Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Уважаемые студенты!
Вам необходимо законспектировать лекции и подготовиться к письменному тестированию по указанным ниже вопросам.
Предмет: «Космическая метеорология».
Мечты о проникновении человека в космос возникли тысячелетия назад, но первый проект пилотируемого ракетного летательного аппарата был выполнен в 1881 г. русским ученым Н.И. Кибальчичем.
Основоположником космонавтики, создателем теории ракетного полета, основных принципов построения ракетно-космических систем и автором первых научных проектов проникновения человека в межпланетное пространство является К.Э. Циолковский. Опубликованная им в 1903 г. работа «Исследование мировых пространств реактивными приборами» является фундаментальным вкладом в мировую науку. Теоретические разработки К.Э. Циолковского подтверждены и дополнены как отечественными учеными (Ю.В. Кондратюк, Ф.А. Цандер, В.П. Ветчинкин, Н.И. Тихомиров, С.П. Королев, В.П. Глушко и многие другие), так и за рубежом (Р. Эно-Пельтри (Франция), Р. Годдард (США), Г. Оберт (Германия) и др.).
Космическая эра на Земле началась 4 октября 1957 г., когда Россия впервые в мире вывела на орбиту искусственный спутник. С этого периода начались интенсивные разработки дистанционных методов измерений и соответствующей аппаратуры для их реализации. Исследования плотности высоких слоев атмосферы начаты с запуска третьего космического спутника 5 мая 1958 г.
С марта 1962 г. в рамках программы «Космос» началась планомерная работа по подготовке и осуществлению запусков метеорологических искусственных спутников Земли (ИСЗ). Первый такой спутник, «Космос-122», был запущен 25 июня 1966 г., с его помощью была получена значимая гидрометеорологическая информация. И хотя он позволил исследовать только глобальное поле облачности, этот первый космический эксперимент наглядно продемонстрировал огромные потенциальные возможности нового типа метеорологических наблюдений.
В последующие годы в России, США и ряде других стран были запущены и успешно функционировали десятки различных МСЗ как оперативного, так и исследовательского характера, позволившие получить много разнообразной количественной информации о параметрах физического состояния системы атмосфера–подстилающая поверхность.
Дистанционное зондирование Земли из космоса включает наблюдения и измерения энергетических и поляризационных характеристик собственного и отраженного излучения элементов суши, океана и атмосферы в различных диапазонах электромагнитных волн, способствующих описанию местонахождения, характера и временной изменчивости естественных природных параметров и явлений, природных ресурсов, окружающей среды, а также антропогенных объектов и образований.
Космические методы исследований в метеорологии (космическая метеорология) — это раздел метеорологии, изучающий физическое состояние атмосферы и подстилающей поверхности, систему Земля - атмосфера в целом, а также метеорологические явления и процессы с помощью искусственных спутников.
Космическая метеорология - довольно молодая научная дисциплина, получившая развитие в третьей четверти 20-го века. Создание её стало возможным после появления нового, оказавшегося очень перспективным, средства исследования атмосферы и космического пространства - искусственного спутника Земли. Главная задача космических методов исследований в метеорологии — получить необходимую первичную информацию об атмосферных процессах и явлениях, о состоянии земной поверхности и океана в планетарном масштабе и разработать методы использования этой информации для анализа и прогноза погоды, экологического состояния окружающей среды, изучения климата.
3. Аппаратура метеорологических спутников Земли.
Метеорологические спутники оснащены обзорной и измерительной аппаратурой. Обзорную аппаратуру составляют так называемые телевизионные и инфракрасные системы спутника, позволяющие в комплексе производить фотографирование облаков и земной поверхности не только на дневной (освещенной Солнцем), но и на ночной (теневой) стороне нашей планеты.
Телевизионная съемка облачности производится в видимой части солнечного спектра. При обычной высоте полета метеорологического спутника (около 900 км) разрешающая способность аппаратуры составляет примерно 1-2 км. Фотографирование в инфракрасной части спектра в диапазоне волн длиной 8-12 мкм выполнимо и в ночное время; разрешающая способность аппаратуры примерно 8 км.
Оборудование метеорологических спутников позволяет вести работу в режимах как непосредственной передачи информации, так и запоминания её, с последующим считыванием по команде с Земли. Для связи со спутниками используются волны метрового и дециметрового диапазонов, которые ионосферу проходят практически беспрепятственно и облаками и осадками не задерживаются.
Применение микроволновой радиометрической аппаратуры на ИСЗ расширяет возможности спутниковой метеорологии, позволяя изучать состояние земной поверхности сквозь облачность, так как для распространения волн сантиметрового диапазона она не является препятствием. Кроме того, такая аппаратура даёт возможность более детально исследовать процессы, протекающие в самих облаках.
