Глава 17 Облака

Облака представляют собой одно из интереснейших явлений природы. Среди тех величин и явлений, которые объединяются по­нятием „погода", облакам и связанным с ними осадкам принадле­жит определяющая роль.

Изменяя тепловой и радиационный режим атмосферы, облака оказывают большое влияние на многие стороны деятельности чело­века (прежде всего, в сфере сельскохозяйственного производства), а также на растительный и животный мир Земли. Велика зависи­мость от облаков, туманов и осадков различных видов транспорта, в первую очередь авиации.

Облаком называют видимую совокупность взвешенных капель воды и кристаллов льда, находящихся на некоторой высоте над зем­ной поверхностью. С точки зрения микрофизического строения принципиальной разницы между облаками и туманом нет. Однако они существенно различаются по условиям образования, вертикаль­ной протяженности и т. п.

Определяющую роль в формировании поля облаков играют вер­тикальные движения, или токи воздуха. В зависимости от горизон­тальных размеров тех областей, в пределах которых вертикальная скорость (w) сохраняет один и тот же знак (w > 0 или w < 0), верти­кальные движения принято делить на три класса. Первый класс со­ставляют микромасштабные (пульсационные), второй — мезомасштабные и третий — макромасштабные вертикальные движения.

С этой классификацией тесно связано деление облаков по генети­ческому принципу, т. е. по условиям образования. Согласно этому принципу, облака подразделяются на слоистообразные, волнистообразные и кучевообразные.

Из анализа уравнения неразрывности тео­рии размерности следует, что чем больше горизонтальный размер (масштаб) области, в которой w сохраняет знак, тем меньше модуль самой вертикальной скорости.

Макро-, или крупномасштабные вертикальные движения свя­заны с такими барическими системами, как циклоны и антицик­лоны, ложбины и гребни, которые принято называть синоптиче­скими вихрями или системами. Горизонтальный размер (L) таких вихрей колеблется от сотен до нескольких тысяч километров (L ≈ 5 ·10²... 10³ км), вертикальный масштаб Н составляет несколь­ко километров (Н ~ 10⁰ км). Поскольку в областях пониженного давления (циклонах и ложбинах) наблюдается сходимость (конвер­генция) воздушных течений, то в них преобладают восходящие вер­тикальные движения (w > 0).

В областях повышенного давления (антициклонах и гребнях), на­оборот, преобладают нисходящие вертикальные движения (w < 0), обусловленные расходимостью (дивергенцией) воздушных течений. Скорость вертикальных движений (ее модуль) крупного, или синопти­ческого масштаба имеет порядок 10^-1—10⁰ см/с, или10^-3—10^-2 м/с.

Под непосредственным влиянием вертикальных движений си­ноптического масштаба образуются обширные облачные поля (сис­темы), называемые слоистообразными облаками. К ним относятся слоисто-дождевые (Ns), высокослоистые (As) и перисто-слоистые (Cs) облака. Горизонтальная протяженность (размер) слоистообразных облаков имеет такой же порядок, что и масштаб синоптических вихрей (циклонов и ложбин). С образованием и развитием слоисто-образных облаков тесно связано формирование атмосферных фрон­тов. Поэтому эти облака называют также фронтальными.

Вертикальные движения синоптического масштаба оказывают хотя и опосредованное, но крайне существенное влияние на образо­вание и эволюцию двух других классов облаков.

Под влиянием распределения и> по высоте изменяется во време­ни термическая стратификация атмосферы. В приземном слое в из­менении стратификации значительна также роль радиации, погло­щаемой и теряемой земной поверхностью.

В тех случаях, когда стратификация становится сухонеустойчивой (γ > γ _а) в ненасыщенном влажном воздухе и влажнонеустойчивой (γ> γ _а) в насыщенном, определяющую роль в формировании поля вертикальной скорости начинает играть сила плавучести (раз­ность между силой Архимеда и силой тяжести). Возникающие при этом мезомасштабные вертикальные скорости имеют порядок 10¹— 10³ см/с, или 10^-1— 10¹ м/с. Под влиянием таких вертикаль­ных движений образуются кучевообразные облака, называемые также конвективными. Их горизонтальная протяженность изменя­ется от сотен метров до 100 км:

L ~10^-1— 10¹ км. К конвективным облакам относятся кучевые (С и) и кучево-дождевые (Сb) облака.

Большая часть (свыше 80 %) волнистообразных облаков (St, Sc, Ас, Сс) имеют переносную природу: они формируются в областях повышенного давления из принесенных сюда слоистообразных об­лаков в процессе их эволюции под влиянием нисходящих вертика­льных движений синоптического масштаба. Часть волнистообразных облаков образуется из приподнятого тумана как радиационно­го, так и адвективного происхождения.

Волнистообразный вид этих облаков обусловлен волновыми дви­жениями, возникающими в инверсионных слоях или под влиянием неоднородностей земной поверхности, в частности гор и возвышен­ностей. Просвечивающие облака в форме валов или ячеек, как пра­вило, малой толщины могут образоваться и под непосредственным воздействием волновых движений — за счет охлаждения воздуха в гребне волны.

Микромасштабные движения носят неупорядоченный пульсационный (турбулентный) характер. Накладываясь на движения боль­шего масштаба, они оказывают влияние на условия образования и развития всех форм облаков, равно как на поля других метеовели­чин (температуры, влажности, скорости ветра). Учитываются мик­ромасштабные движения статистически — путем введения в урав­нения турбулентных членов. При этом подчеркнем, что именно в об­лаках, прежде всего таких, как кучево-дождевые, мощные кучевые, слоисто-дождевые, турбулентные движения наиболее интенсивны, и, следовательно, при наличии облаков они оказывают более суще­ственное влияние на все характеристики атмосферных процессов.

Теория образования, развития и строения различных форм обла­ков рассматривается в следующих параграфах.