Все синоптические объекты и процессы находятся в тесной взаимной связи. Поэтому, говоря, например, о воздушных массах, мы уже должны иметь представление и о разделяющих их фронтах; говоря о тех и других, должны иметь представление о циклонической деятельности, которая является формой существования воздушных масс и фронтов во внетропических широтах; говоря о формировании воздушных масс, должны иметь представление о барических системах, являющихся их очагами, и т. д. Поэтому мы предлагаем сводку основных понятий и определений синоптической метеорологии в самой краткой форме.
Поля метеорологических элементов
Пространственное распределение той или иной физической характеристики воздуха, скалярной или векторной, называется полем данной величины. Поле скалярной величины, например температуры или давления воздуха, наглядно изображается эквискалярными поверхностями: изобарическими — в случае давления, изотермическими — в случае температуры, изостерическими — в случае удельного объема, и т. д. В пересечении с поверхностью уровня эти поверхности дают линии равных значений: изобары, изотермы, изостеры и т. д.
Градиентом скалярной величины называется вектор, выражающий. изменение данной величины на единицу расстояния в направлении ее наибольшего падения, т. е. по нормали к эквискалярной поверхности. Горизонтальным градиентом называется проекция градиента в плоскости горизонта. Вектор, равный градиенту по числовой величине и обратный по направлению, называется асцендентом.
Векторное поле, например поле ветра, наглядно представляется векторными линиями, в случае поля ветра — линиями тока, и поверхностями равных числовых значений вектора. Под линией тока имеется в виду линия, проходящая через данную точку поля так, что вектор скорости направлен по касательной к этой линии. Можно строить линии тока и в горизонтальной плоскости, по горизонтальным проекциям ветра.
В барическом поле (поле давления) различаются следующие основные формы распределения давления или барические системы, области низкого давления и области высокого давления. Область низкого давления (Н) с замкнутыми концентрическими изобарами носит название циклона, полоса низкого давления с незамкнутыми изобарами — название ложбины. Область высокого давления (В) с замкнутыми концентрическими изобарами называется антициклоном, а полоса высокого давления с незамкнутыми изобарами — гребнем. Давление имеет минимальное значение в центре циклона и растет к периферии; в антициклоне давление имеет в центре максимальное значение, а к периферии падает. Движение воздуха в северном полушарии происходит в циклоне против часовой стрелки и в антициклоне по часовой стрелке. При этом в свободной атмосфере линии тока почти совпадают с изобарами, а у поверхности земли сходятся к центру циклона и расходятся от центра антициклона в виде спиралей. Изобарические поверхности в циклоне прогнуты вниз в виде воронок, а в антициклоне обращены выпуклостью вверх в виде куполов.
Диаметры циклонов и антициклонов во внетропических широтах измеряются тысячами километров, а давление в центре понижено или повышено на несколько десятков миллибар в сравнении с периферией.
Воздушные массы
Воздушные массы — это те основные структурные элементы, из которых построена тропосфера.
Воздушная масса (ВМ) представляет собой некоторое количество воздуха в тропосфере, по размерам соизмеримое с площадями материков и океанов, обладающее общими свойствами, т. е. достаточной однородностью или непрерывностью в распределении основных метеорологических элементов по горизонтальному направлению. Воздушная масса движется как одно целое в одном из основных течений общей циркуляции атмосферы или же длительно находится над одним и тем же районом в малоподвижном состоянии (чаще всего в устойчивом антициклоне). Горизонтальные размеры воздушных масс измеряются тысячами километров. По вертикали они могут простираться от 1—2 км до верхней границы тропосферы и даже захватывать стратосферные слои.
Различаются воздушные массы теплые, холодные и местные. Теплой (ТМ) воздушная масса называется в том случае, если она поступает в более холодный район, т. е., как правило, в более высокие широты и в особенности на более холодную подстилающую поверхность. Холодной (ХМ) называется воздушная масса, поступающая в более низкие широты и в особенности на более теплую подстилающую поверхность.