В основе микроволнового исследования атмосферы с помощью ИСЗ лежит способность всех тел в природе излучать и поглощать энергию. С изменением температуры земной поверхности, её влагосодержания, наличия на ней воды, снега, осадков, количества растворенной в воде соли и других показателей её состояния изменяются тепловые потоки, исходящие от земной поверхности. Измеряя тепловые потоки высокочувствительной аппаратурой, работающей в диапазоне микроволн, можно судить о многих процессах, происходящих на поверхности океана, суши, в облаках и в атмосфере. Измерение теплового радиоизлучения над малоосвещенными участками земного шара, например над океанами, позволяет определить наличие и мощность облачного покрова, обнаружить зоны выпадения осадков и оценить интенсивность последних. Это связано со способностью капельно-жидкой воды, содержащейся в облаках и осадках, активно поглощать радиоизлучение с длиной волны меньше 1 см. Таким образом, по интенсивности фиксируемого спутником излучения можно судить о состоянии погоды над поверхностью океана, лишенной других средств метеорологических наблюдений требуемой полноты.
ИСЗ могут обеспечить получение регулярной информации об атмосфере и подстилающей поверхности по всей планете и последовательную передачу данных наблюдений в приёмные пункты. Для метеорологических целей успешно используется комплексная система, состоящая из низкоорбитальных и высокоорбитальных спутников. Низкоорбитальные спутники (высота орбиты 1000-1500 км) предназначены для получения более детальной метеорологической информации из отдельных районов земного шара. Высокоорбитальные спутники (высота орбиты 30000 — 40000 км) позволяют получать обобщённую метеорологическую информацию в глобальном масштабе.
Отечественная МКС развивается как 2-ярусная система в составе среднеорбитальных космических аппаратов (КА) на приполярных орбитах серии «Метеор» и высокоорбитального (геостационарного) КА «Электро». Гидрометслужба России (Росгидромет) выполняет функции оператора национальных метеорологических космических систем (МКС) и является крупнейшим на федеральном уровне потребителем данных океанографических спутников серии «Океан-01», спутников изучения природных ресурсов серии «Ресурс-01». Информация оперативных метеорологических ИСЗ (с начала 1970-х гг.) и океанографических спутников (с 1984 г.) используется на регулярной основе прогностическими подразделениями Гидрометеорологической службы. В условиях постоянного сокращения плотности сети наблюдений (как на суше, так и над океанами) дальнейшее развитие и совершенствование отечественной МКС, включая космический и наземный сегменты, становится одной из важнейших задач, по существу определяющих перспективу гидрометеорологического обслуживания различных отраслей экономики страны.
Отечественная МКС развивалась как составная часть глобальной космической подсистемы наблюдений гидрометеорологического назначения, которая сложилась на основе национальных космических систем при координирующей роли Всемирной метеорологической организации (ВМО): спутники основных операторов США, Европейского сообщества, Японии, КНР на геостационарной орбите (GOES-E, GOES-W, METEOSAT, GMS, FY-2) и система оперативных американских ИСЗ серии NOAA на средневысотных солнечно-синхронных орбитах. Значительный объем спутниковой метеоинформации Росгидромет получает с ИСЗ серии NOAA (данные регионального покрытия) и с зарубежных геостационарных ИСЗ.
Оперативные полярно-орбитальные метеорологические ИСЗ включают:
Перечисленные виды аппаратуры устанавливаются на борту спутников «NOAA», КА «Метеор-3М».
Выходные продукты для информационного обеспечения задач оперативной метеорологии включают:ъ
В метеорологии спутниковая информация используется для решения следующих задач, перечисленных ниже.
1) Идентификация и прослеживание в поле облачности различных синоптических объектов (циклоны, фронтальные системы, струйные течения, зоны конвергенции) для составления прогнозов перемещения и эволюции этих объектов. Идентификация синоптических объектов производится визуально путем сопоставления карт облачности, построенных по спутниковым снимкам, с наземными метеорологическими данными. Для территории с достаточно редкой сетью метеорологических станций решение этой задачи имеет особенно важное значение.
2) Определение параметров облачного покрова и подстилающей поверхности. Эта задача решается как визуально (дешифрирование по тону и рисунку изображения различных объектов), так и построением статистических и пороговых алгоритмов классификации облачных систем и подстилающей поверхности на основе измерений отражённой и излучённой радиации с этих объектов.
