Атмосферные фронты и их влияние на погоду

       На приземной карте погоды  имеется богатая информация метеорологических станций, позволяющая уточнить положение фронтальных разделов по всему комплексу погодообразующих элементов. В поле температуры и ветра фронты наиболее чётко выражены у поверхности Земли в системе развивающихся циклонов и барических ложбин. Этому способствует сходимость воздушных течений у поверхности Земли (конвергенция), вследствие которой в зоне фронта встречаются массы воздуха с различными характеристиками, в том числе, с различной температурой. В системе антициклонов и гребней фронты в приземном слое размываются, что обусловливается расходимостью воздушных течений (дивергенцией).  

  Исторически сложилась точка зрения, что над СССР (СНГ) циркулируют три типа воздушных масс : арктическая, умеренная и тропическая; их, соответственно, разделяют друг от друга два основных атмосферных фронта - арктический (АФ) и полярный (ПФ). Нередко выделяется и третий фронт, проходящий по территориям заключенным между АФ и ПФ ; этот третий фронт обычно считается размывающимся экземпляром арктического фронта и обозначается как прежний (старый) арктический фронт (САФ).  

  Однако практика показывает, как уже упоминалось выше, что умеренная ВМ по своим свойствам довльно чётко подразделяется на две вполне самостоятельные ВМ: северную умеренную и южную умеренную. Таким образом, выделяются арктическая, северная умеренная, южная умеренная и тропическая массы. Следовательно, должно существовать не два, а три полноправных основных атмосферных фронта : так называемый "старый арктический фронт" не имеет никакого отношения к арктическому фронту и разделяет северную умеренную и южную умеренную массы; однако, в силу малой изученности данного фронта, специальное название для него отсутствует, поэтому мы условно называем его умеренным фронтом (УФ).  

       Постоянное и самостоятельное существование УФ над рассматриваемой территорией подтвердилось в исследованиях [1]. На первый взгляд это противоречит тому факту, что в умеренных широтах существует обычно две планетарные высотные фронтальные зоны (ВФЗ) и, соответственно, два струйных течения. Однако противоречие это только кажущееся; на самом деле УФ бывает связан то с арктической, то с умеренной ВФЗ (как правило с той, которая в данный момент шире, имеет больший скачок температуры и более мощное струйное течение), а нередко и переходит в некотором районе из одной ВФЗ в другую (на таком переходном участке УФ чаще всего имеет размытый характер). По-видимому, именно наличием в умеренных широтах только двух ВФЗ и объясняется бытующее до сих пор представление о существовании лишь двух основных атмосферных фронтов (АФ и ПФ); хотя в литературе многократно упоминается ([2, 4] и т.д.), что с одной ПВФЗ могут быть связаны один или два основных фронта.  

  Таким образом, в соответствии с уточнённой географической классификацией воздушных масс выделяются следующие фронты:

 Арктический  фронт (АФ) - фронт между арктическими  и умеренными воздушными массами  северного полушария. Располагается  на южной границе арктической  воздушной массы. Обычно различают  несколько одновременно существующих  ветвей АФ, иногда АФ огибает непрерывно всё северное полушарие.

 Умеренный  фронт (УФ) - разделяет северную  и южную умеренную воздушные  массы. 

 Полярный  фронт (ПФ) - является южной границей  умеренной воздушной массы, разделяющей  южную умеренную ВМ и тропическую  ВМ.

 Пассатный фронт - фронт в тропиках, разделяющий две массы тропического воздуха с различными свойствами - старый ТВ и более свежий ТВ, который недавно образовался путем трансформации массы умеренного воздуха. Пассатный фронт обычно проходит в пассатной ложбине между двумя субтропическими антициклонами, являясь продолжением в тропиках полярного фронта. Осадки в пассатной зоне выпадают главным образом, в связи с пассатными фронтами.

 Внутритропическая  зона конвергенции (ВЗК) - достаточно  узкая и выраженная зона сходимости между северным и южным пассатами (либо между пассатом и муссоном, или между пассатом и экваториальными западными ветрами).  

  Атмосферные фронты на их значительном протяжении практически параллельны изотермам на картах АТ-850. Конкретный фронт в данный день на всем его протяжении по рассматриваемой территории идет вдоль одной и той же изотермы Т850, отклоняясь от нее не более чем на 1° (реже - на 2°); особенно четко такая зависимость прослеживается у активных, хорошо выраженных (в ветре, явлениях и облачности) фронтов. Значение изотермы Т850, соответствующей данному фронту, является достаточно постоянным, медленно и планомерно меняясь от сезона к сезону в течение года. Более того, эти значения остаются постоянными из года в год (+-1°) и зависят только от сезона (даты), имея правильный годовой ход. Обращает на себя внимание своеобразная "зеркальность" значений фронтальных изотерм Т850 зимой и летом: -16, -8,0 и 0, +8, +16 соответственно . Все это, вместе с достаточно высокой временной и пространственной устойчивостью связи фронтов с определенными значениями изотерм Т850, приводит к необходимости переосмысления всей системы взглядов на фронтальные процессы в атмосфере и создания нового теоретического их обоснования. 

