Фронтальные возмущения

Если вам приходилось беседовать о погоде с метеорологом, вы, навер­ное, много слышали от него о «фронтах». Фронт — это просто граница или зона резкого перехода между воздушными массами, обладающими различ­ными свойствами. Атмосфера создает фронт, когда циркуляция воздуха при­водит в непосредственное соприкосновение между собой две воздушные массы различного происхождения или подвергшиеся неодинаковым из­менениям. Легко представить себе, что если, например, масса теплого мор­ского тропического воздуха встретится с массой холодного континенталь­ного полярного воздуха, то между ними образуется граница, причем более холодный и более плотный воздух будет стремиться подтекать под более легкий теплый воздух.

Вы помните, что на рис. 8 я показал вам, как разница между давления­ми и удельными объемами в атмосфере создает циркуляцию между воздуш­ными массами, имеющими разную плотность? Вернитесь к этому рисунку и заметьте, как линии равных давлений и линии равных удельных объемов пересекаются и как в районе их пересечения возникает местная замкну­тая циркуляция воздуха. Скопление этих точек пересечения или увели­чение «ячеек» циркуляции между двумя воздушными массами показывает, что разница между плотностями воздушных масс увеличивается и кривые равных давлений и равных удельных объемов изменяются более резко при переходе из одной воздушной массы в другую. Предположите, что эти мелкие ячейки сосредоточены в атмосферном фронте приблизительно в двадцать раз гуще, чем при их нормал ьном распределении внутри воздуш­ной массы, и вы яснее представите себе, что такое переходная зона между воздушными массами (т. е. фронт).

Рис. 69. Когда скопление достаточного количества этих ячеек обра­зует зону сосредоточения шириной около 10 км, мы считаем, что между воздушными массами возник фронт. Вы знаете из сказанного выше, что

Рис. ТО.

во время адиабатических изменений в ненасыщенном воздухе потенциаль­ная температура остается постоянной. Поэтому для указания скопления двух воздушных масс вдоль фронта пользуются изотермами, так как уве­личение или уменьшение давления, сопровождающее движение’ воздуха над какой-нибудь поверхностью, не изменяет потенциальных температур этих воздушных масс.

На рисунке показана циркуляция воздуха, способствующая сближе­нию (схождению) изотерм в данном воздухе. Например, изотермы в верх­ней и в нижней частях рисунка стремятся сблизиться в зоне раздела воз­душных масс при встречной циркуляции. После сближения расстояние между изотермами будет гораздо меньше, чем оно было при свободной цир­куляции, и в результате этого в зоне раздела между встречными потоками воздуха разница в температурах двух воздушных масс становится резче. Когда эта разница между потенциальными температурами превышает 10°С в зоне шириной в 10 км или меньше, возникает фронт при том условии, что разница в температурах простирается на достаточную высоту верти­кально вверх. Фронты, в которых разница в температурах простирается Вверх по вертикали на высоту меньше 1 или даже 1,5 км, не считаются важными фронтами. В нижних слоях атмосферы часто наблюдается нор­мальная разница между дневной и ночной температурой воздуха, кото­рая, однако, не вызывает образования фронта.

Способность атмосферы создавать фронты имеет большое значение, так как, согласно принятой теории, фронты и фронтальные зоны играют существенную роль в развитии циклонов. Вы понимаете теперь, почему для вас и для метеоролога важно уметь распознавать существование фрон­тов и правильно находить их положение на карте погоды?

Помимо первичных фронтов, вы часто встречаете фронты вторичные» которые образуются в перемещающихся воздушных массах. Это особенно относится к воздуху полярного происхождения, который, удаляясь от области формирования, претерпевает быстрые изменения. Неравномерность этих изменений может вызвать внутри воздушной массы за короткое время большие различия в температурах по горизонтали. Затекание воздуха по кривой в область низкого давления стремится вызвать внутри воз­душной массы циркуляцию, способствующую сближению изотерм и об­разованию фронта. Эти второстепенные фронты имеют большое значение для вас и для*метеоролога, предсказывающего погоду, так как оказы­вают заметное влияние на летную погоду.