3) Восстановление вертикального распределения температуры и влажности. Физической основой решения этой задачи служит то обстоятельство, что уходящее излучение Земли, соответствующее разным участкам рассматриваемых полос поглощения, генерируется в различных слоях земной атмосферы и, следовательно, отражает термический режим этих слоёв или концентрацию водяного пара в них. Для практического решения этой задачи на спутниках применяют дифракционные спектрометры.
6. Основные направления использования космической метеорологической информации системой Росгидромета.
Внедрение в оперативную работу Росгидромета суперкомпьютера CRAY (в Гидрометцентре России), современных ПЭВМ и рабочих станций создало возможности усвоения большого объема цифровой спутниковой информации. Гидродинамические прогностические модели в качестве исходных данных используют наряду с данными гидрометеорологической сети наблюдений информацию ИСЗ. Над акваториями океанов спутники — основной и часто единственный источник информации. Такая же картина –– в ряде районов на материках (Сибирь, приполярные районы). Глобальные данные ТВЗА (по информации ИСЗ NOAA), данные о ветре с геостационарных ИСЗ, поступающие в базу данных Гидрометцентра России, усваиваются в схемах объективного анализа полей метеоэлементов.
В целом, основные направления использования спутниковой информации в системе Росгидромета следующие:
–оперативное гидрометеобеспечение, включая подготовку гидрометеорологических прогнозов различных масштабов и заблаговременности;
– обнаружение опасных и стихийных гидрометеорологических явлений;
– мониторинг ледовой обстановки в арктических и антарктических морях;
– мониторинг климата, окружающей среды и глобальных изменений.
Приоритет в настоящее время имеют задачи оперативного гидрометобеспечения.
Приведем краткий перечень применений спутниковой метеорологической информации. Монтажи и отдельные снимки с ИСЗ «NOAA», «Метеор» используются для уточнения положения фронтальных разделов и при прогнозе их перемещения по территории России и Европы, уточнения суточных прогнозов погоды для Центрального района России. Монтажи с ИСЗ «Метеор», а также снимки с ИСЗ METEOSAT, GOES, GMS применяются для уточнения положения фронтальных разделов, внутритропической зоны конвергенции и положения тропических циклонов на неосвещенной акватории мирового океана. Спутниковые данные привлекаются при составлении и уточнении прогноза стихийных гидрометеорологтческих явлений по отдельному пункту (сильных дождей, снегопадов и метелей), определении зон туманов, обширных зон повышенной конвекции, зон штормовых ветров. Карты-схемы снежного покрова по территории России (суточные и декадные), составленные на основе снимков с ИСЗ «Метеор» и «NOAA», используются при уточнении прогноза схода снежного покрова.
7.Система сбора и распространения информации с ИСЗ.
Наземный комплекс Росгидромета осуществляет прием, обработку и распространение данных, получаемых со всех российских космических аппаратов (КА) типа «Ресурс-01», «Океан-01», «Океан-О», «Метеор», «Электро» и ряда зарубежных КА типа NOAA, Метеоsат, GMS. Имеется техническая возможность приема данных французского КА SPOT.
Первоочередной целью функционирования наземного комплекса приема, обработки и распространения спутниковой информации (НКПОР) является обеспечение государственных органов управления, организаций федеральных министерств и ведомств (Росгидромета, МЧС) всей доступной информацией, полученной с помощью российских и зарубежных оперативных спутниковых систем, необходимой для решения государственных задач (гидрометеорологическое обеспечение, мониторинг чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, мониторинг состояния окружающей среды).
Основу НКПОР Росгидромета составляет система трех крупных центров приема — научно-исследовательский центр космической гидрометеорологии (НИЦ) «Планета» (с пунктами приема в городах Москве, Обнинске и Долгопрудном), Западно-Сибирский (ЗС) региональный центр приема и обработки данных (РЦПОД) (г. Новосибирск) и Дальневосточный (ДВ) РЦПОД (г. Хабаровск), обеспечивающих получение спутниковой информации по всей территории России. В состав НКПОР Росгидромета входит также сеть автономных пунктов приема информации — АППИ (60 пунктов приема, функционирующих под научно-методическим руководством и оперативным управлением НИЦ «Планета»), которые в режиме непосредственной передачи с КА «Метеор», NOAA, «Океан», «Ресурс» могут принимать данные пониженного разрешения в диапазоне 137 МГц. Такие АППИ установлены на всех крупных аэродромах, в областных бюро погоды и в подразделениях Минобороны, что позволяет оперативно получать данные ДЗЗ и использовать в синоптической оценке метеообстановки.
