ISBN 5-286-01507-7. 1 Образование облаков и их классификация

© Гидрометеоиздат, 2006

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие................................................................................................... 4

Введение.......................................................................................................... 7

1 Образование облаков и их классификация........................................ 10

1.1 Образование облаков........................................................................ 10

1.2 Морфологическая классификация облаков................................ 15

2 Описание форм и видов облаков........................................................... 19

2.1 Облака верхнего яруса...................................................................... 20

2.2 Облака среднего яруса...................................................................... 21

2.3 Облака нижнего яруса....................................................................... 23

2.4 Облака вертикального развития..................................................... 25

3 Системы облаков, их эволюция и связанные с ними признаки по­
годы............................................................................................................... 27

3.1 Фронтальные системы облаков...................................................... 27

3.1.1 Система облаков теплого фронта....................................... 28

3.1.2 Системы облаков холодного фронта................................. 29

3.1.3 Системы облаков фронта окклюзии................................... 31

3.2 Внутримассовые системы облаков................................................ 32

3.3 Стратосферные и мезосферные облака........................................ 33

3.3.1 Перлаистые облака................................................................. 33

3.3.2 Серебристые облака............................................................... 33

3.4 Эволюция форм облаков. Переходные формы и характерные
сочетания............................................................................................. 34

3.4.1 Характеристика переходных форм..................................... 34

3.4.2 Характерные сочетания форм облаков.............................. 36

3.4.3 Особые виды облаков и состояний неба............................ 36

3.5 Облака как местный признак погоды........................................... 37

3.5.1 Облака верхнего яруса........................................................... 37

3.5.2 Облака среднего яруса........................................................... 38

3.5.3 Облака нижнего яруса............................................................ 38

3.5.4 Облака вертикального развития.......................................... 39

4 Местные формы облаков......................................................................... 39

4.1 Облачность горных территорий..................................................... 39

4.2 Облачность полярных территорий................................................ 40

4.3 Облачность над морскими акваториями...................................... 42

5 Атмосферные явления.............................................................................. 43

6 Космические снимки облачности.......................................................... 44

6.1 Эволюция фронтальных облачных систем................................. 45

6.2 Образование облачных вихрей....................................................... 45

6.3 Перемещение облачных систем и атмосферных фронтов....... 47

7 Радиолокационные снимки облачности............................................. 49

Снимки облаков.................................................................................................... 55

A. Облака верхнего яруса (фото 1—13).............................................. 56

Б. Облака среднего яруса (фото 14—31)............................................ 84

B. Облака нижнего яруса (фото 32—45)............................................. 120

Г. Облака вертикального развития (фото 46—57)........................... 148

Характерные сочетания форм облаков.................................................. 174

Особые виды облаков и состояний неба................................................ 184

Облачность горных территорий.................................................................... 196

Облачность полярных территорий............................................................... 208

Облачность над морскими акваториями................................................ 216

Атмосферные явления....................................................................................... 226

Латинские названия форм, видов и разновидностей облаков и их

сокращенные обозначения........................................................................ 248

ПРЕДИСЛОВИЕ

Процессы образования отдельного облака и, тем более, сис­тем облаков протекают под воздействием многих факторов, ка­ждый из которых накладывает свой, специфический, отпечаток на „внешний вид" возникающих облачных образований. Обла­ка и выпадающие из них осадки играют важнейшую роль в формировании различных типов погоды. Поэтому перед метео­рологической наукой уже на первых этапах ее становления возникла задача классификации облаков. Решение этой задачи предоставляет специалистам возможность отслеживать про­странственно-временную изменчивость облачных образований, что является мощным инструментом исследования и прогнози­рования процессов, протекающих в атмосфере.

Впервые попытка разделения облаков по их внешнему виду на различные группы была предпринята в 1776 г. известным французским естествоиспытателем, метеорологом-любителем Жаном Батистом Ламарком. Однако предложенная им класси­фикация ввиду своего несовершенства не нашла широкого при­менения.

Первая вошедшая в науку классификация облаков была разработана английским метеорологом-любителем Л. Говардом в 1803 г. В 1887 г. ученые Гильдебрандсон в Швеции и Эбер-кромби в Англии, переработав классификацию Л. Говарда,

предложи ли проект новой классификации, которая легла в основу всех последующих классификаций. При этом по мере развития метеорологической науки и обобщения практики ме­теорологических наблюдений учеными различных стран был предложен ряд классификаций облаков, каждая из которых об­ладала своими достоинствами и недостатками. Все явственнее ощущалась необходимость объединения накопленных знаний о морфологии облаков и их научного анализа. Идея создания пер­вого единого атласа облаков была поддержана на Международ­ной конференции директоров метеорологических служб в Мюнхене в 1891 г. Созданный ею комитет подготовил и издал в 1896 г. первый Международный атлас облаков с 30 цветными литографиями. Первое русское издание этого Атласа вышло в свет в 1898 г.