Рис. 70. Иногда воздух циркулирует так, что изотермы стремятся разойтись от оси зоны раздела. В этом случае разница в температурах по обе стороны зоны раздела между воздушными массами уменьшается, фронталь­ная зона рассеивается и циркуляция воздуха не благоприятствует образо­ванию нового фронта.

Рис. 71. Атмосферные фронты представляют собой наклопные по­верхности, у которых угол наклона может быть различным[9]. Линия, обо­значающая фронт на карте погоды, является просто пересечением этой наклонной поверхности с поверхностью земли. Если взять горизонтальный разрез фронта, мы получим циркуляцию воздуха и сопровождающее ее сгущение изотерм, изображенные на рис. 69. Здесь же, на рис. 71, мы имеем вертикальный разрез того же фронта. Подумайте хорошенько, и вы пой­мете, что непрерывное движение воздушных масс навстречу друг другу может привести только к одному результату — развитию и интенсифи­кации фронта.

Рис. 72. Этот вертикальный разрез фронта изображает положение, обратное показанному на рис. 71. Из того, как воздух циркулирует здесь,

Рио. 73.

вы легко придете к выводу, что уже через небольшой промежуток време­ни движение воздушных масс по расходящимся направлениям разрушит весь фронт, рассеяв лежащую между ними зону раздела.

Рис. 73. Холодный фронт образуется, когда масса холодного, тяже­лого воздуха вторгается под легкую теплую воздушную массу и припод­нимает ее (вследствие разницы в плотностях обеих воздушных масс). По мере подъема теплого воздуха он охлаждается адиабатически, обычно до такой степени, что наступает его насыщение и образуются облака. Обыкно­венно эти облака принадлежат к типу кучевых, вызываемых конвекцией или‘неустойчивым равновесием воздушной массы (если вы не помните, как это происходит, посмотрите на рис. 56). Выпадающие из них осадки носят ливневый характер — крупнокапельный дождь или снег большими хлопьями Ч

Ввиду неустойчивости и турбулентности слоев в холодном воздухе вы увидите, что облака продолжают образовываться в нем и вдали от холод­ного фронта, хотя осадки из них, если и бывают, то кратковременные. В холодном воздухе, позади холодного фронта, и значительно ниже об­лаков, образовавшихся вследствие подъема теплого воздуха, также об­разуются облака, так называемые разорванные (Frst), вследствие насы­щения воздуха при испарении воды падающих сверху осадков.

В теплое время года, когда условия благоприятствуют натеканию мор­ского тропического воздуха навстречу вторгающемуся холодному воздуху, вдоль холодного фронта возникают грозы, вызываемые подъемом теплого воздуха и переходом его в состояние неустойчивого равновесия, за которым следует сильная конвекция (вертикальное движение) внутри облаков2.

1 Так как угол Наклона фронтальной поверхности к земле мал, то осадки будут выпадать за холодным фронтом.— Ред.

8 На всех рисунках, изображающих фронты в вертикальном разрезе, масштабы иска­жены: вертикальный масштаб увеличен раз в 30 по сравнению с горизонтальным.—Р е д.

Рис. 74. Теплый фронт имеет гораздо более пологий наклон, чем хо­лодный, как вы увидите, посмотрев на этот рисунок. При образовании теп­лого фронта теплый воздух долго и постепенно поднимается по клину хо­лодного воздуха. Этот медленный подъем более теплого воздуха сопровож­дается образованием высокослоистых облаков — логическим последствием медленного подъема и охлаждения. Но при образовании теплого фронта образуются также облака другого типа.

Так, например, вдали от линии теплого фронта, там, где слой холод­ного воздуха, на который натекает теплый воздух, имеет большую. тол­щину, вы увидите перистые облака. По мере приближения к линии фронта эти перистые облака постепенно сгущаются в перисто-слоистые и затем и в высокослоистые.

