Атмосферные фронты

Атмосферный фронт – раздел между двумя различными воздушными массами. Переходная зона между воздушными массами у поверхности земли называется линией фронта. Воздушные массы, отличающиеся своими физическими свойствами, отделяются друг от друга слоем воздуха, называемым фронтальной поверхностью. Фронтальная поверхность всегда наклонена в сторону холодного воздуха. Угол наклона фронтальной поверхности к горизонту очень мал и составляет в среднем около одного градуса. Величина угла наклона зависит от соотношения температур и скорости ветра в ВМ, лежащих по обе стороны атмосферного фронта (АФ). Фронтальная поверхность обычно представляет слой инверсии, который является задерживающим слоем для всех вертикальных движений в холодном воздухе, расположенном внизу.

Основной причиной образования фронтов является сходимость воздушных масс. Фронт считается динамически выраженным, если на 1000 км расстояния разность температуры теплого и холодного воздуха составляет 8-10°С.

Атмосферные фронты различают по географическим признакам, их протяженности, особенностям перемещения, вертикального и горизонтального строения и условий погоды.

По географическим признакам различают фронты, разделяющие основные географические типы воздушных масс, они называются главными фронтами:

– арктический фронт, отделяющий арктический воздух от воздуха умеренных широт;

– полярный фронт, разделяющий умеренный и тропический воздух;

– тропический фронт, лежащий между тропическим и экваториальным воздухом.

По горизонтальной и вертикальной протяженности различают следующие фронты:

– основные или высокие (имеют большую горизонтальную и вертикальную протяженность, обычно прослеживаются во всей толще тропосферы, разделяют существенно различающиеся по своим свойствам ВМ);

– вторичные (фронты внутри одного и того же географического типа ВМ, разделяющие отдельные части этой массы, например морской и континентальный воздух или более свежие от прогретых);

– приземные (фронты, прослеживающиеся в слое от земли до высоты 1 - 2 км);

– верхние (фронты, образующиеся на некоторой высоте в тропосфере, не обнаруживаются у поверхности земли, но бывают хорошо выражены в средних и верхних слоях тропосферы).

Высокие и верхние фронты обычно образует в верхней половине тропосферы широкую переходную зону, называемую высотной фронтальной зоной (ВФЗ) (рис.39).

Иногда два хорошо выраженных внизу фронта сливаются в верхних слоях тропосферы, образуя одну широкую ВФЗ (рис.40).

Рис.39. Высотная фронтальная зона Рис.40. Высотная фронтальная зона

(вертикальный разрез) (вертикальный разрез)

одного атмосферного фронта двух атмосферных фронтов

ВФЗ характеризуются большими горизонтальными градиентами температуры. Обычно вдоль ВФЗ наблюдаются струйные течения.

По условиям погоды и особенностям перемещения различают следующие типы атмосферных фронтов (рис.41):

- теплые (участок главного фронта, перемещающийся в сторону холодного воздуха);

- холодные ( участок главного фронта, перемещающийся в сторону теплого воздуха);

- фронты окклюзии ( фронт, образовавшийся в результате смыкания теплого и холодного фронтов);

- стационарные (средняя скорость их движения 5-10км/час).

Рис. 41. Типы атмосферных фронтов

Теплым фронтом (ТФ) называется участок главного фронта, перемещающийся в сторону холодного воздуха, за этим фронтом движется теплый воздух, который, будучи менее плотным, натекает на холодный воздух. Средняя скорость его движения 20-30 км/ч.

Наклон фронтальной поверхности от 1/100 до 1/200. Перед линией фронта наблюдается область падения давления, которая обусловлена заменой холодного воздуха на теплый. С падением давления связано усиление ветра у поверхности земли. Максимальной скорости он достигает перед прохождением ТФ, а затем скорость ветра ослабевает. Перед ТФ преобладают ветры юго-восточной четверти, сменяющиеся за фронтом на южные и юго-западные. Медленное восхождение теплого воздуха вдоль ФП приводит к его адиабатическому охлаждению и образованию облаков и зоны осадков большой протяженности (рис.42).

Рис.42. Схема облачной системы теплого фронта

Под основной фронтальной облачной системой наблюдается зона обложных осадков. Она лежит впереди приземной линии фронта (в клину холодного воздуха) и имеет протяженность от фронта до 200-300 км летом и до 400 км зимой. При сильных ветрах зимой прохождение ТФ сопровождается общими метелями.

