Атмосферный фронт. Тёплый и холодный фронт

Воздушные массы передвигаются по планете как единое целое. Атмосферными фронтами, или просто фронтами, называются переходные зоны между двумя различными воздушными массами. 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. Здесь наблюдается значительная облачность, выпадает больше всего осадков, происходят наиболее интенсивные изменения давления, силы и направления ветра.

Атмосферный фронт возникает при сближении и встрече масс холодного и тёплого воздуха в нижних слоях атмосферы или во всей тропосфере, охватывая слой мощностью до нескольких километров, с образованием между ними наклонной поверхности раздела.

Главной характерной чертой атмосферных фронтов являются большие значения горизонтальных градиентов: давления, температуры, влажности и др. Зона атмосферного фронта очень узка по сравнению с разделяемыми ею воздушными массами. При наличии движения поверхность перехода становится наклонной, при этом более плотный воздух (холодный) образует клин под менее плотным (тёплым), а тёплый воздух совершает восходящее скольжение вдоль этого клина.

Толщина фронтальной поверхности по вертикали очень мала – несколько сотен метров, это гораздо меньше, чем ширина воздушных масс, которые она разделяет. В пределах тропосферы одна воздушная масса перекрывает другую. Ширина зоны фронта на картах погоды составляет несколько десятков километров, но при анализе синоптических карт фронт проводят в виде одной линии. Лишь на вертикальных разрезах атмосферы крупного масштаба удается выявить верхнюю и нижнюю границы переходного слоя.

По этой причине на синоптических картах фронты изображают в виде линии (линия фронта). В пересечении с земной поверхностью зона фронта имеет ширину порядка десятка километров, горизонтальные же размеры самих воздушных масс – порядка тысяч километров.

В горизонтальном направлении протяженность фронтов, как и воздушных масс, имеет тысячи километров, по вертикали – около 5 км, ширина фронтальной зоны к поверхности Земли – порядка сотни километров, на высотах – несколько сотен километров. Фронтальные зоны характеризуются значительными изменениями температуры воздуха и влажности, направлений ветра вдоль горизонтальной поверхности, как на уровне Земли, так и выше.

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). Особое положение занимают фронты окклюзии, образовавшиеся при смыкании теплого и холодного фронтов. Фронты окклюзии могут быть по типу как холодного, так и теплого фронтов. На картах погоды фронты проводятся либо цветными линиями, либо в виде условных обозначений.

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.

Хорошо выраженный фронт имеет высоту несколько километров, чаще всего - 3-5 км. С основными фронтами связаны продолжительные и обильные осадки; в системе вторичных фронтов процессы облакообразования выражены слабее, осадки кратковременны и не всегда достигают Земли. Так же существуют внутримассовые осадки, не связанные с фронтами.

В приземном слое вследствие сходимости воздушных потоков к оси барических ложбин здесь создаются наибольшие контрасты температуры воздуха – поэтому фронты у Земли располагаются именно вдоль осей барических ложбин. Фронты не могут располагаться вдоль осей барических гребней, где имеет место расходимость воздушных потоков, а могут лишь пересекать ось гребня под большим углом.

С высотой контрасты температур на оси барической ложбины уменьшаются – ось ложбины смещается в сторону более низких температур воздуха и стремится совместиться с осью термической ложбины, где контрасты температуры минимальны. Так с высотой фронт постепенно отходит от оси барической ложбины на ее периферию, туда, где создаются наибольшие контрасты.

В зависимости от направления перемещения теплых и холодных масс воздуха, расположенных по обе стороны от переходной зоны, фронты делят на теплые и холодные. Фронты, которые мало изменяют свое положение называют малоподвижными. Особое положение занимают фронты окклюзии, образовавшиеся при смыкании теплого и холодного фронтов. Фронты окклюзии могут быть по типу как холодного, так и теплого фронтов. На картах погоды фронты проводятся либо цветными линиями, либо в виде условных обозначений.

Погода холодной ВМ

Погода теплой ВМ

Теплая ВМ, перемещаясь в холодный район, становится устойчивой (охлаждаясь от холодной подстилающей поверхности). Температура воздуха, понижаясь, может достичь уровня конденсации с образованием дымки, тумана, низких слоистых облаков с осадками виде мороси или мелких снежинок.

Условия полета в теплой ВМ зимой:

Слабое и умеренное обледенение в облаках при отрицательных температурах;

Безоблачное небо, хорошая видимость на Н = 500-1000 м;

Слабая болтанка на Н = 500-1000 м.

В теплое время года условия для полетов благоприятные за исключением районов с отдельными очагами гроз.

При движении в более теплый район холодная ВМ нагревается снизу и становится неустойчивой ВМ. Мощные восходящие движения воздуха способствуют образованию кучево-дождевой облачности с ливневыми осадкаи, грозами.

Атмосферный фронт – это раздел между двумя воздушными массами, отличающимися одна от другой физическими свойствами (температура, давление, плотность, влажность, облачность, осадки, направление и скорость ветра). Фронты располагаются по двум направлениям – по горизонту и по вертикали

Граница между воздушными массами по горизонту – называется линией фронта, граница между воздушными массами по вертикали – наз. фронтальной зоной. Фронтальная зона всегда наклонена в сторону холодного воздуха. В зависимости от того, какая ВМ приходит – теплая или холодная различают теплый ТФ и холодный ХФ фронты.

