Калинин Н.А., Толмачёва Н.И. Космические методы исследований в метеорологии

Подождите немного. Документ загружается.

щения облачных массивов. В случае преобладания в верхней тропо-

сфере потока одного какого-либо направления на изображениях об-

лачности с подветренной стороны массива кучево-дождевых облаков

можно

е этой зоны

объясн

онах конвергенции и создают линию шквалов, хорошо

заметн

поворот ветра с высотой, конвек-

тивны

вании

конвек

Со спиралевидными облачными образованиями связаны зоны

осадков, гроз нее спирали

облачн ти приближаются к центру вихря, тем он интенсивнее.

вению (или

заметить шлейф перистых облаков, вытянутый по направлению

ветра. Скорость ветра оценить не представляется возможным. Для

оценки смещения облачного массива кучево-дождевых облаков можно

воспользоваться особенностью космического изображения: в кильва-

тере массива обнаруживается безоблачная зона. Наличи

яется отсутствием в течение некоторого времени конвекции над

охлажденной и увлажненной поверхностью после прохождения в дан-

ном районе массива кучево-дождевых облаков. Взаимное положение

облачного массива и безоблачной зоны определяет направление сме-

щения кучево-дождевых облаков в самое ближайшее время.

Гряды кучево-дождевой облачности часто образуются в пред-

фронтальных з

ую на космическом изображении. Еще чаще такие гряды обра-

зуются летом на холодных фронтах или в тыловой части циклона, где

они ассоциируются с вторичными холодными фронтами.

Конвективные облачные вихри. Они развиваются в сравни-

тельно однородных в температурном отношении и неустойчиво стра-

тифицированных воздушных массах за счет конвекции. При наличии

циклонической циркуляции в свободной атмосфере и достаточно об-

ширного слоя, в котором происходит

е течения приобретают форму спиралевидных вихрей с горизон-

тальной осью.

Распределение метеорологических элементов при образо

тивных спиралей сходно с фронтальными зонами. У поверхно-

сти Земли создается конвергенция воздушных потоков с падением

давления в зоне восходящих движений воздуха и дивергенция с рос-

том давления в зоне нисходящих течений. Отличие состоит в том, что

абсолютные значения пульсаций температуры и давления оказываются

очень малыми (около 1°С и 0,1 гПа ), в то время как пульсации скоро-

сти ветра могут быть 10 м/с и более.

ы и шквалистые ветры. Известно, чем медлен

ос

Ансамбль конвективных течений приводит к перераспределе-

нию статического давления в атмосфере, создается зона пониженного

давления в центральной части конвективного слоя и области повы-

шенного давления вблизи его верхней и нижней границы, что может

при благоприятных условиях способствовать возникно

182

поддер

анные с феновыми эф-

фекта

ими предгорных

районо

но при

ть в 6–10 баллов, достигающая гребня гор или частично пере-

валива

ферный фен. Наблюдается преимущественно в средних и

высок

полагается многослойная облач-

ность 6–10 баллов, достигающая гребня и даже переваливающая через

жанию уже существующей) циклонической циркуляции в сво-

бодной атмосфере. Время существования мезовихрей — 4 суток.

5.4.2. Орографические облачные системы

Характер атмосферных возмущений, образующихся под влия-

нием рельефа местности, и соответствующих им облачных систем за-

висит от структуры и размеров орографических неоднородностей, а

также от особенностей крупномасштабных атмосферных движений и

вертикального распределения температуры и влажности.

Особенности поля облачности, связ

ми.

Феном называют комплексное метеорологическое явление,

возникающее при нисходящих движениях или скольжении воздуха

вдоль склона возвышенности и вызывающее нагревание воздуха,

уменьшение его относительной влажности и плотности, уменьшение

вертикальной мощности облаков и степени покрытия

в, а также увеличение дальности видимости. Фен может наблю-

даться даже тогда, когда относительное превышение рельефа состав-

ляет всего несколько сотен метров. В процессе интерпретации косми-

ческих изображений облачности используют общую классификацию

фенов, включающую четыре основных типа.

