2 месяца назад
Нету коментариев

Причины ветров и шквалов

Главный фактор движения воз­душных масс — это неравномер­ное нагревание различных обла­стей вращающейся Земли. Более всего прогреваются области низ­ких широт, холодильниками явля­ются полярные области. Зоны на­грева воздуха это очаги его подъема, преобладания понижен­ного атмосферного давления, а области охлаждения — преобла­дания повышенного давления и опускания воздуха. По этой упро­щенной схеме ветры должны бы­ли бы дуть от полюсов к эквато­ру — из областей высокого дав­ления с холодным и плотным воздухом в области низкого дав­ления. Действительно, в антицик­лонах — обширных областях вы­сокого давления — воздух вблизи земной поверхности растекается, а в циклонах — областях низкого давления — наблюдается сходи­мость ветров. Однако реальная картина значительно сложнее, об­щая схема воздушных течений на планете состоит из сложно взаимо­действующих процессов.

На все движущиеся тела дей­ствует инерционная сила враще­ния Земли — сила Кориолиса. Она направлена по перпендикуляру к земной оси, и ее горизонтальная составляющая (перпендикуляр­ная ветру) стремится отклонить движущиеся тела с их пути: в се­верном полушарии — вправо, в южном — влево. Поэтому, напри­мер, в северном полушарии пра­вые рельсы на двухколейных же­лезных дорогах изнашиваются быстрее, чем левые, и правые бе­рега рек круче левых. Сила Ко­риолиса мала, но действие ее неотвратимо и постоянно.

В результате действия двух сил — барического градиента и Кориолиса — в свободной ат­мосфере (выше 1—2 км) возника­ет горизонтальное движение не в направлении барического гра­диента (убывания давления), а отклоняясь от него под прямым углом, вдоль изобар — линий равного атмосферного дав­ления. Такой ветер называется геострофическим («равновесным»). Силой, которая нарушает это равновесие, является трение воздушных потоков о земную поверхность, особенно значитель­ное над пересеченной местностью. В горах прибавляется еще и дей­ствие гравитационного стока воздуха по ущельям и каньонам. А в вихрях проявляется действие центробежного ускорения, тем более существенное, чем меньше диаметр вихря и больше квадрат скорости ветра.

В приземном слое атмосферы, в так называемом слое трения (1—2 км), всегда обнаружива­ется действие трения, и потому ветры отклоняются от изобар, пересекая их так, что в циклоне образуется сходящийся спираль­ный вихрь (в северном полуша­рии — против часовой стрелки), а в антициклонах — расходящийся вихрь (по часовой стрелке). Этот эмпирический факт получил название закона Бейс-Балло. Он гласит, что если смотреть в направлении ветра, то наиболее низкое давление будет слева и несколько впереди. Лишь выше слоя трения устойчивый ветер дует по изобарам. Однако и здесь это наблюдается до тех пор, пока барический градиент остается неизменным и все приложенные к движущемуся объему воздуха силы взаимно уравновешиваются. Но эволюция барического поля (рост или понижение давления по динамическим или термическим причинам) приводит к изменению барического градиента, к появ­лению ускорения и отклонению ветра от изобар. Одновременно изменяются и другие характери­стики погоды.

Предположение о геострофи­ческом ветре не применимо к ветрам около центров циклонов и антициклонов. В циклонических вихрях малого масштаба, диа­метром менее 500—900 км, в зоне сильных ветров очень велика роль центробежного ускорения. Такой ветер был назван циклострофическим. Именно вихри малого масштаба представляют собой наиболее сложный и динамичный элемент структуры атмосферы. Вместе с его важностью для по­нимания природы штормового ветра отметим и трудность иссле­дования малых вихрей.

Классификация ветров

В начале прошлого века адмирал Френсис Бофорт предложил шкалу силы ветра в баллах по вызываемому ветром волнению на море и спо­собности двигать парусные суда. Позже шкала была дополнена оценкой действия ветра на назем­ные предметы и принятав 1874 г. Международным комите­том для всеобщего применения. В 1946 г. она вновь уточнена. По ней нуль — это штиль; 8 баллов — шторм, очень крепкий ветер ско­ростью 20 м/с, при котором за­труднено всякое движение против ветра; 12 баллов — ураган ско­ростью более 29—33 м/с. Гене­тическая классификация ветров выделяет три класса ветров, в за­висимости от соотношения между приложенными к движущемуся объему воздуха силами (пере­численными выше). Известна клас­сификация ветров по размерам охваченной ими площади.