Сгущение облаков в слое высокослоистых облаков оказывает большое влияние на составление плана вашего полета, так как конденсация водя­ного пара в теплом воздухе достигает своего максимума (а отсюда и увели­чение количества освобождающейся влаги) и вызывает осадки в виде дождя или снега. Больше того, эти осадки могут распространяться на очень большие районы и принимать затяжной (обложной) характер. Объясняет­ся это тем, что клин холодного воздуха, на который натекает теплый воз­дух, обычно отступает, поэтому теплому воздуху приходится подниматься Очень долго, и на лежащие под ним районы все это время продолжают вы­падать сильные осадки.

В теплые периоды года, когда морской тропический воздух отличается конвективной неустойчивостью, могут возникать грозы на больших высо­тах (бестолковый Джо, конечно, уже забыл, что мы когда-то говорили о конвективной неустойчивости, но вы хорошо знакомы с ней по нашим рас­суждениям по поводу рис. 30). В данном случае грозы на больших высотах возникают, когда теплый воздух при подъеме переходит в состояние не-

Окклюдированный фронт (Холодный фронт смыкается с теплым у поверхности)

Рис. 75.

устойчивого равновесия. Обычно, если вы летите в облаках над теплым фронтом, вы замечаете, что благодаря медленному, постепенному подъему воздух сделался спокойным, за исключением грозовых районов, где полет будет сопровождаться сильной болтанкой.

Рис. 75. Холодный фронт двигается быстрее теплого вследствие боль­шей величины градиента давления (более сильного напора.) Если эта раз­ница в скорости удерживается на сколько-нибудь продолжительное время, вы легко поймете, что в некоторых случаях холодный фронт догоняет теплый фронт, смыкаясь с ним у поверхности земли, как показано на рисунке. Когда холодный и теплый фронты смыкаются таким образом, теплый воз­дух (теплый сектор) буквально вытесняется вверх, и мы имеем окклюзию в области низкого давления, сопровождающей фронты.

Состояние погоды, сопровождающей этот процесс, обычно является сочетанием погоды по типу теплого и по типу холодного фронтов. Вы лег­ко поймете, почему это так, если представите себе, что оба типа погоды, по­казанные на рис. 73 и 74, следуют непосредственно один за другим, не отделенные друг от друга районом теплого воздуха.

Циклоны, другими словами области низкого давления («минимумы») быстро вызывают окклюзию в районах, в которых условия благоприят­ствуют этому, например, над большими водными пространствами и равни­нами.

Рис. 76. Вы увидите, что головная, или передняя, часть воздушной массы (считая по направлению ее движения), на которую натекает теплый воздух при наступлении теплого фронта, редко имеет такую же темпера­туру и плотность, как тыловая часть той же воздушной массы, подтекаю­щая под теплый воздух при наступлении холодного фронта. Разница между плотностями воздуха в обеих воздушных массах обусловливает ход раз­вития окклюзии.

В окклюзии по типу холодного фронта, показанной на рисунке, воздух в тылу холодного фронта свежее, холоднее, а потому и плотнее, чем воз­дух впереди фронта. По мере продвижения окклюзии этот плотный, хо­лодный воздух вытесняет весь воздух, находящийся на пути холодного фронта. Поэтому при окклюзии по типу холодного фронта вы встретите не только сочетание погоды теплого и холодного фронтов, но и осадки в холодном воздухе набольшую глубину в тыл от холодного фронта. Почему? Да потому, что, пока теплый воздух вытесняется вверх, как при типичном холодном фронте, более прохладный воздух, лежащий впереди холодного фронта, натекает на наклонную поверхность фронта, отчасти играя роль теплого воздуха и вызывая погоду, схожую с погодой теплого фронта.