Характерной особенностью фронтов является наличие наиболее опасных (сложных) метеорологических условий для полета. Фронтальные облачные системы отличаются значительной вертикальной и горизонтальной протяженностью. На фронтах в теплое время года наблюдаются грозы, болтанка, обледенение, в холодное время – туманы, снегопад, низкая облачность.

Теплый фронт – это фронт, который движется в сторону холодного воздуха, за которым приходит потепление.

С фронтом связана мощная облачная система, состоящая из перисто-слоистых, высокослоистых, слоисто-дождевых облаков, образующихся вследствие подъема теплого воздуха по клину холодного. СМУ на ТФ: низкая облачность (50-200м), перед фронтом туманы, плохая видимость в зоне осадков, обледенение в облаках и осадках, гололед на земле.

Условия полета через ТФ определяются высотой нижней и верхней границы облаков, степенью устойчивости ВМ, распределением температуры в облачном слое, влагосодержанием, рельефом местности, временем года, суток.

1. По возможности меньше находиться в зоне отрицательных температур;

2. Пересекать фронт перпендикулярно его расположению;

3. Выбирать профиль полета в зоне положительных температур, т.е. ниже изотермы 0°, а если во всей зоне температуры отрицательные, полет выполнять там, где температура ниже -10°.При полете от 0° до -10° наблюдается самое интенсивное обледенение.

При встрече с опасными МУ (гроза, град, сильное обледенение, сильная болтанка) необходимо вернуться на аэродром вылета или произвести посадку на запасном аэродроме.

-Холодный фронт – это участок главного фронта,перемещающийся сторону высоких температур, за которым приходит похолодание. Различают два типа холодных фронтов:

-Холодный фронт первого рода (ХФ-1р) – это фронт, перемещающийся со скоростью 20 – 30 км/ч. Холодный воздух, подтекая клином под теплый, вытесняет его вверх, образуя перед фронтом кучево-дождевую облачность, ливневые осадки, грозы. Часть ТВ натекает на клин ХВ, образуя за фронтом слоисто образную облачность, обложные осадки. Перед фронтом сильная болтанка, за фронтом плохая видимость. Условия полета через ХФ -1р аналогичны условиям пересечения ТФ.

При пересечении ХФ -1р можно встретить слабую и умеренную болтанку, где теплый воздух вытесняется холодным. Полет на малых высотах может быть затруднен низкой облачностью и плохой видимостью в зоне осадков.

Холодный фронт второго рода (ХФ – 2р) – это фронт, быстро движущийся со скоростью = 30 – 70 км/ч. Холодный воздух быстро подтекает под теплый, вытесняя его вертикально вверх, образуя перед фронтом развитую по вертикали кучево-дождевую облачность, ливневые осадки, грозы, шквалы. Пересекать ХФ – 2го рода запрещается из- за сильной болтанки, шквала грозовой деятельности, сильного развития облачности по вертикали – 10 – 12 км. Ширина фронта у земли составляет от десятков до сотен км. После прохождения фронта давление растет.

Под влиянием нисходящих потоков в полосе фронта после его прохождения наступает прояснение. В дальнейшем ХВ, попадая на теплую подстилающую поверхность, становится неустойчивым, образуя кучевые, мощно кучевые, кучево-дождевые облака с ливнями, грозами, шквалами, сильной болтанкой, сдвигом ветра, образуются вторичные фронты.

Вторичные фронты – это фронты,которые образуется внутри одной ВМ и разделяет области с более теплым и более холодным воздухом. Условия полета в них такие же, как и на основных фронтах, но метеоявления выражены слабее, чем на основных фронтах, но и здесь можно встретить низкую облачность, плохую видимость за счет выпадающих осадков (зимой – метелей). С вторичными фронтами связаны грозы, ливневые осадки, шквалы, сдвиг ветра.

Стационарные фронты – это фронты, которые некоторое время остаются неподвижными, расположены параллельно изобарам. Облачная система похожа на облачность ТФ, но с малой горизонтальной и вертикальной протяженностью. В зоне фронта могут возникать туманы, гололед, обледенение.

Верхние фронты – это состояние, когда поверхность фронта не достигает поверхности земли. Это случается, если на пути фронта встречается сильно охлажденный слой воздуха или в приземном слое фронт размывается, а сложные погодные условия (струя, турбулентность) еще сохраняются на высотах.

Фронты окклюзии образуются в результате смыкания холодного и теплого фронтов. При смыкании фронтов смыкаются их облачные системы. Процесс смыкания ТФ и ХФ начинается в центре циклона, где ХФ, перемещаясь с большей скоростью, настигает ТФ, постепенно распространяясь на периферию циклона. В образовании фронта участвуют три ВМ: - две холодные и одна теплая. Если за ХФ воздух менее холодный, чем перед ТФ, то при смыкании фронтов образуется сложный фронт, называемый ТЕПЛЫМ ФРОНТОМ ОККЛЮЗИИ .

