Атмосферные фронты и фронтальные системы

В предыдущей статье мы рассмотрели причины появления ветра, которыми являются циклоны и антициклоны и их взаимодействие. Безусловно, яхтсмена в первую очередь интересуют циклоны, несущие с собой плохую погоду с сильными ветрами, которых он хотел бы избежать, или, по крайней мере знать, с какими условиями придется столкнуться, чтобы подготовиться к ним. Обычно, циклон несет с собой атмосферные фронты – теплый и холодный, каждый из которых обладает определенными свойствами, и которые мы изучим в этой статье.
Атмосферным фронтом называют границу раздела между двумя воздушными массами разной плотности. Поскольку температура является главным регулятором плотности воздуха, то фронт обычно разделяет воздушные массы с разной температурой. Наряду с этими характеристиками, прохождение фронтов обуславливает изменение давления, направления и силы ветра, влажности, облачности. Существует несколько типов атмосферных фронтов: теплый фронт, холодный фронт, фронт окклюзии и стационарный фронт. Обычно, фронт называют соответственно температуре воздушной массы, идущей вслед за ним. Фронт, за которым находится теплый воздух (или теплый сектор циклона), называют теплый фронт, и наоборот, если за фронтом приходит холодный воздух – это холодный фронт. Прежде, чем рассмотреть особенности каждого из них, давайте рассмотрим структуру циклона с фронтами в целом.

На рисунке G450a представлен циклон с фронтами и направления ветров в нем.

Рис. G450a Типичный циклон с фронтами

Следующая иллюстрация G450b показывает распределение облачности на фронтах.

Рис. G450b

Выпадение осадков и при прохождении фронтов показано на рисунке G450c

Рис. G450с

Приведенные выше рисунки наглядно демонстрируют, с какими разными условиями мы сталкиваемся при прохождении фронтов. Сравнительная характеристика фронтов приведена в таблице 1.

Фронт	Теплый	Холодный	Фронт окклюзии	Стационарный
Погода	Непрерывный дождь, затем туман	Проливной дождь, ливни	Дождь, затем шквалы	Периодический дождь, затем прояснение
Основные облака	Слоистые	Кучево-дождевые	Слоистые, затем дождевые	Низко-слоистые, затем дождевые
Изменение температуры	Медленно растет	Резко падает при прохождении фронта	Поднимается или падает	Медленно растет
Скорость ветра	10 -15 узлов	15 -30 узлов	10 -15 узлов	Тихий или штиль
Обозначение фронта на метео картах

Таблица 1.

Рассмотрим ближе каждый из атмосферных фронтов

Теплый фронт

Любой фронт (кроме окклюдированного), движущийся таким образом, что холодный воздух замещается теплым при прохождении фронта, называется теплый фронт. (См. рис. G207a)

Рис. G207a

Теплый фронт приходит следующим образом. После первого появления перистых облаков, небо постепенно понижается, наполняясь перисто-слоистыми облаками. 22-градусное гало вокруг солнца или луны информирует нас о наличии ледяных кристаллов в этих облаках, которое мы могли бы и не заметить, не будь этого гало. Непрерывный, мелкий дождь начинается где-то на середине пути между первым появлением перистых облаков и прохождением самого фронта. Давление постепенно падает, а ветер усиливается и при прохождении фронта, достигает наибольшей силы и резко поворачивает по часовой стрелке. Подробнее ознакомьтесь с характеристиками теплого фронта в таблице 2.

Таблица 2. Теплый фронт

Холодный фронт

Любой фронт (кроме окклюдированного), движущийся таким образом, что теплый воздух замещается холодным при его прохождении, называется теплый фронт. (См. рис. G207b)

рис. G207b

При своем приближении холодный фронт выглядит как стена темных кучево-дождевых грозовых облаков. При прохождении фронта ожидается проливной дождь с грозой, возможно град. Ветер порывистый и резко сменяет направление по часовой стрелке. Затем небо проясняется.
Подробности смотрите в таблице 3.

