Федеральное агентство морского и речного транспорта Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волжская государственная академия водного транспорта Кафедра судовождения и безопасности судоходства Осокин М.В. Воздушные массы, атмосферные фронты, облачность. Справочное пособие для студентов Судоводительского факультета специальности 180402 «Судовождение» очного и заочного обучения по курсу «Гидрометобеспечение судовождения» Н. Новгород Издательство ФГОУ ВПО «ВГАВТ» 2007 УДК 656.61.052.56 О – 75 Осокин М. В. Воздушные массы, атмосферные фронты, облачность: Справочное пособие для студентов очного и заочного обучения специальности 180402 «Судовождение» / М.В. Осокин. - Н. Новгород: Издательство ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2007. – 22 с. Пособие предназначено для получения дополнительных сведений при выполнении лабораторных работ в процессе изучения дисциплины «Гидрометеорологическое обеспечение судовождения». Рекомендовано к изданию на заседании кафедры Судовождения и безопасности судоходства. (протокол №6 от 14.04.05), 1. Виды облачности Тот или иной вид облачности соответствует определённым процессам, происходящим в атмосфере, а поэтому предвещает ту или иную погоду. Знание видов облаков с точки зрения судоводителя важно для предсказания погоды по местным признакам. В практических целях облака подразделяются на 10 основных форм, в свою очередь подразделяемых по высоте и вертикальной протяжённости на 4 вида: 1. Облака большого вертикального развития. К ним относятся: Кучевые. Латинское название - Cumulus (на картах погоды обозначаются Cu) – отдельные толстые вертикально развитые облака. Верхняя часть облака – куполообразная, с протуберанцами, нижняя – практически горизонтальная (рис. 1). Средняя вертикальная протяжённость облака – 0.5 -2 км. Средняя высота нижнего основания от земной поверхности – 1.2 км. Рис. 2 Кучево-дождевые облака. 2. Облака нижнего яруса. К ним относятся: Слоисто – дождевые Nimbostratus (Ns) – низкие, аморфные, слоистые, почти однородные дождевые облака тёмно-серого цвета (рис. 3). Нижнее основание – 1-1.5 км. Средняя вертикальная протяжённость облака – 2 км. Из таких облаков выпадают обложные осадки. Рис. 1 Кучевые облака. Кучево-дождевые Cumulonimbus (Cb) – тяжёлые массы облаков большого вертикального развития в виде башен и гор. Верхняя часть представляет собой волокнистую структуру, часто имеющую выбросы в стороны в виде наковальни (рис. 2). Средняя вертикальная протяжённость – 2-3 км. Средняя высота нижнего основания – 1 км. Часто дают ливневые осадки, сопровождающиеся грозами. Рис. 3 Слоисто-дождевые облака Слоистые Stratus (St) – однородная светло-серая туманообразная пелена сплошных низких облаков. Часто образуются из приподнявшегося тумана или переходят в туман (рис. 4). Высота нижнего основания – 0.4 - 0.6 км. Средняя вертикальная протяжённость – 0.7км. Рис. 4 Слоистые облака. Слоисто-кучевые Stratocumulus (Sc) - Низкий облачный покров, состоящий из отдельных гряд, волн, пластин или хлопьев, разделённых просветами или полупрозрачными участками (просвечивающие) или без ясно видимых просветов, волокнистая структура таких облаков яснее видна у горизонта (рис. 5). Рис. 6 Высокослоистые облака. Высококучевые Altocumulus (Ac) – слои или пятна, состоящие из сильно сплющенных округлых масс. Нижнее основание находится на высоте 2 – 5 км. Средняя вертикальная протяжённость облака – 0.5 км (рис. 7). Рис. 7 Высококучевые облака. Рис. 5 Слоисто-кучевые облака. 3. Облака среднего яруса. К ним относятся: Высокослоистые Altostratus (As) – волокнистая вуаль серого или голубоватого цвета. Нижнее основание находится на высоте 3 – 5 км. Вертикальная протяжённость - 04 - 0.8 км (рис. 6). 