Типичный пример теплой массы — воздух, движущийся зимой из субтропических широт Атлантического океана на охлажденный материк Европы. Типичный пример холодной массы — воздух, поступающий поздней весною с Баренцова моря на свободную от снежного покрова и прогретую территорию Европейской части РФ. Другой типичный пример холодной массы зимой — воздух, перешедший с охлажденного материка Северной Америки на теплые воды Атлантического океана.
Теплая масса охлаждается снизу, от более холодной подстилающей поверхности. Поэтому в ней устанавливаются малые вертикальные градиенты температуры, т. е. устойчивая стратификация, по крайней мере в нижнем километре. Условия для конвекции в теплой массе неблагоприятны, и конденсация водяного пара происходит преимущественно в нижних слоях в виде туманов и слоистых облаков, из которых иногда выпадает морось или мелкий снег.
Холодная масса прогревается снизу и приобретает высокие вертикальные градиенты температуры, т. е. неустойчивую стратификацию, по крайней мере в нескольких нижних километрах. Поэтому в ней развивается интенсивная конвекция с образованием кучевых и ливневых облаков; осадки носят бурный, ливневой характер и часто сопровождаются грозами.
Таким образом, характерная теплая масса является массой устойчивой, характерная холодная масса — массой неустойчивой, в смысле устойчивости или неустойчивости вертикальной стратификации.
Кроме теплых и холодных масс, различают еще местные массы (ММ), длительно находящиеся над одним и тем же районом. Они являются либо устойчивыми, либо неустойчивыми, в зависимости от того, охлаждается или нагревается подстилающая поверхность.
Воздушная масса в своем очаге, т. е. в районе своего формирования, будет местной; покидая его, она представляется теплой или холодной. Затем, длительно задержавшись в другом районе, она снова превратится в местную, и т. д.
По географическому происхождению различают следующие типы воздушных масс: арктический воздух (АВ), приходящий в умеренные широты из арктического бассейна; полярный воздух (ПВ), массы которого формируются в умеренных (субполярных) широтах; тропический воздух (ТВ), массы которого формируются в субтропическом поясе и оттекают как в направлении к полюсу, так и в виде пассатов, в направлении к экватору; экваториальный воздух (ЭВ), идущий от экватора к тропикам. В каждом типе различаются морской (м) и континентальный (к) воздух.
Воздушные массы все время формируется заново, как индивиды, и теряют свою индивидуальность. При перемещении в другой географический район они меняют свой характер, трансформируются; например, АВ, переходя в умеренные широты, превращается в ПВ; морской воздух на суше — в континентальный и т. п.
Наиболее устойчивые, медленно меняющиеся свойства воздушных масс называют консервативными свойствами. К таким консервативным свойствам относятся, прежде всего, потенциальная температура, эквивалентно-потенциальная температура, удельная влажность.
Фронты
Фронтом называется переходная зона или, приближенно, поверхность раздела между воздушными массами тропосферы. Эта поверхность наклонена так, что более холодный воздух лежит в виде пологого клина под более теплым. Порядок величины наклона фронтальной поверхности к поверхности земли (т. е. тангенса угла наклона)—0,01. Линия пересечения фронтальной поверхности с поверхностью земли называется линией фронта. Термин „фронт* прилагается как к фронтальной поверхности, так и к линии фронта.
Фронт характеризуется более или менее резкими изменениями основных метеорологических элементов, прежде всего температуры, при переходе от одной воздушной массы к другой, т. е. большими их горизонтальными градиентами. Давление по обе стороны фронта одинаково, но при переходе через фронт меняется направление барических градиентов, а часто и их величина. Ширина зоны фронта— несколько десятков километров, а вертикальная мощность — несколько сот метров.