Дальнейшее развитие метеорологии и введение в практику синоптического анализа понятий об атмосферных фронтах и воз­душных массах потребовало гораздо более подробного изучения облаков и их систем. Это предопределило необходимость сущес­твенной переработки применявшейся в то время классифика­ции, следствием чего явилось издание в 1930 г. нового Международного атласа облаков. На русском языке этот Атлас был издан в 1933 г. в несколько сокращенном варианте.

За прошедшие годы было выпущено еще два отечественных издания Атласа облаков, подготовленные на основе издания 1933 г. Они отличались тем, что от издания к изданию росло ко­личество иллюстраций, углублялась и расширялась описатель­ная часть Атласа. Так, во второе издание 1940 г. вошли 75 снимков облаков, сделанных с поверхности земли, и 22 снимка, сделанные с самолетов и аэростатов. Третье издание, получив­шее широкое распространение, вышло в свет в 1957 г. и включа­ло уже 101 снимок. В основу этого Атласа был положен Международный атлас облаков 1956 г. издания. Кроме того, он был снабжен обширным пояснительным текстом.

В 1978 г. увидело свет четвертое издание Атласа облаков, осуществленное Госкомгидрометом СССР. Оно мало отличалось от предыдущего издания и содержало как снимки облаков раз­личных форм, так и пояснительные тексты к ним.

В настоящем издании в целом сохранена структура Атласа 1978 г., однако оно несколько отличается от него. В данном Атласе произведены некоторые уточнения классификации об­лаков, переработана текстовая часть. Кроме того, основную часть иллюстративного материала Атласа составляют автор­ские фотографии облаков. Снимки облаков, сгруппированных по формам и видам, сопровождаются фотографиями их наибо­лее характерных фрагментов, что позволяет лучше понять осо­бенности строения облаков различных форм и видов.

Все иллюстрации сопровождаются пояснительными текста­ми, существенно облегчающими определение наблюдателями форм, видов и разновидностей облаков.

В описательную часть Атласа добавлен подраздел „Образо­вание облаков", который подготовлен Л. Т. Матвеевым при участии В. И. Кондратюка на основе последних достижений в изучении динамики процессов облакообразования.

Существенно переработан и приведен в соответствие с уточ­ненной морфологической классификацией облаков раздел „Описание форм и видов облаков".

Раздел „Системы облаков, их эволюция и связанные с ними признаки погоды", представляющий, по мнению авторов, наи­больший интерес для синоптиков, научных работников и сту­дентов, переработан с учетом современных представлений о возникновении и трансформации облачных систем.

Раздел „Местные формы облаков" содержит фотографии об­лаков, наиболее характерных для горных и полярных террито­рий, а также для морских акваторий.

Наиболее существенное отличие настоящего издания Атласа облаков от предыдущих состоит в том, что в него впер-

вые включены как самостоятельные подраздел „Характерные сочетания форм облаков", разделы „Атмосферные явления", „Космические снимки облачности", „Радиолокационные сним­ки облачности".

Появление раздела „Космические снимки облачности" про­диктовано развитием космической метеорологии и широким внедрением в практику оперативной работы космической ме­теорологической информации, прежде всего снимков облач­ности.

Включение раздела „Радиолокационные снимки облачнос­ти" обусловлено появлением новых технических возможностей для получения специальной радиометеорологической информа­ции о состоянии и динамике облаков и облачных систем.

Атлас как справочное методическое пособие предназначен для работников метеорологических наблюдательных и прогнос­тических подразделений Федеральной службы по гидрометео­рологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромета), специалистов Гидрометеорологической службы Минобороны РФ. Он может быть использован также в качестве учебного по­собия для преподавателей, аспирантов и студентов высших учебных заведений гидрометеорологического и географическо­го профиля, учащихся техникумов и слушателей курсов повы­шения квалификации метеорологов. Кроме того, Атлас будет полезен и научным работникам, специализирующимся в облас­ти физики облаков и синоптической метеорологии.

Настоящее издание Атласа облаков подготовлено специ­алистами Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воей­кова (ГГО) и Военно-космической академии им. А. Ф. Можай­ского (ВКА).

Предисловие, введение и разделы 1—4 подготовлены груп­пой научных сотрудников ГГО: канд. физ.-мат. наук Д. П. Беспа­ловым и Ю. А. Довгалюк, канд. геогр. наук В. И. Кондратюком и Т. П. Светловой.

Подраздел 3.4.2 „Характерные сочетания форм облаков", разделы 5 и 6 подготовлены сотрудниками ВКА: д-ром физ.-мат. наук, профессором С. С. Суворовым, кандидатами технических наук В. И. Тимофеевым, Ю. В. Кулешовым и А. М. Девяткиным.

Фотографии облаков и фрагментов облачного неба, содержа­щиеся в Атласе, а также космические снимки облачности и вер­тикальные разрезы облачных систем атмосферных фронтов представлены указанными сотрудниками ВКА.

Радиолокационные снимки облачности представлены фили­алом ГГО — Научно-исследовательским центром дистанцион­ного зондирования атмосферы. Они получены с помощью

МРЛ-5 и специальной автоматизированной системы обработки радиолокационной информации „Мерком" в пос. Воейково.