4. Облака верхнего яруса. Все они – белого цвета, днём почти не дают тени. К ним относятся: Перисто-слоистые Cirrostratus (Cs) тонкая белёсая полупрозрачная вуаль, постепенно затягивающая всё небо. Не заслоняют внешних контуров Солнца и Луны, приводя к появлению гало вокруг них (рис. 8). Нижняя граница облака находится на высоте около 7 км. Рис. 8 Перисто-слоистые облака. Перисто-кучевые Cirrocumulus (Cc) – Слои или пятна, состоящие из очень маленьких белых хлопьев, напоминающих мелкую рябь на поверхности воды (рис. 9). Нижняя граница таких облаков находится на высоте около 6 км. Рис. 9 Перисто-кучевые облака. Перистые Cirrus (Ci) – белые волокнистые облака в виде прямых или крючкообразно загнутых нитей. Такие облака с хохолками англичане называют “mares tails” – «кобыльи хвосты» (рис. 10). Рис. 10 Перистые облака. 2. Воздушные массы Воздушными массами называются большие количества воздуха в тропосфере, измеряемые в горизонтальном направлении тысячами километров, обладающие относительно однородными физическими свойствами (в основном - температурой и относительной влажностью). Эти свойства внутри воздушной массы могут меняться, но медленно, непрерывно, без скачков. Они задаются условиями того района Земли, где происходит формирование воздушной массы (характером подстилающей поверхности и погодой). Благоприятные условия для формирования воздушных масс создаются в малоподвижных антициклонах и циклонах, где воздух может длительное время находиться над одним и тем же географическим районом, называющимся очагом формирования воздушной массы. Подстилающая поверхность при этом должна быть однообразной или почти однообразной (пустыня, степь, поверхность океана, ледяные поля и т.д.). Формирование воздушной массы продолжается от 3 до 10 суток. Чем больше время формирования, тем чётче выражены свойства. В процессе перемещения происходят трансформации воздушных масс. Проходя над морями и океанами, они увлажняются, над сушей – высыхают, двигаясь в сторону полюса – охлаждаются, в сторону тропиков – нагреваются. Воздушные массы классифицируются следующим образом: По термодинамическому признаку Холодная воздушная масса перемещается из более холодного района в более тёплый. Её приход обычно приводит к похолоданию в данном районе. При этом она постепенно прогревается. Тёплая перемещается из более тёплого района в более холодный. Её приход приводит к потеплению в данном районе. Постепенно охлаждается. Местная длительное время находится в одном и том же районе и сохраняет свои свойства без особых изменений. Может быть и относительно холодной и относительно тёплой в зависимости от типа соседней воздушной массы и радиационного баланса. Все три вида по энергетическому состоянию могут быть: Устойчивыми – имеющими в нижнем слое вертикальный градиент температуры меньше влажноадиабатического. Конвективные вертикальные движения при этом не развиваются и облака кучевых форм не образуются. Устойчивое состояние типично для тёплой массы при перемещении на более холодную поверхность, когда она охлаждается снизу и создаются малые вертикальные градиенты. Неустойчивыми – имеющими вертикальный температурный градиент больше влажноадиабатического. Возникающая вертикальная конвекция при достаточном запасе влаги приводит к образованию кучевых облаков и выпадению осадков. Такое состояние типично для холодных масс, поступающих на тёплую поверхность. При этом происходит прогревание воздуха снизу и возникают большие вертикальные температурные градиенты. По географическому признаку Каждая из перечисленных воздушных масс может быть морской или континентальной в зависимости от подстилающей поверхности в месте её формирования. 