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.

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.

Рис. 1

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.

В поле температуры и ветра фронты наиболее чётко выражены у поверхности Земли в системе развивающихся циклонов и барических ложбин. Этому способствует сходимость воздушных течений у поверхности Земли, вследствие которой в зоне фронта встречаются массы воздуха с различными характеристиками, в том числе, с различной температурой. В системе антициклонов и гребней фронты в приземном слое размываются. Это происходит при расходящихся воздушных течениях (дивергенции).

11.2. Классификация фронтов

Существует несколько общепринятых классификаций фронтов, основанных на циркуляционной значимости фронтов и их пространственной протяженности, особенностях перемещения, вертикального строения и условиях погоды

11.2.1. Географическая классификация атмосферных фронтов

По географическим признакам в соответствии с географической классификацией воздушных масс различают следующие фронты:

Арктический фронт (АФ) – фронт между арктическими и полярными (умеренными) воздушными массами северного полушария. Располагается на южной границе арктической воздушной массы. Обычно различают несколько одновременно существующих ветвей АФ, иногда АФ огибает непрерывно всё северное полушарие.

Полярный фронт или фронт умеренных широт – является южной границей умеренной воздушной массы, разделяющий воздушные массы умеренных широт и тропический воздух.

Пассатный фронт 1 – фронт в тропиках, разделяющий две массы тропического воздуха с различными свойствами – старый ТВ и более свежий ТВ, который недавно образовался путем трансформации массы полярного воздуха. Пассатный фронт обычно проходит в пассатной ложбине между двумя субтропическими антициклонами, являясь продолжением в тропиках полярного фронта. Осадки в пассатной зоне выпадают главным образом, в связи с пассатными фронтами.

Внутритропическая зона конвергенции (ВЗК)2 – достаточно узкая и выраженная зона сходимости между северным и южным пассатами (либо между пассатом и муссоном, или между пассатом и экваториальными западными ветрами).

Арктический, полярный, пассатный, тропический (ВЗК) фронты относятся к климатологическим фронтам.

i Климатологические фронты показывают среднее положение фронтов опре-

делённого типа в конкретном районе. Расположение климатологических фронтов тесно связано с центрами действия атмосферы.

Кроме географической, существуют и другие классификации атмосферных фрон-

11.2.2. Классификация фронтов по циркуляционной значимости

и пространственной протяжённости

По циркуляционной значимости и пространственной протяжённости выделяют: основные (тропосферные, высокие), вторичные (приземные, низкие) и верхние атмосферные фронты.

Основные атмосферные фронты. К основным относятся атмосферные фронты, имеющие большую горизонтальную (несколько тысяч километров) и вертикальную (несколько километров) протяжённость. Основные фронты разделяют воздушные массы, существенно различающиеся по своим свойствам. Прослеживаются на приземных и высот-

ных картах погоды. На высотах в тропосфере и на картах ОТ 1000 500 основной фронт отража-

ется как зона сгущения изогипс – высотная фронтальная зона (ВФЗ).

Контраст температуры в зоне основного фронта на приземной карте погоды превышает 5 °С на 100 км. В высотной фронтальной зоне, связанной с основным фронтом, градиенты геопотенциала в средней тропосфере (на карте ОТ 500/1000) составляют более 16 гп. дам/1000км и более (или 8 °С/100 км и более).

Фронты, определяемые по географическому признаку (арктические, полярные, а также ВЗК), относятся к основным.

Высотные фронтальные зоны. На картах барической топографии АТ500 , АТ300 ,

ОТ 1000 500 (т.е. в средней и верхней тропосфере) в виде области значительного сгущения изо-

гипс представлены зоны перехода между высокими холодными циклонами и высокими тёплыми антициклонами – высотные фронтальные зоны (рис. 11.4, 11.5 ).

Рис. 11.4. Карта абсолютной топографии и температуры на уровне 500 гПа

Фронтальные зоны постоянно возникают, обостряются и разрушаются. Интенсивность их зависит от разности температур встречающихся воздушных масс.