Если фронт движется в сторону холодного воздуха, он называется теплым фронтом (ТФ). В обратном случае, при движении в сторону теплого воздуха, фронт носит название холодного фронта (ХФ). В случае теплого фронта обычно имеется восходящее скольжение теплого воздуха по отступающему холодному клину, что приводит к образованию в теплом воздухе над поверхностью фронта обширной облачной системы шириной в сотни километров, с обложными осадками. В случае холодного фронта восходящее скольжение развито в более узкой полосе вдоль фронта; облачная система имеет меньшую ширину, но осадки отличаются более бурным, ливневым характером, по крайней мере частично, так как перед продвигающимся вперед холодным клином подъем теплого воздуха особенно интенсивен.
Наблюдаются еще комплексные фронты, так называемые фронты окклюзии, возникающие при смыкании поверхностей теплого и холодного фронтов.
Теплые и холодные фронты являются участками главных фронтов, т. е. фронтов между воздушными массами перечисленных выше основных типов. Различают следующие типы главных фронтов: арктические, полярные и тропические фронты.
Южная граница арктической воздушной массы носит название арктического фронта (АФ). Южная (в северном полушарии) граница полярной воздушной массы носит название полярного фронта (ПФ). Следовательно, арктический фронт есть граница между арктическим и полярным воздухом, полярный фронт есть граница между полярным и тропическим воздухом. Наконец, граница между тропическим и экваториальным воздухом называется тропическим фронтом (ТФ).
От главных фронтов отличаются вторичные фронты, внутри основной воздушной массы, например отделяющие континентальный полярный воздух от морского полярного.
Фронты в тропосфере все время возникают заново и размываются.
Циклоническая деятельность
Внетропические циклоны развиваются преимущественно в воздушных массах у главных фронтов — полярного и арктического.
В первой стадии развития, в стадии так называемого молодого циклона, главный фронт, проходя через центр циклона, в передней части его принимает характер теплого фронта и в тыловой части — характер холодного фронта Часть циклона, расположенная в теплом воздухе между этими фронтами, называется теплым сектором. Во второй стадии — окклюдированного циклона — теплый и холодный фронты в области циклона сомкнуты в один фронт окклюзии. Этот процесс смыкания фронтов носит название окклюзии, или окклюдирования циклона. После окклюзии циклон более или менее быстро затухает.
Циклоны являются областями преобладающего восходящего движения воздуха, как фронтального, так и вследствие общей конвергенции воздушных течений в нижних слоях. Поэтому циклон в общем характеризуется значительной облачностью и осадками. Смена воздушных масс при прохождении циклона часто сопровождается резкими колебаниями температуры. Сила ветра в области циклона повышена.
Антициклоны в нижних слоях развиваются внутри однородных воздушных масс; фронтальные поверхности не пересекаются во внутренней области антициклона с поверхностью земли и не обладают восходящим скольжением теплого воздуха. Напротив, в антициклоне развиваются нисходящие движения воздуха, приводящие к образованию в свободной атмосфере инверсий температуры. Вследствие преобладания нисходящих движений облачность в антициклонах в общем мала и осадки отсутствуют. Впрочем, в антициклоне возможно образование в нижних слоях туманов и слоистых облаков с моросью, вследствие охлаждения воздуха от подстилающей поверхности.
На одном и том же главном фронте обычно возникает серия циклонов из нескольких членов с промежуточными антициклонами между ними. Отдельный циклон существует несколько дней, перемещаясь вдоль фронта со скоростью в несколько десятков километров в час в направлении течения в теплом воздухе. Наиболее часто циклоны перемещаются от западной половины горизонта к восточной, а средняя скорость их — 30—45 км/час. Обширная и глубокая область низкого давления, возникшая в результате слияния отдельных циклонов серии, так называемый центральный циклону может сохраняться много дней подряд в малоподвижном состоянии. Скорости и направления перемещения антициклонов в общем те же, но антициклоны чаще могут „стабилизироваться*, т. е. на длительное время оставаться в малоподвижном состоянии над одним и тем же районом.