3. Атмосферные фронты Фронтальной зоной называется переходная зона между воздушными массами, обладающими разными свойствами, сильно наклонённая к земной поверхности в сторону холодного воздуха. Она поднимается вверх на несколько километров, где её горизонтальная протяжённость может составлять тысячи километров. Ширина фронтальной зоны у поверхности Земли составляет десятки километров. Поскольку её размеры по сравнению с размерами воздушных масс малы, её принято представлять в виде фронтальной поверхности, линия пересечения которой с поверхностью земли называется фронтом (рис. 11). При прохождении фронта резко меняются все метеоэлементы, образуются обширные облачные системы, выпадают осадки, усиливается ветер. Фронты могут возникать и развиваться (такой процесс называется фронтогенезис), а также – размываться и исчезать (фронтолизис). Фронтальная зона Фронтальная поверхность Из множества видов основными здесь являются четыре: Арктическая (антарктическая) воздушная масса формируется за полярным кругом. В месте формирования весьма устойчива, с низкими температурами и малой влажностью. Полярная или умеренная формируется при длительном нахождении воздуха в умеренных широтах. Устойчивость зависит от очага формирования и направления движения. Тропическая формируется в зоне субтропических антициклонов. Прогревающаяся в месте формирования, следовательно – неустойчивая, с большим содержанием влаги. Экваториальная формируется в экваториальной зоне. Тёплая воздушная масса Холодная воздушная масса Рис. 11 Схема атмосферного фронта В зависимости от направления перемещения воздушных масс атмосферные фронты делятся на тёплые, холодные, малоподвижные и фронты окклюзии. 3.1. Тёплый фронт Тёплый фронт возникает при движении воздушных масс, когда холодная воздушная масса сменяется тёплой. Тёплый воздух, как более Облачность Осадки Не меняется или слабо растёт Последовательно сменяют друг друга: перистые, перисто-слоистые, высокослоистые, слоисто-дождевые облака. Под фронтальной поверхностью возможно появление кучевых облаков (рис. 12) За 300-400км до линии фронта начинаются обложные осадки Ослабевает, направление меняется Повышается (тёплая воздушная масса в точке наблюдения приходит на смену холодной (рис. 12)) Меняется мало Слоисто-дождевые Слоистые или слоисто-кучевые Почти прекращаются Возможна морось не Ns Рис.12 Схема тёплого фронта Поворачивает по часовой стрелке (в северном полушарии) Cu Мало меняется или слабо растёт As Падение замедляется Холодная воздушная масса Температура воздуха За фронтом Cs Ветер Падает, обычно равномерно (клин холодного, более тяжёлого воздуха над точкой наблюдения уменьшается (рис. 12)). Усиливается, поворачивает против часовой стрелки (в северном полушарии) При прохождении фронта Ci Атмосферное давление Перед фронтом Фронтальная поверхность Метеоэлементы Направление движения фронта Таблица 1. Изменения метеоэлементов при прохождении тёплого фронта Тёплая воздушная масса Направление воздушных потоков лёгкий, натекает на клин холодного, поднимается, охлаждается, с некоторой высоты пары начинают конденсироваться, образуя характерную мощную облачность, состоящую из перистых, перистослоистых, высоко-слоистых и слоисто-дождевых облаков, образующих огромный клинообразный массив. Схема смены видов облачности, характерных для тёплого фронта, приведена на рис. 12, а порядок изменения метеоэлементов при его прохождении – в табл. 1. 3.2. Холодный фронт Холодный фронт возникает при движении воздушных масс, когда тёплая воздушная масса сменяется холодной. Угол наклона фронтальной поверхности при этом, как правило, больше, чем у тёплого фронта. Различают холодные фронты первого и второго рода. Облачная система высокослоистых и перисто-слоистых облаков в восходящем потоке тёплого воздуха сильно вытянута вперёд от фронтальной поверхности и размыта на отдельные высококучевые чечевицеобразные и мелкие перисто-кучевые облака. Схема смены видов облачности, характерных для холодного фронта 2 рода, приведена на рис. 14, а порядок изменения метеоэлементов при его прохождении – в табл. 2. Таблица 2 Изменения метеоэлементов при прохождении холодного фронта. 