Свободный двусторонний фен. Наблюдается обычно в антици-

клоне. На космическом изображении по обеим сторонам орографиче-

ского препятствия малооблачно или ясно, по мере удаления от препят-

ствия в нижних частях долин и предгорьях (особенно зимой) распола-

гаются слоисто-кучевые, слоистые облака или туман.

Свободный односторонний фен. Наблюдается преимуществен-

антициклонических или прямолинейных изобарах. С наветрен-

ной стороны располагается слоистая облачность (6–10 баллов), не дос-

тигающая гребня гор. С подветренной стороны низкие слоистые обла-

ка до 5 баллов значительно удалены от гребня.

Фен пограничного слоя. Наблюдается часто в районе невысоких

гор. С наветренной стороны располагается низкая слоистообразная

облачнос

ющая через него. С подветренной стороны отмечаются низкие

облака до 5 баллов, причем их количество заметно уменьшается или

облака полностью исчезают на некотором расстоянии от линии гребня.

Тропос

их горах при прямолинейных или циклонически искривленных

изобарах. С наветренной стороны рас

183

него, с

в структуре облачного покрова с обе-

их сто

блака. Для образования волнистых облаков наи-

более

ктов);

тойчивость воздушного потока (минимальная ско-

рость

ного хребта возможно возникновение волн и при

других

равление ветра в тропосфере. Воз-

можна

ых препятствий (например, острова в океане) про-

подветренной стороны — облачность преимущественно верх-

него и среднего ярусов (0–5 баллов). Иногда появляются волнистые

облака.

Характерные особенности

рон горного хребта могут быть использованы в качестве допол-

нительных признаков для оценки состояния атмосферы и интенсивно-

сти фенов.

Волнистые о

важными факторами являются:

– протяженность и высота гор, а также соотношение между

длиной и шириной горного массива (при очень высоких горах волни-

стые облака могут отсутствовать из-за низкой влажности воздуха или

наличия феновых эффе

– ориентация гор относительно преобладающего направления

ветра, скорость и ус

ветра, при которой образуются волнистые облака, колеблется в

пределах 7–15 м/с);

– устойчивая стратификация в нижней и средней тропосфере,

которую можно считать функцией атмосферных процессов, геогра-

фического положения, сезона и времени суток (высокая повторяемость

волнистых облаков характерна для тыловой части высотной ложбины

и холодного фронта);

– достаточно высокая влажность воздуха, переваливающего че-

рез горный хребет.

Волнистые облака на подветренной стороне гор. В основном

на подветренной стороне горного препятствия образуются гравитаци-

онные волны при достаточно устойчивой стратификации и при воз-

душном потоке, перпендикулярном к препятствию. Однако в зависи-

мости от размеров гор

направлениях ветра. Часто подветренные волны проявляются

вместе с феновыми эффектами. Волнистые облака на подветренной

стороне гор в большинстве случаев являются высоко-кучевыми, реже

слоисто-кучевыми. При очень высоких горах волнистые облака быва-

ют перистыми. По ориентации волнистых облаков на космическом

изображении можно оценить нап

также оценка скорости ветра в облачном слое. Волнистые обла-

ка обычно характеризуют ситуации с большими вертикальными сдви-

гами скорости ветра.

Волнистые облака за изолированными препятствиями. При об-

текании воздушным потоком одного изолированного препятствия или

группы изолированн

184

исходи

ния ск

але между препятствиями и появле-

ние ту разующегося по потоку. Иногда при оди-

наковы

ожению волнистых облаков и турбулентного следа можно

опреде

мосферы отмеча-

ется на

в нем

. Расстояние между вихрями, имеющими одина-

ковое

т не только перетекание воздуха через верхнюю границу пре-

пятствия (как это наблюдается в случае бесконечно длинного горного

хребта), но и боковое обтекание.

Это приводит к появлению горизонтальных сдвигов ветра в пло-

скости, перпендикулярной направлению набегающего потока, ус-

ложняет двумерную картину вертикальных движений на подветренной

стороне препятствия, что сказывается на ориентации волнистых обла-

ков и на увеличении длины волны на периферии вследствие увеличе-

орости ветра.