Отбор и аттестация фотографий облаков выполнена указан­ной выше группой сотрудников ГГО.

Подписи к фотографиям подготовлены канд. физ.-мат. наук Ю. А. Довгалюк и канд. геогр. наук Т. П. Светловой. Общее ру­ководство подготовкой Атласа облаков к изданию осуществля­лось заведующим методическим отделом ГГО В. И. Кондратю­ком.

Настоящее издание Атласа рассмотрено и одобрено Методи­ческой комиссией ГГО.

Посредством наблюдений над облаками можно, не оставляя поверхности Земли, по­лучить некоторое понятие о том, что дела­ется в воздухе очень далеко от земной по­верхности,... вообще проникать в область, которую Д. И. Менделеев справедливо назвал великой лабораторией природы. А. И. Воейков. Климаты земного шара, в осо­бенности России, 1884 г.

ВВЕДЕНИЕ

Облака с давних времен привлекали к себе повышенное вни­мание людей как наиболее естественное атмосферное явление. Еще первые исследователи окружающей природной среды при­шли к пониманию того, что разнообразие облачных форм связа­но с характером погоды, т. е. с постоянно изменяющимся состоянием атмосферы. Эту мысль по-иному сформулировал в 1817 г. немецкий климатолог Г. Дове, заметивший, что „обла­ко — не предмет, а процесс".

Отдельные облака существуют зачастую очень короткое вре­мя. Например, время существования отдельных кучевых обла­ков иногда исчисляется всего 10—15 мин. Это происходит потому, что капли, из которых состоит облако, быстро испаряют­ся. Даже если облако наблюдается очень долго, это вовсе не озна­чает, что оно является неизменным образованием, состоящим из одних и тех же частиц. В действительности облака постоянно на­ходятся в процессе образования и распада.

Облака и выпадающие из них осадки принадлежат к числу важнейших метеорологических (атмосферных) явлений и игра­ют определяющую роль в формировании погоды и климата, в

распространении растительного и животного мира на Земле. Изменяя радиационный режим атмосферы и земной поверхнос­ти, облака оказывают заметное воздействие на температур-но-влажностный режим тропосферы и приземного слоя воздуха, где протекает жизнь и деятельность человека.

Облаком называют видимую совокупность взвешенных в ат­мосфере и находящихся в процессе непрерывной эволюции ка­пель и/или кристаллов, являющихся продуктами конденсации и/или сублимации водяного пара на высотах от нескольких де­сятков метров до нескольких километров. Изменение свойств этой совокупности частиц (фазового строения облака — соотно­шения капель и кристаллов по массе, числу частиц и другим па­раметрам в единице объема воздуха) происходит под влиянием температуры, влажности и вертикальных движений как внут­ри, так и вне облака. В свою очередь, выделение и поглощение тепла в результате фазовых переходов воды и наличия самих частиц в потоке воздуха оказывают обратное влияние на пара­метры облачной среды.

В ряде случаев под облаком может образоваться подоблач­ная дымка, которая состоит из очень мелких капель радиусом 0,1 мкм и менее и является признаком начала образования во­дяного облака. В результате конденсации водяного пара вблизи земной поверхности (в приземном слое атмосферы) образуются туман и дымка, ухудшающие метеорологическую дальность ви­димости до значения 1 км и менее.

С точки зрения микрофизического строения принципиаль­ного различия между облаками и туманами нет. Однако они су­щественно различаются по условиям образования, верти­кальной мощности, площади распространения, времени сущес­твования и т. п.

По фазовому строению облака делятся на три группы.

1. Водяные, состоящие только из капель радиусом 1—2 мкм и более. Капли могут существовать не только при положитель-

ных, но и при отрицательных температурах. В последнем слу­чае капли будут находиться в переохлажденном состоянии, что в атмосферных условиях вполне обычно. Чисто капельное стро­ение облака сохраняется, как правило, до температур порядка -10...-15 °С (иногда и ниже).

2. Смешанные, состоящие из смеси переохлажденных ка­
пель и ледяных кристаллов при температурах -20...-30 °С.

3. Ледяные, состоящие только из ледяных кристаллов при
достаточно низких температурах (порядка -30...-40 °С).

При значительном количестве капель или кристаллов в 1 м³ облачного воздуха размер их так мал, что содержание воды в жидком виде (водность) в облаках невелико. В водяных облаках на 1 м³ облачного воздуха приходится не менее 0,5 г воды. В кристаллических облаках водность существенно меньше — со­тые и даже тысячные доли грамма на 1 м³. Водность облака за­висит от многих факторов и не остается постоянной в нем. Она изменяется от 0,01 г/м³ в облаках верхнего яруса до нескольких г/м³в облаках вертикального развития.

Облачный покров днем уменьшает приток солнечной радиа­ции к поверхности земли, а ночью заметно ослабляет ее излуче­ние и, следовательно, охлаждение, весьма существенно уменьшает суточную амплитуду температуры воздуха и почвы, что влечет за собой соответствующее изменение и других метео­рологических величин и атмосферных явлений. Функциониро­вание сельского хозяйства, транспорта и прежде всего авиации, коммунального и водного хозяйства, курортов и других отрас­лей экономики в той или иной степени зависит от количества и формы облаков.