Если воздушная масса за фронтом холоднее передней, то тыловая часть воздуха будет подтекать под переднюю, более теплую. Такой сложный фронт называется ХОЛОДНЫМ ФРОНТОМ ОККЛЮЗИИ.

Условия погоды на фронтах окклюзии зависят от тех же факторов, что и на основных фронтах:- степени устойчивости ВМ, влагосодержания, высоты нижней и верхней границы облаков, рельефа местности, времени года, суток. При этом условия погоды холодной окклюзии в теплое время года сходны с условиями погоды ХФ, а условия погоды теплой окклюзии в холодное время сходны с погодой ТФ. При благоприятных условиях фронты окклюзии могут переходить в основные фронты – теплая окклюзия в ТФ, холодная окклюзия в холодный фронт. Перемещаются фронты вместе с циклоном, поворачиваясь против часовой стрелки.

Неравномерное нагревание поверхности земли и воздуха в тропосфере, как мы видели, является причиной возникнове­ния горизонтальных градиентов температуры и давления и образования воздушных течений. Вследствие переноса раз­личные по свойствам массы воздуха могут приблизиться друг к другу или удалиться. При сближении масс воздуха с различ­ными физическими свойствами горизонтальные градиенты тем­пературы, влажности, давления и других метеорологических элементов увеличиваются, скорости ветра возрастают. Наобо­рот, при удалении их друг от друга градиенты уменьшаются. Те зоны, в которых происходит сближение разнородных воздушных масс, например сравнительно сухих холодных и влажных теп­лых, называются переходными или фронтальными зонами. Во фронтальных зонах как бы происходит борьба холодных и теплых масс воздуха. В результате этой борьбы холодные массы воздуха прорываются в области расположения теплых масс, а теплые массы проникают в области расположения хо­лодных масс. Вследствие этих процессов те и другие воздушные массы постепенно приобретают свойства, присущие воздуху данного географического района.
Фронтальные зоны тропосферы ежедневно можно обнару­жить в поле температуры и давления преимущественно во внетропических широтах, где различен приток солнечной энергии на севере и юге умеренной зоны. Величины горизонтальных градиентов температуры и давления здесь больше, чем где-либо на земном шаре. Фронтальные зоны непрерывно возни­кают, обостряются, разрушаются. Однако по интенсивности они бывают различными, что зависит от разности температур сближающихся масс воздуха.
В нижних слоях атмосферы при пересечении фронтальных зон в направлении от теплого воздуха к холодному в соответствии с большими горизонтальными градиентами происходит быстрое понижение температуры, давления и влажности и наблюдаются большие скорости воздушных течений. В средних широтах на высотах 10-12 км в этих зонах ветры нередко достигают ура­ганной силы, т. е. 200 км/час и более. Как увидим ниже, фрон­тальные зоны играют ведущую роль в развитии атмосферных процессов.
Так как холодные и теплые массы воздуха имеют различ­ную плотность, они располагаются по отношению друг к другу не вертикально, а наклонно. Холодный воздух, как более плотный и тяжелый, вклинивается под теплый, более легкий. В этой пограничной зоне между различными по свойствам воздуш­ными массами обычно возникают циклоны и антициклоны, не­сущие ненастную и хорошую погоду.
Размеры переходных зон по сравнению с воздушными мас­сами невелики. Во фронтальной зоне возникают поверхности раздела между холодными и теплыми воздушными массами, которые называются атмосферными фронтами. Фронтальные поверхности всегда наклонены в сторону холодного воздуха, который располагается под теплым воздухом в виде узкого клина (рис. 52). Угол наклона фронтальной поверхности к го­ризонту очень мал: он составляет меньше 1°, а тангенс угла колеблется в пределах 0,01-0,02. Это значит, что если уда­литься от линии фронта у поверхности земли в сторону холод­ного воздуха на 200 км, то фронтальная поверхность будет находиться на высоте 1-2 км. При удалении в горизонтальном направлении на 500 км фронтальная поверхность находится на высоте 2,5-5,0 км. Так как углы наклона фронтов очень малы то, чтобы представить фронты в вертикальной плоскости более наглядно, обычно горизонтальный масштаб берется во много раз меньшим, чем вертикальный. На представленной схеме фронта вертикальный масштаб увеличен почти в 50 раз.

Наибольшая протяженность фронтов по высоте в средних широтах 8-12 км. Нередко они достигают тропопаузы. По исследованиям Е. Пальмена, Г. Д. Зубяна и др., фронты на­блюдаются и в нижних слоях стратосферы.
На тропосферных фронтах обычно развивается многоярус­ная облачность, из которой выпадают осадки. Фронты наиболее резко выражены в циклонах, где преобладает восходящее дви­жение воздуха. В антициклонах вследствие нисходящих движе­ний фронтальная облачность рассеивается.
Атмосферные фронты делятся на холодные и теплые.
Холодным фронтом называется фронт, перемещающийся в сторону высоких температур. После прохождения холодного фронта наступает похолодание. Теплым фронтом называется фронт, перемещающийся в сторону низких температур. После прохождения теплого фронта наступает потепление.
В поле температуры и ветра фронты наиболее резко выра­жены у поверхности земли в системе развивающихся циклонов и барических ложбин. Этому способствует сходимость воздуш­ных течений в зоне фронта у поверхности земли, так как вслед­ствие этой сходимости в зоне фронта встречаются массы воз­духа с низкими и высокими температурами. На рис. 53 а изо­бражено поле давления, ветра и температуры в ложбине цик­лона у поверхности земли. Фронт обостряется, так как севернее его располагается холодная масса воздуха с температурами 1-2° ниже нуля, а южнее - теплая масса воздуха с темпера­турами до 10-12° выше нуля.

