Облака верхнего яруса в зоне теплого фронта

Для более детального анализа пространственной структуры облаков теплого фронта рассмотрим состояние наименее изученной части фронтального облачного массива — облаков верхнего яруса.

С этой целью наряду с сообщениями экипажей высотно-скоростных самолетов и результатами наблюдений бортаэрологов, участвовавших в полетах на ТУ-104 и ИЛ-18, были привлечены материалы самолетного зондирования, производившегося ЦАО во Внуково за 1952—1957 гг. Эти материалы опубликованы в аэрологических ежегодниках. Они являются весьма ценными для анализа состояния облачности в верхней тропосфере, так как наблюдения с борта самолета производились квалифицированными метеоспециалистами, а полеты были весьма регулярными.

До 1955 г. зондирование облачности проводилось два раза в сутки, а с 1955 г. — три раза в сутки. О регулярности зондирований свидетельствует следующее. За период с 1952 по 1957 г. лишь в 10% случаев зондирований по тем или иным причинам не было, в том числе около 8% за период с 1953 по 1957 г. Таким образом, этими зондированиями охвачены практически все проходившие через Внуково фронтальные облачные системы.

Средняя высота самолетного зондирования и число зондирований за каждый год показаны на рис. 9. Всего проанализирован 4881 подъем. К сожалению, потолок подъема самолетов был сравнительно небольшим — немного более 6 км. Тем не менее он достигал уровня, начиная с которого облака относятся к верхнему ярусу. На предельной высоте подъема самолета бортаэролог отмечал состояние неба выше потолка подъема, записывал количество и формы облаков. На основании результатов синоптического анализа этого материала можно сделать ряд важных выводов об облачности в верхней тропосфере, которые будут изложены ниже.

Рис. 9. Средняя высота самолетного зондирования во Внуково за 1952—1957 гг. (Здесь и дальше в скобках указано число зондирований.)

а) Вероятность облаков верхнего яруса в зоне теплого фронта. До недавнего времени вопрос о вероятности образования облаков верхнего яруса в зонах атмосферных фронтов, и в частности в зоне теплого фронта, не был предметом дискуссии. К настоящему времени имеются две точки зрения.

Согласно первой из них, облака верхнего яруса образуются преимущественно в зонах атмосферных фронтов, где создаются значительные контрасты температуры и влажности воздуха, происходит упорядоченный его подъем и адиабатическое охлаждение, а также имеет место повышенный турбулентный обмен воздуха между нижними слоями тропосферы и вышележащими слоями.

Особенно благоприятные условия для образования верхней облачности бывают в зонах теплых фронтов. Облака верхнего яруса в ряде случаев могут возникать и в однородных воздушных массах, в особенности на западной периферии антициклона, однако такие случаи бывают реже по сравнению с атмосферными фронтами. Эти выводы согласуются с современными теоретическими исследованиями образования и эволюции слоистообразных облаков.

Вторая точка зрения, по существу, противоположна первой и сводится к тому, что образование облаков верхнего яруса равновероятно как на фронтах, так и вне их.

Поскольку прогноз облаков верхнего яруса в настоящее время составляется главным образом на основании установленных связей облачности с определенными синоптическими положениями и с полями других метеорологических элементов, необходимо рассмотреть, какая точка зрения ближе отражает действительное состояние верхней облачности. Посмотрим, на основании чего сделаны выводы в том и другом случае.

Выводы работ основываются на данных синоптико-статистического и аэрологического анализа наблюдений за состоянием облачности, произведенных в период полетов в верхней тропосфере. Результаты работы базируются на материалах наблюдений за большой ряд лет, полученных во время систематического самолетного зондирования во Внуково. Качество этого материала, как уже говорилось, весьма высокое, так как наблюдения и их обработка производились высококвалифицированными специалистами ЦАО.

Вывод, сделанный в работе, не согласуется с повседневной синоптической практикой и обусловлен, по нашему мнению, тем, что методика обработки материала выбрана неудачно. Из большого числа наблюдений были отобраны только случаи с облачностью верхнего яруса 4 балла и более и лишь в дневные сроки зондирования; не включены в исследование те наблюдения, когда из-за недостаточного потолка подъема самолета облака не могли быть прозондированы, а также случаи, когда выше потолка подъема самолета наблюдались высокие облака среднего яруса, которые могли быть фронтальными и выше которых могла наблюдаться верхняя облачность.