Регулярные и достоверные наблюдения за формами обла­ков и их трансформацией способствуют своевременному обна­ружению опасных (ОЯ) и неблагоприятных (НГЯ) гидрометео­рологических явлений, сопутствующих тому или иному виду облаков.

В программу метеорологических наблюдений включено сле­жение за динамикой развития облаков и определение следую­щих характеристик облачности:

а) общее количество облаков,

б) количество облаков нижнего яруса,

в) форма облаков,

г) высота нижней границы облаков нижнего или среднего
яруса (при отсутствии облаков нижнего яруса).

Результаты наблюдений за облачностью из метеорологичес­ких наблюдательных подразделений в реальном режиме време­ни по коду КН-01 (национальный вариант международного кода FM 12-IX SYNOP) регулярно передаются в местные про­гностические органы (организации и подразделения УГМС) и Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации (Гидрометцентр России) для синопти­ческого анализа и составления прогнозов погоды различной за-бл аговременности.

Кроме того, эти данные рассчитываются за различные вре­менные интервалы и используются для климатических оценок и обобщений.

Количество облаков определяется как суммарная доля не­босвода, закрытая облаками, от всей видимой поверхности не­босвода и оценивается в баллах: 1 балл — это 0,1 доля (часть) всего небосвода, 6 баллов — 0,6 небосвода, 10 баллов — весь не­босвод закрыт облаками.

Многолетние наблюдения за облаками показали, что они могут располагаться на различных высотах, как в тропосфере, так и в стратосфере и даже в мезосфере (рис. 1). Тропосферные облака обычно наблюдаются в виде отдельных, изолированных облачных масс или в виде сплошного облачного покрова. Их строение может быть волокнистым, хлопьевидным или одно­родным, они могут иметь сплошную или расчлененную нижнюю поверхность, быть плотными или тонкими. В зависимости

от этого облака разделяются по внешнему виду на формы, виды и разновидности.

Серебристые и перламутровые облака, в отличие от тропо­сферных облаков, наблюдаются довольно редко и характеризу­ются относительно небольшим разнообразием.

Классификация тропосферных облаков по внешнему виду, используемая в настоящее время, получила название междуна­родной морфологической классификации. В соответствии с ней облака делятся на 10 основных форм. В каждой основной форме облаков различают виды и разновидности.

Облака всех форм встречаются на высотах от нескольких де­сятков метров до тропопаузы. В этом диапазоне высот условно различают облака трех ярусов.

Высота нижней границы облаков представляет собой мини­мальное расстояние от поверхности земли до основания облака. Измерение высоты нижней границы облаков производится, ес­ли облака (их нижние основания) расположены не выше 2500 м над уровнем моря. Если облака расположены на разных уров­нях и высоту самых низких облаков не удалось измерить инстру­ментально, она оценивается визуально.

Наряду с морфологической классификацией облаков исполь­зуется и генетическая классификация, т. е. классификация по условиям (причинам) возникновения облаков. Кроме того, обла­ка классифицируются по их микрофизическому строению, т. е. по агрегатному состоянию, виду и размерам облачных частиц, а также по их распределению внутри облака.

В соответствии с генетической классификацией облака де­лятся на три группы: слоистообразные, волнистообразные и ку-чевообразные (конвективные).

Правильность наблюдений за облаками, а следовательно, и ценность результатов наблюдений зависит от квалификации персонала наблюдательных подразделений и регулярности на­блюдений за состоянием неба и его изменениями во времени.

С помощью визуальных наблюдений можно не только опре­делять количество и форму облаков, но и делать некоторые за­ключения об их микроструктуре (например, о наличии в них ледяных частиц).

Характер погоды в конкретном районе определяется облач­ными системами, связанными с атмосферными фронтами и имеющими большую пространственную протяженность, поэто­му очень важно, чтобы дежурный техник-метеоролог понимал сущность атмосферных процессов, приводящих к образованию облаков различных форм. Это поможет ему правильно опреде­лять формы облаков в тех случаях, когда облака несколько от­личаются от представленных в Атласе или относятся к пере­ходным формам.

1 ОБРАЗОВАНИЕ ОБЛАКОВ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

1.1 Образование облаков

Облака образуются в результате перехода воды из газообраз­ного состояния (водяной пар) в жидкое (капли) и твердое (крис­таллы). При этих переходах, называемых конденсацией и сублимацией и происходящих вследствие конвекции или упоря­доченного подъема влажного воздуха, выделяется большое ко­личество тепла, которое оказывает значительное влияние на образование облаков, термическую и динамическую устойчи­вость атмосферы, режим движения воздуха, формирование фронтальных разделов и развитие циклонов.