В антициклонах фронты у поверхности земли размываются, так как система воздушных течений расходящаяся (рис. 53 6). Здесь в первой части гребня холодный участок фронта у по­верхности земли размывается, так как потоки направлены не к фронту, а от фронта. В системе развивающегося циклона воз­дух стремится подняться вверх и в результате динамического охлаждения и конденсации возникают облака и выпадают осадки. В системе развивающегося антициклона, наоборот, осу­ществляется нисходящее движение воздуха и в результате ди­намического нагревания воздух удаляется от состояния насы­щения, облака рассеиваются и прекращаются осадки.
Скорость движения фронта зависит от величины нормаль­ной составляющей ветра, которая колеблется в широких пре­делах. В Европе в переходные сезоны года средняя скорость перемещения фронтов достигает примерно 30 км/час, что со­ставляет за сутки около 700 км; но нередко в системе циклонов фронты проходят за сутки расстояние более 1200-1500 км. В этих случаях фронт, находящийся, например, в Западной Европе, через сутки оказывается уже в центральных областях Европейской территории СССР. Если воздушные течения на­правлены параллельно фронту, то фронт остается малоподвиж­ным. Так как градиенты температуры и давления зимой значи­тельно больше, чем летом, то деятельность фронтов зимой отличается большей интенсивностью.
Мы уже говорили, что в зоне атмосферного фронта, осо­бенно в системе развивающегося циклона, происходит подъем воздуха, адиабатическое охлаждение, образование облаков и осадков. Подъем воздуха происходит не только в приземном слое, но и на высотах. Но если в приземном слое он вызван сходимостью приземного ветра, то причиной подъема воздуха на высотах является нестационарное движение и разность ско­ростей движения зафронтального и предфронтального воздуха.
В случае холодного фронта быстро движущийся холодный зафронтальный воздух, подтекая под теплый, вытесняет его кверху. В результате, если динамические условия обусловли­вают общий подъем воздуха, теплый воздух начинает сколь­зить вдоль наклонной поверхности фронта вверх и адиабати­чески охлаждаться.
В случае теплого фронта при тех же условиях также проис­ходит восходящее движение теплого воздуха над клином хо­лодного воздуха. Чем больше разности температур холодного и теплого воздуха, т. е. чем резче выражен фронт не только у поверхности земли, но и на высотах, тем при одних и тех же условиях интенсивнее происходит восходящее движение теп­лого воздуха, конденсация, образование облаков и осадков.
На хорошо выраженном фронте бывают представлены облака всех ярусов. Облака теплого фронта могут быть очень мощными, по горизонтали перпендикулярно фронту они очень часто распространяются на 500-700 км, а по вертикали - до 6-8 км и более. При этом длина такого фронта может дости­гать 1000-2000 км. Верхняя часть мощных фронтальных обла­ков даже летом располагается в зоне отрицательных темпе­ратур, поэтому она обычно состоит из ледяных кристаллов. На рис. 54 в вертикальном разрезе, перпендикулярном фронту, изображена система облаков, характерная для теплого фронта. Эти облака относятся к слоистым формам и расположены пре­имущественно в теплом воздухе над фронтальной поверхностью. Самые верхние облака (перистые и перисто-слоистые) находятся на высотах 6-8 км. Они являются предвестниками теплого фронта. Появление этих облаков за несколько часов до приближения зоны осадков указывает на ухудшение погоды. Перисто-слоистые облака сменяются высокослоистыми, че­рез которые еще просвечивает солнце, тем не менее они имеют большую вертикальную мощность. Далее следуют более плот­ные слоисто-дождевые облака, дающие обложные осадки, до­ходящие до земли. Ниже всего располагаются слоистые и разорванно-дождевые облака, высота нижней границы которых в зависимости от содержания влаги может колебаться от нуля до нескольких сотен метров. При этом, как видно на рис. 54, облака нижнего яруса образуются не только в теплом надфронтальном воздухе, но частично и в холодном воздухе в непосред­ственной близости от поверхности фронта. Стрелки на этом рисунке показывают направление воздушных потоков в теплом и холодном воздухе при общем переносе слева направо в пло­скости представленной здесь схемы.

Система облаков мощного холодного фронта представлена на рис. 55. Как легко заметить, профили теплого (рис. 54) и холодного (рис. 55) фронтов заметно отличаются друг от друга. Это происходит потому, что при движении теплый воздух в нижнем слое вследствие трения о земную поверхность растя­гивается в направлении, обратном движению. Между тем хо­лодный фронт вследствие трения в нижнем 1-2-километровом слое становится более крутым.