3.2.1. Холодный фронт первого рода Так называется медленно движущийся холодный фронт. В процессе движения воздушных масс холодный воздух медленно подтекает под тёплый, что приводит к появлению облачной системы, напоминающей систему тёплого фронта, расположенную в обратном порядке по ходу его движения. Горизонтальные размеры облачной системы и зоны осадков у данного вида атмосферного фронта меньше, чем у тёплого. Перед фронтом в тёплой воздушной массе могут развиваться кучево-дождевые облака, появление которых вызывается восходящими потоками воздуха. Схема смены видов облачности, характерных для холодного фронта 1 рода, приведена на рис. 13, а порядок изменения метеоэлементов при его прохождении – в табл. 2. Движение фронтов происходит в силу воздействия ветра. Направление ветра в средних широтах совпадает с направлением касательной к изобаре. Поэтому, если на карте погоды линия холодного фронта проходит под небольшим углом к изобаре, то ветер будет дуть почти вдоль фронта и скорость перемещения последнего будет невелика. То есть, такой фронт будет являться фронтом первого рода. 3.2.2. Холодный фронт второго рода Так называется быстро движущийся холодный фронт. На карте погоды линия этого фронта по отношению к изобарам располагается под углом, близким к прямому (ветер дует почти перпендикулярно фронту, что приводит к быстрому перемещению последнего). Быстрое подтекание холодного воздуха под тёплый приводит к развитию в узкой полосе перед фронтом сильной конвекции (восходящих потоков) и появлению мощной кучево-дождевой облачности. Турбулентность восходящих потоков обусловливает наличие шквалистого ветра у поверхности земли. Основным видом осадков при этом являются ливневые. Зона осадков обычно настолько узка, что почти не прослеживается на картах погоды. Метеоэлементы Атмосферное давление Ветер Температура воздуха Облачность Осадки Прочие явления Перед фронтом Падает Пр прохлждении фронта Падение сменяется ростом За фронтом Быстро растёт (клин холодного, более тяжёлого воздуха над наблюдателем становится всё выше), затем рост замедляется или прекращается Значительно Усиливается, усиливается,станов Поворачивает против поворачивает ится шквалистым, часовой стрелки (в против часовой резко поворачивает северном полушарии). стрелки(в северном по часовой стрелке Сохраняется сильный полушарии) (в северном порывистый ветер полушарии) Устойчивая или Резко понижается слабо понижается Продолжает понижаться или мало меняется Для холодного Для фронта 1 Для холодного фронта первого рода рода – мощные Cb. фронта первого облачная система в Для фронта 2 рода рода - Ns. Для основном обратна возможны фронта 2 рода – Сb, тёплому фронту отдельные Cc,и под которыми (последовательно ниже них – Ac, наблюдаются меняются Ns, As, Cs, Ci). затем - появление разорванноДля фронта второго рода мощной Cb дождевые облака. – облачность быстро облачности . исчезает. Обычно небольшие, Ливневые, начинаются перед сильные самым фронтом часто Быстро прекращаются или переходят в кратковременные ливни Часто наблюдаются Грозы, увеличение Сохраняется грозы ветрового волнения волнение сильное CuCu Холодная воздушная масса Холодная воздушная масса Фронтальная поверхность Фронтальная поверхность Cb Cn Тёплая воздушная масса Ns Cb Cb As Sc Рис.14 Схема холодного фронта второго рода Рис.14 Схема холодного фронта второго рода Cb Направление движения Направление движения Тёплая воздушная масса Тёплая воздушная масса Рис.13 Схема холодного фронта первого рода Cs Фронтальная поверхность Sc Ас Ас Cu Холодная воздушная масса Таблица 4 Порядок изменения метеоэлементов при окклюзии по