В зоне осадков, благодаря большому насыщению воздуха водяным паром и некоторому подъему его вверх, образуются низкие разорвано-дождевые облака (Fr nb) с высотой нижней кромки 50-100 м. Иногда в этой же зоне возникает фронтальный туман, сливающийся с вышележащими облаками. Ширина зоны тумана – 150 - 200 км. При температуре воздуха от 0°С до - 3°С наблюдается гололед.

Летом на ТФ могут возникать очаги кучево-дождевой облачности (Cb) с ливнями и грозами. Обычно они наблюдаются в ночное время. Возникновение гроз на ТФ ночью объясняется сильным ночным радиационным выхолаживанием верхнего слоя облаков при относительно неизменной температуре нижнего слоя. Происходит возрастание контраста температур между верхней и нижней границей облаков и, следовательно, к увеличению вертикального температурного градиента, который и является причиной развития вертикальных токов воздуха внутри слоистообразных облаков ТФ. Эти токи приводят к образованию Cb, которые замаскированы облачностью ТФ. Нижняя граница Cb – 1500 - 2000 м, а вершины могут значительно приподниматься над облаками ТФ.

В полете наиболее сложные условия погоды встречаются в тыловой части ТФ, где облака имеют низкую границу до 50 м и большую вертикальную мощность. В передней зоне ТФ на больших высотах можно встретить сильный ветровой поток – струйное течение.

Холодным фронтом называется участок главного фронта, перемещающийся в сторону теплого воздуха. За эти фронтом движется холодный воздух, который более плотный и подклинивается под теплый воздух.

В зависимости от скорости движения, характера восходящих движений теплого воздуха, а также от расположения зон облачности и осадков относительно ФП холодные фронты подразделяются холодный фронт 1-го рода (медленно движущийся) и холодный фронт 2-го рода (быстро движущийся).

Холодный фронт 1-го рода – медленно движущийся фронт, перемещается со скорость не более 30 км в час. Он имеет упорядоченное поднятие теплого воздуха по вторгающемуся клину холодного воздуха (рис.43). В холодное полугодие в восходящем теплом воздухе процесс конденсации не носит бурного характера.

Рис.43. Схема холодного фронта 1-го рода

В этот сезон облачная система фронта имеет большое сходство с облачной системой теплого фронта, расположенной в обратной последовательности – вначале у линии фронта наблюдаются слоисто-дождевые облака, затем высоко-слоистые. Облака верхнего яруса (перистые и перисто-слоистые) располагаются позади приземной линии фронта и могут быть отделены от основной облачной системы безоблачной прослойкой. Верхняя граница слоисто-дождевых и высоко-слоистых облаков располагается на высоте 4-5 км и бывает несколько приподнятой у линии фронта.

В теплую половину года перед указанной фронтальной облачной системой образуются кучево-дождевые облака большой вертикальной мощности, из которых выпадают ливневые осадки, часто сопровождающиеся грозами. Эти облака располагаются грядами вдоль фронта с шириной гряд 50-100 км. Верхняя граница кучево-дождевых облаков может достигать тропопаузы. Под облаками наблюдаются ливневые осадки, грозы, шквалы.

Фронтальная облачная система холодного фронта 1 рода примерно в 2 раза уже облачной системы ТФ, вследствие чего облачные формы на этом виде ХФ сменяются быстро. Зона осадков имеет ширину около 150-200 км и лежит главным образом за приземной линией фронта. В зоне осадков, как и в случае ТФ, могут образовываться низкие разорванно-дождевые облака.

Холодный фронт 2-го рода - быстродвижущийся холодный фронт, является самым опасным их всех видов атмосферных фронтов. Вследствие большой скорости перемещения (40-50 км/час) холодный воздух с большой энергией вытесняет теплый воздух вверх до больших высот. В летнее время в результате этой сильной динамической конвекции в теплом воздухе образуются кучево-дождевые облака большой вертикальной мощности, которая располагается в основном впереди фронта и имеет ширину обычно в несколько десятков километров, иногда пробивая тропопаузу (рис.44).