       Тёплый фронт движется в сторону  холодного воздуха. На карте  погоды тёплый фронт отмечается  красным цветом или зачернёнными  полукружками, направленными в сторону  перемещения фронта. По мере приближения  линии тёплого фронта начинает  падать давление, уплотняются облака, выпадают обложные осадки. Зимой при прохождении фронта обычно появляются низкие слоистые облака. Температура и влажность воздуха медленно повышаются. При прохождении фронта температура и влажность обычно быстро возрастают, ветер усиливается. После прохождения фронта направление ветра меняется (ветер поворачивает по часовой стрелке), падение давления прекращается и начинается его слабый рост, облака рассеиваются, осадки прекращаются. Поле барических тенденций представлено следующим образом: перед тёплым фронтом располагается замкнутая область падения давления, за фронтом - либо рост давления, либо относительный рост (падение, но меньшее, чем перед фронтом).  

       В случае тёплого фронта тёплый  воздух, перемещаясь в сторону  холодного, натекает на клин холодного воздуха и совершает восходящее скольжение вдоль этого клина и динамически охлаждается. На некоторой высоте, определяемой начальным состоянием восходящего воздуха, достигается насыщение - это уровень конденсации. Выше этого уровня в восходящем воздухе происходит облакообразование. Адиабатическое охлаждение тёплого воздуха, скользящего вдоль клина холодного, усиливается развитием восходящих движений от нестационарности при динамическом падении давления и от сходимости ветра в нижнем слое атмосферы. Охлаждение тёплого воздуха при восходящем скольжении по поверхности фронта приводит к образованию характерной системы слоистообразных облаков (облаков восходящего скольжения): перисто-слоистые - высоко-слоистые -слоисто-дождевые (Cs-As-Ns).  

       При приближении к пункту тёплого фронта с хорошо развитой облачностью сначала появляются перистые облака в виде параллельных полос с когтевидными образованиями в передней части (предвестники тёплого фронта), вытянутые в направлении воздушных течений на их уровне (Ci uncinus). Первые перистые облака наблюдаются на расстоянии многих сотен километров от линии фронта у поверхности Земли (около 800-900 км). Перистые облака переходят затем в перисто-слоистые облака (Cirrostratus). Для этих облаков характерны явления гало. Облака верхнего яруса - перисто-слоистые и перистые (Ci и Cs) состоят из ледяных кристаллов, и осадки из них не выпадают. Чаще всего облака Ci-Cs представляют собой самостоятельный слой, верхняя граница которого совпадает с осью струйного течения, т.е. близка к тропопаузе.  

       Затем облака становятся всё  плотнее: высоко-слоистые облака (Altostratus) постепенно переходят в  слоисто-дождевые (Nimbostratus), начинают  выпадать обложные осадки, которые  ослабевают или совсем прекращаются  после прохождения линии фронта. По мере приближения к линии фронта высота основания Ns снижается. Минимальное её значение определяется высотой уровня конденсации в восходящем тёплом воздухе. Высокослоистые (As) являются коллоидальными и состоят из смеси мельчайших капелек и снежинок. Их вертикальная мощность довольно значительна: начинаясь на высоте 3-5 км, эти облака простираются до высот порядка 4-6 км, т.е. имеют 1-3 км в толщину. Выпадающие из этих облаков осадки летом, проходя сквозь тёплую часть атмосферы, испаряются и не всегда достигают поверхности Земли. Зимой осадки из As в виде снега почти всегда достигают поверхности Земли, а также стимулируют выпадение осадков из нижележащих St-Sc. В этом случае ширина зоны обложных осадков может достигать ширины 400 км и более. Ближе всего к поверхности Земли (на высоте нескольких сотен метров, а порой 100-150 м и даже ниже) находится нижняя граница слоисто-дождевых облаков (Ns), из которых выпадают обложные осадки в виде дождя или снега; под слоисто-дождевыми облаками нередко развиваются разорванно-дождевые (St fr).  

       Облака Ns простираются до высот  3...7 км, т.е. имеют весьма значительную  вертикальную мощность. Облака также  состоят из ледяных элементов  и капель, причём, и капли и  кристаллы особенно в нижней  части облаков более крупные,  чем в As. Нижнее основание системы облаков As-Ns в общих чертах совпадает с поверхностью фронта. Поскольку верхняя граница облаков As-Ns приблизительно горизонтальна, наибольшая их толщина наблюдается вблизи линии фронта. У центра циклона, где система облаков тёплого фронта имеет наибольшее разви-тие, ширина облачной зоны Ns и зоны обложных осадков в среднем - около 300 км. В целом облака As-Ns имеют ширину 500-600 км, ширина зоны облаков Ci-Cs - около 200-300 км. Если спроецировать данную систему на приземную карту, то вся она окажется перед линией тёплого фронта на расстоянии 700-900 км. В отдельных случаях зона облачности и осадков может быть значительно шире или уже, в зависимости от угла наклона фронтальной поверхности, высоты уровня конденсации,термических условий нижней тропосферы.  