Таблица 3. Холодный фронт

Теплый сектор
Участок теплого воздуха в циклоне, ограниченный теплым и холодным фронтом, называется теплый сектор. Характеризуется более или менее прямыми изобарами. (См. рис. G207e)

Рис. G207e

Погода в теплом секторе характеризуется сильными ветрами постоянной силы и направления. На небе - кучевые и слоисто-кучевые облака, периодически идут ливни.

Фронт окклюзии
Фронт, состоящий из двух фронтов и сформированный таким образом, что холодный фронт перекрывает теплый или стационарный фронт, называют фронтом окклюзии. Это обычный процесс в последней стадии развития циклона, когда холодный фронт догоняет теплый. Существует три основных типа фронтов окклюзии, обусловленных относительной прохладностью воздушной массы, идущей вслед за первоначальным холодным фронтом к воздуху впереди теплого фронта. Это фронты холодной, теплой и нейтральной окклюзии. (См. рис. G207c)

Рис. G207c. Окклюдированные фронты разных типов

Погодные условия при прохождении таких фронтов также неблагоприятны для яхтсменов – они сопровождаются дождями с грозами и градом, сильными и порывистыми ветрами с резкой сменой направлений и временами - плохой видимостью.

Стационарный фронт
Фронт, который неподвижен или почти неподвижен, называют стационарный фронт. Обычно фронты, движущиеся со скоростью менее 5 узлов, рассматривают как стационарные. (См. рис.G207d)

Рис. G207d. Стационарный фронт

Погодные условия стационарного фронта не могут быть описаны, как принадлежащие именно этому фронту по той причине, что как теплый, так и холодный фронт могут остановиться в своем движении и превратиться в стационарный фронт. В этом случае он имеет погоду того фронта, из которого он сформировался. На некоторой стадии существования, стационарный фронт будет иметь погодные условия фронта окклюзии. Как только он остается стационарным на долгий период времени, существует большая вероятность приобретения свойств теплого фронта.

В средних широтах северного полушария циклоны обычно движутся в восточном и северо-восточном направлении, а их фронты находятся в южной части циклона. Если яхтсмену случиться оказаться в этой части циклона, он - на «опасной стороне» циклона и должен быть готовым встретить весьма тяжелые погодные условия. Левая же сторона циклона более безопасна для навигации. Даже циклоны без фронтов, имеют значительно более сильные ветра на своей опасной стороне. Поэтому будет интересным рассмотреть прохождение циклона и фронтов над наблюдателем, находящимся на опасной стороне циклона. Механизм этого явления подробно рассмотрен нами в статье «В шторме. Опасные для навигации районы циклонического шторма».
На рисунке G136a представлено изменение давления вдоль пути яхты, проходящей через фронты циклона.

Рис. G136a

При приближении теплого фронта, атмосферное давление понижается и стабилизируется за фронтом, в теплом секторе. Обычно имеется резкий изгиб в изобарах на линиях фронтов, отражающий различие в структуре воздушных масс. При подходе холодного фронта, давление обычно постоянно или немного понижается с тем, чтобы при прохождении холодного фронта, начался его рост.

Рисунок G136b демонстрирует изменение силы ветра, измеренное на борту яхты, при проходе через фронты:

Рис. G136b

Скорость ветра постепенно возрастает с приближением теплого фронта и затем стабилизируется в теплом секторе. После прохождения холодного фронта сила ветра уменьшается. Наибольшей силы он достигает при прохождении фронтов. В обоих случаях при пересечении фронтов, ветер становится порывистым и шквальным.

Изменение направления ветра при пересечении яхтой фронтов отражено на рисунке G136с:

Рис. G136с

Ветер медленно поворачивает против часовой стрелки при подходе теплого фронта. Непосредственно на фронте он резко меняет направление по часовой стрелке, в соответствии с резким изгибом изобар. Такое изменение направления происходит на всех фронтах. В теплом секторе направление ветра стабильно. На холодном фронте изменение направления ветра может быть больше, чем на теплом. Затем ветер плавно идет по часовой стрелке в хвосте циклона.

Теперь, вооруженные знаниями о природе циклонов и фронтов, мы можем с большой долей вероятности предсказать, с какими условиями мы можем столкнуться в циклоне с фронтами.