Общая циркуляция атмосферы
Общей циркуляцией атмосферы называется совокупность атмосферных течений большого, „планетарного" масштаба, которые могут быть прослежены с помощью синоптических карт. Сюда относятся течения, переносящие воздушные массы во внетропических широтах, а также пассаты и муссоны в тропиках.
При постоянных изменениях общей циркуляции многие существенные ее особенности сохраняются постоянно или повторяются из года в год в одни и те же сезоны, создавая климатические особенности того или иного района. Эти устойчивые особенности общей циркуляции особенно хорошо можно изучить на климатологических картах среднего распределения давления и ветра. Распределение давления существенно учитывать при анализе общей циркуляции потому, что движение воздуха связано с распределением давления барическим законом ветра (оправдывающимся и для средних величин).
В экваториальном поясе давление в нижней части тропосферы понижено в течение всего года (экваториальная депрессия). По обе стороны от этого пояса, в тропиках и субтропиках, давление круглый год повышено; только летом в этих широтах над перегретыми материками (северная Африка, южная Азия, Мексика, Австралия, южная Америка и южная Африка) давление в самой нижней части тропосферы понижено. На климатических картах в тропиках и субтропиках располагаются так называемые субтропические антициклоны; максимальные значения давления в них приходятся на широты около 30—40°. На уровне моря это азорский антициклон над северным Атлантическим океаном, гонолульский антициклон над северным Тихим океаном и три антициклона над океанами южного полушария (зимою четвертый—над Австралией). Это не значит, конечно, что в каждом таком районе имеется один и тот же постоянный антициклон; область высокого давления на средней карте лишь отражает преобладание антициклонов в данном районе над циклонами.
Из субтропических антициклонов к экватору в нижней части тропосферы дуют устойчивые по направлению ветры умеренной силы — пассаты, северо-восточные в северном полушарии и юго-восточные в южном. Вблизи экватора пассаты обоих полушарий встречаются. Поверхности раздела между ними — тропические фронты (на климатических картах им соответствует так называемая экваториальная зона затишья) — лежат над океанами в общем несколько севернее экватора. Но над Индийским океаном и западом Тихого океана тропический фронт отделяет зимой (северного полушария) юго-восточный пассат от континентального муссона — воздушного течения, дующего с охлажденного материка Азии, и лежит к югу от экватора, примерно по 10° ю. ш. Летом юго-восточный пассат переходит через экватор на нагретый материк Азии, превращаясь в юго-западный океанический муссон, и проникает до Гималаев; тропический фронт между муссоном и континентальными воздушными массами располагается соответственно этому над материком, под 25—30° с.ш.
В верхней половине тропосферы области высокого давления смещены к экватору, и над пассатами наблюдаются противоположно направленные ветры, переносящие воздух от экватора к субтропикам: антипассаты, юго-западные —- в северном полушарии и северо-западные — в южном.
Из океанических антициклонов оттекают в направлении к высоким широтам массы морского тропического воздуха, преимущественно с юго-западными течениями. Аналогичным образом массы континентального тропического воздуха временами оттекают к северу из материковых районов субтропиков (например: Сахара, Аравия, юг Северной Америки), а летом — и из пустынных и степных районов более высоких широт (юг Европейской территории РФ, Казахстан, Средняя Азия, Монголия, южная часть США). В умеренных широтах тропический воздух встречается с более холодными воздушными массами полярного воздуха. Поверхности раздела между тропическим и полярным воздухом, полярные фронты, наблюдаются чаше всего в широтах около 45—50°.
В каждом полушарии можно найти одновременно по нескольку полярных фронтов как над океанами, так, в особенности летом, и над материками.
Летом зоны образования полярных фронтов над сушей значительно смещаются в более высокие широты. Над океанами зоны полярных фронтов летом также несколько смещены к более высоким широтам.