Изображенные на рис. 54 и 55 системы облаков теплого и холодного фронтов относятся к тем случаям, когда верти­кальная протяженность фронтов велика, значительны кон-трасты температур на фронте и осуществляется интенсивное восходящее движение воздуха. Массы воздуха по обе стороны фронта являются устойчивыми. Если же при всех этих условиях холодный воздух стратифицирован неустойчиво, то за холодным фронтом следуют не слоисто-кучевые облака, а мощные куче­вые и кучево-дождевые. Если одновременно и холодный воздух и теплый воздух стратифицированы неустойчиво, то перед фрон­том образуется мощная шкваловая облачность (рис. 56), даю­щая сильные ливневые осадки, сопровождающиеся грозами и даже выпадением града.

Облачная система теплого фронта тоже имеет разновид­ности. В случае неустойчивости теплого воздуха образуются конвективные облака и выпадают ливневые осадки. При этом предполагается, что влагосодержание воздуха достаточное.
Однако вертикальная протяженность атмосферных фронтов не всегда значительная, нередко она не превышает 1-3 км. В соответствии с этим и фронтальная облачность получает огра­ниченное развитие, за исключением тех случаев, когда вслед­ствие неустойчивости образуется конвективная облачность, до­стигающая высоты 5-6 км и более. Даже при большой верти­кальной протяженности фронта фронтальная облачность не представляет собой сплошной среды, как показано на рис. 54 и 55, а состоит из ряда слоев с безоблачными пространствами между ними (рис. 57 а). Это связано с тем, что во многих случаях общий подъем теплого воздуха нарушается и в зоне фронта чередуются слои с восходящими и нисходящими дви­жениями воздуха. При этом последние вызывают разрушение облачной системы фронта, вплоть до полного рассеивания обла­ков. При большой сухости воздуха облакообразование на фронте либо вовсе не происходит, либо возникают маломощ­ные облака среднего и верхнего ярусов, которые не дают осад­ков (рис. 57 6).

Существуют еще другие разновидности фронтов, которые возникают при смыкании холодного и теплого фронтов. Смыка­ние фронтов происходит в результате того, что они переме­щаются с различными скоростями. В системе циклона, как правило, холодные фронты движутся с большими скоростями, чем теплые. Поэтому холодный фронт, догоняя теплый, смы­кается с ним, образуя фронт смыкания, или, как обычно называют, фронт окклюзии. Сначала облачные системы обоих фронтов, сомкнувшись, сохраняются и дают обильные, преимущественно обложные осадки. Однако постепенно интен­сивность фронта окклюзии ослабевает вследствие уже действую­щего процесса размывания его. При этом мощные облачные системы начинают рассеиваться и фронт обнаруживается в поле приземного ветра по остаткам облачности. На рис. 58 схемати­чески изображено смыкание холодного и теплого фронтов при движении их слева направо. Холодный воздух, как более плот­ный, вклинивается под теплый.

Все виды фронтов при встрече с горными препятствиями оставляют много влаги на их наветренной стороне. Однако по мере преодоления высокого горного препятствия облачная си­стема фронтов нарушается, и на подветренной стороне гор облака растекаются, осадки нередко прекращаются. Лишь после преодоления препятствия облачная система фронтов вновь восстанавливается.
Изучение атмосферных фронтов диктуется необходимостью расширить познания в этой области в связи с требованиями практики, особенно авиации, поскольку мощные облака, как и резкие изменения погоды, связаны с фронтами. Поэтому их изучение является одной из важнейших задач метеорологов.
Несмотря на важность задачи исследования фронтов, зна­ния об условиях их возникновения еще далеко не достаточны. Это прежде всего относится к образованию и эволюции фрон­тальной облачности. Приведенные выше схемы дают лишь общее представление о фронтальных облаках. В действитель­ности облака в зоне атмосферных фронтов составляют как сплошную среду, так и мощные слои с безоблачными простран­ствами между ними.
Трудности изучения физики облакообразования на фронтах связаны с отсутствием способов массового и детального изуче­ния всех особенностей развития облаков в определенных си­ноптических условиях, поскольку для этого требуется продол­жительное пребывание на высотах, что технически трудно осу­ществимо.
Действительно современные самолеты, пролетая с большой скоростью, позволяют произвести наблюдения и различные измерения по пути полета. Наиболее удобны для изучения обла­ков аэростаты. Но они не всегда могут войти в интересующее нас облако. В частности, аэростат не может войти в гро­зовые облака, так как он может воспламениться от вспышки молнии.
Выше уже говорилось, что образование облаков вызвано конденсацией водяного пара вследствие подъема воздуха и его адиабатического охлаждения. Чтобы представить трудности изучения эволюции облачности, достаточно сказать, что верти­кальные движения воздуха, обусловливающие образование и разрушение облаков, не поддаются пока прямым измерениям. Приближенные расчеты вертикальных движений в настоящее время производятся главным образом из теоретических пред­посылок изменений полей давления и ветра на различных высотах.
Исследование атмосферных фронтов и их облачных систем привлекает внимание многих ученых как в СССР, так и за ру­бежом. Нередко, рискуя жизнью, они летают в грозовых обла­ках и шаг за шагом расширяют знания о фронтальной дея­тельности. Положения о структурных особенностях фронтов, разработанные главным образом норвежскими метеорологами (Т. Бержероном, С. Петерсеном и др.), пересмотрены и уточ­нены советскими учеными. Благодаря трудам А. Ф. Дюбюка, Н. Л. Таборовского, Е. Г. Зак, Е. К. Федорова, Г. Д. Зубяна, Е. С. Селезневой и др. наши знания о возникновении и размы­вании фронтов, характере вертикальных движений возду­ха и облакообразовании, как и о других вопросах, связан­ных с фронтами, значительно обогатились. И все же многие важные особенности облакообразования и изменения об­лачных форм при эволюции фронтов остаются еще непознан­ными.
Нет единства взглядов по вопросу вертикальной протяжен­ности фронтов в тропосфере и о фронтообразовании в страто­сфере. Однако в последние годы все больше ученых приходит к заключению, что тропосферные фронты в большинстве слу­чаев достигают тропопаузы; выше - в стратосфере -они также существуют (Г. Д. Зубян, Р. Бергрен), но вследствие ничтожно малого влагосодержания воздуха на стратосферных фронтах облака не образуются.