Осадки, уже выпавшие через воздушные массы как при холодном, так и при теплом фронте, обычно вызывают сильное повышение содержания влаги в результате испарения, между тем как подъем воздуха и добавоч­ные осадки, вызванные окклюзией по типу холодного фронта, обычно приводят к образованию обширных низких облаков в массах холодного воздуха.

Следите за окклюзиями по типу холодного фронта. Летом они вызы­вают туманы, и вам придется считаться с низкими потолками и плохой видимостью. Зимой сюда присоединяется еще опасность обледенения.

Рис. 77. При окклюзии по типу теплого фронта воздух под теплым фронтом холоднее, а следовательно, и плотнее воздуха за холодным фрон­том. Так как холодному фронту приходится затем подниматься по клину еще более холодного воздуха, лежащего под теплым фронтом, смена погоды происходит в обратном порядке по сравнению с тем, что происходит при окклюзии по типу холодного фронта. Однако при окклюзиях по типу как теплого, так и холодного фронтов теплый воздух, первоначально образую­щий теплый сектор депрессии, поднимается выше над землей.

Рис. 77.

Окклюзии по типу теплого фронта — частое явление. Снова вы имеете здесь сочетание погоды по типам теплого и холодного фронтов, причем погода по типу холодного фронта стремится быть главной причиной осад­ков. Во время окклюзии по типу теплого фронта вы часто заметите сгущение пелены высокослоистых облаков, сопровождающееся по временам легкими дождями, внезапно сменяющимися сильными осадками, при очень незна­чительно меняющихся или неизменных направлениях ветра у поверхности земли и температуре. Действительно, погода носит характер погоды холод­ного фронта с незначительными изменениями ветра и температуры у поверх­ности земли. Однако посмотрите на барометрическую тенденцию, и вы за­метите типичную перемену, указывающую на вхождение более плотного воздуха в район с низким давлением, сопровождаемое повышением или устойчивостью барометрического давления.

Как же влияет окклюзия по типу теплого фронта на ваш полет? Прежде всего после прохождения холодного фронта вы все еще будете иметь низкие потолки и плохую видимость. Насыщение, вызванное осадками, привело к об­разованию низкой облачности в холодном воздухе под поверхностью теплого фронта, и оно не исчезнет, пока теплый фронт не минует вашу наземную метеорологическую станцию. Конечно, вы можете рассчитывать на зна­чительное уменьшение осадков, как только холодный фронт пройдет вверху (фактически осадки могут даже совсем прекратиться), но, пока не пройдет теплый фронт, вы должны быть готовы к тому, что встретите низкие потол­ки и плохую видимость.

Рис. 78. Здесь дается характерный бюллетень погоды, относящийся к поверхности земли вблизи холодного фронта и изображенный условными знаками, с которыми вы познакомились на рис. 63. Заметьте, что воздух к востоку от холодного фронта совсем теплый, погода мягкая и условия для полетов в втом районе превосходные.

По мере приближения холодного фронта барометрические тенденции указывают на непрерывное падение давления, а скорость ветра, дующего обычно с направлений от W до S, увеличивается. Это — типичные явле­ния при приближении холодного фронта. Теперь посмотрите на район, над которым прошел холодный фронт. Вы увидите, что ветер перешел на NW, небо закрыто облаками и идет умеренный снег, вызванный энергич­ным вытеснением более теплого воздуха вверх холодным фронтом, тогда как барометрическая тенденция показывает повышающееся или устой­чивое давление.

На самом фронте потолки часто очень низкие и видимость очень пло­хая, а зимой существует опасность обледенения, как это всегда бывает при температурах ниже точки замерзания. В районах, удаленных от влия­ния теплой воды, вы обычно заметите, что после прохождения холодного фронта погода улучшается, так как облачный покров, образовавшийся в холодном воздухе вследствие турбулентности, стремится разорваться, а при быстром движении холодного фронта — разбиться на несколько раз­бросанных облаков или совершенно рассеяться. При таких условиях давле­ние продолжает повышаться, температуры остаются низкими, а ветер продолжает дуть с направлений от W до N.