Простейшее деление ветров различает ветровые системы двух основных классов: крупномас­штабные прямолинейные потоки и возмущающие их вихревые. Важнейший фактор — это кривиз­на потока в системе циклонов и антициклонов.

В атмосфере одновременно действует широкий спектр ветро­вых систем различного масштаба. В зависимости от пространствен­ной мощности системы ветров, низкого давления в центре вихря их группируют в такие системы ветров.

  1. Вихри (в том числе невысо­кие, пыльные, песчаные) диамет­ром менее 110—100 м, подобные малым смерчам, но не связанные с облаком. 2. Смерчи (торнадо, тромбы), в том числе песчаные и водяные; их диаметр — метры или десятки и более метров, высо­та 1—2 км, до облаков. 3. Шква­лы, роторные вихри, локальные бури диаметром от нескольких до сотен метров. Нередко они одновременно охватывают прост­ранства размером в десятки, иног­да в сотни километров. 4. Тропи­ческие циклоны (в развитой стадии симметричные) диаметром до нескольких сотен километров; их характерная высота более 10 км.
  2. Внетропические циклоны (тер­мически и кинематически асим­метричные) диаметром во мно­гие сотни километров, простираю­щиесяиногда дотропопаузы.
  3. Циркумполярные вихри, охва­тывающиевсютропосферуи нижнюю стратосферу.

Нас интересуют первые три разновидности ветровых систем. Так как они не связаны с облака­ми, то рассмотрим, какое место шкваловые и смерченосные обла­ка занимают среди всего облач­ного разнообразия.

Системы шкваловых облаков, атмосферные фронты

В зависи­мости от высоты основания раз­личают облака верхнего яруса (перистые, состоящие из кристал­лов льда, расположенные выше 6 км); облака среднего яруса (высокослоистые и высоко­кучевые с высотой основания 2— 6 км); облака нижнего яруса (с высотой основания ниже 2 км, обычно капельно-жидкие) и обла­ка вертикального развития (осно­вания которых находятся на уров­не облаков нижнего яруса, а вер­шины поднимаются выше 6 км). Формы облаков связаны с меха­низмом их образования. Движе­ние воздуха по наклонной пло­скости поверх слоя более холод­ного приводит к образованию пе­ристых, перисто-слоистых и слоисто-дождевых облаков. В них ветры могут быть сильными, по­рывистыми. Волнообразные дви­жения в некотором слое участву­ют в возникновении перисто-кучевых и высококучевых и в эволюции слоисто-дождевых об­лаков. Некоторые формы высоко­кучевых облаков появляются перед возникновением шквалов, особенно в горах. Облака верти­кального развития — конвектив­ные — возникают в результате подъема теплого и влажного воз­духа. Это кучевые (Сu), мощные кучевые (кумулус конгестус, Си cong) и кучево-дождевые (кумулонимбус, Сb) облака. По­следние иногда называют шкваловыми, грозовыми, градоносными, смерченосными и т. п.

Наиболее мощные облачные системы большой протяженности возникают на атмосферных фрон­тах — границах раздела воздуш­ных масс, вовлеченных в цикло­ническое вращение. Шкваловые облака в основном фронтальные. С облаками, развитыми внутри воздушных масс, связано не бо­лее 5—10% всех шквалов. Разли­чают атмосферные фронты теп­лые, холодные и фронты окклю­зии; последние возникают при взаимодействии теплого и холод­ного фронтов.

Теплый фронт — раздел между теплым и холодным воз­духом, когда теплый воздух дви­жется быстрее холодного. Напол­зая на слой холодного воздуха, массы теплого воздуха при подъе­ме расширяются, затрачивают энергию на работу расширения и охлаждаются. Водяной пар в них достигает насыщения, обра­зуется сплошная слоистообразная облачная система теплого фронта с обложными осадками в зоне шириной 300—400 км впереди фронта. Разумеется, в каждом частном случае процесс проте­кает по-своему, облачность не обязательно непрерывная, может быть многослойной и т. п.

Холодный фронт — название вала холодного воздуха, который движется в сторону теплого воздуха. Различают холод­ные фронты первого и второго рода. Первые — это медленно движущиеся облачные системы в основном высокослоистых и слои­сто-дождевых облаков, близкие по структуре к облакам теплого фронта. Клин холодного воздуха как бы медленно подползает под теплую воздушную массу, ко­торая натекает на него, образуя широкую систему зафронтальных облаков с обложными осадками. Перед таким фронтом также мо­гут возникать Сb.