В этих зонах концентрируются огромные запасы энергии. При нестационарности движения возникают крупнейшие атмосферные вихри – циклоны и антициклоны. Таким образом, фронтальные зоны играют огромную роль в развитии погодообразующих процессов.

Н Холод

Рис. 11.5. Участок высотной фронтальной зоны над Азиатско-Тихоокеанским регионом: поле изогипс (вверху), поле ветра, поле температуры (внизу)

Центральная изогипса этой зоны сгущения называется осевой.

Часть ВФЗ слева от оси (по направлению переноса) называется циклонической периферией ВФЗ, справа от оси – антициклонической периферией ВФЗ.

Часть ВФЗ, где в направлении потока наблюдается сходимость изогипс, называется входом ВФЗ, часть, где в направлении потока наблюдается расходимость изогипс – дельтой ВФЗ.

Отдельные ВФЗ, сливаясь друг с другом, образуют планетарную высотную фронтальную зону (ПВФЗ). ПВФЗ на огромных участках располагается преимущественно зонально, но может иметь волны большой амплитуды меридионального направления.

Существуют две основные ПВФЗ. Одна разделяет арктические воздушные массы и воздушные массы умеренных широт – опоясывает северное полушарие по периферии Полярного бассейна. Вторая – разделяет воздушные массы умеренных широт и субтропиков и проходит по северной периферии субтропических антициклонов.

Однозначной связи между высотными фронтальными зонами и атмосферными фронтами не существует. Нередко два примерно параллельных фронта, хорошо выраженных внизу, сливаются в верхних слоях атмосферы в одну широкую фронтальную зону. В то же время, при наличии фронтальной зоны на высотах у Земли фронт не всегда существует. Фронт в нижних слоях атмосферы отмечается, когда наблюдается приземная конвергенция трения. При дивергенции ветра признаки существования фронта обычно отсутствуют. ВФЗ. Непрерывная ВФЗ на большом протяжении в нижнем слое тропосферы часто разделяется на отдельные участки – существует в циклонах и отсутствует в антициклонах.

4 Вторичные атмосферные фронты. Фронты, которые существуют только в нижних слоях атмосферы – у поверхности Земли или у Земли и не выше АТ850 , а в поле температуры на высотах не обнаруживаются, относятся к вторичным (приземным, низким). Это, как правило, фронты внутри неоднородной воздушной массы, разделяющие её на две воздушные массы одного происхождения.

Наиболее частый случай вторичного фронта – фронт внутри горизонтально неоднородной холодной воздушной массы (арктического или полярного воздуха), за которым вторгается более “свежая” и более холодная часть этой же воздушной массы. Вторичные фронты нередко наблюдаются в тылу циклона за основным фронтом. Вторичные фронты существуют не более 1-2 суток, не связаны с ВФЗ и обычно не выходят за пределы циклона, с которым они связаны.

Верхние атмосферные фронты. Верхними называются фронты, отсутствующие у поверхности Земли, но выраженные на высотах. Они могут образоваться вследствие размывания фронта у поверхности Земли, но сохраняющегося на высотах. Фронты также могут самостоятельно образовываться на высотах, не достигая Земли. Когда зимой фронт перемещается над приземным слоем очень выхоложенного воздуха, то он становится замаскированным и не прослеживается в поле температуры у поверхности Земли. В качестве верхнего фронта можно рассматривать и ВФЗ, с которыми не связаны атмосферные фронты у Земли.

11.2.3. Классификация фронтов по особенностям перемещения, вертикального строения и условиям погоды

В соответствии с данной классификацией атмосферные фронты подразделяются на тёплые, холодные, малоподвижные, фронты окклюзии (последние относятся к сложным фронтам и могут быть тёплыми, холодными и нейтральными).

Тёплыми называются фронты, перемещающиеся в сторону более холодного воздуха. За тёплым фронтом перемещается тёплая воздушная масса.

Холодными называются фронты, перемещающиеся в сторону более тёплой воздушной массы. За холодным фронтом движется холодная воздушная масса.

