Атмосферные фронты

Фрагмент из руководства по краткосрочным прогнозам погоды под редакцией редакцией д-ра физ.мат. наук Н. Ф. Вельтищева

Классификация фронтов. Атмосферные фронты — переходные зоны или поверхности раздела между различными по свойствам воздушными массами, как правило, характеризующиеся относительно повышенными значениями горизонтальных градиентов температуры воздуха и давления, а также особенностями в полях ветра и влажности воздуха. С атмосферными фронтами связаны наиболее сложные условия погоды, опасные и особо опасные явления.
Атмосферные фронты разделены на группы в зависимости от различных условий и признаков:
а) по их перемещению относительно расположения разделяемых фронтами воздушных масс;
б) по пространственной (вертикальной и горизонтальной) протяженности и циркуляционной значимости;
в) по географическим признакам.
По относительному перемещению фронты разделяют на теплые, холодные, малоподвижные, фронты окклюзии (теплые, холодные и нейтральные).
По пространственной протяженности и циркуляционной значимости фронты разделяются на основные (тропосферные, высокие), вторичные (приземные, низкие) и верхние.
По географическим признакам фронты разделяются на арктические и полярные (фронты умеренных широт). Выделяется также внутритропическая зона конвергенции (ВЗК), называемая ранее тропическим фронтом.
Вертикальную протяженность фронтов определяют по полю температуры, используя для этого, в первую очередь, карту Вертикальную протяженность фронтов определяют по полю температуры, используя для этого, в первую очередь, карту ОТ5001000. Если по карте ОТ5001000 четко видна фронтальная зона, соответствующая фронту у поверхности Земли, то какой фронт называют основным (тропосферным, высоким). У основных фронтов скачок температуры при переходе через линию фронта у поверхности Земли обычно превышает 5°С. В высотной фронтальной зоне, связанной с основным фронтом, контрасты температуры в средней тропосфере обычно превышают 8°С/1000 км (градиент относительного геопотенциала ОТ5001000 более 16 гп. дам/1000 км). Фронты, определяемые по географическому признаку (арктические, полярные, а также ВЗК) являются основными.
Фронты, которые существуют у поверхности Земли, но в поле температуры на высотах либо совсем не обнаруживаются, либо прослеживаются до небольшой высоты (часто не видны уже на поверхности 850 гПа), относятся ко вторичным (приземным, низким). Холодные вторичные фронты чаще всего образуются в тылу циклонов при возникновении сходимости потоков в нижних слоях атмосферы.
Верхними называются фронты, отсутствующие у поверхности Земли, но достаточно хорошо выраженные на высотах. Они могут быть обнаружены только по характеру облачности и осадкам или одновременно и в поле температуры на каком-либо уровне. Причины образования верхних фронтов различны. Например, они могут образовываться вследствие фронтогенеза, возникшего лишь в верхних слоях тропосферы, или вследствие размывания фронта у поверхности Земли, но еще сохранившегося на высотах. Верхний фронт возникает также в процессе окклюдирования как один из компонентов фронта окклюзии. Наконец, зимой верхним может быть замаскированный у поверхности Земли фронт, перемещающийся над тонким приземным слоем сильно выхоложенного воздуха. Такой слой в течение длительного времени может сохраняться над одним и тем же районом, не участвуя в общем движении воздуха. В ряде случаев по данным на синоптических картах крупного масштаба, также по данным спутниковых и радиолокационных наблюдений обнаруживаются узкие зоны конвективной облачности, часто с грозами и шквалами (линии неустойчивости, линии шквалов), а также другие циркуляционные разделы (разделы вдоль берега моря, кромки арктических льдов и т.п.), по ряду признаков сходные с атмосферными фронтами, но не являющиеся ими. О линиях неустойчивости несколько подробнее будет сказано далее.