Холодный фронт второго ро­да — более активный, это быстро движущийся (или ускоряющийся) вал кучево-дождевых облаков (Сb) перед фронтом или на нем, со шквалами, ливневыми осадка­ми и грозами. За фронтом насту­пает прояснение и похолодание. Опускание холодного воздуха в зоне ливня в тылу мощных обла­ков и подъем теплого и влажного воздуха в передней их части бла­гоприятствуют развитию вихрей с горизонтальной осью — фронталь­ных шквалов. Холодный фронт второго рода называют линией шквалов.

Ширина зоны мощных облаков холодного фронта составляет 50—100 км. Поэтому даже при скорости смещения фронта мень­ше 40 км/ч шквалы длятся в каж­дом пункте не более 1—2 часов. Вал облаков может быть несплош­ным, а ночью Сb вообще могут растекаться.

В последние десятилетия име­ются значительные достижения в изучении динамики и мезомасштабной структуры облачных си­стем и фронтов. Получены новые данные о структуре мезофронтов, линий неустойчивости, несущей полосы («питающей» циклон теплым и влажным воздухом с юга), струйных течений низких уровней (мезоструй) и др. Напри­мер, установлено, что во влажной и неустойчивой воздушной массе на расстоянии 50—100 км впереди фронта может образоваться ли­ния неустойчивости длиной 100— 500 км в виде цепочки Сb с гро­зами и шквалами. Иногда шквалы располагаются позади фронта, на вторичных холодных фронтах и т. п.

Циклон — колыбель штормов

Шквалоопасные облака в цикло­нах, где преобладает подъем воздуха, особенно активны на фронтах. Различают два основных типа циклонов: тропические и внетропические.

Тропический циклон представля­ет собой организованную в вихрь систему мощных конвективных облаков, формирующих ядро урагана — кольцеобразную сте­ну ветра и ливня с сильными вос­ходящими движениями в ней. Она окружает «глаз бури» (диа­метром до 50 км) с нисходящими движениями и малооблачной и тихой погодой. Здесь наблюдает­ся наинизшее давление; отмечен случай с давлением 847 гектопаскалей (гПа). Исследования по­следних лет показали, что поло­сы Сb шириной от 2 до 20 км вытянуты по ветру в нижней тро­посфере и сходятся спиралями к «глазу бури» в виде гряд, раз­деленных безоблачными поло­сами шириной до 8 км и более. В гигантской облачной спирали чередуются мезомасштабные зо­ны восходящих и нисходящих движений. Облака высотой более 10 км состоят из крупных капель, стремительный подъем воздуха в них распространяется выше 14—17 км. Каждое облако спирали существует недолго и проявля­ет себя локально, зона его шква­ла и ливня имеет площадь всего 2—4 км2. Цикл жизни отдельных конвективных ячеек в облаке всего несколько минут. И за это время рождается вихрь в облаке, облачные капли забрасываются выше уровня оледенения, где возникают градинки и образуются капли ливня. Облака сменяют друг друга, и это обусловливает непрерывность бури.

Тропические циклоны возника­ют над океаном на обращенной к экватору стороне субтропиче­ских антициклонов в зоне восточ­ных ветров — пассатов, не ближе 300—500 км от экватора. Они движутся, углубляясь и развива­ясь, по начальной ветви траекто­рии к западу со все увеличиваю­щейся составляющей движения к полюсу; в северном полушарии это движение к северо-западу. Приблизившись к меридионально вытянутой береговой линии ма­терика (обычно в широтах 20— 30°), циклон начинает движение к северо-востоку. В процессе дви­жения циклон проходит ряд ста­дий развития, от небольшого вих­ря до развитого циклона с «гла­зом бури» посредине и спираль­ной системой шквалово-ливневых облаков. Наибольшую повторяе­мость тропические циклоны имеют в конце лета и осенью. Развитый тропический циклон (на Тихом океане это тайфун, на Атлантическом — ураган) имеет диаметр штормовой зоны около 100—600 км и простирается в вы­соту более чем на 10—15 км.

Академик В. В. Шулейкин на­звал тропические циклоны тепло­выми машинами пятого рода, ко­торые начинают свою работу над нагревателем — океаном после того, как над ним появится на­чальный вихрь. Траектории ура­ганов совпадают с положением зон с температурой вод выше 27°С. Кинетическая энергия разви­того тропического циклона в ниж­нем трехкилометровом слое до­стигает 19*102 5 эрг — энергии два­дцати Куйбышевских ГЭС.

Итак, тропический циклон — наиболее мощная система шква­лов.

Можно сказать, что почти вся его энергия — это совокупная энергия образующих его шквалово-грозовых облаков.