Такое перемещение фронтов определяется условиями атмосферной циркуляции – в случае тёплого фронта нормальная к линии фронта составляющая вектора ветра направлена в холодной массе от линии фронта, в тёплой – к линии фронта. В случае холодного фронта соотношение обратное.

В 20-х годах норвежские метеорологи предложили деление атмосферных фронтов на поверхности восходящего (анафронты) и нисходящего (катафронты) скольжения тёплого воздуха. К анафронтам относят все тёплые фронты и медленно смещающиеся холодные фронты, к катафронтам – быстро смещающиеся холодные фронты.

Фронты вместе с воздушными массами перемещаются со скоростью 30-35 км/ч. За сутки они могут пройти 600-800 км. При определённых условиях атмосферные фронты могут длительное время оставаться на месте. Если от срока к сроку фронт практически не перемещается, то его называютмалоподвижным (квазистационарным).

При изменении циркуляционных условий может измениться направление перемещения фронта (знак фронта): участок тёплого фронта может превратиться в участок хо-

С. В. Морозова. О влпянпп планетарной высотной фронтальной зоны

перепад высот на местности и расстояние просмотра, можно рассчитать полученную глубину изображения и вертикальный масштаб стереомо-дели. Глубина изображения (А1), параллакс (р1) и расстояние просмотра (г) связаны соотношением:

А1/(г-А1)=р1/Б,

где В - глазной базис . Путем простых преобразований получим:

А1=р1Я/(Б+р1).

В нашем случае параллакс кадров в стереопаре составил 4 мм (910-0,04/9). При расстоянии просмотра 2000 мм и глазном базисе 65 мм получим глубину изображения относительно стереоокна равную115 мм. Принимая во внимание центральное положение стереоокна, перепад высот на местности составил (250-15)/2 = 117,5 м. Таким образом получим вертикальный масштаб модели приблизительно равный 1: 1 000. Следует, однако, отметить, что подобные расчеты носят приблизительный характер, поскольку восприятие стереомодели во многом зависит от индивидуальных особенностей зрителя.

Разработанная методика может быть использована для создания и визуализации стереоскопи-

ческих моделей местности в целях:

Визуальной оценки современного состояния и использования территории;

Предварительной оценки территории при проектировании;

Представления проекта застройки. Кроме того, созданные модели могут быть

использованы в качестве наглядного пособия в образовательных учреждениях.

Библиографический список

1. Аккерманн Ф. Современная техника и университетское образование // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2011. № 2. С. 8-13.

2. Тюфлин Ю. С. Информационные технологии с применением фотограмметрии // Геодезия и картография. 2002. № 2. С. 39-45

3. Тюфлин Ю. С. Фотограмметрия - вчера, сегодня и завтра // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2011. № 2. С. 3-8.

4. Цифровая стереоскопическая модель местности: экспериментальные исследования / Ю. Ф. Книжников, В. И. Кравцова, Е. А. Балдина [и др.]. М. : Научный мир, 2004. 244 с.

5. Валюс Н. А. Стереоскопия. М. : АН СССР, 1962. 380 с.

О ВЛИЯНИИ ПЛАНЕТАРНОЙ ВЫСОТНОЙ ФРОНТАЛЬНОЙ ЗОНЫ НА ИЗМЕНЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КЛИМАТИЧЕСКОГО РЕЖИМА НА СЕВЕРНОМ ПОЛУШАРИИ

С. В. Морозова

Саратовский государственный университет E-mail: [email protected]

в настоящей статье рассматриваются вопросы влияния планетарной высотной фронтальной зоны (ПвФЗ) на климатический режим Северного полушария. Показана динамика площадей ПвФЗ относительно естественных климатических периодов состояния земной климатической системы (ЗкС). найдена связь динамики площадей ПвФЗ с изменением ветрового режима на полушарии.