Ветер и берег

· Настоящая статья рассматривает вопросы влияния берега на ветер. Через весь наш курс красной нитью проходит понимание того, что ветер есть главная забота всех моряков, а яхтсменов в особенности. Мы уже рассмотрели, как ветер ведет себя в циклонах и фронтах, и предполагали, что ветер дует над водой и не испытывает влияния близлежащего берега.
Однако большинство яхтсменов ходят на своих яхтах вблизи берегов или во внутренних водах, где берег может иметь огромное влияние на скорость и направление ветра. И действительно: ветер, подверженный влиянию берегового рельефа и испытываемый яхтсменом на воде, есть значительно более важен для понимания нами, чем, например, теоретическая причина его возникновения в определенной погодной системе.
Ветер и берег – микрометеорология – трудная тема и в теории и в практике. Высота, форма, уклон, протяженность, расположение, температура, и даже цвет окружающего ландшафта важны все вместе и каждый из них может быть ключевым во влиянии на ветер. С таким большим количеством факторов, часто случается так, что одни из них усиливают ветер, а другие в то же время ослабляют его; некоторые особенности береговой черты стремятся направить ветер вдоль берега, в то время как другие – поперек ему. Более того – один и тот же рельеф берега обычно по разному влияет на ветер с разных начальных направлений.
Лучшее, что может быть сделано, чтобы подготовиться к образованному суждению о процессах – это изучать поведение ветра в изолированных, идеализированных условиях, и затем смотреть на примеры, приведенные ниже, чтобы углубить свои знания. Когда пример вам понятен, объясните его кому-нибудь еще. А если пример не кажется вам соответствующим теории, найдите время поразмышлять над расположением рельефа и ветром вокруг него, чтобы понять, можете ли вы смоделировать то, что происходит. Это будет намного более продуктивным, чем просто сделать вывод, что все теории бесполезны.

Теперь мы можем продолжить с несколькими основными принципами. Все различные влияния берега на ветер делятся на две категории: крупномасштабные региональные эффекты, хорошо отраженные в обычных прогнозах погоды и местные эффекты, не представленные в официальных прогнозах. Также полезно различать эффекты, вызванные температурой поверхности земли от тех, которые обусловлены геометрией и текстурой поверхности.
Морской бриз
Земля нагревается солнцем и охлаждается значительно быстрее, чем водное пространство. Когда земля нагревается, она нагревает воздух над ней и это заставляет его расширяться. В результате этого нагретый воздух становится менее плотным, чем над ним, и поднимается. Атмосферное давление измеряет вес воздуха и, поскольку столб воздуха над сушей становится все менее и менее плотным, давление над сушей падает относительно давления над близлежащим морем. Таким образом, неодинаковое нагревание земли и моря образует соседствующие системы высокого и низкого давления, что в результате ведет к возникновению ветра из области высокого давления к низкому, как это было объяснено нами в статье «Откуда берется ветер».
Поднимающийся теплый в воздух в системе низкого давления над землей, замещается холодным воздухом, приходящим с моря, из области низкого давления. Этот ветер с моря называется морской бриз, в соответствии со стандартной терминологией о ветрах (северный ветер дует с севера, морской бриз дует с моря, а береговой – с берега). Развитие и поведение морского бриза есть важнейшей частью взаимоотношений между ветром и берегом. Этот процесс может сформировать довольно значительный ветер при полном отсутствии движущихся погодных систем. Циклы морского бриза проиллюстрированы на рисунках G121a-d

·

Рис. G121b

Рис. G121c

Рис. G121d

Рис. G121a
Классический морской бриз образуется в прибрежных водах, в основном, в ясные летние дни. В идеальном случае, бриз начинает работать поздним утром, постепенно усиливаясь и достигая скорости в 10 узлов после полудня, а затем утихает относительно быстро после захода солнца. Вначале бриза, он распространяется только на пол мили в море и дует легким ветром прямо на берег. Но когда, с течением дня, земля нагревается все больше, бриз усиливается и, обычно (в северном полушарии), поворачивает по часовой стрелке (если стать лицом к ветру) и дует диагонально к берегу. Ветра морского бриза обычно включают в прогноз погоды для районов, где они случаются регулярно.