Внетропические циклоны

В от­личие от тропических, внетропи­ческие циклоны в развитой стадии резко асимметричны по распре­делению температуры, облачно­сти, осадков, ветра. Именно в контрастах температуры черпают они свою энергию. В умеренных широтах обычные циклоны дви­жутся в общем к востоку (иногда со значительной меридиональной составляющей). Они особенно активны зимой: важнейшим фак­тором развития внетропических циклонов является контраст тем­пературы в системе высотной фронтальной зоны, под которой возникает циклон.

Наибольшая активность шква­лов в циклонах наблюдается при меридионально расположенных фронтах, когда контраст свойств сходящихся в циклоне воздушных масс превышает несколько гра­дусов. В циклоне с холодным фронтом на Европу обрушивают­ся северо-западные шквалы. Таким был и шквал, погубивший «Эвридик».

Зимой смена западных ветров северными на побережье Европы сопровождается сильными снеж­ными зарядами, метелью, иногда с грозой. Интенсивность летних шквалов и гроз днем здесь боль­ше, чем ночью, так как в резуль­тате прогревания относительно прохладного морского воздуха усиливается конвекция и разви­ваются более мощные Сb.

Многие особенности мезомасштабной структуры фронтов и циклонов лишь недавно выявле­ны экспериментально. Например, обнаружена полосовая структура полей ветра и других метеороло­гических характеристик в зонах атмосферных фронтов и в теплом секторе циклона. Установлено, что существует так называемая несущая полоса перед холодным фронтом, параллельная ему, свя­занная со струйным течением низких уровней. Найдено, что формирование циклонов не всег­да связано с фронтами: циклоге­нез рассматривается как проявле­ние гидродинамической неустой­чивости атмосферных потоков. Циклонические возмущения в атмосфере могут черпать энер­гию из кинетической энергии крупномасштабного зонального (широтного) потока.

Электронные «глаза» и «порт­реты» шквалов и смерчей

Ана­лиза традиционных карт погоды, в том числе высотных, кольцевых приземных и других вычислений не всегда достаточно для сужде­ния о размерах, характере и вер­тикальной структуре шкваловых облаков. Новая информация на­чала накапливаться благодаряиспользованиюискусственных метеорологическихспутников

Земли (МСЗ) и метеорологиче­ских радиолокаторов (МРЛ). Она, например, позволила обна­ружить новые формы облачных систем.

На спутниковых фото шкваловые и смерчевые облака на холодных фронтах имеют вид ярко-белых изогнутых полос, гряд, цепочек Сb, вытянутых вдоль фронта. Впереди них расположены полу­прозрачные волокна перистых облаков. Массив перистых обла­ков с нитевидными концами — типичная черта циклонического вихря на этих фото. Часто на них хорошо видны гряды конвектив­ных ячеек диаметром 2—3 км каждая. Системы облаков вытя­гиваются и перемещаются в ос­новном по ветру в средней тро­посфере. Внутримассовые Сb со шквалами и грозами беспорядоч­но разбросаны в виде ярко-белых пятен размером от 10—20 до 100—200 км и более. Между ни­ми хорошо просматриваются реки, горы. В волновых возмуще­ниях на фронтах скопления Сb образуют овальные пятна разме­ром тысячи квадратных километ­ров. Размытые и маскированные фронты ночью и утром (на ин­фракрасных снимках) имеют вид отдельных пятен, полос, цепочек или вихрей различных форм, яр­кости и высоты. Днем с усиле­нием прогрева и развитием кон­векции под ними начинаются шквалы и грозы. На спутниковых фото видны и кажущиеся непод­вижными облачные валы (часто со шквалами под ними), которые располагаются вдоль горных хреб­тов и над их вершинами.

Спутниковые наблюдения по­казывают, что поля конвективных ячеек (обычные в тылу циклона) при сильных ветрах формируют гряды, сходящиеся к зоне холо­да. Здесь развивается интенсив­ная конвекция с ливнями и гро­зами. Она охватывает значитель­ный слой тропосферы, иногда вплоть до тропопаузы. Обнаруживается также и фронт порывов ветра впереди дугообразных по­лос Сb, его различают по виду перистых вееров — наковален перед Сb и по градиенту яркости у края Сb, Быстро движущиеся облачные дуги характеризуются более сильными порывами ветра.

Сопоставляя снимки с МСЗ за последовательные сроки поступ­ления сигналов при каждом новом витке МСЗ, синоптики определя­ют направление и скорость пере­мещения очагов Сb и их эволю­цию, а экстраполируя — опреде­ляют их будущее положение. Это позволяет уточнить прогноз по­годы.