При обтекании группы изолированных препятствий характер-

ным является усиление ветра в кан

рбулентного следа, об

х размерах препятствий наблюдается явление интерференции.

По распол

лить направление невозмущенного набегающего потока. Можно

также судить о том, что наибольшая устойчивость ат

уровнях, находящихся несколько выше вершины препятствия.

Цепочки облачных вихрей с подветренной стороны островов.

Для образования и сохранения мезомасштабных вихревых цепочек

необходимы следующие условия:

– наличие инверсии;

– существование устойчивого воздушного потока в нижней тро-

посфере;

– наличие препятствия, возвышающегося над нижней границей

инверсии и порождающего инерционные колебания.

Вихревые цепочки в атмосфере возникают за островами, гори-

зонтальное сечение которых в направлении, перпендикулярном набе-

гающему потоку, составляет 10–80 км, а высота по меньшей мере 800

м. С удалением мезовихря от препятствия интенсивность циркуляци

ослабевает под действием горизонтального турбулентного об-

мена, а горизонтальный размер увеличивается. Когда вихри достигают

таких размеров, что начинают взаимодействовать с соседними, они

быстро разрушаются

направление циркуляции, колеблется в пределах 20–200 км и

постепенно увеличивается по потоку. Отделение вихрей с каждой сто-

роны препятствия происходит через каждые 0,5–1,5 ч, причем интер-

вал времени отделения пропорционален эффективному сечению пре-

пятствий и обратно пропорционален скорости набегающего потока.

Облачные вихри состоят преимущественно из слоисто-кучевых

облаков, реже — из слоистых или плоских кучевых облаков, рас-

185

полаг

овия встречаются на периферийных частях анти-

циклонов.

твия

мо но

овпадает с направлением, в котором вытягиваются вихри с подвет-

ренной

туры и шероховатостью подстилающей поверхности

освен-

ным о

агрета, чем

водная

ающихся под хорошо выраженным низким инверсионным слоем

на высоте 0,5–2 км.

Мезомасштабные цепочки появляются преимущественно между

15 и 40° широты в каждом полушарии, так как здесь имеют место хо-

лодные морские течения и устойчивая термическая стратификация в

нижней тропосфере на юго-восточной периферии субтропических ан-

тициклонов в северном полушарии и на северо-восточной периферии

субтропических антициклонов в южном полушарии. В более высоких

широтах такие же усл

По ориентации вихревых цепочек относительно препятс

жно определить направление невозмущенного потока (ветра). О

стороны препятствия. Зная высоту препятствия (острова), за

которым образовались цепочки облачных вихрей, можно приближенно

оценить высоту нижней границы инверсии. Она находится ниже выс-

шей точки препятствия. Чередование вихрей за препятствием указыва-

ет на смену направлений воздушных течений вблизи земной или оке-

анской поверхности.

5.4.3. Облачные системы, связанные с неоднородностью

темпера

О влиянии неравномерного нагревания подстилающей поверх-

ности и ее шероховатости на распределение облачности известно из

общей метеорологии. Зная основные закономерности этого влияния,

по характерным особенностям пространственного распределения об-

лаков на космических изображениях можно достаточно точно к

бразом оценить направление крупномасштабного воздушного

потока, характер термической стратификации воздушной массы, а

также идентифицировать некоторые типы локальных циркуляции в

атмосфере.

Влияние температурной неоднородности подстилающей

поверхности на распределение облачности.

Известно, что над пе-

регретыми участками подстилающей поверхности возникают бла-

гоприятные условия для образования кучевообразных облаков, в то

время как над охлажденными и влажными поверхностями более веро-

ятно появление низкой слоистообразной облачности и туманов.

Летом и в дневные часы, как правило, суша более н

поверхность. Если скорость ветра сравнительно невелика, оча-

ги кучевообразной облачности хорошо повторяют конфигурацию пе-

186

регретых участков суши, в то время как долины крупных рек, озера и

заболоченные участки местности остаются сравнительно свободными

от облачности. При охлаждении подстилающей поверхности вследст-

вие процессов излучения и скопления масс холодного воздуха в пони-

жениях местности, области наиболее развитых туманов и слоистооб-

разных облаков оказываются в котловинах, горных или речных доли-

нах. Границы слоистых облаков и туманов часто повторяют линию

побережья или следуют вдоль изогипс в горной местности.