Различные воздушные массы находятся обычно в постоянном движении. При этом они могут сближаться и встречаться, образуя так называемые фронтальные зоны – переходные зоны между воздушными массами с разными физическими свойствами. Ширина их – первые сотни километров, длина – тысячи километров. В них наблюдаются быстрые изменения всех метеорологических величин по горизонтали – температуры, давления, влажности, так как фактически они представляют собой «поле битвы» между теплым и холодным воздухом. Во фронтальных зонах возникают поверхности раздела между теплыми и холодными воздушными массами, которые называются фронтальными поверхностями (лат. frons (род. п. frontis) – лоб, передняя сторона). Эта поверхность – неширокая полоса в несколько десятков километров, но по сравнению с размерами воздушных масс, которые ею разграничиваются, она представляется плоскостью. Угол между фронтальной плоскостью и земной поверхностью очень мал, менее 1°, но на рисунках для наглядности он преувеличен. Фронтальная поверхность всегда наклонена в сторону холодного воздуха, так что холодный плотный воздух располагается внизу, под нею, а теплый, менее плотный и легкий воздух – вверху, над нею. Линия пересечения фронтальной плоскости с поверхностью Земли образует линию фронта, которую кратко также называют фронтом. Все эти перечисленные понятия часто объединяются выражением атмосферный фронт.

Так как барическая ступень в теплом воздухе больше, чем в холодном, то расстояние между изобарическими поверхностями по обе стороны фронтальной поверхности будет различным. Изменение свойств воздуха в условиях его неразрывности в атмосфере достигается образованием в зоне фронта ложбины всех изобарических поверхностей. Она проявляется у земной поверхности в виде ложбины, очерченной изобарами (рис. 56). Таким образом, все атмосферные фронты лежат в барических ложбинах.

Атмосферные фронты бывают стационарные и движущиеся.

Если воздушные течения направляются с обеих сторон вдоль линии фронта и она не перемещается заметно ни в сторону теплого, ни в сторону холодного воздуха, то фронт называется стационарным.

Движущийся фронт образуется в том случае, если одна из воздушных масс имеет составляющую скорости, перпендикулярную линии фронта. В зависимости от направления перемещения движущиеся фронты подразделяют на теплые и холодные. Теплый фронт образуется при натекании теплого воздуха на холодный. Линия фронта при этом перемещается в сторону холодного воздуха. После прохождения теплого фронта наступает потепление (рис. 57). Холодный фронт образуется при подтекании холодного воздуха под теплый.

Рис. 57. Теплый фронт. Названия облаков указаны в таблице 2 (по И. И. Гуральнику)

Рис. 58. Холодный фронт первого рода (по И. И. Гуральнику)

При этом линия фронта перемещается в сторону теплого воздуха, который вытесняется наверх. После прохождения холодного фронта наступает похолодание. Различают холодные фронты первого и второго рода. Холодный фронт первого рода образуется в случае медленного наступания холодного воздуха. При этом теплый воздух спокойно поднимается по фронтальной поверхности и линия фронта движется медленно (рис. 58). Холодный фронт второго рода возникает при быстром движении холодного воздуха и резком подтекании его под теплый воздух, который подбрасывается вверх. Фронтальная поверхность при этом круто поднимается над земной поверхностью из-за того, что приземные слои воздуха тормозятся трением. Линия фронта движется быстро (рис. 59).

В атмосфере нередко возникают и более сложные комплексные фронты при смыкании (объединении) двух основных фронтов – теплого и холодного. Это фронты окклюзии (лат. occlusio – запирание). При их образовании соединяются две холодные воздушные массы, а теплый воздух вытесняется в верхние слои тропосферы и теряет связь с земной поверхностью. Если наступающий холодный воздух менее холодный, чем предыдущий, образуется фронт окклюзии по типу теплого фронта. Если наступающий воздух более холодный, чем предыдущий, возникает фронт окклюзии по типу холодного фронта (рис. 60).

Фронтальная деятельность наиболее интенсивна в умеренных и близлежащих широтах. Здесь систематически возникают, движутся (преимущественно с запада на восток) и разрушаются на протяжении нескольких дней атмосферные фронты. С ними связано образование атмосферных возмущений вихревого характера – циклонов (восходящих вихрей) и антициклонов (нисходящих вихрей), которые определяют различные типы погоды.