Я уже сказал, что показанные здесь условия холодного фронта представляются идеальными для полета, но к этому утверждению надо сделать две оговорки. Во-первых, если путь холодного воздуха в
тылу холодного фронта проходит над теплой водой, то облачность удер­жится, и пойдет снег ливневого характера (вернитесь к рис. 51, и вы поймете почему). Во-вторых, не исключена возможность образова­ния вторичных холодных фронтов после прохождения первого.

Первая оговорка имеет особенно важное значение, когда вам приходится иметь дело с холодным воздухом, притекающим в область Великих озер и районы к востоку и юго-востоку от них. При ливневых снежных осад­ках налицо низкие потолки, плохая видимость и опасность обледенения, хотя в теплом воздухе к востоку от холодного фронта погода обычно ос­тается хорошей до надвигания холодного фронта. Если же вы проследите за движением того же холодного фронта над районами к западу и югу от Озер, вы заметите лишь кратковременное понижение потолков и ухудше­ние видимости, после чего наступает обычное улучшение погоды.

Что же касается вторичных холодных фронтов, то они часто вызывают значительное понижение потолков и ухудшение видимости, обильный сне­гопад и опасность обледенения. В районе Озер они также усиливают шква — листость (порывистость ветра). При приближении вторичного холодного фронта барометрическая тенденция показывает устойчивость или даже не­большое понижение давления, а ветер вместо того, чтобы дуть в одном и том же направлении, стремится вернуться к более южному направлению. Ввиду влияния, оказываемого на направление ветра вторичным фронтом, остерегайтесь слишком полагаться на перемены ветра как на средство опре­деления положения холодных фронтов. Так, например, перемена ветра к NW, которая нормально последовала бы за прохождением холодного фронта, может быть только временной, и ветер вскоре после прохождения первого фронта может перейти на W или даже WSW и SW под влиянием вторичного фронта.

Рис. 79. Здесь дается карта, типичная для погоды вблизи теплого фронта; изучая ее, заметьте данные о потолке и видимости в массе холодного воздуха впереди фронта. Они равны соответственно 300 м и 3 км, и я уже слышу ваш вопрос: «Но ведь погода здесь ведет к образованию высоко­слоистых облаков?» Так оно и есть, и ваш вопрос совершенно логичен. Но помните, что в более холодный воздух в нижних слоях поступило значи­тельное количество влаги вследствие испарения осадков, выпавших через этот холодный воздух. И, действительно, в воздух часто поступает так много влаги, что в холодном воздухе под системой высокослоистых обла­ков образуются низкие облака, понижающие потолок и ухудшающие види­мость. Подальше от теплого фронта, где высокослоистые облака располо­жены довольно высоко и где было мало осадков, потолок выше и видимость

лучше, так как в данном случае действительно преоб­ладают высокослоистые об­лака. Как правило, погода типа теплого фронта гораздо опаснее зимой, чем летом. Летом вам приходится иметь дело с низкими потолками и плохой видимостью, но в холодное время года вам придется также бороться с опасностью обледенения.

Из рисунка вы увидите, что разница в погоде по обе стороны теплого фронта над сушей обычно бывает резко выраженной, с гораздо луч­шей погодой в теплом возду­хе. Ветер у поверхности зем­ли в холодном секторе силь­ный, юго-восточного направ­ления. Если бы вы подня­лись в воздух над метеороло­гической станцией, вы отме­тили бы в теплом натекаю­щем воздухе перемену на­правления ветра на юго-за­падное и повышение темпе­ратуры при переходе из ниж­него, более холодного возду­ха, в верхний, более теп­лый. Зимой вы часто можете избежать опасности обледенения, поднявшись в этот более теплый воздух, где температура может быть выше точки за­мерзания.