В районах, где облачность повторяет неоднородности рельефа,

устойчивый воздушный поток отсутствует. В тех случаях, когда имеет

место устойчивый перенос воздуха над поверхностями с различной

температурой, при переходе воздушной массы от одной поверхности к

другой происходит постепенная трансформация нижнего слоя воздуха,

которая отражается на пространственном распределении кучевообраз-

ных и слоистообразных облаков. Такое перераспределение чаще всего

заметно при переходе воздушной массы с водной поверхности на сушу

или наоборот. При переносе воздуха с холодной водной поверхности

на теплую поверхность суши на космических изображениях облачного

покрова можно заметить так называемые теневые эффекты. Конвек-

тивная облачность начинает развиваться только на расстоянии

100–200 км от береговой линии

, причем граница облачности довольно

точно

стороны холодного водоема в регио-

нально

верхностью, отчетливо повторяет контур береговой линии,

иногд

повторяет конфигурацию берега. В случае крупных внутренних

озер и водоемов облачность на наветренном берегу развивается до са-

мой береговой линии, а иногда даже сносится в прибрежную зону озе-

ра. Подветренное побережье, наоборот, свободно от облаков на рас-

стоянии до 200 км по потоку. Таким образом, по характеру распреде-

ления облачности можно оценить направление ветра и интенсивность

потока (ширина безоблачной зоны возрастает с усилением скорости

ветра) в нижней тропосфере, предусмотреть значительно меньшее ко-

личество облаков с подветренной

м прогнозе погоды.

Необходимо заметить, что теневые эффекты можно обнаружить

и в распределении слоистообразных облаков и туманов. Когда ветер

направлен от моря к суше, область туманов, образовавшихся над мор-

ской по

а распространяясь на несколько километров внутрь побережья.

Если ветер дует с суши на море, то теплый воздух, поступающий с

континента, охлаждается, обогащается влагой и достигает насыщения

не сразу, поэтому на космических изображениях в прибрежной зоне

бывает заметна зона прояснения.

187

Облачные системы, связанные с эффектами трения вблизи

берега.

Изменение характера облачности при переходе с моря на сушу

может быть вызвано не только различием температуры между водной

поверхностью и сушей, но и различной шероховатостью этих поверх-

ностей.

Известно, что над поверхностью суши, имеющей большую ше-

роховатость, в нижней части тропосферы ветер отклоняется от направ-

ления изобар сильнее и имеет меньшую скорость, чем над гладкой по-

верхностью воды. Это приводит к тому, что при направлении воздуш-

ного потока с моря над сушей возникает зона конвергенции (сходимо-

сти), в

ый поток параллелен к береговой линии, то

зона к

ра по отношению к

берегу

ствует интенсивный крупномасштабный воздушный

поток,

ии 30–40 км от

берего

в ут-

которой образуется или увеличивается облачность. При направ-

лении потока с суши в прибрежной области над морем возникает зона

дивергенции (расходимости), в которой происходит размывание

облачности. Если воздушн

онвергенции возникает в прибрежной зоне над морем, когда кон-

тинент находится вправо от направления ветра, и над сушей, когда

континент находится влево от направления ветра. При воздушном по-

токе, параллельном береговой линии, зона дивергенции распространя-

ется на прибрежную часть суши и облачность образуется дальше от

побережья, чем при нормальной ориентации вет

Отмеченные закономерности в перераспределении облачности

вблизи береговой черты можно использовать для оценки направления

воздушного потока по космическим изображениям облачности, полу-

ченным с помощью МСЗ.

Облачные системы, связанные с местной циркуляцией. Если

в атмосфере отсут

а температурные контрасты между различными участками под-

стилающей поверхности достаточно велики, то возникают локальные

циркуляции, наиболее распространенными из которых являются бри-

зы, ветры склонов и горно-долинная циркуляция.