Образование циклонов на полярных фронтах приводит к тому, что давление в умеренных широтах в общем понижено. В среднем минимальное давление приходится на широты около 60—65°, так как центры особенно глубоких циклонических возмущений — центральных циклонов — располагаются в полярном воздухе именно в этих широтах.
Зимой циклоническая деятельность в умеренных широтах развивается преимущественно над морями, и на средней климатологической карте можно видеть глубокую исландскую депрессию на севере Атлантики и столь же глубокую алеутскую депрессию на севере Тихого океана. Над холодными материками зимой, напротив, преобладают устойчивые антициклоны; поэтому на зимней климатологической карте можно видеть огромный азиатский (или сибирский) антициклон и значительно менее мощный антициклон над Северной Америкой — канадский. Летом океанические депрессии на средней карте ослабевают, но зато усиливается циклоническая деятельность на материках, в результате которой на летних климатических картах появляется обширная депрессия над Азией (азиатская или южно-азиатская) и менее значительная над Северной Америкой.
В зоне от 35—40 и до 60—65°, по полярной (в северном полушарии—северной) периферии субтропических антициклонов и по экваториальной (в северном полушарии—южной) периферии внетропических депрессий, создается перенос воздуха с запада на восток. Поэтому преобладающие ветры в этих широтах как в тропическом, так и в полярном воздухе будут западной четверти. Но меридиональные слагающие в течениях умеренных широт обусловливают перенос полярного воздуха к тропикам и тропического к полюсу. Эти меридиональные слагающие появляются в результате циклонообразования на полярных фронтах: в передней части каждого циклона тропический воздух течет в направлении к полюсу—сначала у поверхности земли, а потом, в более высоких слоях, — над полярным воздухом; в тыловой части каждого циклона полярный воздух течет в направлении к тропикам. Так осуществляется обмен воздуха между высокими и низкими широтами земли.
Под широтами около 70—75° возникают арктические фронты между полярным воздухом (воздухом умеренных широт) и арктическим воздухом. На этих фронтах также происходит образование циклонов, менее интенсивное, в результате которого арктический воздух вторгается в более низкие широты, а более теплый полярный воздух из умеренных широт проникает в Арктику.
В самой Арктике преобладает повышенное давление, особенно зимой, что отражается и на климатических картах (арктический антициклон). То же имеет место и в Антарктике. В результате преобладающие ветры в Арктике в нижних слоях будут восточные (по южной периферии арктических антициклонов). Но в верхней половине тропосферы давление убывает в меридиональном направлении от экватора до самого полюса. Поэтому, начиная с высоты около 4 км, преобладающее направление ветра и в Арктике будет западное, так же как в тропических и умеренных широтах.
Народные приметы, связанные с облаками и воздушными фронтами
Если встать спиной к ветру, то ухудшение погоды следует ждать только слева, но никогда не справа. Поэтому любое облако справа никакой перемены погоды не несет.
Самые верные признаки ненастья — это обычно облака и ветер.
Если приближается теплый фронт (теплый воздух надвигается на холодный, а холодный воздух отступает), главные предвестники непогоды — высокие перистые облака. Их видно на расстоянии 100—200 км. Они на 400—500 км опережают первые осадки и проходят на 12—16 часов раньше облаков нижнего яруса, из которых выпадает дождь или снег.
Если приближается холодный фронт (теплый воздух отступает, а холодный воздух растекается вслед за ним), то ему чаще предшествуют облака в виде небольших клубочков, называемых в повседневной жизни «барашками». Осадки можно предсказать по характеру облачности не более чем за 3—5 часов, а чаще туча появляется настолько неожиданно и движется так быстро, что это можно сделать всего за 30—40 минут.
Облака — предвестники пенастья — всегда появляются на самом краю горизонта, сгущаясь на одной его стороне. Распространяясь по небу, они все время остаются наиболее плотными на той стороне горизонта, где они впервые появились.
Беспорядочно разбросанные по небу облака обычно не являются предвестниками ненастья.