Рис. 59. Холодный фронт второго рода (по И. И. Гуральнику)

На климатических картах выделяются зоны, где, по средним многолетним данным, чаще встречаются воздушные массы различных типов и подтипов и где наиболее активно образуются атмосферные фронты. Такие статистически устойчивые фронтальные зоны называются климатическими фронтами. В этих зонах больших горизонтальных контрастов температуры, давления и сильных ветров концентрируются большие запасы энергии, которые расходуются на образование циклонов и антициклонов. Таким образом, эти зоны отражают среднее многолетнее наиболее типичное положение серий подвижных атмосферных фронтов.

Среди климатических фронтов выделяют главные и вторичные фронты.

Главные фронты являются зонами раздела и взаимодействия основных типов воздушных масс, контрастных прежде всего по температуре. Между арктическим (антарктическим) и полярным (умеренных широт) воздухом они называются соответственно арктическим и антарктическим фронтами, между полярным и тропическим воздухом – полярным фронтом. Раздел между теплыми воздушными массами – относительно сухой тропической и влажной экваториальной, – считавшийся ранее тропическим фронтом, представляет собой зону сходимости пассатов северного и южного полушарий и называется в настоящее время внутритропической зоной конвергенции (ВЗК) (рис. 61, 62).

Особенности главных фронтов таковы. Во-первых, они прослеживаются вверх до самой стратосферы, часто вызывая образование так называемых струйных течений – очень сильных ветров, которые достигают наибольшей величины близ тропопаузы. Во-вторых, они не образуют на Земле сплошных полос, а разрываются на отдельные ветви (отрезки), которые носят собственные названия. Особенно это заметно на примере полярного фронта, который разделяется на целый ряд ветвей. В-третьих, эти ветви смещаются по сезонам вслед за Солнцем: летом фронты вместе с возникающими на них сериями циклонов мигрируют в сторону полюсов, зимой – к экватору, причем некоторые из них в определенные сезоны размываются. На рисунке 62 видно, что зимой ветвь полярного фронта, отделяющая морской полярный воздух Атлантики от морских тропических масс Северо-Атлантического максимума, располагается на широте Франции. Средиземноморская ветвь полярного фронта, которая отделяет тропический воздух от континентальных воздушных масс умеренных широт, зимой пролегает над Средиземным морем и далее к востоку переходит в Иранскую ветвь, но летом обе ветви размываются. Над восточным Забайкальем и севером Приморья летом формируется Монгольская ветвь полярного фронта, разделяющая континентальные полярную и тропическую воздушные массы, а над Японским морем – Тихоокеанская ветвь между морскими полярными и тропическими массами.

Рис. 61. Климатические фронты в июле (по С. П. Хромову)

Рис. 62. Климатические фронты в январе (по С. П. Хромову)

Концы полярных фронтов, проникающих далеко в глубь тропиков, называются пассатными фронтами. Они разделяют в тропиках уже не полярный и тропический воздух, а различные по свойствам массы тропического воздуха, приносимого из разных океанических субтропических максимумов ветрами, называемыми пассатами. Нередко они возникают между двумя мТВ, одна из которых сформировалась из ЭВ над теплыми морскими течениями западной периферии субтропических максимумов, а вторая – из мПВ над холодными течениями восточной их периферии (например, летом вблизи Мексиканского нагорья, полупустыни Калахари и др.).

Вторичные фронты (фронты второго порядка) образуются обычно между воздушными массами разных подтипов одного и того же географического типа.

Они часто возникают между морским и континентальным полярным воздухом, прежде всего зимой, когда температурная разница между ними достигает наибольших значений. Такой полярный фронт намечается над центром Восточно-Европейской равнины, в связи с чем Москву образно называют «прифронтовым» городом. Вторичные фронты прослеживаются на меньшую высоту, чем главные, – на несколько километров в пределах тропосферы.

Атмосферный фронт возникает при сближении и встрече масс холодного и тёплого воздуха в нижних слоях атмосферы или во всей тропосфере, охватывая слой мощностью до нескольких километров, с образованием между ними наклонной поверхности раздела.

Различают:

• стационарные фронты.

Основными атмосферными фронтами являются:

• полярные,
• тропические.

Если бы воздушные массы были неподвижны, поверхность атмосферного фронта была бы горизонтальной, с холодным воздухом внизу и тёплым над ним, но поскольку обе массы движутся, она располагается наклонно к земной поверхности. При этом в среднем угол наклона составляет около 1° к поверхности Земли. Теплый фронт наклонен в ту же сторону, в которую движется, а холодный - в противоположную. Наклон фронта в идеальной модели может быть выражен через формулу Маргулиса.

Зона атмосферного фронта очень узка по сравнению с разделяемыми ею воздушными массами, поэтому для целей теоретического исследования её приближённо рассматривают как поверхность раздела двух воздушных масс разной температуры и называемой фронтальной поверхностью . По этой причине на синоптических картах фронты изображают в виде линии (линия фронта ). В пересечении с земной поверхностью зона фронта имеет ширину порядка десятков километров, горизонтальные же размеры самих воздушных масс - порядка тысяч километров.