На космических изображениях облачности наиболее отчетливо

прослеживаются облачные системы, связанные с бризовой цирку-

ляцией. Дневной бриз обнаруживается по безоблачной полосе, прости-

рающейся в прибрежной зоне морей и крупных водоемов вдоль бере-

говой линии, и по полосе с максимальным развитием кучевообразной

облачности, располагающейся над сушей на расстоян

вой линии.

В низких широтах бризы наблюдаются в течение всего года, а в

умеренных широтах — только летом. Бризовая циркуляция имеет чет-

кий суточный ход, поэтому данные о распределении облачности

188

ре -

ции, т в прибрежной зоне шириной 20–30 км в течение дня будет

удерж

ь склонов горных хребтов образуются гряды кучевых об-

лаков, а ад долинами — участки, свободные от облачности.

ПОЛЕЙ И ИХ СВЯЗЬ МИ ПРОЦЕССАМИ

е существует. Фронтальная зона, не-

нние часы можно использовать для прогноза. Если утром на косми

еском изображении обнаруживается облачность бризовой циркуля-

иваться малооблачная погода. В районах с выдающимися в море

узкими полуостровами, где происходит слияние бризовых циркуляций,

облачность располагается ближе к береговой линии и имеет большую

мощность, в заливах бризовая циркуляция ослабевает.

Существование горно-долинной циркуляции обнаруживается на

космических изображениях по особенностям в распределении облач-

ности. Вдол

5. МАКРОСТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ОБЛАЧНЫХ

С СИНОПТИЧЕСКИ

Макроструктура космических изображений облачности отра-

жает непрерывную по горизонтали картину распределения облаков,

обладая большей наглядностью, чем обычные данные об облачности

на синоптической карте. Изображение облачности может иметь раз-

личные мезомасштабные и текстурные характеристики, что расширяет

объем информации об облачных полях в конкретных синоптических

ситуациях.

5.5.1. Облачность воздушных масс, атмосферных фронтов

и струйных течений

Перемещаясь из очага своего формирования, воздушная масса

переносит присущий ей характер погоды. Над океанами в однородной

воздушной массе образуются обширные облачные поля, имеющие на

больших пространствах одинаковую структуру. Однако при движении

воздушной массы свойства ее постепенно изменяются, она трансфор-

мируется. Над сушей, например, однообразие внутримассовой облач-

ности нарушается местной циркуляцией. Наиболее резкие изменения

погоды отмечаются на границе между двумя разнородными воздуш-

ными массами. Переходные зоны, известные как фронтальные зоны

или атмосферные фронты, характеризуются повышенными значения-

ми горизонтальных градиентов температуры воздуха и давления, осо-

бенностями в полях ветра и влажности воздуха, облачными системами,

из которых выпадают осадки. Фронт в нижних слоях атмосферы про-

слеживается обычно там, где наблюдается приземная конвергенция

трения. Между атмосферными фронтами и фронтальными зонами на

высотах однозначной связи н

189

преры

онтальной осью в верхней тропосфере или в стратосфере, харак-

теризу

стой или

перист

холодной воздушной массы носит, как

правил

ов в холодной воздушной

массе

ности,

ных районах. Летом над континентами в теплой устойчиво стратифи-

вная на большом протяжении на высотах, в нижнем слое тропо-

сферы часто разделяется на отдельные участки, существует в циклонах

и отсутствует в антициклонах. В области высотной фронтальной зоны

иногда возникает струйное течение — узкий сильный поток с почти

гориз

ющийся вертикальными и горизонтальными сдвигами ветра,

максимумом его скорости. Высотная фронтальная зона является об-

ширной бароклинной областью большой вертикальной мощности, не-

однородной на всем своем протяжении по горизонтали, поэтому

струйное течение сопровождается образованием высокослои

о-слоистой облачности.

Облачность воздушных масс. В однородных воздушных мас-

сах крупномасштабные облачные полосы не встречаются. Внешний

вид внутримассовых облачных полей зависит от стратификации воз-

душной массы, вида подстилающей поверхности, времени года и су-

ток.