·
Береговой бриз – явление противоположное. Всякий раз, когда земля холоднее, чем вода, относительное давление над ней выше, и бриз в море приходит с берега. (Рис. G121a)

Рис. G121a
Береговые бризы обычно дуют по ночам, после того как морской бриз умер. Береговой бриз обычно заметно слабее морского. Однако, на побережьях с высокими холмами или горами, ночной или береговой бриз может быть значительно сильнее, так как холодный воздух ускоряется, стекая по склонам.
Поскольку бризы есть просто ветра в 5 – 10 узлов, они не являются большой проблемой для судов и яхтсменов (последние их только и ждут!). Действительно серьезный вопрос берега и морского бриза возникает, когда друг на друга накладываются эффекты температуры земли с геометрией поверхности суши, что может причинить значительное усиление ветра.
Поскольку воздух есть текучая среда, обтекающая береговые препятствия, словно вода обтекает препятствия на дне, поведение воздуха становится подобно водяным течениям в сравнении. Ветер, дующий через узкий проход, ускоряется, иногда до опасных скоростей, и опускаясь за препятствиями, формирует вихри и становится порывистым. Морской бриз в замкнутых водах (бухты, узкости, заливы или реки с высокими берегами), становится «ветром через щель», и может достигать 20 узлов и выше на регулярной ежедневной основе. Такие особые случаи обычно хорошо предсказуемы, но остаются важными для знания, когда вы планируете переход через такие районы. Вы можете просчитать такие ветра задолго до получения специального прогноза и миновать их стороной. Или зная, где именно послеполуденный морской бриз может быть опасным, спланировать проход такого района на раннее утро. Хотя в этом случае имеется вероятность попасть в туман; так что, будет важным проверить, что этот туман на самом деле радиационный туман, который испарится перед началом бриза. (Рис. G269b)

Рис. G269b

Вдоль побережья также развивается также морской туман (Рис. G269a), который может и не испариться при бризе.

Рис. G269a
Учитывайте известные течения и избегайте находиться в районах, где сильный бриз дует против них. Однако в большинстве случаев там, где дуют свежие морские бризы, образуются и попутные с ветром течения. Сильные бризовые ветра ограничены территориями небольших районов и вы обычно не чувствуете их пока не попадете туда. Как только вы подходите к устью реки или канала, к долине или узкой бухте, будьте готовы встретить резко усиливающийся ветер на открытой части акватории.
Когда вы идете под парусом вдоль берега в 10 -15 узловой бризовый ветер, ожидайте, по крайней мере двойного усиления ветра перед большим препятствием. Яхтенные лоции обычно включают предупреждающее описание таких бухт и входов, но часто эти процессы очень локализованы и не отражены там. Смотрите вперед в поисках пенных гребешков при подходе к поворотам и бухтам.

·
Штормы и фронтальные ветра также различны в узкостях, определяющих направление ветра, и в открытом море. Когда ветер так ограничен, что может дуть только вверх или вниз по фарватеру, где вам случилось оказаться, прогноз изменения направления ветра не оправдается, как это произошло бы на низких, открытых берегах. В таких водах ветер обычно дует с одного направления, затем стихает, и резко начинает дуть с другого, строго противоположного направления. (См. Рис. G208)

