Перемещение атмосферных фронтов: скорость, вертикальные движения, орография

Перемещение фронтов. Линия фронта, как и фронтальная поверхность в целом, должны перемещаться со скоростью и по направлению поступательного движения воздушных масс, которые разделяются фронтом. Тогда скорости перемещения должны зависеть от углов, под которыми изобары пересекают линии фронтов. Если изобары располагаются параллельно линии фронта, то последний должен быть стационарным. При наличии некоторого угла между линией фронта и изобарами фронт должен перемещаться по направлению и со скоростью составляющей ветра, нормальной к линии фронта.

Поскольку фронтальная поверхность простирается от земной поверхности до значительных высот, а ветер у Земли не соответствует градиентному из-за трения, то перемещение фронта должно соответствовать вертикальной составляющей градиентного ветра. При этом отстающий клин холодного воздуха теплого фронта должен «растворяться» вблизи земной поверхности. У холодного фронта передняя часть клина холодного воздуха должна как бы перекатываться, поскольку вышележащие слои будут обгонять нижележащие. Опыт показывает, что в среднем скорости теплых фронтов составляют 0,7, а холодных 0,8 нормальной к фронту составляющей градиентного ветра у Земли.

Наличие облачности над фронтальными поверхностями указывает на то, что в районе последних имеются упорядоченные вертикальные движения. Эти движения должны сказываться на скорости поступательного перемещения фронтальных поверхностей. Условием существования фронтальной поверхности является разрыв в поле скорости ветра, обеспечивающий конвергенцию потоков у фронта. Поскольку вследствие конвергенции потоков у фронта давление не растет, а падает, то это компенсируется восходящими движениями. Если же у линии фронта давление растет, то должна иметь место дивергенция потоков у Земли и нисходящие движения, сопровождающие размывание фронта.

Для скоростей вертикальных движений вблизи фронта получена следующая формула:

Из этой формулы видно, что при заданном угле наклона фронта его скорость будет больше нормальной составляющей градиентного ветра тогда, когда происходят нисходящие движения воздуха (U_z < 0). При восходящих движениях (U_z > 0) скорость фронта меньше нормальной к фронту составляющей градиентного ветра. Этим, видимо, и объясняется то, что холодные фронты движутся быстрее теплых, так как с холодными фронтами связываются нисходящие движения.

Вертикальные движения воздуха у фронтальных поверхностей могут возникнуть и за счет других процессов в тропосфере. К числу этих процессов относятся:
- соленоидальная циркуляция вдоль фронтальной зоны;
- турбулентное движение;
- нарушение стационарности движения большого масштаба;
- приземное трение;
- конвекция, обусловленная неустойчивостью стратификации.

Каждый из этих факторов может обусловливать как восходящие, так и нисходящие движения, которые будут по-разному сочетаться в каждом отдельном случае. В связи с этим циркуляция воздуха в районе фронтальных поверхностей представляется весьма сложной—восходящие и нисходящие движения могут чередоваться. Этим и объясняется то, что фронтальная облачность может быть многослойной по высоте и испытывать разрывы вдоль линии фронта.

Схема вертикальных движений, обусловленных разрывом поля скоростей ветра при пересечении фронтальных поверхностей, представлена на рис. 134. Здесь знак плюс означает восходящие движения, а минус — нисходящие. Из схемы видно, что учет только одного фактора создает довольно сложную схему циркуляции. Хотя эта схема и описывает основные черты циркуляции у фронтов, все же в каждом отдельном случае могут наблюдаться довольно большие отклонения от нее.

Разнообразное сочетание восходящих и нисходящих движений обусловливает и разнообразное соотношение скоростей перемещения фронтов и нормальных составляющих градиентного ветра. Эти соотношения могут изменяться и по высотам в сравнительно небольшом районе, что приводит к местным эволюциям фронтов.

Орографические влияния на фронты. Весьма сложные эволюции испытывают фронтальные поверхности при прохождении в гористых местностях. Так, если на пути фронта встречаются горы, то его скорость замедляется, наклоны поверхностей увеличиваются, фронт задерживается у наветренной стороны, обусловливая длительные осадки.

При сравнительно небольших высотах гор фронты через них переваливают, причем теплые фронты чаще переваливают горы, чем холодные. Высокие горные хребты фронты как бы обтекают с боков. Тогда у подветренных сторон гор могут образовываться смыкания краев фронтов и возникать орографические окклюзии. Деформации фронтальных поверхностей у горных хребтов нарушают стационарность движения, в результате чего могут образовываться волны и даже развиваться циклоны.

Сведения об авторах и источниках:

Автор: Н. И. Егоров, И. М. Безуглый, В. А. Мнежинский, и др.

Источник: Морская гидрометеорология

Данные публикации будут полезны для курсантав морских учебных заведений и капитанаов/штурманов гражданского флота, интересующимся глубоким пониманием гидрометеорологии