Важным фактором, определяющим возможность функционирования и развития центров и пунктов приема сети НКПОР, является проблема помеховой обстановки в районах расположения станций приема. Радиотехнические комплексы систем сотовой связи, аэродромных служб и другие создают существенные проблемы для работы ряда пунктов приема спутниковой информации (прежде всего для малых станций). Крупные центры приема Росгидромета регулярно выполняют работы по защите радиочастот, что позволяет вести уверенный прием спутниковых данных.
Возможности центров приема Росгидромета по приему данных оперативных спутниковых систем ДЗ существенно отличаются и определяются степенью технической оснащенности. Наилучшей технической оснащенностью обладают подразделения НИЦ «Планета».
НИЦ «Планета» является единственной организацией в России, практически выполняющей все основные функции НКПОР — планирование, прием, обработку, архивацию и доведение до потребителей информации российских и ряда зарубежных оперативных спутниковых систем.
Постоянные пользователи (оперативно-производственные подразделения Росгидромета) подключены к локальной сети НИЦ «Планета». Доведение информации до потребителей осуществляется по различным каналам связи (выделенные линии, оптоволоконные каналы), с использованием технологий INTERNET по автоматизированной системе передачи данных «Погода».
Аппаратно-программный комплекс (АПК) «Лиана». Станция «Лиана» предназначена для приема изображений Земли, передаваемых с полярно-орбитальных спутников серии NOAA в формате APT (Automatic Picture Transmission), в диапазоне 137 МГц. С некоторыми ограничениями возможен прием и с других ИСЗ, имеющих подобные форматы сброса (например, Метеор-3, Ресурс-01).
Аппаратно-программный комплекс «СканЭкс». Станция «СканЭкс» предназначена для приема и записи информации, передаваемой с полярно-орбитальных спутников серии NOAA в формате HRPT (High Resolution Picture Transmission) в диапазоне 1,7 ГГц.
Основную часть принимаемого потока составляют данные сканирующего радиометра AVHRR, который формирует изображения подстилающей поверхности в 5 спектральных диапазонах (от видимого до теплового инфракрасного), в полосе обзора шириной 3000 км, с пространственным разрешением в середине полосы 1,1 км.
Станция получает изображение окружающей ее территории 8–12 раз в сутки. Объем информации, получаемой за один сеанс связи, т.е. пока спутник проходит через зону видимости станции, может составлять до 80 МБ
В состав персональной станции приема входит аппаратное и программное обеспечение. Аппаратная часть состоит из антенной системы и блока преобразования информации. Программное обеспечение включает следующие приложения:
1) прием: обеспечивает управление комплексом при приеме и тестировании, расчет расписания прохождения спутников в заданном интервале времени, автоматический прием данных по расписанию, расчет траектории спутника для управления антенной, индикацию состояния антенны и потока данных в процессе приема, формирование файла принимаемых данных и запись его па жесткий диск, формирование растрового изображения одного из спектральных каналов и отображения его на дисплее в темпе приема;
2) просмотр: обеспечивает просмотр изображений в произвольном черно-белом, псевдоцветном или синтезиропанном цветном представлении, целочисленное масштабирование на стадиях загрузки отображения, плавное масштабирование при отображении, коррекцию яркости и контрастности, географическую привязку по орбитальным элементам, расчет гистограмм и поэлементную фотометрию, радиояркостную калибровку изображений, коррекцию привязки по реперным точкам в изображении, расчет абсолютных значений температуры поверхности воды и вегетационного индекса, автоматическое детектирование очагов пожаров по температурным признакам;
3) архивация: обеспечивает эффективную работу с большим количеством снимков и позволяет организовать запрос по дате и территории съемки;
4) геометрическая нормализация: обеспечивает трансформацию изображений в ряд географических проекций и экспорт их в формат Windows BMP.
8.Основные требования к наблюдениям с помощью ИСЗ.
Поскольку основным потребителем первичной метеорологической информации является служба погоды, отметим общие требования качественного характера, предъявляемые этой службой:
С помощью снимков с искусственных спутников Земли определяется ее структура, размеры и другие характеристики.
Снимки облачного покрова широко используются как дополнительная, а над районами, малоосвещеннными данными наблюдений, как основная информация для оценки синоптической обстановки и возможных условий погоды.
К орбитам метеорологических спутников Земли (МСЗ) предъявляются определенные требования, основные из которых могут быть сведены к следующему:
Эти требования могут быть удовлетворены путем:
Для максимального охвата земной поверхности наблюдениями обзорной аппаратурой применяются полярные орбиты. Для получения изображений над определенным районом Земли в одно и то же местное время, которое зависит от времени запуска МСЗ, используют так называемые солнечно-синхронные орбиты, плоскость которых поворачивается (прецессирует) синхронно с обращением Земли вокруг Солнца.