Неоценимую помощь оказыва­ют синоптикам и наблюдения с помощью МРЛ. Они дают воз­можность более детально просле­дить за расположением и эволю­цией зон Сb и уточнить особен­ности развития грозово-градово-шкваловых облаков. Например, установлено, что горизонтальные размеры шкваловых очагов вели­ки, порядка 5—10 тыс. км2, они крупнее ливневых и грозовых очагов. Обычно шкваловые оча­ги движутся быстрее грозовых, со скоростью 30—60 км/ч, иногда до 100—120 км/ч. Эту скорость можно определить, рассматривая экран локатора через небольшие промежутки времени — 10 — 15 минут.

Скорость движения облачных очагов и их мощность — главные критерии силы возможных поры­вов ветра при шквалах. Последние вспыхивают отдельными пятна­ми на участках шириной от не­скольких до десятков километров там, где вершины Сb поднимают­ся выше 12—14 км. Чем выше вершины этих облаков, тем силь­нее порывы ветра. Установлено, что при высоте вершин 9—10 км порывы ветра достигают всего 15—20 м/с, а при высоте 13 — 14 км — более 30—40 м/с. Опре­делили, например, что если обла­ко имеет высоту более 11—13 км (высота радиолокационного отра­жения сигнала более 9 км), то это уже не просто шкваловое, а смерченосное облако. Обнаружены некоторые внешние признаки опасных облаков. Так, опасен облачный грозовой ворот впере­ди облака на высоте 300—500 м, самолет не должен к нему при­ближаться. Такие опасные облака дают на экране МРЛ яркий сигнал, имеющий особую форму гигант­ской запятой.

Никакими другими средствами наблюдения нельзя получить столь детальную картину эволю­ции шкваловых очагов и с такой частотой. Таким образом, новая информация, накапливающаяся в результате использования новых технических средств, существенно обновляет арсенал синоптиков.

Нарушитель покоя атмосферы. Конвекция, термики

Как возника­ет и развивается шкваловое, гро­зовое облако? В Сb скорость вертикальных движений может достигать нескольких десятков метров в секунду. Причина таких движений воздуха — конвекция. Это преимущественно верти­кальные движения, зависящие от разностей температур между воз­духом, вовлеченным в конвекцию, и окружающим воздухом. Можно говорить о динамической кон­векции, противопоставляя ее термической конвекции. Напри­мер, воздух, нагревшийся над теплыми участками земной по­верхности, устремляется вверх благодаря термической конвек­ции. Высота подъема зависит от стратификации атмосферы — распределения температуры в окружающем воздухе — и от скорости охлаждения (за счет работы расширения) поднимаю­щегося объема воздуха.

Сухой и не насыщенный водя­ным паром воздух на каждые сто метров подъема охлаждается почти на один градус — по так называемому сухоадиабатическому закону. Воздух, насыщенный водяным паром, охлаждается медленнее (на 0,6° С на 100 м подъема) — по влажноадиабатическомузакону, так как выде­ляется скрытое тепло конденса­ции. Любой показатель возможно­сти шквала учитывает способ­ность атмосферы к вертикаль­ным движениям — термическую (конвективную) неустойчивость стратификации атмосферы, изме­нение с высотой скорости ветра, дефицитов точки росы («недосыщение» водяного пара) и дру­гие термодинамические парамет­ры состояния атмосферы.

Если в окружающем воздухе температура с высотой убывает меньше чем на 0,6°С на 100 м, то атмосфера стратифицирована ус­тойчиво: любой ее объем, подни­маясь, на некоторой высоте ока­жется более холодным, чем ок­ружающий воздух. Но бывают неустойчивые состояния, когда вертикальный градиент темпера­туры близок к 1 °С на 100 м или еще больше. При очень неустой­чивой стратификации образуются конвективные струи воздуха. Так возникают пыльные вихри, пыль­ные смерчи.

В поднимающемся влажном воз­духе водяной пар, охлаждаясь, на некоторой высоте (на уровне, который называется уровнем конденсации) достигает насыщения и собирается (на ядрах кон­денсации, которых всегда много) в капельки. Так образуется обла­ко. Восходящие потоки в облаках теплее окружающего воздуха на 1—4°С. Эта разность в верхней части облака больше, чем внизу, и чем она вообще больше, тем быстрее растет облако.

