняя граница инверсионного слоя представ- ляет собой поверхность раздела между нижележащим холод- ным и вышележащим более теплым воздухом. Если вдоль та- кой поверхности раздела холодный и теплый воздух движутся, с разными скоростями, то на ней развиваются волны. Высота (амплитуда) и длина этих волн зависят от разностей плотности воздуха и скорости ветра под инверсионным слоем и в самом этом слое. Воздух, поднимающийся в гребнях волн, адиабатически ох- лаждается, и в нем может начаться конденсация водяного пара. В промежутках между гребнями волн (в ложбинах) воздух опу- скается и содержащийся в нем пар удаляется от состояния на- сыщения. Таким образом, в гребнях волн образуются облака (слоисто-кучевые, высококучевые, перисто-кучевые и пери- стые), а в ложбинах они рассеиваются и появляются просветы голубого неба. Если облака существовали до образования слоя инверсии, то в результате волновых движений они уплотняют- ся в гребнях волн, а в ложбинах рассеиваются или становятся менее плотными. Волнистообразные облака не следует путать с конвективны- ми облаками типа циркуляционных ячеек Бенара, возникаю- щими при неустойчивой стратификации атмосферы. Ячейковая циркуляция в атмосфере, сопровождающаяся облакообразо- ванием, развивается в слоях с градиентом температуры более 0,77 °С/100 м. Карты облачности, построенные по результатам наблюдений со спутников, показали, что ячейковая структура облаков чаще фиксируется над океанами, чем над сушей. Согласно исследованиям последних лет, описанный процесс образования волнистообразных облаков имеет место далеко не всегда. Возможен и другой процесс – адвекция и трансформа- ция фронтальных облаков. Объясняется это тем, что посколь- ку скорость смещения циклонов и связанных с ними фронтов, как правило, меньше скорости воздушного (ведущего) потока, то образовавшиеся в циклоне или ложбине облака выносятся воздушным потоком из циклона или ложбины в соседние анти- циклон или гребень. Наблюдения за облачностью свидетельствуют, что прине- сенное в антициклон облако под влиянием нисходящих дви- жений начинает медленно опускаться и рассеиваться. Однако поскольку вблизи верхней границы под влиянием нисходящих движений образуется инверсионный слой или слой с уменьшен- ным градиентом температуры, задерживающий турбулентные потоки тепла и влаги, то облако под таким слоем может су- ществовать длительное время, причем тем дольше, чем ниже температура этого слоя. Вследствие этого формирующиеся из принесенных слоисто-дождевых слоисто-кучевые и слоистые облака, а из высокослоистых – высококучевые облака сохраня- ются длительное время осенью и зимой и сравнительно быстро рассеиваются весной и летом. Поскольку поля температуры и влажности, а также вертикаль- ной скорости движения воздуха неоднородны по горизонтали (ис- 15 пытывают турбулентные пульсации), то в первоначально сплошных слоисто-кучевых облаках могут появиться просветы. Анализ данных наблюдений и синоптических материалов показал: за счет переноса облаков из циклона в антициклон и последующей их трансформации под влиянием нисходящих по- токов воздуха в различных частях антициклона и формируются слоисто-кучевые и слоистые облака. При обтекании воздухом больших возвышенностей, пере- межающихся долинами, в атмосфере образуются вынужденные волновые движения. Если на некоторой высоте имеется слой инверсии, то над возвышенностями он приподнимается. При до- статочной влажности под инверсионным слоем над возвышен- ностями образуются тонкие облака, имеющие вид чечевицы. 1.2 Морфологическая классификация облаков Как уже отмечалось, облака принято классифицировать по внешнему виду и высотам, на которых они образуются, – мор- фологическая классификация; по происхождению, т. е. по ха- рактеру процессов их образования, – генетическая классифика- ция; по фазовому строению, точнее – по агрегатному состоянию облачных частиц. На метеорологической сети для определения форм облаков применяется морфологическая классификация, в соответствии с которой и составлен настоящий Атлас. В зависимости от высоты расположения основания обла- ков их относят к одному из ярусов. В особую группу выделяют облака вертикального развития, нижняя граница которых в большинстве случаев находится в нижнем ярусе, а верхняя — в нижнем, среднем или верхнем ярусе (табл. 1.1). Исследования облаков, выполненные в 70-х годах XX века, показали, что над океаном (морем) возможно развитие двухъ- ярусной конвекции, когда в нижнем слое под инверсией раз- виваются плоские кучевые облака небольшой вертикальной протяженности, а над инверсией – мощные кучевые и кучево- дождевые облака. Основные отличительные признаки при определении фор- мы облаков – их внешний вид и структура. Облака могут быть расположены на разных высотах в виде отдельных изолирован- ных масс или сплошного покрова, их строение может быть раз- личным (однородным, волокнистым и др.), а нижняя поверх- ность – ровной или расчлененной (и даже изорванной). Кроме того, облака могут быть плотными и непрозрачными или тонки- ми — сквозь них просвечивает голубое небо, луна или солнце. В табл. 1.1 представлен современный вариант международ- ной морфологической классификации облаков, в которой наря- ду с русскими приведены латинские наименования форм обла- ков и их сокращенные обозначения. В табл. 1.2 приводятся дополнительные сведения о харак- терных особенностях облаков конкретных форм и другие при- знаки, которые могут помочь технику-метеорологу правильно определить формы, виды и разновидности облаков. Следует также иметь в виду, что приведенные в табл. 1.2 пределы высоты нижней границы облаков характерны для уме- ренных широт. Высота облаков одной и той же формы непосто- янна и может несколько меняться в зависимости от характера процесса и местных условий. В среднем высота облаков больше на юге, чем на севере, и больше летом, чем зимой. Над горными районами облака располагаются ниже, чем над равнинными. Важной характеристикой облаков являются выпадающие из них осадки. Облака одних форм практически всегда дают осад- ки, других – либо совсем не дают осадков, либо осадки из них не достигают поверхности земли. Факт выпадения осадков, а также их вид и характер выпадения служат дополнительными призна- ками для определения форм, видов и разновидностей облаков. |