Основными объектами в атмосфере, с которыми связано об­разование облаков и осадков, являются циклоны и ложбины. Они, в свою очередь, образуются под влиянием переноса (адвек-

ции) холодного воздуха на более теплую поверхность и взаимо­действия этого воздуха с теплым воздухом. Свыше 70—90 % всех циклонов в северном полушарии зимой образуется вблизи восточных побережий Канады и Гренландии и дальневосточно­го побережья России, а также в северной части Средиземного моря и в западных частях Черного и Каспийского морей.

После зарождения циклоны перемещаются с восточной со­ставляющей над океаном и затем выходят на территорию Евро­пы и Западной Сибири.

В зимний период вследствие радиационного выхола­живания материки оказываются холоднее океанов и в этом слу­чае приход воздушной массы с океана будет означать перенос (адвекцию) тепла на материк, что способствует образованию ан­тициклонов.

Весной и летом материки быстро прогреваются и оказывают­ся существенно теплее океанов. В этом случае приход воздушной массы с океана означает адвекцию холода на теплый материк, что способствует образованию циклонов.

Согласно данным исследований за последние десятилетия, в умеренных широтах над материками в весенне-летний период преобладают циклоны (их образуется в 3,5 раза больше, чем ан­тициклонов) и значительная облачность, в осенне-зимний пери­од — антициклоны (их образуется в 6 раз больше, чем циклонов) и малооблачная погода.

По условиям образования различают облака фронтальные и внутримассовые. Происхождение фронтальных облаков объяс­няется процессами, происходящими на границах раздела меж­ду различными воздушными массами, а внутримассовых облаков — процессами внутри однородных воздушных масс: термической и динамической конвекцией, турбулентным пере­мешиванием и волновыми движениями (или адвекцией облач­ных систем).

Фронтальные облака (облака восходящего скольжения). Поскольку теплофизические и радиационные свойства земной поверхности очень неоднородны, то возникает горизонтальная разность температур воздуха и адвекция холода. При достаточно больших значениях этой разности зарождается циклон.

Первоначально зона контраста температур делит циклон на две равные части: западную холодную и восточную теплую. В циклоне под влиянием сходимости (конвергенции) воздушных течений возникают восходящие движения, при которых темпе­ратура воздуха понижается, а его относительная влажность рас­тет и достигает 100 %.

Этот динамический фактор — вертикальные движения си­ноптического масштаба — является основной причиной облач­ной погоды в циклонах.

Однако наиболее благоприятные условия для образования об­лаков создаются в циклоне внутри и вблизи зоны контраста тем­ператур. Поскольку здесь наиболее значительна (по сравнению с остальной частью циклона) адвекция холода, то именно здесь (вблизи зоны контраста температур) больше, чем в других час­тях, понижается давление, т. е. формируются ложбины и возни­кают дополнительные вертикальные движения.

Немаловажную роль в процессе облакообразования играет тепло, выделяющееся при конденсации водяного пара. Темпера­тура воздуха в облаке при влажноустойчивои стратификации со временем понижается меньше, чем в холодной массе под обла­ком. По этой причине вблизи наклонной нижней границы облач­ной массы формируется слой с инверсионным или с уменьшенным вертикальным градиентом температуры. Этот слой толщиной в несколько сотен метров носит название фрон­тальной зоны, или фронтальной поверхности. Горизонтальная протяженность этой зоны, как и расположенной над ней системы облаков, составляет сотни километров. Линию пересечения

фронтальной поверхности (тангенс угла наклона которой поряд­ка 10 ²) с земной поверхностью называют фронтом.

Система сформировавшихся над фронтальной поверхностью (зоной) облаков носит название фронтальных облаков, или обла­ков восходящего скольжения. Их вертикальная и горизонталь­ная протяженность, структура определяются углом наклона фронтальной поверхности и скоростью ее смещения.

Если во фронтальной зоне теплый воздух медленно натекает на клин более холодного воздуха (теплый фронт), то происхо­дит адиабатическое охлаждение мощных слоев теплого воздуха и конденсация содержащегося в нем водяного пара. В результате образуется достаточно однородная система слоистообразных (пе­ристо-слоистые — высокослоистые — слоисто-дождевые) обла­ков, располагающаяся в теплом воздухе и простирающаяся на многие сотни (иногда и на тысячи) километров.

Наибольшую вертикальную протяженность облака имеют вблизи линии фронта и там, где их основания находятся на высо­те нескольких сотен метров от поверхности земли. Эта часть об­лачной системы, занимающая зону шириной 300—400 км перед теплым фронтом, состоит из слоисто-дождевых облаков. По мере удаления от линии фронта в сторону холодного воздуха, прибли­зительно на 500—600 км, слоисто-дождевые облака переходят в высокослоистые (см. рис. 3.1).

При дальнейшем удалении от линии фронта облачная систе­ма трансформируется в облака верхнего яруса. Располагаются они на некоторой высоте над фронтальной поверхностью. Их об­разование связано с тем, что при восходящем движении теплого воздуха по фронтальной поверхности более высокие слои возду­ха вытесняются еще выше.

Иная система облачности наблюдается на холодном фронте. Холодный воздух клином подтекает под теплый воздух, вынуж­дая его подниматься по поверхности раздела. Вследствие трения

холодного воздуха о земную поверхность его нижние слои отста­ют от верхних. В результате этого поверхность холодного фронта в нижней части приобретает крутой наклон.