Ключевые слова: глобальный климат, планетарная высотная фронтальная зона, климатические изменения, ветровой режим.

on the Influence of the Planetary Front High-Rise Zone to Change some Characteristics of the Climatic Regime in the Northern Hemisphere

This article considers the questions of influence of the planetary high-rise frontal zones (PVFS) on the climatic regime of the Northern hemisphere. Shows the dynamics of the areas PVFS relatively natural climatic periods state the earth"s climate system. The connection of the

speakers areas PVFS with the wind regime change in the hemisphere. Key words: global climate, planetary high-rise frontal zone, climatic changes, wind regime.

Известно, что региональные климатические изменения в первую очередь вызываются аномалиями режима общей циркуляции атмосферы (ОЦА). Климатические гребни и ложбины мигрируют в течение десятилетий, участвуя в формировании циркуляционных эпох . Однако спорным до сих пор остаётся вопрос о влиянии циркуляции на глобальный климат. Автором данной статьи опубликованы некоторые результаты исследований влияния общей циркуляции атмосферы на глобальный климат. Настоящая статья является продолжением исследований возможности влияния глобальных объектов циркуляции на климатические процессы в масштабах полушария.

В качестве исследуемой характеристики глобального объекта циркуляции - планетарной высотной фронтальной зоны - выбрана её площадь,

© Морозова С. В., 2014

ограниченная осевой линией. Исходными материалами послужили значения средних месячных площадей ПВФЗ, опубликованные в справочной монографии . На основании этих данных рассчитаны средние многолетние значения площадей в различные естественные климатические периоды состояния ЗКС.

Динамика площадей ПВФЗ относительно естественных климатических периодов состояния ЗКС - периода стабилизации (1949-1974 г.г.) и второй волны глобального потепления (19752010 гг.) - представлена в табл. 1.

На основе анализа табл. 1 заметим, что наиболее сильная изменчивость площадей ПВФЗ проявилась в период стабилизации (1949-1974 гг.). На фоне второй волны глобального потепления

наблюдаем уменьшение изменчивости площадей. Заслуживает внимания тот факт, что от первого периода ко второму произошло увеличение площади ПВФЗ, что предполагает расширение области отрицательных аномалий температур.

Поскольку исследование динамики ПВФЗ проводится статистическими методами, представляется необходимым оценить статистическую значимость полученных результатов, что можно сделать с помощью стандартных процедур математической статистики. Для каждого временного отрезка рассчитаны доверительные интервалы с использованием критерия Стьюден-та при 95%-ном уровне значимости. Доверительные интервалы для каждого периода приведены в табл. 2.

Таблица 1

Динамика площадей планетарной высотной фронтальной зоны относительно естественных климатических периодов состояния ЗКС

Период Значение площади ПВФЗ, млн км2 а2, млн км2 а, млн км2 Cv

1-й, 1949-1974 гг. (стабилизация) 56,97 13,32 3,65 0,06

2-й, 1975-2010 гг. (вторая волна глобального потепления) 57,77 (увелич. на 1,5%) 2,82 1,68 0,03

Таблица 2

Оценка статистической значимости динамики ПВФЗ

Период Доверительные интервалы

1-й, 1949-1974 гг. (стабилизация)

2-й,1975-2010 гг. (вторая волна глобального потепления)

Видим, что границы интервалов перекрываются, причём второй интервал даже входит в первый, что говорит о статистической незначимости обнаруженных изменений. Таким образом, изменение площадей на 1,5% вряд ли может приводить к каким-либо климатически значимым изменениям в ЗКС. Однако делать однозначные выводы об отсутствии влияния планетарной высотной фронтальной зоны на глобальный климат не стоит, так как применение статистических методов к природным процессам имеет известную долю условности . Иногда очень малые начальные возмущения какого-либо компонента в земной климатической системе могут получить большой резонанс и вызвать довольно заметные изменения в ней. В связи с этим интересно узнать, в каких пределах изменения площадей ПВФЗ оказываются значимыми. Для этого решалась обратная задача, условием которой было отсутствие перекрытия интервалов при самых крайних возможных положениях математического ожидания на числовой прямой. Необходимые расчёты выполнялись по формуле (1) , что позволило получить среднюю широту расположения ПВФЗ при условии неперекрытия интервалов:

S = 2nR2 (1 - sin фс.„), (1)

где п = 3,14159;

R = 6378.245 км - радиус Земли у экватора;

Фс.и - средняя широта осевой изогипсы ПВФЗ по Северному полушарию.