Этим самым из исследования исключена значительная часть фронтальной облачности большой вертикальной мощности и облаков верхнего яруса приближающихся атмосферных фронтов. Если проанализировать все случаи наблюдавшейся облачности верхнего яруса независимо от ее количества, то картина существенно изменится.

Произведенный нами синоптико-статистический анализ результатов самолетного зондирования во Внуково за 1952— 1957 гг. показывает, что из 4556 зондирований, охватывавших подавляющую массу материала, около 80% всех облаков, которые наблюдались выше потолка подъема самолета (включая и случаи, когда облачность не могла быть пробита), приходится на атмосферные фронты. Об этом говорят данные табл. 14.

Таб. 14. Повторяемость (в %) облаков выше 6 км при различной синоптической обстановке (Внуково, 1952—1957 гг.)

Принимая во внимание, что в теплом секторе циклона часто наблюдаются остатки фронтальной облачности, в особенности облаков теплого фронта, повторяемость фронтальных облаков в оба полугодия становится еще более высокой.

Если рассмотреть всю фронтальную облачность верхнего яруса, то оказывается, что в оба полугодия на теплых фронтах облаков наблюдается больше, чем на других фронтах. Это хорошо видно из табл. 15.

Таб. 15. Распределение (в %) фронтальных облаков верхнего яруса между различными типами фронтов

В холодное полугодие 73%, а в теплое 45% всех фронтальных облаков верхнего яруса связано с теплыми фронтами и фронтами окклюзии по типу теплого фронта.

Здесь необходимо обратить внимание на два обстоятельства. Во-первых, данные табл. 15 нельзя рассматривать как повторяемость фронтов, так как число случаев, при которых выше потолка подъема самолета было безоблачно в зоне различных фронтов, неодинаковое. Во-вторых, приведенные в табл. 15 и 16 данные характеризуют повторяемость облаков по наблюдениям в одном пункте, и их нельзя отождествлять с данными, полученными для всей зоны фронта по наблюдениям во время рейсовых полетов.

При маршрутном полете в зоне фронта вероятность встречи с облаками верхнего яруса значительно возрастает, так как облака могут наблюдаться если не в одной, так в другой части фронтальной облачной системы, в то время как при зондировании над данным пунктом их может и не быть. Лишь в том случае, когда облака верхнего яруса располагаются над всем фронтальным облачным массивом, данные наблюдений в одном пункте будут совпадать с данными наблюдений, произведенных с борта высотного самолета, пересекающего атмосферный фронт. Такие случаи очень редки, так как облачный массив в верхней тропосфере, как уже говорилось, чаще всего бывает расчленен на несколько частей.

Что касается облаков верхнего яруса, не связанных с атмосферными фронтами, то для сопоставления они приведены в табл. 16.

Таб. 16. Повторяемость (в %) различного состояния неба по наблюдениям на высоте потолка подъема самолета-зондировщика (Внуково, 1952—1957 гг.)

Детальные данные о состоянии облачности на высотах более 6 км приведены в табл. 17. Они свидетельствуют о том, что облака в верхней тропосфере (не считая следов облаков) в зонах атмосферных фронтов наблюдаются чаще, чем в однородных воздушных массах. Повторяемость облаков выше 6 км на фронтах равна в холодное полугодие 39,8%, в теплое полугодие 60,1%. В однородных воздушных массах повторяемость соответственно равна 15,6 и 31,2%. Среди различных типов фронтов более значительную повторяемость облачности имеют теплые фронты и фронты окклюзии. Облачность теплого сектора циклона более близка к фронтальной, чем к внутримассовой.

В табл. 17 обращает на себя внимание высокая повторяемость безоблачного неба выше 6 км в зонах атмосферных фронтов, в том числе в зоне теплого фронта. Она объясняется двумя обстоятельствами. Во-первых, тем, что проанализированы практически все случаи самолетного зондирования, специально рассмотрено состояние облачности на всех фронтах независимо от их активности. Здесь представлены не только атмосферные фронты с хорошо развитыми облачными системами, простирающимися в верхнюю тропосферу, но и фронты с разрушающимися облаками, когда облачности в верхней тропосфере уже не было. Во-вторых, фронтальные облака верхнего яруса не всегда представляют собой сплошной облачный массив, расположенный над высоко-слоистыми и слоисто-дождевыми облаками.