Выделяют два типа холодных фронтов: холодный фронт пер­вого рода и холодный фронт второго рода. Эти фронты различа­ются в основном по степени неустойчивости и по удельной влажности теплого воздуха. Кроме того, у них неодинаковая ско­рость смещения разных участков фронта.

Холодный фронт первого рода характеризуется упорядочен­ным подъемом теплого воздуха до больших высот над вторгаю­щимся клином холодного воздуха. При адиабатическом охлаждении поднимающегося теплого воздуха образуется облачная система, аналогичная системе облаков теплого фронта, но она прохо­дит над пунктом наблюдений в обратном порядке (см. рис. 3.2).

Особенность холодного фронта второго рода заключается в том, что восходящее скольжение теплого воздуха происходит в сравнительно узкой зоне вдоль фронтальной поверхности, носит бурный (как бы порциями) характер и распространяется только до высоты 2—3 км. Выше этого уровня происходит нисходящее дви­жение теплого воздуха. Поэтому облачная система холодного фронта второго рода представляет собой довольно узкую полосу. На линии фронта образуется система кучевообразных облаков (куче-во-дождевые — высококучевые — перисто-кучевые), растянутая в виде мощного вала на десятки, иногда на сотни километров. Вер­хняя часть кучево-дождевых облаков увлекается общим потоком теплого воздуха и вытягивается на большое расстояние перед фрон­том в виде облаков верхнего яруса. В среднем ярусе образуется слой облаков, которые под влиянием нисходящих потоков впереди об­лачной системы разрываются на отдельные чечевицеобразные об­лака (см. рис. 3.3).

Вследствие различной скорости смещения теплых и холодных фронтов последний, обладая большей скоростью, как правило, на-

стигает более медленно смещающийся теплый фронт и происходит их смыкание. Облачность такого сомкнутого фронта (фронта ок­клюзии) носит черты как теплого, так и холодного фронтов.

Внутримассовые облака в зависимости от характера процессов их образования, а также от соотношения их горизонтальной (L) и вертикальной (h) протяженности подразделяются на конвектив­ные (кучевообразные) — h/L > 1, облака турбулентности (облака устойчивой воздушной массы) — h/L «1 и волнистообразные, ха­рактеризующиеся повторяющимся соотношением h/L и возникаю­щие в зоне волновых движений в атмосфере.

Конвективные облака в зависимости от облакообразующих факторов подразделяются на облака термической конвекции и облака динамической конвекции.

Облака термической конвекции. Летом в ясную погоду под действием солнечной радиации происходит интенсивный на­грев деятельной поверхности. Однако различные ее участки нагре­ваются неодинаково. Например, открытое поле и холмы нагреваются сильнее, чем лес, река и т. д. В результате над более нагретыми участками развиваются восходящие движения возду­ха, а над менее нагретыми — нисходящие. Так возникает терми­ческая конвекция. Постепенно отдельные восходящие струйки сливаются и образуют мощный восходящий поток, вовлекающий в себя все б олыпие и б олыние объемы воздуха. На периферии этого потока образуются многочисленные нисходящие движения.

Вследствие вертикальных движений, обусловленных кон­векцией, в атмосфере образуются конвективные (кучевообраз­ные) облака. Конкретная форма этих облаков зависит от интенсивности конвекции, которая определяется как степенью неоднородности поверхности, так и характером термической стратификации атмосферы, т. е. степенью ее неустойчивости. Скорость восходящих движений воздуха в конвективных облаках составляет от 0,1 до 20 м/с, а иногда и более. Практически все

внутримассовые конвективные облака, как и фронтальные, об­разуются и наблюдаются в областях пониженного давления — циклонах и ложбинах.

Если под влиянием прогрева подстилающей поверхности в нижних слоях атмосферы вертикальный градиент температуры увеличивается и создается неустойчивая стратификация, а в бо­лее высоких слоях, под уровнем конденсации, сохраняется ма­лый или даже отрицательный вертикальный градиент температуры, то развивающиеся конвективные движения не достигают уровня конденсации и облака не образуются. Если же уровень конвекции (высота, до которой развиваются конвектив­ные движения) находится выше уровня конденсации, то образу­ются конвективные облака, вертикальная мощность которых зависит от разности высот этих уровней. При этих условиях кон­вективное облако быстро растет в вертикальном и отчасти в гори­зонтальном направлениях.

Конвективные облака образуются не только весной и летом, когда возможно влияние термического фактора, но также осенью и зимой, когда термический фактор не действует. Над океаном практически равновероятно образование конвективных облаков во все сезоны года. Над сушей они образуются летом зна­чительно чаще, чем зимой.

Над морями кучевообразные облака могут образоваться как днем, так и ночью при вторжении холодного воздуха на сравни­тельно теплую поверхность воды. При этом облака возникают на обширных пространствах и сравнительно небольшом расстоянии друг от друга и имеют более или менее одинаковую структуру и вы­соту. Основания таких облаков над морем обычно располагаются ниже, чем над сушей, что объясняется меньшей высотой уровня конденсации над водными пространствами.

