Связь облаков верхнего яруса с тропопаузой

Исследование связи облаков верхнего яруса с тропопаузой имеет большое практическое значение.

Принципиально важными в этом отношении являются работы И. А. Клемина о структуре тропопаузы и причинах ее образования. Из них следует, что тропопауза представляет собой сложный переходный слой между тропосферой и стратосферой, состоящий из верхней возмущенной тропосферы и субстратосферы, разделенных поверхностью минимальной температуры (характеристической поверхностью тропопаузы). Ряд плодотворных идей Клемина успешно развит в работах И. Г. Пчелко, Ю. Н. Волконского, Ф. Н. Стельмах, Г. И. Коган-Белецкого, Н. В. Петренко и др., что позволило разработать ряд практических рекомендаций в целях метеорологического обеспечения авиации.

Тропопауза чаще всего имеет изотермическое или инверсионное распределение температуры и в сравнительно редких случаях характеризуется продолжающимся с высотой понижением температуры. Об этом можно судить по данным табл. 23.

Таб. 23. Распределение различных типов тропопаузы при облаках верхнего яруса в районе Ленинграда за 1957—1961 гг. (повторяемость в %)

В данном случае изотермической тропопаузой считался такой ее тип, когда значительное понижение температуры в верхней тропосфере сменялось уменьшением вертикального температурного градиента и переходом в слой тропопаузы с хорошо выраженной изотермией, слабой инверсией или слабым падением температуры. Инверсионная тропопауза представляла собой такой случай, когда падение температуры в тропосфере переходило в слое тропопаузы в инверсию, а затем в изотермию или слабую инверсию.

Сложная тропопауза характеризовалась падением температуры в верхней тропосфере, изотермией в самом слое тропопаузы, переходившей в инверсию, и изотермией в нижней стратосфере. Многослойная тропопауза была очень редким явлением (наблюдалась лишь в 2% всего числа зондирований атмосферы) и в исследование не включена.

Вследствие указанного распределения температуры с высотой тропопауза является задерживающим слоем. Под тропопаузой скапливается водяной пар, аэрозольные элементы и другие примеси. Температура слоя верхней возмущенной тропосферы, содержащего эти примеси, понижается в результате излучения, что создает условия, благоприятные для образования облаков верхнего яруса.

Аэрозольные примеси, способствующие возникновению верхней облачности, подробно исследованы прожекторным зондированием атмосферы. На рис. 19 приведены результаты одного из таких зондирований, позволяющие наглядно судить об увеличении концентрации аэрозолей в зависимости от распределения температуры. На этом рисунке показана высотная зависимость направленного коэффициента рассеяния света в синем, зеленом и красном фильтрах в аэрозольном слое тропопаузы без учета ослабления света в нем и распределение температуры с высотой. Зондирование произведено 23 сентября 1949 г. в Московской области. Аэрозоль в слое тропопаузы и прилегающих к ней слоях, как показывают исследования, имеет конденсационное происхождение.

Рис. 19. Пример аэрозольного слоя в области тропопаузы в районе Москвы: 1 – синий фильтр, 2 – зеленый, 3 - красный

Особенно благоприятные условия для образования облаков верхнего яруса под тропопаузой возникают в зоне теплого фронта, когда в верхней тропосфере наблюдается адвекция относительно теплого, влажного воздуха и его упорядоченный подъем.

Связь облаков верхнего яруса с тропопаузой впервые была обнаружена в 1910 г. М. М. Рыкачевым путем сопоставления высот тропопаузы и нижней границы верхней облачности, определявшейся фотограмметрическим способом. С тех пор связь облаков верхнего яруса с тропопаузой прямо или косвенно исследовалась во многих работах отечественных и зарубежных ученых, постоянно приходивших к выводу о наличии указанной связи.

На основании обработки и анализа данных о верхней облачности, полученных от экипажей высотно-скоростных самолетов, и радиозондирования в 1954 г. автором была установлена связь высоты верхней границы облаков с высотой тропопаузы. К настоящему времени исследованы основные закономерности этой связи над различными географическими районами.

Выяснено, что высота верхней границы облаков при всех синоптических положениях, в том числе и на теплых фронтах, наиболее тесно связана с началом тропопаузы, а не с ее характеристической поверхностью. На рис. 16—18, 20 и 21 высота тропопаузы обозначает высоту ее начала. Над ЕТС среднее расстояние между верхней границей облаков и началом тропопаузы составляет 1,5—1,7 км. Зимой высота верхней границы облаков ближе примыкает к началу тропопаузы, чем летом. В углубляющихся циклонах облака верхнего яруса располагаются ближе к началу тропопаузы, чем при других синоптических положениях.

При увеличении высоты тропопаузы от низких широт к высоким соответственно растет и высота верхней границы облаков. Это можно проследить по соответствующим данным, приведенным на рис. 20.

Рис. 20. Повторяемость высоты верхней границы облаков верхнего яруса (1) и тропопаузы (2) в районе бухты Тикси (а), Ленинграда (б) и Закавказья (в)

На теплом фронте, как и при всех синоптических ситуациях, наблюдаются сезонные изменения положения тропопаузы и соответствующие ей изменения высоты верхней границы облаков.

В качестве примера на рис. 21 приведены данные одновременных и близких по срокам измерений (с разницей во времени не более 3 часов) тех и других высот в районе Ленинграда. Аэросиноптический анализ показывает, что данная закономерность имеет место и для других районов страны.

Рис. 21. Связь высоты верхней границы облаков верхнего яруса с высотой тропопаузы на теплом фронте (Ленинград): 1 — повторяемость высоты тропопаузы; 2 —повторяемость высоты верхней границы облаков

Толщина слоя атмосферы от верхней границы облаков до начала тропопаузы может быть весьма различной. Она зависит от того, на какой высоте прекратился процесс облакообразования, что в основном определяется особенностями распределения влаги по высоте, интенсивностью и характером поля вертикальных движений в верхней тропосфере, концентрацией аэрозольных элементов под тропопаузой и характером излучения верхними слоями тропосферы.

Анализ данных показывает, что слой атмосферы от верхней границы облаков до тропопаузы толщиной до 2 км имеет повторяемость зимой 45,7%, весной 53,5%, летом 51,8%, осенью 50,6%, в среднем за год 51,0%. Выше начала тропопаузы верхняя граница облаков располагается зимой в 18,3%, весной в 13,7%, летом в 9,3%1, осенью в 10,9% и в среднем за год в 12,5% случаев измерений (табл. 24).

Таб. 24. Толщина слоя атмосферы от верхней границы облаков верхнего яруса до тропопаузы (повторяемость в %) по данным за 1953—1959 гг.

Облака верхнего яруса достигают начала тропопаузы, проникают в ее слой и в нижнюю стратосферу при всех синоптических положениях. Однако это проникновение несколько чаще наблюдается на теплом фронте и составляет 14% случаев. Последнее обстоятельство объясняется более интенсивным упорядоченным подъемом теплого воздуха в зоне фронта по сравнению с другими синоптическими положениями.