Физические условия образования конвективных облаков

Облака образуются в результате перехода воды из газообраз­ного состояния (водяной пар) в жидкое (капли) и твердое (крис­таллы). При этих переходах, называемых конденсацией и сублимацией и происходящих вследствие конвекции или упоря­доченного подъема влажного воздуха, выделяется большое ко­личество тепла, которое оказывает значительное влияние на образование облаков, термическую и динамическую устойчи­вость атмосферы, режим движения воздуха, формирование фронтальных разделов и развитие циклонов.

По условиям образования различают облака фронтальные и внутримассовые. Происхождение фронтальных облаков объяс­няется процессами, происходящими на границах раздела меж­ду различными воздушными массами, а внутримассовых облаков – процессами внутри однородных воздушных масс: термической и динамической конвекцией, турбулентным пере­мешиванием и волновыми движениями (или адвекцией облач­ных систем).

Внутримассовые облакав зависимости от характера процессов их образования, а также от соотношения их горизонтальной (L) и вертикальной (h) протяженности подразделяются на конвектив­ные (кучевообразные) – h/L > 1, облака турбулентности (облака устойчивой воздушной массы) – h/L « 1 и волнистообразные, ха­рактеризующиеся повторяющимся соотношением h/L и возникаю­щие в зоне волновых движений в атмосфере.

Основные процессы, приводящие к образованию внутримассовых облаков: термическая и динамическая конвекция, турбулентное перемешивание, волновые движения.

Основным процессом, приводящим к образованию фронтальных облаков, является восходящее скольжение теплого воздуха по клину более холодного воздуха.

Основными процессами, приводящими к образованию конвективных облаков, являются термическая конвекция и турбулентный обмен.

С развитием конвективного облака связаны следующие уровни в атмосфере: уровень конденсации, уровень нулевой изотермы и уровень свободной конвекции.

Уровень конденсации z_к – уровень, до которого нужно подняться воздуху, чтобы содержащийся в нем водяной пар при адиабатическом подъеме достиг состояния насыщения (относительная влажность воздуха 100 %). Уровень конденсации практически совпадает с нижней границей облака. Уровень конденсации определяется с помощью аэрологических диаграмм или по формуле Ферреля z_к = 122 (T₀ –τ₀),

гдеz_к- в метрах , T₀ – температура поднимающегося воздуха, τ₀ - температура точки росы у земной поверхности.

Уровень нулевой изотермы z₀ отделяет переохлажденную (верхнюю) часть облака от непереохлажденной (нижней).

Уровень конвекцииz_конв – уровень, на котором температура восходящего воздуха сравнивается с температурой окружающей воздушной среды и восходящие токи конвекции затухают. Уровень конвекции практически совпадает с верхней границей облака.

В кучево-дождевых облаках восходящее движение преобладает над нисходящим.

Конвективные облака в зависимости от облакообразующих факторов подразделяются на облака термической конвекции и облака динамической конвекции.

Рис. 3.1. Развитие термической конвекции

Облака термической конвекции. Летом в ясную погоду под действием солнечной радиации происходит интенсивный на­грев деятельной поверхности. Однако различные ее участки нагре­ваются неодинаково. Над более нагретыми участками развиваются восходящие движения возду­ха, а над менее нагретыми – нисходящие. Так возникает терми­ческая конвекция. Постепенно отдельные восходящие струйки сливаются и образуют мощный восходящий поток, вовлекающий в себя все большие и большие объемы воздуха. На периферии этого потока образуются многочисленные нисходящие движения.

Вследствие вертикальных движений, обусловленных кон­векцией, в атмосфере образуются конвективные (кучевообраз­ные) облака. Скорость восходящих движений воздуха в конвективных облаках составляет от 0.1 до 40 м/с. Практически все внутримассовые конвективные облака, как и фронтальные, об­разуются и наблюдаются в областях пониженного давления – циклонах и ложбинах.

Если под влиянием прогрева подстилающей поверхности в нижних слоях атмосферы вертикальный градиент температуры увеличивается и создается неустойчивая стратификация, а в бо­лее высоких слоях, под уровнем конденсации, сохраняется ма­лый или даже отрицательный вертикальный градиент температуры, то развивающиеся конвективные движения не достигают уровня конденсации и облака не образуются. Если же уровень конвекции (высота, до которой развиваются конвектив­ные движения) находится выше уровня конденсации, то образу­ются конвективные облака, вертикальная мощность которых зависит от разности высот этих уровней (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Образование кучевых и кучево-дождевых облаков

Если неустойчивое или влажнонеустойчивое состояние имеется лишь в сравнительно небольшом слое над уровнем конденсации, а выше расположен задерживающий слой, то образуются лишь облака хорошей погоды или кучевые средние. При отсутствии задерживающего слоя кучевые облака продолжают развиваться по вертикали, приобретая более резкие очертания и превращаясь в мощные кучевые облака с куполообразной вершиной.

Если влагосодержание в воздухе велико и имеются благоприятные условия для дальнейшего развития конвекции, то кучевое облако быстро растет в вертикальном и отчасти в гори­зонтальном направлениях. Если его вершина достигнет уровня замерзания, то начнется ее обледенение, т.е. облачные элементы будут замерзать и приобретать кристаллическую структуру. Облако темнеет и принимает с теневой стороны свинцовый оттенок. Вершина приобретает расплывчатую волокнистую структуру, и облако превращается в кучево-дождевое.

Вертикальное развитие кучево-дождевого происходит до тех пор, пока температура поднимающегося воздуха не сравняется с температурой окружающей среды. Особенно резко тормозится рост облака, когда его вершина попадает в слой с глубокой инверсией температуры. При большой энергии восходящих движений, связанной с выделением теплоты конденсации, кучево-дождевое облако может проникнуть через слой инверсии. Тогда на уровне «пробитой» инверсии остаются полосы высококучевых чечевицеобразных облаков. Иногда вершина кучево-дождевого облака, достигая слоя инверсии, не проникает в него, а растекается под ним в виде перистообразных облаков. Тогда она принимает форму наковальни. При распаде Cb остатки наковальни, разорванные ветром, похожи по виду на перистые облака.

Неустойчивое состояние атмосферы иногда отмечается на высоте более 2 км, тогда как в нижних слоях атмосферы устойчива. При таких условиях в среднем ярусе возникают кучевообразные облака: высококучевые хлопьевидные и башенкообразные. При неустойчивом состоянии слоев, лежащих на высотах более 6 км, могут образоваться перисто-кучевые облака.

Облака динамической конвекции. Н а возникновение об­лаков в тропосфере существенное влияние оказывают динамические факторы: конвергенция потоков воздуха, вынужденный подъем воздуха при обтекании препятствия, перпендикулярного к потоку, а также вертикальные движения синоптического масштаба.

Облака турбулентности. Причиной образования этих облаков является турбулен­тное перемешивание воздуха в нижних слоях атмосферы при на­личии в них инверсии. Турбулентное перемешивание приводит к понижению температуры подынверсионного слоя и одновремен­но к увеличению его влажности. В результате происходит кон­денсация водяного пара и как следствие образование слоистообразных облаков. Верхняя граница этих облаков обычно совпадает с основани­ем инверсионного слоя.