Воздушные массы и атмосферные фронты

Температура воздуха меняется по пространству – существуют области тепла и холода (см. рис.6.21), которые легко выделяются на карте относительной барической топографии. Откуда берется различие температуры? Напомним, сказывается пространственная неравномерность радиационного баланса. Кроме того, свойства воздушной массы зависят от подстилающей поверхности, над которой находится воздух. Так, над пустыней в жаркое время года существует теплая сухая воздушная масса. Над океаном – теплая влажная масса. Над ледяной пустыней – холодная сухая масса и т.п. Выше уже упоминалось об адвекции воздушных масс, т.е. об их движении из района формирования в другой район. Так, районы с морским климатом подвержены частым вторжениям воздушных масс с моря, тогда как над районами с континентальным климатом господствуют воздушные массы, сформировавшиеся над сушей. Именно по этой причине разделяются климаты морской и континентальный. Отсюда следует, что в атмосфере есть границы воздушных масс – атмосферные фронты.

Именно движение фронтов как правило определяет смены погоды. Пока над районом находится одна воздушная масса, температура, давление, облачность, осадки меняются во времени сравнительно мало, т.к. они подвержены преимущественно внутримассовым процессам, определяющим их суточный ход. Так, летом в умеренных широтах в теплой массе с малой облачностью хорошо выражен суточный ход температуры – днем тепло, ночью – холодно. И так повторяется изо дня в день, пока… Пока эту массу не вытеснит другая, с иными свойствами. В таком случае может произойти резкое и быстрое изменение всех свойств атмосферы. Например, зимой в умеренных широтах за несколько часов температура может измениться на 10 – 20 градусов, ветер может смениться полностью, сухая погода сменяется сильным дождем или снегопадом и т.п. Все это связано с прохождением атмосферных фронтов.

Атмосферный фронт (А.ф.) – это промежуточная, переходная зона между воздушными массами в тропосфере.

Зона А.ф. очень узка по сравнению с разделяемыми ею воздушными массами, поэтому её приближённо рассматривают, как поверхность раздела двух воздушных масс разной температуры и называют фронтальной поверхностью. По той же причине на синоптических картах А.ф. изображают в виде линии (линия фронта).

Если бы воздушные массы были неподвижны, поверхность А.ф. была бы горизонтальной, с холодным воздухом внизу и теплым над ним, но поскольку обе массы всегда движутся, поверхность располагается наклонно к земной поверхности, причём холодный воздух лежит в виде очень пологого клина под тёплым. Тангенс угла наклона фронтальной поверхности (наклон фронта) - порядка 0.01º. Протяженность А.ф. составляют по горизонтали - от 500 км до 5000 км и более, по вертикали - до высот 5000 – 7000 м.

У земной поверхности А.ф. характеризуются увеличенными горизонтальными градиентами температуры воздуха – в узкой зоне фронта температура резко переходит от значений, свойственных одной воздушной массе, к значениям, свойственным другой, причём изменение иногда превышает 10ºС. Меняются во фронтальной зоне также влажность воздуха и его прозрачность.

Различают теплые и холодные фронты, а также фронты окклюзии. Все они имеют свои особенности развития и движения. На картах погоды тёплый А.ф. наносят линией красного, холодный А.ф.- синего, а фронт окклюзии - коричневого цвета.

Теплый фронт показан на рис.6.25а. При его продвижении тёплый воздух занимает место отступающего холодного. При этом восходящее скольжение тёплого воздуха над очень пологой фронтальной поверхностью приводит к образованию перед линией А.ф. облачной системы в несколько сот километров шириной, в которой облачность меняется от тонких и высоких перистых облаков в передней части до мощных слоисто–дождевых с обложными осадками. Т.к. облачная система движется впереди фронта, то она служит предвестником приближения фронта. Если небо постепенно заволакивается перистыми облаками, вслед за которыми появляются облака среднего яруса, а затем и облака нижнего яруса, то это говорит о том, что приближается теплый фронт. Зимой зона дождей в теплом фронте шире чем летом. Это связано с тем, что слоисто-дождевые облака, идущие впереди фронта также дают осадки, только летом по пути к земле они испаряются, а зимой в виде снега достигают земли.

Холодный фронт показан на рис 6.25б. Их выделяют два рода – быстрый и медленный, но мы не будем рассматривать тонкие отличия, отметив только, что быстрый холодный фронт может быть смертельно опасным для самолетов и судов, что особенно усугубляется тем, что у холодного фронта практически нет заблаговременных предвестников, как у теплого.

При продвижении холодного фронта внизу движется клин холодного воздуха, вытесняющий теплый воздух перед собой наверх, в более высокие слои. Облачная система холодного фронта не так широка, как тёплого А.ф., она как бы тянется за фронтом, и для неё характерно преобладание или хотя бы наличие кучево-дождевых облаков, дающих ливневые осадки; также характерны облака среднего яруса – высоко-слоистые или высоко-кучевые, а вот облаков верхнего яруса в холодном фронте практически никогда не бывает. Перед холодным А.ф. нередко возникают шквалы и грозы, иногда очень сильные.

Рис.6.25. Теплый фронт (вверху), холодный фронт (внизу).

Пустотелыми стрелками показано направление движения воздуха; черными стрелками показан ветер у земли; ХВ – холодный воздух; ТВ – теплый воздух; сплошная жирная линия – фронтальная поверхность; затушеванные области – зоны осадков.

При т.н. окклюзии циклона тёплый и холодный А.ф. соединяются (холодный фронт догоняет идущий впереди теплый) и образуют очень сложный и малоподвижный фронт окклюзии (рис.6.26) с соответствующими изменениями облачных систем, осадков, ветра и т.д. В зоне окклюзии происходит вытеснение теплого воздуха вверх более холодным воздухом с двух сторон.

Рис.6.26. Фронт окклюзии

БХВ – более холодный воздух; МХВ – менее холодный воздух

А.ф. характерны для внетропических широт Земли, в особенности для умеренных широт, где между собой граничат основные воздушные массы тропосферы. Основная причина возникновения А.ф. (фронтогенез)–наличие таких систем движения в тропосфере, которые приводят к сближению (сходимости) масс воздуха, обладающих разной температурой. Первоначально широкая переходная зона между воздушными массами становится при этом резким фронтом. В процессе общей циркуляции атмосферы между воздушными массами разных широтных зон с достаточно большими контрастами температуры возникают длинные (тыс. км), вытянутые преимущественно по широте главные фронты – арктические, антарктические, полярные, на которых происходит образование циклонов.

Таким образом, атмосферные фронты неразрывно связаны с циклонами. Фронты порождают циклоны (которые формируются при меандрировании фронта в виде волн), но и сами фронты существуют и движутся не сами по себе – их словно бы «тащат» за собой активные и подвижные циклоны.