Оказалось, что для достижения статистической значимости изменений область локализации ПВФЗ должна находиться в пределах 30-35° северной широты. В настоящее время планетарная высотная фронтальная зона расположена в области пятидесятых широт Северного полушария. Таким образом, выявлено, что для достижения статистической значимости изменений площадей планетарная высотная фронтальная зона должна сместиться на 15-20° южнее, соответственно на столько же окажутся смещёнными траектории циклонов, что, в свою очередь, приведёт к изменению положения аридных и гумидных областей, а следовательно, и природных зон. Таким образом, статистически значимая динамика ПВФЗ соответствует климатическим изменениям в масштабах крупных геологических эпох. Климатические реконструкции, выполненные по геологическим источникам и историческим материалам, показывают, что исключительно влажные условия, господствовавшие в засушливом ныне тропическом поясе, имели место при разрушении четвертичного оледенения и в ранний период эпохи голоцена. Следовательно, траектории циклонов и область локализации ПВФЗ располагались гораздо южнее, что способствовало хорошему увлажнению этих ныне засушливых областей . Таким образом,

С В. Морозова. О влиянии планетарной высотной фронтальной зоны

при существующих климатических изменениях статистическая значимость не может быть обнаружена, но заметные климатические изменения в земной климатической системе, проявившиеся в ходе глобальной температуры, имеют место.

Важно отметить, что замеченный рост средней площади ПВФЗ, предполагающий продвижение ПВФЗ в более южные широты и расширение зоны отрицательных аномалий температур, имел место при переходе от более холодного периода к более тёплому, что представляется не совсем логичным. Одним из возможных объяснений такого необычного поведения ПВФЗ может быть то, что ее смещение к югу приводит не столько к снижению средней полушарной температуры, сколько к изменению каких-либо других характеристик климатического режима, одной из которых может быть ветровой режим. Тогда влияние ПВФЗ на глобальный климат может проявиться в изменении активности и интенсивности одного из компонентов ЗКС - общей циркуляции атмосферы. Одним из объяснений несогласованности динамики площади ПВФЗ и хода глобальной температуры в естественные климатические периоды может быть произошедшее изменение каких-либо индивидуальных параметров ПВФЗ (размеров, интенсивности, извилистости и т. п.), что, безусловно, сказывается на активности и интенсивности циркуляции и отражается на ветровом режиме. Так, продвижение ПВФЗ в более южные или более северные широты может приводить к сужению или расширению зоны локализации ПВФЗ, что, в свою очередь, ведёт к обострению или ослаблению градиентов, повышению или снижению активности циркуляции и, следовательно, усилению или ослаблению скоростей ветра.

Попытаемся выяснить, как выявленная динамика площади ПВФЗ связана с изменением её активности. Для этого рассмотрим интенсивность планетарной высотной фронтальной зоны по данным справочной монографии с 1949 по 2010 г. Авторами справочной монографии интенсивность высотной фронтальной зоны определялась как разность широт (Дф) расположения двух изогипс на меридиане южнее и севернее осевой изогипсы, при этом разность геопотенциальных высот расположения северной и южной изогипсы бралась одинаковой - 8 гп. дам. Если интенсивностью считать разность широт, то получается, что средняя интенсивность в июле (8° широты) оказывается больше, чем в январе (5° широты). Поэтому автор настоящего исследования для оценки интенсивности ПВФЗ отошёл от обратно пропорциональной зависимости активности ОЦА и разности широт, приняв для оценки интенсивности циркуляции величину геострофического ветра (У^) на среднем уровне тропосферы, рассчитав её по формуле (2):

градиент геопотенциала,

Уё I дп, где I - параметр Кориолиса (I = 2ю sinф),

ю - угловая скорость вращения Земли;

ф - широта расположения осевой изогипсы.