Облачность холодных воздушных масс. Над ровной и однород-

ной поверхностью морей и океанов, тепловое состояние которых из-

меняется медленно, облачность

о, конвективный характер, причем поля облачности обладают

однотипной и устойчивой структурой на больших площадях.

Над сушей поля конвективных облак

летом выглядят менее упорядоченными и устойчивыми. Значи-

тельная термическая неоднородность суши создает в теплое время го-

да благоприятные условия для развития конвективных движений, но

большие суточные колебания температуры земной поверхности дела-

ют поля конвективных облаков неустойчивыми во времени, а местная

циркуляция (бризы, горно-долинные ветры) вызывает локализацию

конвективной облачности. Зимой над сушей в холодной воздушной

массе преимущественно ясно.

В холодном влажном воздухе в подинверсионном слое фор-

мируется слоисто-кучевая облачность небольшой вертикальной мощ

как над сушей, так и над морем.

Облачность теплых воздушных масс. Теплая устойчивая воз-

душная масса над материками наблюдается чаще всего в холодную

половину года, а над океанами и морями — в теплую. Процесс образо-

вания внутримассовых слоистых облаков и тумана зависит от характе-

ра подстилающей поверхности. На морских акваториях они обычно

наблюдаются над холодными течениями, а в условиях неоднородной

суши образуются в горных и речных долинах, котловинах, прибреж-

190

цированной воздушной массе облака отсутствуют. В неустойчивом

теплом воздухе над сушей днем развиваются кучевообразные облака.

х снимках наблю-

даютс

ний вид многослойной облачнос-ти, представ-

ляюще

с вкраплениями округлых ярких пятен с резко очерчен-

ными

На космическом изображении, полученном в видимом диапазо-

не спектра излучения, низкие слоистые облака (в теплом секторе ци-

клона) трудно отделить от плотных фронтальных облаков. Их проще

опознать на инфракрасных снимках благодаря значительному тепло-

вому контрасту на верхней границе облачности. Если тепловой кон-

траст между слоистообразными облаками и подстилающей поверхно-

стью на ИК снимках небольшой, то различить их невозможно. Зимой

температура на верхней кромке таких облаков выше, чем у охлажден-

ной подстилающей поверхности и на инфракрасны

я «черные» слоистообразные облака.

Облачность атмосферных фронтов. На космических снимках

эта облачность изображается в виде светлых полос различной ширины,

яркости и структуры. Наиболее широкие и яркие облачные полосы

соответствуют активным фронтам с интенсивными восходящими дви-

жениями влажного воздуха. Фронтальные разделы в поле облачности

прослеживаются значительно дольше, чем в поле других метеорологи-

ческих элементов. Внеш

й сочетание различных форм облаков, и конфигура-ция облач-

ной полосы позволяют определить тип фронта.

Облачность холодного фронта. Эта облачность имеет четкую

структуру в виде яркой полосы шириной 200–300 км и длиной более

1000 км, часто

краями. Облачная полоса имеет хорошо выраженную циклони-

ческую кривизну, а ее ширина заметно уменьшается с увеличением

расстояния от центра облачного вихря. Она достаточно четко отделя-

ется от предфронтальной и зафронтальной облачности сравнительно

безоблачными зонами.

Облачность активных холодных фронтов состоит из кучевооб-

разных или слоистообразных облаков, причем в последнем случае ши-

рина фронтальной полосы несколько больше. Она имеет одинаково

яркий тон изображения как в видимом, так и инфракрасном диапазо-

нах спектра.

Слабоактивным холодным фронтам над водной поверхностью

соответствуют узкие прерывающиеся облачные полосы, над сушей в

зоне таких фронтов облачности мало и их трудно идентифицировать.

Облачность таких фронтов имеет яркий тон изображения на снимках,

полученных в видимом участке спектра, и серый тон — на инфракрас-

ных снимках. Неактивным фронтам соответствуют яркие кучево-

дождевые облака, изолированные друг от друга или вытянутые в виде

191