Рис. G208
В таких местах наложение ветра от проходящего фронта и усиленного узкостью бризового ветра, может как усилить результирующий ветер вдвое, так и свести его до нуля.
Знание морских бризов может оказать большую помощь в предсказании такой ситуации. Если нет послеполуденного бриза – при ясном или частично чистом небе – а вы находитесь в местах, славящихся бризами, то имеются большие шансы, что дальше в море имеется область низкого давления, и она препятствует развитию бриза.
С областью низкого давления в море, термальное понижение давления на берегу не является достаточным, чтобы вызвать морской бриз. Даже если раньше днем вы могли заметить развитие морского бриза, или ослабление его по причине облачности над землей. Когда морской бриз стартует, то восходящий поток создаст облака над береговыми возвышениями – вследствие охлаждения поднимающейся влаги до точки росы и конденсации ее в облака. Если вы не видите облаков над берегом до полудня, значит морской бриз не работает и в море существует область низкого давления. Это может быть первым сигналом плохой погоды, так как, когда шторм подойдет ближе и облака закроют небо, вы уже не можете ожидать какого либо морского бриза в любом случае из за отсутствия солнца и нагревании земли.
В отдельных регионах нисходящий береговой бриз может быть настолько же опасным, как и туннельный морской бриз. Крутые ледяные берега Гренландии и Антарктиды знамениты ветрами штормовой силы, дующими вниз с берега. В Европе – бора – ветер вдоль Адриатического моря и местная жестокая новороссийская бора – другой пример, как и мистраль в долине реки Роны.
Другой тип местных ветров – фен, должен быть отделен от «падающих» ветров типа бора, не только их температурой. В то время как холодная бора может быть усилена местной погодной системой, и обычно вызвана только силой гравитации, увлекающей холодный воздух вниз, фены – это теплые и ветра и требуют обычно особых условий, включая сильные погодные ветра и нисходящие потоки в циклонах, чтобы быть принесенными к поверхности земли. Фены могут быть большой силы и они всегда создают необычно теплые и сухие условия.

Ветровая тень и «угловой эффект»
Геометрия земной поверхности не всегда, однако, создает сильные ветра; это может быть благодеянием. Большие препятствия обеспечивают защиту от ветра – просто блокируют его. Но они могу т обеспечить защиту и менее очевидным способом. Ветер в открытом море, дующий через крутой холм или скалу, не сразу опускается к воде, а на некотором расстоянии от препятствия, как показано на рисунке G444.

Рис. G444а
Точно предсказать эту дистанцию трудно – она зависит от многих факторов: высоты препятствия, его природы силы ветра и т.д. Но вы можете быть уверены в том, что подходя с моря к высокому берегу с подветра, мы получим заметное ослабление ветра, и даже изменение его направления на противоположное. Как грубое правило, вы должны почувствовать ослабление ветра, приблизившись на дистанцию, когда ширина ладонь вытянутой руки закроет препятствие. Это же правило вы можете использовать для определения того, насколько близко вам нужно подойти, чтобы использовать скалу или высокий остров для прикрытия. Вид сверху на картину обтекания препятствия ветром, смотрите на рисунке G444b

Рис. G444b

Таким же образом ведет себя ветер и до препятствия, на которое он дует. Он не достигает основания горы, а проходит выше. В этом смысле крутой наветренный берег также создает защиту от ветра, как и подветренный.
На рисунке G448a представлена картина распределения ветра, когда он пересекает реку с пологими берегами.

Рис.G448a.
Обратите внимание – ветер над рекой дует вдоль русла, несмотря на то, что направление основного ветра - под углом к нему. Но более интересным является другое явление, так называемый «угловой эффект». Заметьте, что у мыса на одном берегу ветер усиливается, вследствие сложения ветра с берега и ветра вдоль русла (конвергенция). И, наоборот, у мыса на противоположном берегу, результирующий ветер будет слабый, так как ветровой поток разделяется, и часть ветра уходит на берег (дивергенция). Не стоит даже говорить, насколько знание таких эффектов полезно для парусников, а особенно, для спортсменов-парусников.
Рисунок G448b показывает как низкий, плоский остров может исказить и усилить ветер.

Рис. G448
Обычно, небольшие, низкие острова могу только возмутить воздушный поток, делая его порывистым на подветренной стороне. Когда же площадь острова большая настолько, что бриз может образоваться над ним, то иногда наблюдается заметная асимметрия ветра по разные стороны его, как показано на рисунке G448. Это то же явление «углового эффекта».
Учитывайте эти явления при планировании плаваний вблизи берегов. Выходя утром, помните, что над водой ветра всегда больше, чем у берега, иногда в 2 раза. И даже если утром штиль, то послеполуденный морской бриз может затруднить вам возвращение, если вы неправильно спланируете маршрут. Не забывайте, что морской бриз поворачивает в течение дня и начинает дуть по диагонали к берегу и ваш курс вдоль берега может быть в бейдевинд, что, конечно, хуже плавания полным курсом. Отсутствие же морского бриза, свидетельствует о приближении области низкого давления с моря.

граница облачного массива расположена выше 3 км.