Однако прежде чем переходить к анализу интенсивности ОЦА на фоне естественных климатических периодов состояния ЗКС, обратим внимание на интересные факты динамики площадей ПВФЗ и изменения разности широт, между которыми располагается планетарная высотная фронтальная зона.

Известно, что интенсивность планетарной высотной фронтальной зоны определяется градиентом температур экватор - полюс. Чем больше градиент, тем активнее протекают процессы в области её локализации. Зимой, когда контраст температур экватор-полюс гораздо больше, чем летом, циркуляционные процессы протекают намного активнее. Кроме того, зимой ПВФЗ смещается к югу, летом поднимается к северу, тогда вполне логично предположить, что южное смещение ПВФЗ должно приводить к усилению её активности, при этом область её локализации должна сужаться, а северное, наоборот, - к ослаблению активности ОЦА и расширению зоны локализации ПВФЗ.

Для подтверждения или опровержения такого предположения построены графики изменения среднегодовой разницы широт локализации планетарной высотной фронтальной зоны за период с 1949 по 2010 г. . Попутно заметим, что на всех этих графиках для большей наглядности добавлена кривая линейной фильтрации, а для того, чтобы погасить высокочастотные колебания, к исходному ряду применена процедура скользящего осреднения.

Среднегодовые разности широт расположения ПВФЗ приведены на рис. 1, а. Видна непериодичность изменений, однако бросается в глаза увеличение разности широт при переходе от периода стабилизации к началу второй волны глобального потепления, после чего направленность изменений исчезает. Гораздо чётче это проявляется на рис. 1, б, где видно, что в более холодный период зона локализации ПВФЗ уже, а это указывает на обострение градиентов в области ПВФЗ, а следовательно, на увеличение её активности. В последующий более тёплый период разность широт больше, а значит, активность ПВФЗ снижается. Всё это нагляднее видно на рис. 2, где представлены рассчитанные среднегодовые значения средней скорости геострофического ветра, проведены статистические процедуры линейной фильтрации и выделены низкочастотные колебания методом скользящего осреднения.

Таким образом, имеем, что при переходе от более холодного к более тёплому периоду (от стабилизации ко второй волне глобального потепления) происходит расширение площади ПВФЗ, продвижение самой ПВФЗ к югу и снижение её активности. Выявленная особенность динамики

Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Науки о Земле. 2014. Т. 14, вып. 2

Рис. 1. Изменение разности широт локализации ПВФЗ на полушарии: а -линейная фильтрация; б - скользящее осреднение

14,0 13,0 -12,0 11,0 ■ 10.0

13,0 -> 12,5 -12,0 -11,5 -11,0 ■ 10,5 -10,0

1969 1973 1 989 1 999 2009

Рис. 2. Изменение средней по полушарию скорости геострофического ветра: а - линейная фильтрация; б - скользящее осреднение

С В. Морозова. О влпянпп планетарной высотной фронтальной зоны

ПВФЗ косвенно отражает общеизвестный факт теории климата о том, что при переходе от холодных периодов к более тёплым снижается активность ОЦА .

Сравнивая особенности динамики планетарной высотной фронтальной зоны в естественные климатические периоды с её сезонной динамикой, можно обнаружить сходство изменений, проявляющееся в том, что при переходе от холодных периодов к тёплым (от зимы к лету и от стабилизации к потеплению) происходит снижение активности общей циркуляции атмосферы. Но следует указать и на существенное различие, заключающееся в том, что при климатическом переходе ЗКС от более холодного к более тёплому периоду площадь ПВФЗ растёт, в то время как при сезонных климатических изменениях от холодного периода к тёплому (от зимы к лету) ее площадь сокращается.

Таким образом, климатически значимым следствием может быть то, что при переходе климатической системы из одного качественного состояния в другое происходят изменения не только глобальной температуры, но и ветрового режима, а роль глобальных объектов циркуляции в формировании климатической изменчивости заключается в изменениях такой климатической характеристики, как планетарный ветровой режим.