Облака динамической конвекции. На возникновение об­лаков в тропосфере существенное влияние оказывают динамические факторы: конвергенция потоков воздуха, вынужденный подъем воз-

духа при обтекании препятствия, перпендикулярного к потоку, а также вертикальные движения синоптического масштаба.

Например, если поток воздуха встречает на своем пути гор­ный хребет, то с наветренной стороны хребта процесс конденса­ции усиливается. В летнее время при неустойчивом состоянии атмосферы в горных районах в результате большого контраста температур воздуха над различно ориентированными склонами образуются кучевообразные облака, круто растущие вверх, но имеющие небольшие узкие основания. При тихой погоде они часто образуются над наиболее нагретыми обращенными к со­лнцу склонами.

Над вершинами горных хребтов в дневное время часто можно наблюдать облака, которые длительное время находятся на од­ном и том же месте. Их образование связано с долинными ветра­ми, создающими упорядоченные восходящие движения, приводящие к конденсации водяного пара.

Исследования последних лет показывают, что соотношение термических и динамических факторов в образовании конвектив­ных облаков не столь простое и очевидное, как это представлялось ранее. Например, в умеренных и субполярных широтах северного полушария основную роль в образовании конвективных облаков играет не термический, а динамический фактор — вертикальные движения синоптического масштаба, в результате которых увели­чивается вертикальный градиент температуры и выше уровня кон­денсации возникают конвективные движения.

Облака турбулентности (облака устойчивой воздушной массы). Причиной образования этих облаков является турбулен­тное перемешивание воздуха в нижних слоях атмосферы при на­личии в них инверсии. Турбулентное перемешивание приводит к понижению температуры подынверсионного слоя и одновремен­но к увеличению его влажности. В результате происходит кон­денсация водяного пара и как следствие образование слоистообразных облаков.

Верхняя граница этих облаков обычно совпадает с основани­ем инверсионного слоя. Благоприятные условия для образова­ния облаков турбулентности создаются под слоем слоисто-дождевых и кучево-дождевых облаков, где водяной пар, попа­дающий в воздух вследствие испарения выпадающих осадков, близок к состоянию насыщения. При этом образуются отдель­ные облака с разорванными краями, называемые разорванно-дождевыми.

Волнистообразные облака. В атмосфере часто возникают волновые движения с различными амплитудой и длиной волн. При определенных условиях под их влиянием образуются вол­нистообразные облака. Чаще всего волновые движения в атмос­фере связаны с устойчиво стратифицированными слоями, с инверсиями. Нижняя граница инверсионного слоя представля­ет собой поверхность раздела между нижележащим холодным и вышележащим более теплым воздухом. Если вдоль такой по­верхности раздела холодный воздух и теплый воздух движутся с разными скоростями, то на ней развиваются волны. Высота (амплитуда) и длина этих волн зависят от разностей плотности воздуха и скорости ветра под инверсионным слоем и в самом этом слое.

Воздух, поднимающийся в гребнях волн, адиабатически охлаждается, и в нем может начаться конденсация водяного пара. В промежутках между гребнями волн (в ложбинах) воз­дух опускается и содержащийся в нем пар удаляется от состоя­ния насыщения. Таким образом, в гребнях волн образуются облака (слоисто-кучевые, высококучевые, перисто-кучевые и перистые), а в ложбинах они рассеиваются и появляются про­светы голубого неба. Если облака существовали до образования слоя инверсии, то в результате волновых движений они уплот­няются в гребнях волн, а в ложбинах рассеиваются или стано­вятся менее плотными.

Волнистообразные облака не следует путать с конвективны­ми облаками типа циркуляционных ячеек Бенара, возникающи­ми при неустойчивой стратификации атмосферы. Ячейковая циркуляция в атмосфере, сопровождающаяся облакообразова-нием, развивается в слоях с градиентом температуры более 0,77 °С/100 м. Карты облачности, построенные по результатам наблюдений со спутников, показали, что ячейковая структура облаков чаще фиксируется над океанами, чем над сушей.

Согласно исследованиям последних лет, описанный процесс образования волнистообразных облаков имеет место далеко не всегда. Возможен и другой процесс — адвекция и трансформа­ция фронтальных облаков. Объясняется это тем, что поскольку скорость смещения циклонов и связанных с ними фронтов, как правило, меньше скорости воздушного (ведущего) потока, то об­разовавшиеся в циклоне или ложбине облака выносятся воздуш­ным потоком из циклона или ложбины в соседние антициклон или гребень.

Наблюдения за облачностью свидетельствуют, что принесен­ное в антициклон облако под влиянием нисходящих движений начинает медленно опускаться и рассеиваться. Однако посколь­ку вблизи верхней границы под влиянием нисходящих движе­ний образуется инверсионный слой или слой с уменьшенным градиентом температуры, задерживающий турбулентные пото­ки тепла и влаги, то облако под таким слоем может существовать длительное время, причем тем дольше, чем ниже температура этого слоя. Вследствие этого формирующиеся из принесенных слоисто-дождевых слоисто-кучевые и слоистые облака, а из вы­сокослоистых — высококучевые облака сохраняются длитель­ное время осенью и зимой и сравнительно быстро рассеиваются весной и летом.