Кучево-дождевые облака вытесняются вперед по направлению ветра на больших высотах, на 100-300км от линии фронта. Предвестником приближения такого фронта являются высококучевые облака чечевицеобразные (Ac), появляющиеся за 200км перед приземной линией фронта. У самой линии фронта кучево-дождевые облака сопровождаются шкваловыми вихрями с разрушительными скоростями ветра и грозами. Ширина облачной системы достигает нескольких десятков километров, нижняя граница находится обычно на высоте 300-400 м, а в зоне осадков может опускаться до 100-200 м.

Рис.44. Схема холодного фронта 2-го рода

В облаках большую опасность представляют восходящие потоки скоростью до 30м/с и более и нисходящие до 15 м/с и более. Кроме того, в облаках могут быть грозы, сильные ливневые осадки, а в зоне отрицательных температур – интенсивное обледенение. Но ширина этой опасной зоны небольшая, примерно 50 км.

У земли прохождение этого фронта сопровождается шквалами, ливнями, грозами. Ширина зоны ливневых осадков – несколько десятков километров и наблюдается эта зона обычно впереди приземной линии фронта. Давление перед фронтом резко падает, за фронтом быстро растет. Ветер после прохождения фронта резко меняет направление и усиливается. Температура за фронтом резко понижается. Наиболее ярко выражена погода на этом фронте летом во второй половине дня.

Зимой при прохождении фронта отмечаются сильные снегопады, метели, ухудшающие видимость до нескольких десятков метров. Основные облака – кучево-дождевые (Cb) с верхней границей 4-5 км.

Фронт, образовавшийся в результате смыкания теплого и холодного фронтов, называется фронтом окклюзии.

Холодный фронт, как более активный и быстродвижущийся, обычно догоняет теплый фронт и смыкается с ним. При этом у поверхности земли смыкаются две холодные воздушные массы – находящаяся перед теплым фронтом и лежащая за холодным фронтом. Теплый воздух, заключенный между фронтами, отрезается от земли и вытесняется вверх. Облачные системы теплого и холодного фронтов сближаются и частично накладываются друг на друга и также вытесняются вверх. Указанный процесс называется процессом окклюдирования, а образовавшийся в результате фронт называется фронтом окклюзии (окклюзия – «оклюзис» – запирать замыкать).

В результате окклюдирования возникают два типа фронтов окклюзии:

– теплый фронт окклюзии (окклюзия по типу теплого фронта);

– холодный фронт окклюзии (окклюзия по типу холодного фронта).

Теплый фронт окклюзии возникает, если в тыловой части циклона холодный воздух является более теплой воздушной массой, чем холодный воздух в его передней части. При окклюдировании циклона менее холодный воздух натекает на более холодный воздух, образуется многоярусная система облаков, состоящая из системы облаков теплого фронта (слоистообразной) и облаков холодного фронта (кучево-дождевой), под которой могут возникнуть низкие разорванно-дождевые облака (рис.45).

Рис. 45. Схема теплого фронта окклюзии

Обложные осадки начинаются впереди линии фронта за 300-400 км, постепенно переходя в ливневые у точки окклюзии. Ветер у земли имеет резкое правое вращение и усиливается. Давление быстро падает. Окклюзии данного типа встречаются в основном в холодное полугодие. На средних и больших высотах полета ВС можно встретить замаскированные кучево-дождевые облака, которые вызывают сильную турбулентность и обледенение. Ширина такой зоны по нормали к фронту 50 км. При полетах на малых высотах всегда встречается низкая облачность, переходящая в туман, обледенение, на аэродроме гололед.

Холодный фронт окклюзии возникает, когда более холодный воздух тыловой части циклона, подтекает под менее холодный воздух в передней части циклона. Образуется многоярусная система облаков, простирающаяся до тропопаузы. На этом фронте облачность теплого фронта, начиная с нижних слоев, размывается, на малых и средних высотах преобладают кучево-дождевые облака, вершины которых достигают тропопаузы (рис.46).

Вся облачная система холодного фронта является более мощной и опасной, чем облачность теплого фронта окклюзии. В них наблюдаются сильная турбулентность, грозы, град. Окклюзии данного типа наблюдаются чаще летом и представляют большую опасность для полетов. Зимой такие фронты сопровождаются сильным ветром и снежными зарядами.