По данным , на территории России произошло уменьшение скорости ветра, причину которого связывают с изменением режима общей циркуляции атмосферы. Однако выяснение причин ослабления скоростей далеко не однозначно. Так, в исследованиях Бардина , Мещерской с соавтораим показано, что в последнее время (два - три десятилетия) наблюдается увеличение числа дней с циклонической циркуляцией, следствием чего является усиление скоростей ветра в связи с частым прохождением атмосферных фронтов. Однако эти же авторы делают вывод о противоречии фактов увеличения повторяемости циклоничности и уменьшения скоростей ветра. Уменьшение скорости ветра на территории России иногда объясняют снижением повторяемости формы ^-циркуляции . Тем не менее с 70-х гг. отмечается рост повторяемости зональных процессов, что также не позволяет объяснить снижение скорости ветра этим фактором. Вполне возможно, что причиной ослабления ветра является изменение качественного состояния глобального объекта циркуляции - планетарной высотной фронтальной зоны. Как показано выше, её динамика напрямую связана с интенсивностью общей циркуляции атмосферы.

Библиографический список

1. Полянская Е. А., Морозова С. В. Характеристика барического поля на АТ-500 в первом ЕСР в 1971-1989 гг. // География в вузах России. СПб., 1994. С. 86-88.

2. Morozova S. V. Circulation of the atmosphère as a factor of régional climate variability [Электронный ресурс] // Global and régional climate changes: International Conférence, 16-19 november 2010. Kyiv, 2010. 1 электрон. опт. диск (CD-ROM)

3. Морозова С. В. Циркуляция атмосферы как фактор изменчивости регионального климата // Глобальные и региональные изменения климата. Киев, 2011. С. 96-10.

4. Морозова С. В. Роль циркуляции в формировании изменчивости глобального и регионального климата // Тез. докл. Междунар. науч. конф. по региональным проблемам гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды. Казань, 2012. C. 172-173.

5. Мониторинг общей циркуляции атмосферы. Северное полушарие: справочная монография / А. И. Неушкин, Н. С. Сидоренков, А. Т. Санина, Т. Б. Иванова, Т. В. Бережная, Н. В. Панкратенко, М. Е. Макарова. Обнинск, 2013. 200 с.

6. Малинин В. Н. Статистические методы анализа гидрометеорологической информации. СПб., 2007. 407 с.

7. Сикан А. В. Методы статистической обработки гидрометеорологической информации. СПб., 2007. 280 с.

8. Будыко М. И. Изменение климата. Л., 1974. 280 с.

9. БудыкоМ. И. Климат в прошлом и будущем. Л., 1980. 351 с.

10. МонинА. С., ШишковЮ. А. История климата. Л., 1979. 407 с.

11. Ясаманов Н. А. Древние климаты Земли. Л., 1985. 295 с.

12. Изменения климата / под ред. Ж. Гриббина. Л., 1980, 360 с.

13. Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации: в 2 т. Т. I. Изменения климата. М., 2008. 228 с.

14. БардинМ. Ю. Изменчивость характеристик циклоничности в средней тропосфере умеренных широт Северного полушария // Метеорология и гидрология. 1995. № 11. С. 24-37.

15. Мещерская А. В., Ерёмин В. В., Баранова А. А., Май-строва В. В. Изменение скорости ветра на севере России во второй половине XX века по приземным и аэрологическим данным // Метеорология и гидрология. 2006. № 9. С. 46-58.

16. Белокрылова Т. А. Об изменении скоростей ветра на территории СССР // Тр. / ВНИМИ-МЦД. 1989. Вып. 150. С. 38-47.