       В ночное время радиационное  выхолаживание верхней границы  облачной системы As-Ns и понижение  температуры в облаках, а также  усиление вертикального перемешивания  при опускании охлаждённого воздуха  внутрь облака способствует образованию ледяной фазы в облаках, росту облачных элементов и образованию осадков. По мере удаления от центра циклона восходящие движения воздуха ослабевают, осадки прекращаются. Фронтальные облака могут образовываться не только над наклонной поверхностью фронта, а в некоторых случаях - и по обе стороны от фронта. Это особенно характерно для начальной стадии циклона, когда восходящие движения захватывают зафронтальную область - тогда и осадки могут выпадать с обеих сторон фронта. Но за линией фронта фронтальная облачность обычно сильно расслоена и зафронтальные осадки чаще представлены в виде мороси или снежных зёрен.  

       В случае очень пологого фронта  система облаков может быть  смещена вперед от линии фронта. В тёплое время года восходящие  движения вблизи линии фронта приобретают характер конвективных, и на тёплых фронтах нередко развиваются кучево-дождевые облака и наблюдаются ливневые осадки и грозы (как днём, так и ночью).  

       Летом в дневные часы в приземном  слое за линией тёплого фронта  при значительной облачности температура воздуха над сушей может быть ниже, чем перед фронтом. Это явление называется маскировкой тёплого фронта.  

       Облачность старых тёплых фронтов  также может быть расслоенной  на всём протяжении фронта. Постепенно  эти слои рассеиваются и осадки прекращаются. Порой тёплый фронт не сопровождается осадками (особенно летом). Так бывает при малом влагосодержании тёплого воздуха, когда уровень конденсации лежит на значительной высоте. При сухости воздуха и особенно в случае его заметной устойчивой стратификации восходящее скольжение тёплого воздуха не приводит к развитию мало-мальски мощной облачности - то есть облака вообще отсутствуют, либо наблюдается полоса облаков верхнего и среднего ярусов.  

     Холодный  фронт движется в сторону тёплого  воздуха. На карте погоды холодный фронт отмечается синим цветом или зачернёнными треугольниками, направленными в сторону перемещения фронта. При переходе через линию холодного фронта ветер, как и в случае тёплого фронта, поворачивает вправо, но поворот более значительный и резкий - от юго-западного, южного (перед фронтом) к западному, северо-западному (за фронтом). При этом усиливается скорость ветра. Атмосферное давление перед фронтом меняется медленно. Оно может падать, но может и расти. С прохождением холодного фронта начинается быстрый рост давления. За холодным фронтом рост давления может достигать 3-5 гПа/3 ч., а иногда 6-8 гПа/3 ч. и даже более. Изменение барической тенденции (от падения к росту, от медленного роста к более сильному) свидетельствует о прохождении линии приземного фронта.  

       Перед фронтом часто наблюдаются  осадки, а нередко грозы и шквалы (особенно в тёплое полугодие). Температура воздуха после прохождения  фронта падает (адвекция холода), причём порой быстро и резко  - на 5...10 °С и более за 1-2 часа. Точка росы понижается одновременно с температурой воздуха. Видимость, как правило, улучшается, поскольку за холодным фронтом вторгается более чистый и менее влажный воздух из северных широт.  

       Характер погоды на холодном  фронте заметно различается в зависимости от скорости смещения фронта, свойств тёплого воздуха перед фронтом, характера восходящих движений тёплого воздуха над клином холодного.  

       На холодных фронтах 1-го рода (медленнодвижущихся) преобладает упорядоченное  поднятие тёплого воздуха над клином холодного воздуха. Холодный фронт 1-го рода является пассивной поверхностью восходящего скольжения. К этому типу принадлежат медленно движущиеся или замедляющие свое движение фронты в глубоких барических ложбинах или вблизи центра циклона.  

       Облачность холодного фронта 1-го  рода, образующаяся вследствие восходящего  скольжения вдоль его поверхности  вытесняемого холодным клином  тёплого воздуха, является как  бы зеркальным отражением облачности  тёплого фронта. Она начинается  с Ns, а заканчивается Cs-Ci. При этом облака расположены главным образом за линией фронта. Отличие от облачности тёплого фронта всё же существует: вследствие трения поверхность холодного фронта в нижних слоях становится крутой, поэтому перед самой линией фронта вместо спокойного и пологого восходящего скольжения наблюдается конвективный подъём тёплого воздуха. Благодаря этому, в передней части облачной системы могут возникать мощные кучевые (Cu cong.) и кучево-дождевые (Cb) облака, растянутые на сотни километров вдоль фронта, со снегопадами зимой, ливнями летом, нередко с грозами и шквалами. Над вышележащей частью фронтальной поверхности с нормальным наклоном в результате восходящего скольжения тёплого воздуха облачная система представляет равномерный покров слоистообразных облаков As-Ns. Ливневые осадки перед фронтом после прохождения фронта сменяются более равномерными обложными осадками. Затем появляются перисто-слоистые и перистые облака.