Предмет «Синоптическая метеорология»
1.Атмосферные фронты и высотные фронтальные зоны
Цель лекции: получить представление о воздушных массах, высотных фронтальных зонах и атмосферных фронтах, процессах тропосферного фронтогенеза и фронтолиза.
Решаемые задачи:
- ознакомиться с классификацией воздушных масс и атмосферных фронтов;
- определить различия в понятиях «атмосферный фронт» и «высотная фронтальная зона»;
- изучить условия тропосферного фронтолиза и фронтогенеза;
- получить представление о критериях объективного анализа атмосферных фронтов.
1.1 Воздушные массы и их классификация
1.1.1. Географическая классификация
Вследствие горизонтального переноса теплые и холодные воздушные массы могут сближаться или удаляться друг от друга. Если в пределах воздушной массы значения метеорологических величин меняются незначительно, то в переходной зоне между двумя воздушными массами или в зоне атмосферного фронта горизонтальные градиенты значительны.
В качестве характерного признака той или иной воздушной массы рекомендуют использовать максимальную температуру воздуха (Тмакс) либо температуру на уровне 850 гПа (1,5 км), где довольно четко проявляются общие закономерности термического режима нижней тропосферы, и в то же время невелико влияние суточного хода метеорологических величин.
Воздушные массы чаще всего формируются в обширных малоподвижных антициклонах (областях высокого давления), малоподвижных и размытых барических депрессиях либо в верхних слоях тропосферы в области глубоких высокоширотных центральных циклонов (областях низкого давления). Поэтому по площади воздушные массы сравнимы с очагами их формирования, а время их существования, как правило, более 2-х суток.
Исторически сложилась точка зрения, что над территорией России циркулируют три типа воздушных масс: арктическая, умеренная и тропическая (рис.1.1).
Рисунок 1.1 Географические типы воздушных масс над территорией России
Учитывая, что умеренная воздушная масса имеет большую меридиональную протяженность (45-650 с.ш.), возникает необходимость в ее подразделении на северный умеренный (СУВ) и южный умеренный (ЮУВ) воздух.
На основании этого предлагают уточненную географическую классификацию воздушных масс, определяющих погодные условия над территорией России:
- арктический воздух, который формируется зимой практически во всей области за полярным кругом, исключая Норвежское море и незамерзающую часть Баренцева моря, летом – в основном надо льдами Арктики;
- умеренная северная воздушная масса, которая формируется в арктических и субарктических районах Северного полушария;
- умеренная южная воздушная масса обладает промежуточными свойствами между тропической и умеренной северной воздушной массой;
- тропический воздух формируется в пассатной зоне Северного полушария, ограниченной с полярной стороны поясом субтропических антициклонов.
По мере удаления вглубь материка воздушные массы разделяют на континентальные или морские.
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 высо кой бароклинности в средней и верхней тропосфере и характеризуются большими горизонтальными градиентами температуры. В пределах свободной атмосферы наибольшие го ризонтальные 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 ха рактер 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 фрон тальные зоны обнаруживаются как зоны сгущения изогипс между теплыми высотными антициклонами и холодными цикло нами (рис.1.5).
Рис. 1.5Высотные фронтальные зоны на АТ-500
В западных частях высотных фронтальных зон (область входа ВФЗ) обычно хорошо выражена схо димость изогипс, а в восточных (область дельты) - расходи мость. Во входе и в дельте развиваются наиболее интенсивные вертикальные цирку ляции, захватывающие мощные слои тропосферы. Поэтому они представляют интерес как области фронтогенеза и фронто лиза.
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 цир куляции на антициклонической стороне струйного течения отно сительно слаба. Здесь одновременно с поднятием тропопаузы про исходит 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).
1.2.2 Атмосферный фронт
В нижней тропосфере, вблизи земной поверхности, переходные зоны между двумя воздушными массами бывают наибо лее узкими. С ними связаны характерные облачные массивы, рез кие изменения погоды и большая часть осадков, выпадающих в умеренных широтах. Для обозначения узких переходных зон в нижних слоях тропосферы употреб ляется термин «атмосферный фронт».
Атмосфер ный фронт разделяет воздушные массы с различными свойствами, и важнейшей его характеристикой являются контрасты температуры. В поле температур и ветра атмосферные фронты наиболее выражены в системе развивающихся циклонов и барических ложбин (рис.1.7), которым свойственна сходимость воздушных течений (конвергенция).