Многочисленные наблюдения, произведенные нами во время полетов на самолетах ТУ-104 и ИЛ-18, показывают, что в ряде случаев облачный массив верхней тропосферы бывает расчленен на отдельные полосы облаков, чередующиеся с безоблачными промежутками большой ширины. Прохождение безоблачного промежутка над данным пунктом могло совпадать со сроком зондирования. Такой характер поля облаков верхнего яруса обусловлен неоднородностью поля ветра и волновыми движениями тропопаузы и прилегающих к ней слоев верхней тропосферы. Кроме того, сильные ветры в зонах атмосферных фронтов могут выносить облака верхнего яруса в переднюю часть фронтальной зоны, и вблизи линии фронта выше 6 км бортаэролог будет отмечать безоблачное небо.

Анализ данных о вероятности образования облаков верхнего яруса при различном характере высотного барического поля также подтверждает связь верхней облачности с атмосферными фронтами. Это хорошо видно из рис. 10 и 11, на которых сплошными линиями показаны изогипсы на изобарической поверхности АТ₃₀₀, а пунктирными — изолинии повторяемости облаков верхнего яруса (перистых, перисто-слоистых и перисто-кучевых, вместе взятых). Данные получены по 4556 зондированиям во Внуково за 1952—1957 гг.

Рис. 10. Вероятность облаков верхнего яруса при различном характере деформационного поля на АТ₃₀₀ в районе Москвы (холодное полугодие)

Рис. 11. Вероятность облаков верхнего яруса при различном характере деформационного поля на АТ₃₀₀ в районе Москвы (теплое полугодие)

Из рисунков видно, что наибольшая вероятность облаков имеет место в высотных фронтальных зонах, с которыми чаще всего бывают связаны и хорошо выраженные приземные атмосферные фронты. Что касается центральных областей циклонов и антициклонов, то вероятность верхней облачности здесь минимальная. Особенно значительная вероятность облаков верхнего яруса наблюдается в передней части высотного циклона, где обычно проходят теплые фронты. Повторяемость их здесь достигает в холодное полугодие более 40%, а в теплое — более 60%. Полученные результаты хорошо согласуются с исследованиями И. Г. Пчелко, Г. Д. Решетова, В. И. Унукова, И. В. Бугаевой и Н. Н. Романова.

Пчелко нашел, что вероятность наличия перистых или перисто-слоистых облаков на атмосферных фронтах составляет около 80%, в то время как в центральных частях циклонов она равна всего 14%. Согласно Унукову и Решетову, перистых облаков бывает обычно больше в передних частях высотных ложбин, где на приземных синоптических картах, как правило, располагаются атмосферные фронты. Аналогичную картину получили Бугаева и Романов, анализируя высоту верхней границы при разных синоптических положениях. По их данным, высота верхней границы наиболее значительна над передней частью высотной ложбины, в то время как над центрами циклонов она обычно не развивается до верхней тропосферы.

Эти результаты согласуются также с теоретическими исследованиями Л. Т. Матвеева, И. П. Ветлова, С. И. Титова, Е. П. Борисенкова и ряда других авторов, показывающими, что в области высотных фронтальных зон создаются наиболее благоприятные условия для развития облачности.

Из всего сказанного можно сделать вывод, что облака верхнего яруса в различных синоптических ситуациях образуются не с одинаковой вероятностью. Чаще они наблюдаются в зонах атмосферных фронтов, где для их образования имеются наиболее благоприятные условия. Из различных типов фронтов верхняя облачность наблюдается чаще всего в зоне теплого фронта.

Наличие или отсутствие облаков верхнего яруса на теплом фронте в значительной степени зависит от того, с каким циклоном связан фронт. На фронтах, связанных с углубляющимися циклонами, где упорядоченным подъемом охватываются не только нижние и средние слои атмосферы, но и верхние, образование облаков верхнего яруса более вероятно и они наблюдаются чаще.

Таб. 18. Повторяемость (в %) облаков в зоне теплого фронта для углубляющихся и заполняющихся циклонов (Внуково)

В заполняющихся циклонах, характеризующихся более неоднородным полем вертикальных движений, облака теплого фронта начинают разрушаться, их становится меньше. Этим и объясняется тот факт, что на теплых фронтах в углубляющихся циклонах облака верхнего яруса наблюдаются в холодное полугодие с повторяемостью около 72%, в теплое 76%, а на фронтах в заполняющихся циклонах — соответственно 38 и 68%) (табл. 18).