Прогрев воздуха снизу — при­чина развития конвективных струй поднимающегося воздуха. Когда конвекция усиливается, становит­ся упорядоченной, возникают облака конвекции, самые мощные из которых связаны со шквалами и смерчами. Эта конвекция уси­ливается в зоне холодного фрон­та. Конвективные облака — обла­ка вертикального развития — луч­ше развиваются летними днями, когда усиливается турбулентный тепло- и влагообмен между по­верхностью Земли и атмосферой. В этом причина того, что 92% шквалов в СССР наблюдается в мае — августе, обычно после полудня (как и ливни из этих облаков), на юге и на возвышен­ностях чаще, чем на севере и на равнинах.

Конвективные облака еще не­достаточно изучены. В мощные Сb влетать на самолетах — «летающих лабораториях» запре­щается, как и на любых самоле­тах. Показания радиозондов в та­ких облаках неустойчивы. Вихри в Сb подобны «электрофорным машинам», в которых рождаются сильные электрические заряды, грозы. Однако многолетние ис­следования и поиски путей рассеи­вания и создания искусственных облаков, «управления» штормами пролили свет на многие важные детали эволюции облаков.

Основное звено механизма конвекции—такназываемые термики, устойчивые и сильные восходящие движения воздуха. Это струи и пузыри более тепло­го воздуха. Их, например, исполь­зуют для набора высоты при по­летах на планерах и дельтапла­нах. Термики имеют различные размеры; объединяясь, они ук­рупняются, образуя «стержень», кинематическую основу конвек­тивного вихревого облака. Тер­мики существуют недолго, появ­ляются и исчезают, сменяя и до­полняя друг друга. Одновремен­но развиваются семейства тер-миков различной мощности. Чем теплее струя, крупнеетермик, тем стремительнее и мощнее подъем воздуха, выше уровень конвекции, до которого поднима­ется в этой струе водяной пар, и значит, выше облака. Вертикаль­ный столб приобретает враща­тельное движение. В течение не­скольких часов этот вращающийся столб воздуха может сменять свои «одежды»— облако умирает или возрождается в зависимости от по­ступления в него влаги. Именно с такими суперячейками связано возникновение дуговых шквалов и смерчей, сопровождающихся гра­дом.

Жизнь шквалового облака

При­смотритесь, как в разгар лета рас­тут кучевые облака. Сначала ка­кие-то неясные белесые сгустки собираются на голубом небе. Об­лаков еще нет, но небо мутнеет, белесость ослабляет прямые лучи Солнца. К полудню появляются небольшие скопления разрознен­ных кучевых облаков, похожих на стога сена. Они медленно плывут по небу, почти не меняя своей вы­соты. Это кучевые облака хоро­шей погоды. По мере дневного прогрева усиливается испарение. Если воздух влажен, то вы чувствуете, что парит. Облаков стано­вится все больше. Затем появля­ются мощные кучевые облака (Сu cong). ЕСЛИ ОНИ продолжают рас­ти, то перерастают в кучево-дождевые (Сb), и мы ожидаем грозы, ливня, шквала.

Иногда на вас надвигается ли­ния шквалов — холодный фронт, и уже с утра на горизонте громоз­дятся башенкообразные высоко­кучевые облака. Темный облач­ный вал фронта надвигается стре­мительно. Но и он, как сказано выше, состоит из отдельных Сb, каждое со своим вихрем, которые могут сложно соединяться.

Каждое кучево-дождевое обла­ко подобно гигантскому насосу, оно с силой всасывает воздух в об­ласть, над которой на вершине Сb ветры расходятся и воздух выно­сится из облака (обычно через на­ковальню— переднюю перистую часть вершины, имеющую вид се­дых волос, развевающихся по вет­ру). К таким облакам запрещено подлетать на самолетах, потому что даже мощный суперлайнер может быть в облаке подброшен на сотни метров. Наблюдения по­казали, что планеры и радиозон­ды подчас втягиваются в нижнюю часть облака. Однако они оттал­киваются от его вершины и стенок и увлекаются вращательным по­током вокруг облака. Вершины об­лаков пульсируют, перекатыва­ются.

Исследования показали, что жизненный цикл одного отдель­ного облака (рождение, рост, зрелость, распад) редко длится более получаса, а небольшие Сu живут всего 5—10 минут. Лишь особо мощные Сb распадаются через 1—2 часа после возникно­вения. Но в таких случаях облако не одиноко, и не всегда можно заметить смену его другим. А смерчевые облака существуют иногда несколько часов.

