Атмосферные фронты и их характеристики.

Классификации (термодинамическая и географическая) воздушных масс.

Понятие воздушных масс.

Лекция 8. Воздушные массы и атмосферне фронты.

План лекции

1. Понятие воздушных масс.

2. Классификация (термодинамическая и географическая) воздушных масс.

3. Атмосферные фронты и их характеристики.

4. Особенности погодных условий атмосферных фронтов.

Рекомендованная литература:1,2,3,5,6,7,9.

Основные теоретические положения

Воздушные массы – это количества атмосферного воздуха в тропосфере, соизмеримые по площади с большими частями материков и океанов, обладающие приблизительной однородностью свойств (особенно температуры в горизонтальном направлении) и определенным типом стратификации, т. е. вертикального распределения температуры. Общность свойств воздушной массы определяется ее формированием над однородной подстилающей поверхностью и в однородных радиационных условиях. Области, где формируются указанные свойства воздушных масс, носят название очагов формирования. Для приобретения однородных свойств воздушной массе необходимо достаточно продолжительное время находиться над районом с однородной подстилающей поверхностью. В среднем процесс формирования воздушной массы заканчивается за 4 –10 сут. Критерием окончания процесса формирования воздушной массы является постоянство средней суточной температуры ее.

Очагами формирования воздушных масс являются, как правило, регионы, занятые малоподвижными антициклонами (азорским, северотихоокеанским или сибирским) или устойчивыми областями низкого давления, например исландской и алеутской депрессиями.

По выходу из очага формирования и перемещаясь и другие районы, воздушные массы соответственно изменяют (трансформируют) свои свойства. Однако непрерывность в изменении температуры и других свойств в горизонтальном направлении и достаточно малые горизонтальные градиенты воздушной массы при этом сохраняются длительное время. Основные метеорологические характеристики (температура, давление, плотность, влагосодержание) испытывают скачкообразные изменения только при переходе из одной воздушной массы в другую.

Свойства воздушной массы в значительной мере определяют погодные характеристики над занимаемой ею территорией. Смена воздушных масс в процессе циклонической деятельности приводит к непериодическим изменениям погоды.

Воздушные массы подразделяются либо по их наиболее общим термодинамическим характеристикам, либо по географическому положению очагов формирования.

Согласно термодинамической классификации воздушные массы подразделяются на теплые, холодные и местные (нейтральные). Теплыми называются такие воздушные массы, которые в данном месте охлаждаются; холодными – те, которые прогреваются; местными – такие воздушные массы, которые находятся в радиационном и термодинамическом равновесии с притоком тепла от солнца и свойствами подстилающей поверхности. Нейтральные воздушные массы день за днем сохраняют в общих чертах свои свойства, хотя по своему происхождению могут и не являться местными, а смещаться из одних районов в другие.

Местные, холодные и теплые воздушные массы могут быть как устойчивыми, так и неустойчивыми . Предельная устойчивость в атмосфере имеет место в случае инверсии температуры во всем нижнем слое тропосферы. Наибольшая неустойчивость наблюдается при хорошо развитой конвекции, т. е. если вертикальный градиент температуры γ больше сухоадиабатического γа. Типично теплые, а также местные воздушные массы в холодное время года являются, как правило, устойчивыми. Напротив, типично холодные, а также местные воздушные массы в теплое время года являются обычно неустойчивыми и характеризуются повышенной турбулентностью и развитием конвекции с соответствующим облакообразованием.

Согласно географической классификации различают воздушные массы четырех широтных зон Земли: арктический или антарктический воздух (АВ), умеренный или полярный воздух (УВ, ПВ), тропический (ТВ) и экваториальный (ЭВ) воздух. В каждом из этих типов выделяют подтипы морской и континентальный (например, кАВ – континентальный арктический, мПВ – морской полярный воздух и т. д.). Иногда применяют детализированную географическую классификацию воздушных масс для разных областей Земли с указанием географического положения преобладающих очагов формирования: Средиземноморский воздух, Иранский воздух и пр.

Трансформация воздушных масс. Воздушные массы, перемещаясь из очагов формирования в другие области Земли, изменяют свои основные характеристики вследствие изменения свойств подстилающей поверхности (ПП) (относительная трансформация), а при длительной задержке в новом географическом районе превращаются в воздушные массы другого основного типа (абсолютная трансформация). Скорость трансформации воздушных масс зависит от скорости перемещения и контрастности их термодинамических свойств и характера ПП, сезона года и т. д. Если поверхность моря теплее воздуха, то в этом случае приводный слой воздушной массы характеризуется неустойчивой стратификацией и потоки тепла и влаги направлены в атмосферу и, следовательно, скорость трансформации возрастает. Если, напротив, вода холоднее воздуха, турбулентное перемешивание замедляется и скорость трансформации падает. Особенно это заметно вдали от берега.

Переходные зоны между соседними воздушными массами, обладающими различными свойствами, называются атмосферными фронтами. Главной характерной чертой атмосферных фронтов являются большие значения горизонтальных градиентов: давления, температуры, влажности и др. Переходные зоны начинаются от поверхности Земли и простираются вверх до той высоты, где различия между воздушными массами стираются (обычно до верхней границы тропосферы). Ширина переходных зон у поверхности Земли обычно не превышает 80–100 км, а длина их может достигать тысяч километров. На синоптических картах атмосферные фронты обозначаются условными линиями в месте пересечения фронтальных поверхностей с уровенными поверхностями. Фронтальные поверхности имеют угол наклона с уровенными поверхностями не более 1° (обычно 30–401). Величина угла наклона зависит в основном от разности температур и скорости ветра в двух соседних воздушных массах: теплой и холодной.

Фронты между воздушными массами указанных выше основных географических типов называют главными атмосферными фронтами. Главные фронты: арктический (между арктическим и полярным воздухом), полярный (между полярным и тропическим воздухом) и тропический (между тропическими экваториальным воздухом).

По термодинамическим свойствам атмосферные фронты между воздушными массами одного и того же географического типа подразделяются на теплые, холодные и малоподвижные (стационарные),которые могут быть основными, вторичными и верхними, а также простыми и сложными (окклюдированными). Комплексные сложные фронты – фронты окклюзии образуются путем смыкания холодного и теплого фронтов при окклюдировании циклонов. Различают теплый фронт окклюзии, если воздух за холодным фронтом оказывается теплее, чем воздух перед теплым фронтом, и холодный фронт окклюзии, когда воздух за холодным фронтом холоднее, чем воздух перед теплым фронтом. Динамика образования фронтов окклюзии показана на рис. 25 и 26. В каждом фронте окклюзии различают нижний фронт – линию пересечения одной из фронтальных поверхностей с подстилающей поверхностью, верхний фронт – линию, вдоль которой граничат три воздушные массы и поверхность окклюзии– поверхность раздела двух холодных масс между нижним и верхним фронтами.

 

-

 

Рис. 25. Образование теплого Рис.26. Образование холодного

фронта окклюзии: фронта окклюзии:

а – нижний теплый фронт; а – нижний холодный фронт;

б – верхний холодный фронт; б – верхний теплый фронт;

аб- поверхность окклюзии. аб- поверхность окклюзии.

 

Облака и осадки фронтов окклюзии являются результатом объединения облачных систем и осадков теплого и холодного фронтов. Со временем нижняя граница облаков фронта окклюзии повышается, облачность постепенно размывается, осадки прекращаются.