Рис.1.7 Конвергенция потоков на оси барической ложбины
1.3 Классификация атмосферных фронтов
1.3.1 Географическая классификация
Обычно над территорией России выделяют три типа воздушных масс: арктическую, умеренную и тропическую, границами раздела между которыми являются два атмосферных фронта: арктический (АФ) и полярный фронт (ПФ).
В соответствии с уточненной географической классификацией воздушных масс, в которую включают северную и южную умеренные воздушные массы, на территории России можно выделить три типа фронтов:
1.3.2 По пространственной протяженности выделяют:
Основные фронты разделяют воздушные массы различного географического происхождения; контрасты температур у поверхности Земли в зоне фронта превышают 3…50С/500 км, на уровне 850 гПа 5…80С/500 км. По вертикальной протяженности основные фронты являются тропосферными. На основных фронтах развиваются внетропические циклоны и целые семейства циклонов.
Вторичные фронты наблюдаются в основном в тылу циклонов внутри неоднородной холодной воздушной массы. По вертикальной протяженности вторичные атмосферные фронты являются приземными.
Верхним может стать обычный фронт, если на пути его перемещения встречается сильно охлажденный слой воздуха, играющий роль подстилающей поверхности, или если в приземном слое фронт размывается, но сохраняется еще на высотах. В качестве верхнего фронта можно рассматривать любую хорошо выраженную ВФЗ, с которой не связаны фронты на приземной карте погоды и имеющую ширину менее 500 км.
В настоящее время Нobbs и др. (1990) предложили концептуальную модель верхних холодных фронтов, где холодная фронтальная поверхность в средней тропосфере сопровождается резким снижением потенциальной температуры, поверхностная ложбина отстаёт от верхнетропосферной ложбины и объединяется с ней зоной высоких потенциальных температур.
1.3.3 По особенностям перемещения различают:
Рис.1.8 Холодный фронт
1.3.4 По характеру движения теплого воздуха выделяют:
Рис.1.9 Классификация фронтов по характеру движения теплого воздуха
1.3.5 По динамической значимости фронты бывают:
1.3.6 По характеру развития фронты делятся на:
1.4 Общие характеристики атмосферных фронтов
Характерной особенностью атмосферных фронтов является наличие восходящих движений воздуха, приводящих к формированию полей облачности и осадков.
Причин возникновения восходящих токов в зоне фронта несколько: конвергенция (сходимость) потоков к оси барических ложбин в нижнем слое тропосферы, вынужденное скольжение теплого воздуха по клину холодного, динамические факторы падения давления в зоне фронта.
Прохождение атмосферного фронта по оси барической ложбины сопровождается правым поворотом ветра (правое вращение ветра). Если фронт проходит по полю высокого давления, то, как правило, направление ветра в холодном и теплом воздухе параллельно фронту и наблюдается лишь изменение скорости ветра.
Как правило, основные фронты хорошо выражены в термическом поле, как на высотах, так и у поверхности Земли. Но в некоторых случаях температура воздуха по обе стороны фронта оказывается одинаковой, а при наличии плотной облачности в холодной воздушной массе температуры в холодном воздухе оказываются даже выше, чем в теплом.
В зависимости от характера подстилающей поверхности, степени ее увлажнения и других факторов атмосферные фронты могут быть динамически значимыми на одних участках фронта и динамически незначимыми на других. По данным наблюдений наиболее выражены температурные контрасты в средней части фронта.
Самые сложные погодные условия возникают при сближении трех основных фронтов, в результате чего контрасты температур в зоне фронта могут превышать 250 С/1500 км (рис.1.10). При реализации энергии неустойчивости возможно взрывное образование циклона с развитием мощной облачности, сопровождающейся ливнями и сильным ветром.
Рис.1.10 Сближение арктического, умеренного и полярного фронта над Забайкальем
Рассмотрим основные особенности теплых и холодных атмосферных фронтов (рис.1.11). Теплый фронт движется в сторону холодного воздуха, холодный – в сторону теплого воздуха. Как видно из рисунка, холодные выражены резче, наклон у них круче и может достигать 900, но с высотой значения тангенса угла наклона сглаживаются.
Рис.1.11. Особенности профилей холодного (а) и теплого (б) фронтов.
По мере приближения теплого фронта давление начинает падать, облачность уплотняется, и выпадают обложные осадки. При приближении холодного фронта атмосферное давление меняется мало, может падать и расти, но при его прохождении отмечается быстрый рост давления, резкий поворот и усиление западного, северо-западного ветра.
Причиной образования облаков и осадков на теплом фронте и холодном фронте 1-го рода (медленно движущемся) является восходящее скольжение теплого воздуха вдоль клина холодного при динамическом падении давления перед фронтом и сходимости ветра в нижнем слое тропосферы. Высота нижней границы облаков зависит от высоты уровня конденсации в восходящем теплом воздухе.