Для того чтобы облако давало осадки, оно должно стать коллои­дально неустойчивым, то есть в нем одновременно должны суще­ствовать водяные капли и кристал­лы льда. Это бывает тогда, когда его вершина проникла в слой воз­духа с температурой ниже нуля градусов. Изредка оледеневшие вершины облаков могут оставать­ся округлыми, «лысыми», что яв­ляется признаком их роста. Обыч­но же из вершин выбрасываются пучки ледяных перистых облаков, образующих наковальню; это уже признак наличия механизма шква­ла и грозы. В облаке более круп­ныемезомасштабные струи раз­мером 5—10 км по нескольку ми­нут сохраняют устойчивость как ветви конвективной циркуляции, которая определяет собой его размеры, темп и характер разви­тия вихрей, интенсивность конвек­ции и т. д.

Недавно установлены некото­рые типичные параметры шквалово-смерчевых облаков. Централь­ная часть вращающейся струи в облаке неширока— 1—2 км, лишь в особо мощных Сb, где форми­руется упорядоченная конвек­ция, ее ширина может достичь 10—12 км. Наибольшие скорости подъема воздуха доходят, по рас­четам, до 63 м/с, однако обычно они во много раз меньше и ред­ко превышают 20—30 м/с. Мощ­ные Сb имеют высоту в три-четы­ре раза больше их диаметра, вер­шины их состоят из нескольких куполов — облачных «шапок» раз­мером от 200 до 2000 м. Попереч­ник мелких вихрей в облаках 25—300 м.

В стадии роста (длящейся 10—20 минут) поперечник облака удваивается. В зрелой стадии (40—50 минут) наковальня теря­ет симметричность, ее подветрен­ный край вытягивается по ветру. Облако растет с одной стороны и рассеивается с другой. Скорость роста Сb достигает 2,6 м/с: запол­часа облако вырастает на 4—5 км. С прекращением роста купола Сb начинают оседать, облако рас­падается за 10—15 минут. Неред­ко облако стремительно тает в средней части (при выпадении ливня) и остаются лишь следы пе­ристой наковальни.

Установлено, что грозовые об­лака всегда выше 7—8 км. Но верхняя кромка шкваловых фрон­тальных облаков еще выше — более 11—12 км. Данные МРЛ по­казывают, что высота Сb порой достигает 18—19 км в низких ши­ротах. Горизонтальные размеры системы таких высоких облаков могут доходить до 50 и даже 70 км. Куполы Сb иногда прони­кают на высоту более 4—5 км над основанием тропопаузы. Именно такие мощные Сb чреваты шква­лами.

Шквалово-грозовые облака су­ществуют популяциями — обшир­ными, часто хаотическими об­лачными полями или фронталь­ными полосами, состоящими из конгломератов облаков, конвек­тивных ячеек. Безоблачные «ули­цы» шириной до десятков кило­метров разделяют несколько па­раллельных полос Сb, нередко сходящихся в спирали (не только в тропических циклонах, но и на периферии внетропических). Спи­ральные гряды Сb вытянуты вдоль тропосферных ветров (тогда они как бы малоподвижны) или же под углом (до 60—80°) к ветру (тогда полосы смещаются быстро). Встречаются грядовые и мо­заичные структуры популяций Си и Сb.

В НИЗКИХ широтах мезомасштабная конвекция — основной меха­низм тепло- и влагообмена. Так, например, кучевые облака пасса­тов рассматривают как «энерго­проводы», питающие планетную систему ветров. Мощные Сb в этих широтах можно назвать «ци­линдрами» теплоэнергетического двигателя, в котором холодиль­никами служат полярные широты. Подсчитано, что количество во­ды, переносимое в стратосферу одиночными Сb, достигает 3600 т в час. В таком облаке ежесекундно из пара образуется до 10 т воды, а во всех Сb в течение лета толь­ко над этими широтами США — около 13 млн. т. Поэтому Сb мож­но назвать преобразователями, «котлами», в которых рождаются стихии: водяной пар превращается в ливневый дождь, а скрытое теп­ло конденсации — в ощутимую кинетическую энергию бури, шквалов.

Структура шквалов

Передняя часть холодного фронта — «кли­на» холодного воздуха, вторгаю­щегося в теплые районы, имеет форму «головы» высотой до 2—3 км. Это объясняет бурность явлений, силу порывов ветра впе­реди шквала и скачок давления у земли. Усиление конвекции, ак­тивный подъем воздуха перед вторгающейся «головой», на ее лобовой части образует шкваловый вал, вихрь с горизонтальной осью, нижняя часть которого и производит на земле разруши­тельное действие. Верхняя часть вихря движется вперед, а ниж­няя — назад, он как бы катится. Шкваловая зона фронта имеет длину до 200—800 км; как мы уже говорили, «солдаты» шквалового фронта — это разрознен­ные или объединившиеся, сме­няющие друг друга Сb. Каждый Сb обычно в своей передней ниж­ней части имеет вихрь, который нередко приобретает вид дуги— облачного вала, «рукава».