К основным относятся атмосферные фронты, имеющие большую горизонтальную (несколько тысяч километров) и вертикальную (несколько километров) протяжённость. Основные фронты разделяют воздушные массы, существенно различающиеся по своим свойствам, прослеживаются на приземных и высотных картах погоды. Контраст температуры в зоне основного фронта на приземной карте погоды превышает 3...5°С на 100 км, на карте АТ-850 5...8° на 500 км. Фронты, определяемые по географическому признаку (арктические, умеренные, полярные, ВЗК), относятся к основным.

На картах барической топографии основной фронт отражается как зона сгущения изогипс и изотерм - высотная фронтальная зона (ВФЗ). Интенсивность ВФЗ зависит от разности температур встречающихся воздушных масс. В этих зонах концентрируются огромные запасы энергии. При нестационарности движения возникают крупнейшие атмосферные вихри - циклоны и антициклоны. Таким образом, ВФЗ играют огромную роль в развитии погодообразующих процессов.

Центральная изогипса зоны сгущения изогипс называется осевой. Часть ВФЗ слева от оси (по направлению переноса) называется циклонической периферией ВФЗ, справа от оси - антициклонической периферией ВФЗ. Часть ВФЗ, где в направлении потока наблюдается сходимость изогипс, называется входом ВФЗ, часть, где в направлении потока наблюдается расходимость изогипс - дельтой ВФЗ.

Отдельные ВФЗ, сливаясь друг с другом, образуют планетарную высотную фронтальную зону (ПВФЗ). ПВФЗ на огромных участках располагается преимущественно зонально, но может иметь волны большой амплитуды меридионального направления. Существуют две основные ПВФЗ. Одна разделяет арктические воздушные массы и воздушные массы умеренных широт - опоясывает северное полушарие по периферии Арктического бассейна. Вторая - разделяет воздушные массы умеренных широт и тропиков и проходит по северной периферии субтропических антициклонов.

Однозначной связи между высотными фронтальными зонами и атмосферными фронтами не существует. Нередко два примерно параллельных фронта, хорошо выраженных внизу, сливаются в верхних слоях атмосферы в одну широкую фронтальную зону. В то же время, при наличии фронтальной зоны на высотах у Земли фронт не всегда существует. Фронт в нижних слоях атмосферы отмечается, когда наблюдается приземная конвергенция потоков (в ложбинах и циклонах). При дивергенции ветра (в гребнях и антициклонах) признаки существования фронта слабо выражены или вообще отсутствуют. Непрерывная ВФЗ на большом протяжении в нижнем слое тропосферы часто разделяется на отдельные участки - существует в циклонах и отсутствует в антициклонах.

Вторичные атмосферные фронты - фронты, которые существуют только в нижней тропосфере - у поверхности Земли и не выше АТ-850, а в поле температуры на больших высотах не обнаруживаются. Это, как правило, фронты внутри неоднородной воздушной массы, разделяющие её на две воздушные массы одного происхождения. Наиболее частый случай вторичного фронта - фронт внутри горизонтально неоднородной холодной воздушной массы (арктического или умеренного воздуха), за которым вторгается более "свежая" и более холодная часть этой же воздушной массы. Вторичные фронты нередко наблюдаются в тылу циклона за основным фронтом (от 1 до 3 вторичных фронтов). Вторичные фронты существуют не более 1-2 суток и обычно не выходят за пределы циклона, с которым они связаны.

Верхние фронты - фронты, отсутствующие у поверхности Земли, но выраженные на высотах. Они могут образоваться вследствие размывания фронта у поверхности Земли, но сохранения его на высотах. Фронты также могут самостоятельно образовываться на высотах, не достигая Земли. Когда зимой тёплый фронт перемещается над приземным слоем очень выхоложенного воздуха, то он становится замаскированным и почти не прослеживается в поле температуры у поверхности Земли. В качестве верхнего фронта можно рассматривать и ВФЗ, с которыми не связаны атмосферные фронты у Земли. Нередко перед активным тёплым фронтом (особенно в холодное полугодие) имеется 1-2 параллельных основному фронту (на расстоянии 150-200 км друг от друга) полосы плотной облачности и интенсивных осадков, называемые "верхними разделами" - по существу, это тоже верхние фронты.