1.1.2 Термодинамическая классификация

По термодинамической классификации различают теплую воздушную массу, которая теплее окружающей среды и холодную воздушную массу, которая холоднее окружающей среды. На термобарической карте АТ-850 гПа (1,5 км) теплой воздушной массе соответствует гребень или очаг тепла, а холодной воздушной массе – ложбина или очаг холода.

По характеру вертикального распределения температур в воздушной массе выделяют неустойчивую и устойчивую массу.

Устойчивой называют воздушную массу (УВМ), в которой преобладает устойчивое равновесие . В устойчивой воздушной массе термическая конвекция (свободная конвекция) отсутствует, а динамическая конвекция (динамическая турбулентность) развита слабо. Характер погодных условий в УВМ во многом зависит от расположения уровня конденсации. Если уровень конденсации находится выше средней границы турбулентного слоя, то в устойчивой воздушной массе преобладает ясная погода. Если уровень конденсации находится ниже средней границы турбулентного слоя, то в процессе турбулентного тепло- и влагообмена под задерживающими слоями инверсии и изотермии образуются туманы и дымки либо возникают слоистые и слоисто-кучевые облака, дающие слабые и моросящие осадки.

Теплая и холодная устойчивая воздушная масса над материками наблюдается в основном в холодный период года в теплых секторах циклонов и примыкающих к ним северных окраинах антициклонов.

Неустойчивой называют воздушную массу, в которой преобладает неустойчивое равновесие (рис.1.2). Влажно-неустойчивая стратификация при достаточной влажности воздуха приводит к формированию конвективных кучевых и кучево-дождевых облаков, нередко дающих ливневые осадки, с которыми связан порывистый характер ветра, а в ряде случаев возможно возникновение шквалов.

Рис. 1.2 Неустойчивая воздушная масса

Теплая неустойчивая воздушная масса часто наблюдается над материками летом на западной периферии антициклонов, а холодная неустойчивая воздушная масса – в тылу циклонов и на восточной периферии примыкающих к ним антициклонов.

1.1.3Трансформация воздушных масс

При перемещении любая воздушная масса изменяет свои свойства, участвуя в теплообмене с подстилающей поверхностью. Процесс изменения свойств воздушной массы называется трансформацией или эволюцией и продолжается от 3 до 7 суток.

В процессе трансформации теплая воздушная масса постепенно охлаждается, а холодная воздушная масса постепенно нагревается. В результате трансформации воздушная масса приходит в тепловое равновесие с окружающей средой и становится местной массой (нейтральной воздушной массой). Междусуточные изменения температур в такой воздушной массе незначительны и составляют порядка 1-2⁰С.

1.2 Понятия «высотная фронтальная зона» «атмосферный фронт»

1.2 1 Высотная фронтальная зона

Неравномерное распределение температур подстилающей поверхности и приземного слоя воздуха порождает наличие горизонтальных градиентов температур, которые наиболее значительны при сближении разнородных воздушных масс. Переходные зоны в тропосфере, в которых наблюдается взаимодействие воздушных масс с различными свойствами, называются атмосферными фронтальными зонами.

Во фронтальных разделах в отличие от однородных воздушных масс наиболее четко проявляется бароклинность атмосферы вследствие того, что плотность воздуха является функцией, как давления, так и температуры, ρ=f(р,Т), а поверхности равных значений температуры и давления воздуха пересекаются, образуя четырехгранные трубки, называемые термодинамическими соленоидами (рис.1.3). Число соленоидов служит количественным показателем величины ускорения циркуляции скорости и запасов энергии во фронтальной зоне.

Рис.1.3 Сгущение термодинамических соленоидов во фронтальной зоне

Таким образом, высотные фронтальные зоны (ВФЗ) являются зонами высо­кой бароклинности в средней и верхней тропосфере и характеризуются большими горизонтальными градиентами температуры. В пределах свободной атмосферы наибольшие го­ризонтальные градиенты температуры, по данным В. И. Воробьева, наблюдаются на поверхности 500 гПа (5 км).

Фронтальные зоны отличаются не только высокой бароклинностью, но также сильными ветрами и специфическими системами вертикальных движений и облачности.

Поле ветра в ВФЗ характеризуется ростом скорости ветра до уровня выравнивания горизонтального температурного градиента. Вблизи этого уровня формируется зона максимальных скоростей ветра, имеющая ха­рактер струйного течения (рис.1.4). Ось струи располагается на теплой стороне ВФЗ вблизи высокой тропопаузы, а скорости ветра в струйном течении превышают геострофические значения. Со временем струйное течение несколько усиливается и суживается, локализуясь над зоной максимальных контрастов температур.

Рис.1.4 - Вертикальный разрез высотной фронтальной зоны и струйного течения в 3 ч 18.03.63. 1 - тропопауза и границы фронтальной зоны; 2 - изотахн (м/с); 3 - уровень максимального ветра; 4 - изотермы (ºС).

На картах барической топографии в верхней и средней тропосфере и в стратосфере высотные фрон­тальные зоны обнаруживаются как зоны сгущения изогипс между теплыми высотными антициклонами и холодными цикло­нами (рис.1.5).

Рис. 1.5Высотные фронтальные зоны на АТ-500

В западных частях высотных фронтальных зон (область входа ВФЗ) обычно хорошо выражена схо­димость изогипс, а в восточных (область дельты) - расходи­мость. Во входе и в дельте развиваются наиболее интенсивные вертикальные цирку­ляции, захватывающие мощные слои тропосферы. Поэтому они представляют интерес как области фронтогенеза и фронто­лиза.

Характер вертикальных движений в области ВФЗ изображен на рис.1.6. Видно, что нисходящие движения сосредоточены внутри узкого клина, где происходит оседание стратосферного воздуха. Восходящая ветвь цир­куляции на антициклонической стороне струйного течения отно­сительно слаба. Здесь одновременно с поднятием тропопаузы про­исходит вторжение тропосферного воздуха в стратосферу. Эта циркуляция является прямой термической циркуляцией.

Рис.1.6 - Схема вертикальных движений в слое ВФЗ и струйного течения.

1- тропопауза и границы фронтальной зоны; 2 – изотахи продольной составляющей ветра в струйном течении; 4 – направление поперечных циркуляций; 5 – изолиния отделяющая тропосферный воздух от стратосферного (динамическая тропопауза).