Высотные фронтальные зоны. Зоны относительно повышенных горизонтальных градиентов температуры (и давления), прослеживаемые на картах барической топографии, называют высотными фронтальными зонами (ВФЗ).
Прохождение ВФЗ вызывает значительные локальные изменения метеорологических величин не только в нижней и средней тропосфере, но и в верхней тропосфере и нижней части стратосферы.
Тропопауза в ВФЗ или сильно наклонена, или разорвана. Стратосфера в холодном воздухе начинается на меньшей высоте, чем в теплом. Таким образом, когда в холодной стороне ВФЗ понижение температуры с высотой прекращается, на противоположной ее стороне температура еще продолжает понижаться. Вследствие этого выше уровня тропопаузы в холодном воздухе горизонтальный градиент температуры быстро уменьшается. Затем его направление меняется на противоположное, а значение постепенно возрастает и достигает максимума в большинстве случаев на уровне тропопаузы теплого воздуха. Выше этого уровня горизонтальные градиенты температуры обычно снова уменьшаются.
В результате при большой разности высот тропопаузы с разных сторон тропосферной фронтальной зоны в нижней части стратосферы также возникает фронтальная зона. Она наклонена в противоположную сторону по сравнению с наклоном фронтальной зоны в тропосфере и отделена от нее слоем с малыми горизонтальными градиентами температуры. В стратосфере могут возникнуть зоны больших горизонтальных градиентов температуры, явно не связанные с тропосферными фронтальными зонами. Главную роль в их образовании играют радиационные факторы.
В ВФЗ направление изотерм с высотой изменяется мало; ветер стремится принять направление, параллельное изотермам средней температуры нижележащего слоя воздуха, и усиливается, переходя в верхней части тропосферы в струйные течения. Таким образом, фронтальные зоны характеризуются как большими горизонтальными градиентами температуры, так и значительными скоростями ветра. Однозначной связи между фронтальными зонами на высотах и атмосферными фронтами не существует. Нередко два примерно параллельных друг другу фронта, хорошо выраженных внизу, сливаются в верхних слоях в. одну широкую фронтальную зону. В то же время не всегда при наличии фронтальной зоны на высотах существует фронт у поверхности Земли. Фронт в нижних слоях отмечается, как правило, там, где наблюдается приземная конвергенция трения. При дивергенции ветра признаки существования фронта обычно отсутствуют.
Таким образом, фронтальная зона, непрерывная на большом протяжении на высотах, в нижнем слое тропосферы часто разделяется на отдельные участки — существует в циклонах и отсутствует в антициклонах. В средней и верхней тропосфере высотные фронтальные зоны часто опоясывают все полушарие Земли. Такие фронтальные зоны называются планетарными.
Изменение контраста температуры в области фронтальной зоны определяется в первую очередь характером горизонтального переноса воздуха с различной температурой. Существенную роль играют также вертикальные движения и трансформация воздуха. В обширных горных районах с высокими горными цепями на изменение контраста температуры сильно влияет рельеф.
В фронтальных зонах концентрируются большие запасы энергии, поэтому в них, как правило, сильно изменяется давление и происходят процессы цикло- и антициклогенеза. Здесь развиваются интенсивные вертикальные движения. С планетарными фронтальными зонами неразрывно связаны струйные течения.

Пространственная структура атмосферных фронтов. Атмосферный фронт не является геометрической поверхностью, не имеющей толщины, а представляет собой некоторый переходный слой, в котором происходит изменение основных метеорологических величин (температуры, ветра, влажности, давления), существенное для динамики атмосферы.

Вертикальный разрез фронтального переходного слоя (масштаб по вертикали и горизонтали различен). L - ширина переходной зоны, h - толщина переходного слоя.

На любом уровне фронт представляет собой не линию, а некоторую переходную зону, а условная линия фронта находится посреди этой зоны.
Переходная зона у поверхности Земли имеет ширину несколько десятков километров, а толщина переходного слоя в вертикальной плоскости составляет несколько сотен метров. Горизонтальная протяженность линии фронта составляет сотни и тысячи километров. При анализе синоптических карт фронт проводится в виде одной линии. Лишь на вертикальных разрезах атмосферы крупного масштаба иногда удается разделить нижнюю и верхнюю границы переходного слоя. Угол наклона фронтальной поверхности к горизонту составляет примерно 1°. Установлено, что тангенс угла наклона фронта имеет порядок 0,01—0,03, а для катафронтов — около 0,001.
Известные теоретические формулы наклона фронтальной поверхности неприменимы к пограничному слою атмосферы, так как при их получении не учитывались особенности распределения ветра в этом слое: здесь при прочих равных условиях в холодных фронтах профиль является более крутым, чем в теплых фронтах.
При сильных ветрах фронтальная поверхность вблизи линии приземного фронта в связи с турбулентным перемешиванием выражена нечетко и определение наклона ее затруднено.
Еще более важным следствием отклонения приземного ветра от геострофического является конвергенция ветра вдоль линии фронта. Вследствие конвергенции замедляется движение фронта и усиливается восходящее движение теплого воздуха вдоль фронтальной поверхности. По этой же причине в действительности отсутствуют абсолютно стационарные фронты. Если линия фронта параллельна изобарам, то все же происходит хотя бы и небольшое перемещение линии фронта. На наличие восходящих движений вдоль поверхностей малоподвижных фронтов, в частности, указывают наблюдающиеся здесь зоны облачности и осадков.

Назад в раздел