Переход от погоды с холодным воздухом к погоде с теплым воздухом, наступающий при прохождении теплого фронта по поверхности земли, обычно приносит быстрое улучшение погоды. Температура воздуха у по­верхности земли значительно повышается; барометрическое давление ста­новится устойчивым; небо над сушей проясняется, и ветер переходит в
юго-западную четверть. Но, если открытый теплый сектор находится над крупным водным районом, вы можете после прохождения теплого фронта по поверхности земли ожидать совсем другой погоды. В этом случае ох­лаждение теплого воздуха холодной водной поверхностью, над которой он протекает, вызывает образование в теплом воздухе низких слоистых облаков или тумана, как мы уже говорили при рассмотрении изменений, претерпеваемых воздушными массами. Что же происходит? Направление ветра и барометрическая тенденция изменяются, а осадки —■ дождь или снег—прекращаются. Потолки все же будут низкими, а видимость пло­хой вследствие образования тумана или низких слоистых облаков в теп­лом воздухе.

Рис. 80. Этот рисунок изображает, что происходит, когда холодный фронт догоняет теплый. Открытый теплый сектор (теплый воздух в обла­сти пониженного давления), как вы видите, оттесняется к югу, прочь от центра (центр находится вверху рисунка, вблизи смыкания холодного фронта наверху с теплым фронтом).

В данном случае воздух справа от теплого сектора холоднее, чем воздух слева от него. Разница в плотности этих двух воздушных масс заставляет воздух слева натекать на более холодный воздух справа, так что теплый воздух поднимается вверх, как на рис. 77, и первоначальная поверхность холодного фронта переходит в положение над землей, выше клина более холодного воздуха в правой части рисунка.

Рассмотрите метеорологические данные в середине правой части рисун­ка. Здесь погода — типичная для высокослоистых облаков: сплошная облачность на средней высоте с небольшим дождем (и удовлетворительной или хорошей видимостью). Барометр непрерывно падает, и ветер у поверх­ности земли юго-восточный.

Теперь посмотрите на данные в правой нижней части рисунка. Здесь погода характерна для теплого фронта после выпадения осадков в количе­стве, достаточном для насыщения нижних слоев воздуха и для образова­ния низкого слоя облаков под высокослоистыми. Потолок—’300 м, види­мость — 3 км.

Обратимся затем к метеорологическим данным в верхней средней части рисунка. Прохождение холодного фронта вверху вызвало изменение вида осадков. Осадки выпадают в виде снега вследствие более низких темпера­тур, господствующих на высоте конденсации высокослоистых облаков, а также на высоте конденсации в поднятом прохладном воздухе. Потолок упал до 200 м, а видимость до 1,5 км. Заметив указанные в этих данных условия у поверхности земли, вы сами без моей помощи поймете, что при полете через этот район вы встретите опасность обледенения. Барометрическая тенденция показывает непрерывное падение, хотя она станет несколько устойчивее после прохождения холодного фронта. Однако до прохожде­ния теплого фронта по поверхности земли вы можете ожидать сохранения общей тенденции к понижению давления. Над этим стоит задуматься и за­помнить следующее: даже после прохождения холодного фронта высоко над этой станцией низкий потолок и плохая видимость удержатся, пока в район станции не вторгнется теплый воздух слева позади теплого фронта. Тогда погода будет соответствовать указанной для станции в верхней части рисунка слева, которая, находясь за теплым фронтом, уже на­блюдает значительное улучшение погоды.

Затем надо обратиться к данным станции у левого края рисунка, на которой наблюдается типичная погода после прохождения холодного фрон­та. Ветер переменился на северный, барометр поднимается, а температура по сравнению с теплым сектором падает.

Станция в левой нижней части рисунка находится в теплом секторе, и погода на ней хорошая. Ветер юго-западный, температура мягкая; на сред­ней высоте преимущественно меняющаяся до значительной кучевая облач­ность, барометр при приближении холодного фронта медленно падает.

Рисковать, может быть, увлекательно, но летать искусно — безопаснее!