Наибольшее развитие облачность теплого фронта получает вблизи центра циклона, а наибольшая толщина слоисто-дождевых облаков отмечается вблизи линии фронта (рис.1.12). Предвестниками облаков теплого фронта являются перистые когтевидные облака.
Рис. 1.12. Схема теплого фронта в вертикальном разрезе.
Вертикальная мощность системы слоистообразных облаков холодного фронта 1-го рода значительно меньше, чем теплого фронта, при этом облака расположены в основном за линией фронта (рис.1.13).
Рис.1.13. Схема облаков холодного фронта 1-ого рода.
Причиной образования облаков и осадков на холодном фронте 2-го рода (быстро движущемся) является вынужденная конвекция вытесняемого теплого воздуха у передней части фронтальной поверхности (поверхности раздела) (рис.1.14). Мощный конвективный поток, усиливающийся в процессе термической конвекции в дневные часы, приводит к возникновению фронтальной кучево-дождевой облачности, сопровождаемой ливнями, грозами, в холодное время метелями, шквальным усилением ветра.
Предвестниками облаков холодного фронта являются перистые облака, которые сменяются высоко-кучевыми чечевицеобразными облаками.
Рис.1.14. Схема холодного фронта 2-ого рода в вертикальном разрезе.
Фронты окклюзии возникают на стадии заполнения циклона при смыкании холодного и теплого фронтов (рис.1.15). В системе фронта окклюзии взаимодействуют три воздушные массы: теплый воздух, который имеет вид гребня тепла в нижней и средней тропосфере, и две смыкающиеся с боков холодные воздушные массы у поверхности Земли.
Рис.1.15. Образование фронта окклюзии. Стрелкой показано направление перемещения фронтальных поверхностей.
В зависимости от температуры смыкающихся воздушных масс различают теплые и холодные фронты окклюзии, в которых имеются три облачные системы: прежнего теплого, прежнего холодного и вновь возникшего фронта (рис.1.16).
Рис.1.16. Схемы теплого (а) и холодного (б) фронтов окклюзии.
1.5 Видоизменения атмосферных фронтов
В реальных условиях классические схемы теплых и холодных фронтов встречаются довольно редко. Различия в тепло- и влагосодержании атмосферных слоев, интенсивности вертикальных движений, влияние рельефа и ряд других факторов определяют видоизменения атмосферных фронтов, на которых остановимся ниже.
1.5.1 Видоизменения теплого фронта
В начальной стадии зарождения циклона и образования теплого участка фронта развивается преимущественно надфронтальная система облаков As-Ns, из которой часто выпадают интенсивные осадки. Если восходящие движения вблизи линии фронта приобретают характер конвективных, осадки переходят в ливневые и иногда сопровождаются грозами (рис. 1.17а).
При достаточной влажности пограничного слоя и активном турбулентном перемешивании предфронтальные облака St fr. вблизи линии фронта сливаются с надфронтальными облаками и образуют сплошной покров (особенно в холодное полугодие), полностью маскирующий для наземного наблюдателя систему облаков теплого фронта (рис.1.17б). Осадки из As могут достигать поверхности Земли, а также стимулировать выпадение осадков из системы облаков St-Sc. В таких случаях предфронтальная зона осадков может достигать ширины 400 км и более.
Если в пограничном слое профиль теплого фронта очень пологий, то основная система облаков и зона обложных осадков может быть смещена вперед от линии фронта (рис.1.17в).
В некоторых случаях деформации подвергается лишь верхняя граница фронтального слоя (рис.1.17 г).
В тех случаях, когда теплый фронт медленно перемещается (расположен в резко выраженной барической ложбине) и восходящие движения воздуха захватывают зафронтальную область, система As-Ns располагается по обе стороны фронта. Однако за линией фронта эта система сильно расслоена (рис.1.17д) и либо не дает осадков, либо осадки выпадают слабые и имеют характер мороси.
Облачность старых теплых фронтов может быть сильно расслоенной на всем протяжении. Постепенно эти слои рассеиваются, начиная с нижних, и осадки прекращаются. Могут появляться облака Ас, Сс, не типичные для теплого фронта (рис.1.17 е).
Рис. 1.17. Некоторые видоизменения системы облаков теплого фронта.
1.5.2 Видоизменения холодного фронта
Строение холодных фронтов отличается большим разнообразием по сравнению со строением теплых фронтов. Отметим ряд основных отклонений от классической схемы.