типу холодного фронта 3.3. Фронт окклюзии Холодный фронт всегда движется быстрее тёплого и постепенно догоняет его. При смыкании фронтов тёплая воздушная масса, находящаяся между фронтальными поверхностями, вытесняется вверх и отрывается от земной поверхности. Такой процесс называется окклюзией. Развитие окклюзии зависит от теплового режима воздушных масс. Если они имеют одинаковые температуры, то у поверхности земли фронт ликвидируется. Тёплый воздух оказывается в жёлобе, образованном поверхностями прежних холодного и тёплого фронтов и называется нейтральным. Если тыловой холодный воздух холоднее впереди лежащего, то такой фронт называется окклюзией по типу холодного фронта. В этом случае поверхность тёплого фронта скользит по поверхности холодного (рис. 15). Если тыловой воздух теплее впереди лежащего, то такой фронт называется окклюзией по типу тёплого фронта. (рис. 16). Для фронтов окклюзии характерно большое разнообразие облачных систем и осадков. В общих чертах погода при окклюзии по типу тёплого фронта схожа с погодой тёплых фронтов, а при окклюзии по типу холодного – с погодой холодных фронтов. Фронты окклюзии, как правило, связаны с хорошо выраженными барическими ложбинами. Порядок изменения метеоэлементов при прохождении фронта окклюзии приведён в таблицах 3 и 4. Таблица 3 Порядок изменения метеоэлементов при окклюзии по типу тёплого фронта Перед фронтом При прохождении фронта За фронтом Падает сначала медленно, потом быстрее Падение замедляется Медленно растёт Ветер Усиливается Поворачивает по часовой стрелке (в северном полушарии) Постепенно стихает, поворачивает по часовой стрелке (в северном полушар.) Облачность Последовательно Ci, Cs, As, Ns, Cb St As, Cs, Ci, St Осадки Обложные Чаще - моросящие Постепенно прекращаются Метеоэлементы Атмосферное давление Метеоэлементы Перед фронтом При прохождении фронта Атмосферное давление Падает Быстро падает Быстро растёт Становится шквалистым Стихает, но затем может снова резко усилиться Ветер Усиливается, становится шквалистым часто За фронтом Облачность Последовательно Ci, Cs, As, Sc Cb, As, Ns Постепенно исчезает, позднее – Cu или Cb Осадки Ливневые Ливневые обложные Быстро прекращаются As Cu Cb As Ns Cb Тёплый воздух As Рис.15 Схема фронта окклюзии по типу тёплого Cb Тёплый воздух Рис.16 Схема фронта окклюзии по типу холодного Более холодный воздух Фронтальные поверхности Менее холодный воздух Cs Фронтальные поверхности Менее холодный воздух Cs Ci Более холодный воздух Cs Ci Библиографический список Оглавление 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Васильев, К.П. Что должен знать судоводитель о картах погоды и состоянии моря. - Л., Гидрометеоиздат, 1980. 231 с. Дремлюг, В.В. Навигационная гидрометеорология. / Дремлюг, В.В. , Шифрин, Л.С. Учебник для ВУЗов морского транспорта. М., Транспорт, 1978. 304 с. Гордиенко, А.И. Гидрометеорологическое обеспечение судовождения. / Гордиенко, А.И., Дремлюг, В.В. – М., Транспорт, 1989. Стехановский, Д.И. Навигационная гидрометеорология. / Стехановский, Д.И., Зубров, А.Е. – М., Транспорт, 1977. Сокращённый атлас облаков для судовых гидрометеорологических наблюдений. Под ред. Л.Г. Соболева. Л., Гидрометеоиздат, 1961. R.M. Frampton Meteorology for seafarers Brown, son & Ferguson, LTD, Glasgow, G41 2 SD. 1997. Brown’s nautical almanac. Brown, son & Ferguson, LTD, Glasgow, G41 2 SD. 2004. 1. Виды облачности………………………………………………….. 3 2. Воздушные массы…………………………………………………. 8 3. Атмосферные фронты……………………………………………... 10 3.1. Тёплый фронт……………………………………………………... 10 3.2. Холодный фронт………………………………………………….. 13 3.2.1. Холодный фронт первого рода……………………………….. 13 3.2.2. Холодный фронт второго рода……………………………….. 13 3.3. Фронт окклюзии…………………………………………………... 17 4. Библиографический список………………………………………….. 21