При сближении воздушных масс, имеющих различные характеристики, в зоне между ними образуется Тангенциальный разрыв , то есть:

1. Увеличиваются горизонтальные градиенты температуры воздуха, влажности.
2. Поле давления имеет ложбину или «скрытую ложбину».
3. Касательная к линии разрыва скорость ветра имеет скачок.

Наоборот, при удалении воздушных масс друг от друга градиенты метеорологических величин и скорости ветра уменьшаются. Переходные зоны в тропосфере, в которых происходит сближение воздушных масс с различными характеристиками, называются фронтальными зонами.

В горизонтальном направлении протяжённость фронтов, как и воздушных масс, имеет тысячи километров, по вертикали - около 5 км, ширина фронтальной зоны у поверхности Земли - порядка сотни километров, на высотах - несколько сотен километров. Фронтальные зоны характеризуются значительными изменениями температуры воздуха и влажности, направлений ветра вдоль горизонтальной поверхности, как на уровне Земли, так и выше.

Сечение фронтальной поверхностью поверхности Земли называется атмосферным фронтом и наносится на приземную синоптическую карту. На карты барической топографии наносятся высотные фронтальные зоны (ВФЗ) - сечения фронтальной поверхностью изобарических поверхностей.

«Фронтальная поверхность» - это поверхность или зона перехода, разделяющая воздушные массы с различными свойствами, в том числе, различной плотностью воздуха. Непрерывность давления накладывает определённые условия на пространственную ориентацию фронтальной поверхности. При отсутствии движения любой разрыв в поле плотностей (или зона быстрого перехода из одной воздушной массы в другую) должен быть горизонтальным. При наличии движения поверхность перехода становится наклонной, при этом более плотный воздух (холодный) образует клин под менее плотным (тёплым), а тёплый воздух совершает восходящее скольжение вдоль этого клина.

Толщина фронтальной поверхности по вертикали очень мала - несколько сотен метров, это гораздо меньше, чем ширина воздушных масс, которые она разделяет. В пределах тропосферы одна воздушная масса перекрывает другую. Ширина зоны фронта на картах погоды составляет несколько десятков километров, но при анализе синоптических карт фронт проводят в виде одной линии. Лишь на вертикальных разрезах атмосферы крупного масштаба удается выявить верхнюю и нижнюю границы переходного слоя.

На фронтах большое развитие получают восходящие движения воздуха, поэтому вблизи фронтов имеются благоприятные условия для образования облаков и выпадения осадков. Их появлению способствует, во-первых, сходимость ветра к линии фронта в приземном слое (отрицательная дивергенция горизонтальной компоненты ветра). Кроме того, в системе фронтов происходит подъём тёплого воздуха (восходящее скольжение) по клину холодного воздуха. Восходящие движения воздуха возникают и вследствие разности скоростей зафронтального и предфронтального воздуха, то есть когда зафронтальный воздух движется быстрее, чем предфронтальный. Подъём воздуха происходит на тех участках фронта, где наблюдается нестационарность движения. Восходящим движениям на ранней стадии развития циклона способствует также динамическое падение давления. При подъёме воздуха происходит его адиабатическое охлаждение, формирование облачности и осадков.

Хорошо выраженный фронт имеет высоту несколько километров, чаще всего - 3-5 км. С основными фронтами связаны продолжительные и обильные осадки; в системе вторичных фронтов процессы облакообразования выражены слабее, осадки кратковременны и не всегда достигают Земли. Также существуют внутримассовые осадки, не связанные с фронтами.

В приземном слое вследствие сходимости воздушных потоков к оси барических ложбин здесь создаются наибольшие контрасты температуры воздуха - поэтому фронты у Земли располагаются именно вдоль осей барических ложбин. Фронты не могут располагаться вдоль осей барических гребней, где имеет место расходимость воздушных потоков, а могут лишь пересекать ось гребня под большим углом.

С высотой контрасты температур на оси барической ложбины уменьшаются - ось ложбины смещается в сторону более низких температур воздуха и стремится совместиться с осью термической ложбины, где контрасты температуры минимальны. Так с высотой фронт постепенно отходит от оси барической ложбины на её периферию, туда, где создаются наибольшие контрасты.

Подстилающая поверхность оказывает значительное влияние на перемещение и свойства фронтов. В пределах нижних сотен метров влияние трения приводит к деформации профиля фронта. Неравномерность трения, связанная с различием в характере подстилающей поверхности, также приводит к деформации профиля фронта, особенно в условиях сложного рельефа. Орографические препятствия могут влиять на перемещение фронтов и вызывать как деформации самих фронтов, так и изменения связанных с ними эффектов, или создавать новые эффекты. Переваливание фронтов через горные препятствия отражается на процессах облако- и осадкообразования. Воздух вообще стремится обтекать препятствия в горизонтальном направлении, так как при этом происходит наименьшая затрата энергии. В том случае, если воздух стратифицирован неустойчиво, он частично перетекает через хребет, особенно в центральной его части. Это перетекание в десятки раз менее интенсивно, чем боковое обтекание. Кроме того, оно имеет резко турбулентный характер, благодаря сильному трению в условиях горного рельефа.