При большой влажности предфронтального теплого воздуха система облаков и осадков холодного фронта расширяется по площади, захватывая зону теплого сектора перед фронтом шириной до 200 км (рис.1.18). Однако и в этом случае вблизи линии холодного фронта наблюдаются преимущественно облака Cb, а осадки носят ливневый характер. Перед холодным фронтом могут наблюдаться линии неустойчивости.
Рис.1.18 Видоизменение холодного фронта
Развивающиеся под влиянием вертикальных движений, обусловленных турбулентностью и трением, облака плохой погоды St fr. и Sc могут полностью замаскировать систему облаков холодного фронта (рис.1.19). В результате над сушей в холодную половину года редко удается по наземным наблюдениям проследить приближение системы облаков холодного фронта.
Рис.1.19. Некоторые видоизменения системы облаков холодного фронта 1-ого рода.
При большой сухости и относительной устойчивости предфронтального воздуха холодные фронты могут проходить, не давая осадков.
При наличии в атмосфере слоя выравнивания температур ниже этого слоя фронтальная поверхность может иметь вид поверхности теплого фронта, выше -верхнего холодного фронта (рис.1.20).
Рис. 1.20 Схема фронтов и их облачных систем при наличии в тропосфере слоя выравнивания температуры.
1.6 Влияние подстилающей поверхности на эволюцию и перемещение фронтов
Подстилающая поверхность оказывает значительное влияние на перемещение и свойства атмосферных фронтов. Влияние силы трения в пределах нижних сотен метров приводит к деформации профиля фронта, особенно в условиях сложного рельефа (рис.1.21).
Рис.1.21- Орографическая окклюзия.
а – приближение фронта к горам, б – деформация фронта
Обычно воздух стремится обтекать препятствия в горизонтальном направлении, что представляется единственно возможным при устойчивой стратификации и больших высотах самого препятствия. При обтекании хребтов холодными фронтами зафронтальная масса, обогнув хребет с обеих сторон, соединяется, образуя так называемую «орографическую окклюзию» (рис.1.22). Орографической окклюзии в теплом фронте не наблюдается, так как зафронтальная масса является теплой.
Рис.1.22. Орографический фронт окклюзии.
I-IV – последовательные положения холодного фронта.
Чаще всего теплые и холодные фронты некоторое время задерживаются перед хребтом вместе с предфронтальной воздушной массой. В дальнейшем теплый воздух теплого фронта и предфронтальная теплая масса холодного фронта начинают восходящее движение на наветренном склоне хребта, при котором усиливаются процессы облако- и осадкообразования. На подветренном склоне хребта фронтальная поверхность увлекается воздушным течением вниз, при этом происходит феновый эффект с размыванием облачности и ослаблением осадков.
Аналогичные процессы наблюдаются, если холодный воздух задерживается и накапливается перед хребтом, и его мощность увеличивается. Холодный воздух начинает восходящее движение с продолжительными осадками на наветренной стороне и рассеиванием облаков – на подветренной стороне хребта.
На рис.1.23 схематически показаны последовательные стадии переливания теплого и холодного фронтов через горы и образование верхних фронтов в отдельных случаях переваливания.
Рис.1.23 Переваливание атмосферных фронтов через горный хребет
Процессы воздействия гор на перемещение и эволюцию фронтов имеют свою специфику в каждом горном районе в зависимости от высоты гор, сезона года, начального направления линии фронта относительно направления хребта, а также от стадии развития и перемещения циклона, с которым связан фронт. Особенно сложной оказывается картина при прохождении фронтов над большими горными массивами, т.е. над системой общих хребтов. Здесь можно наблюдать и малоподвижные участки фронта, задержанного горами, и весьма извилистую линию фронта в горах. Однако провести такую линию фронта можно лишь при детальном синоптическом анализе и достаточной метеорологической информации об условиях погоды в горах.
Существенно искажает свойства атмосферных фронтов температурный режим подстилающей поверхности. Зимой над поверхностью охлажденного материка, особенно в пониженных формах рельефа, происходит застаивание воздуха с образованием пленки холодного воздуха, в котором нередко отмечаются туманы охлаждения, маскирующие облачную систему смещающихся атмосферных фронтов. Такие явления носят название маскировки фронтов.
Над неоднородным рельефом (наличие теплых и холодных течений, кромки льда вдоль побережий арктических морей и т.д.) наблюдаются скачки метеорологических величин, которые не связаны с поверхностью раздела разнородных воздушных масс, а носят название «мнимых фронтов». Однако если такие условия сохраняются долгое время, то температурные различия распространяется на большую толщу атмосферы и могут привести к образованию фронтальной поверхности вдоль границ льдов и открытого моря. Это явление носит название «топографический фронтогенез».