Поскольку поля температуры и влажности, а также вертикаль­ной скорости движения воздуха неоднородны по горизонтали (ис-

пытывают турбулентные пульсации), то в первоначально сплошных слоисто-кучевых облаках могут появиться просветы.

Анализ данных наблюдений и синоптических материалов по­казал: за счет переноса облаков из циклона в антициклон и по­следующей их трансформации под влиянием нисходящих потоков воздуха в различных частях антициклона и формируют­ся слоисто-кучевые и слоистые облака.

При обтекании воздухом больших возвышенностей, перемежа­ющихся долинами, в атмосфере образуются вынужденные волно­вые движения. Если на некоторой высоте имеется слой инверсии, то над возвышенностями он приподнимается. При достаточной влажности под инверсионным слоем над возвышенностями образу­ются тонкие облака, имеющие вид чечевицы.

1.2 Морфологическая классификация облаков

Как уже отмечалось, облака принято классифицировать по внешнему виду и высотам, на которых они образуются, — мор­фологическая классификация; по происхождению, т. е. по ха­рактеру процессов их образования, — генетическая классифика­ция; по фазовому строению, точнее — по агрегатному состоянию облачных частиц.

На метеорологической сети для определения форм облаков применяется морфологическая классификация, в соответствии с которой и составлен настоящий Атлас.

В зависимости от высоты расположения основания облаков их относят к одному из ярусов. В особую группу выделяют обла­ка вертикального развития, нижняя граница которых в больши­нстве случаев находится в нижнем ярусе, а верхняя — в нижнем, среднем или верхнем ярусе (табл. 1.1).

Исследования облаков, выполненные в 70-х годах XX века, показали, что над океаном (морем) возможно развитие двухъ-

ярусной конвекции, когда в нижнем слое под инверсией развиваются плоские кучевые облака небольшой вертикальной протяженности, а над инверсией — мощные кучевые и куче-во-дождевые облака.

Основные отличительные признаки при определении формы облаков — их внешний вид и структура. Облака могут быть распо­ложены на разных высотах в виде отдельных изолированных масс или сплошного покрова, их строение может быть различным (одно­родным, волокнистым и др.), а нижняя поверхность — ровной или расчлененной (и даже изорванной). Кроме того, облака могут быть плотными и непрозрачными или тонкими — сквозь них просвечи­вает голубое небо, луна или солнце.

В табл. 1.1 представлен современный вариант международ­ной морфологической классификации облаков, в которой наряду с русскими приведены латинские наименования форм облаков и их сокращенные обозначения.

В табл. 1.2 приводятся дополнительные сведения о характер­ных особенностях облаков конкретных форм и другие признаки, которые могут помочь технику-метеорологу правильно опреде­лить формы, виды и разновидности облаков.

Следует также иметь в виду, что приведенные в табл. 1.2 преде­лы высоты нижней границы облаков характерны для умеренных широт. Высота облаков одной и той же формы непостоянна и мо­жет несколько меняться в зависимости от характера процесса и местных условий. В среднем высота облаков больше на юге, чем на севере, и больше летом, чем зимой. Над горными районами облака располагаются ниже, чем над равнинными.

Важной характеристикой облаков являются выпадающие из них осадки. Облака одних форм практически всегда дают осадки, других — либо совсем не дают осадков, либо осадки из них не дости­гают поверхности земли. Факт выпадения осадков, а также их вид и характер выпадения служат дополнительными признаками для определения форм, видов и разновидностей облаков.

Продолжение табл. 1.1

Форма

Вид

Разновидность

5 Высокослоистые Altostratus (As)

5.1 Высокослоистые туманообразные As nebulosus (As neb.)

5.2 Высокослоистые волнистообразные As undulatus (As und.)

4.2.2 Высококучевые башенковидные
Ac castellanus (Ac cast.)

4.2.3 Высококучевые образовавшиеся из кучевых
Ac cumulogenitus (Ac cug)

4.2.4 Высококучевые с полосами падения
Ac virga (Ac vir.)

5.1.1 Высокослоистые туманообразные просвечивающие
As nebulosus translucidus (As neb. trans.)

5.1.2 Высокослоистые туманообразные непросвечивающие
As nebulosus opacus (As neb. op.)

5.1.3 Высокослоистые туманообразные дающие осадки
As nebulosus praecipitans (As neb. pr.)

5.2.1 Высокослоистые волнистообразные просвечивающие
As undulatus translucidus (As und. trans.)

5.2.2 Высокослоистые волнистообразные непросвечивающие
As undulatus opacus (As und. op.)

5.2.3 Высокослоистые волнистообразные дающие осадки
As undulatus praecipitans (As und. pr.)

Date: 2015-07-22; view: 1503; Нарушение авторских прав