Опускание холодного воздуха в зоне ливневых осадков сопро­вождается нагреванием (на 0,6° С на 100 м) с меньшей интенсив­ностью, чем происходило охлаж­дение при подъеме (на 1°С на 100 м). Поэтому воздух в тылу шквала холоднее окружающего, и без того холодного. Зимой в высоких широтах похолодание за­частую сопровождается снежны­ми зарядами, интенсивными сне­гопадами при порывах холодного ветра над незамерзшими участ­ками моря. Контраст температу­ры вода—воздух способствует развитию турбулентности, силь­ных порывов ветра.

В растекающемся под Сb хо­лодном потоке у земли могут обнаруживаться вторичные шкваловые порывы ветра. Они харак­теризуются сильными вертикаль­ными бросками воздуха, которые в авиации называют болтанкой.

Вторжение плотного воздуха определяет собой резкое измене­ние атмосферного давления. В момент сильного порыва ветра в передней части шквала на фоне некоторого понижения давления отмечается скачкообразное его повышение, иногда на несколько гектопаскалей за считанные мину­ты. Затем вновь продолжается плавное понижение давления. Запись скачка давления на баро­грамме получила название шквалового, грозового «носа». Этот скачок давления происходит в свя­зи с динамическим взаимодействием опускающегося холодного воздуха (и ливня) с поверхностью Земли. Под облаком образуется грозовой мезаантициклон, подоб­ный «капле» холодного воздуха поперечником до нескольких де­сятков километров и высотой 300—1 500 м, в виде купола, пере­мещающегося вместе с очагом ливневых облаков. В его передней части как раз и образуется мезо-масштабный холодный шкваловый псевдофронт, зона порывов ветра.

Структура потоков и поля давления под мощным грозово-шкваловым облаком

Структура потоков и поля давления под мощным грозово-шкваловым облаком

Именно на этом холодном мезофронте возникают шквалы, а в не­которых случаях — смерчи. В мо­мент прохождения фронта поры­вов ветра отмечается грозовой «нос».

Ветер силен и над мезоантициклоном, здесь возникает струя — сильный ветер на малой высоте. Даже слабая конвективная систе­ма обладает мезоструей со зна­чительным сдвигом ветра. Сдвиг ветра — это изменение его ско­рости по горизонтали и верти­кали, причина сильной порывис­тости и формирования вихрей, шквалов. Сдвиг обнаруживается и под Сb, его «выдают» полосы падения осадков, не достигающих земли из-за высокой температу­ры и сухости приземных слоев воздуха. Сдвиг — примета воронкообразности Сb, когда под ними рождаются вихри или даже смер­чи.

Мезомасштабную структуру по­ля ветра в зоне популяций в СССР исследуют с 50-х гг. Этой цели служат установленные на «летаю­щих лабораториях» доплеровские излучатели, радиолокацион­ное прослеживание искусственных облаков (состоящих из дипольных отражателей) и др. Исследования показали, что ветер вокруг Сb не хаотичен и зависит от стадии раз­вития облака и его размеров. Но на фронте действует конгломерат облаков, находящихся одновре­менно в разных стадиях своего развития, что делает неопределен­ной структуру ветра, тем более что каждый Сb — непрерывно раз­вивающаяся динамичная система вихрей.

Мезоантициклоны, мезоструи, шкваловые мезофронты, фронты порывов ветра — новые объекты исследований последних лет.

Куда идут шквалы?

Мрачный вид грозово-шквалового облака, отдаленный гром, молнии, поры­вы ветра пугают людей. От грозы и шквала лучше всего вовремя укрыться.

Локальность шквалов затрудня­ет их исследование: даже совре­менная сеть метеостанций обна­руживает только каждый пятый шквал, а максимальные порывы ветра удается зафиксировать лишь при прохождении ливневой струи — центра нисходящего по­тока под облаком. Однако на­правление порыва ветра еще не говорит о направлении перемеще­ния всего шквалового вихря.

Траектория смещения шквало­вого облака зависит прежде всего от распределения ветра по высоте во всей тропосфере и от размеров облака. Крупные Сb зачастую сме­щаются несколько вправо от сред­него ветра (вспомните постоянство действия силы Кориолиса). Если облако вращается вокруг верти­кальной оси, то действует еще и эффект Магнуса, сносящий его в сторону. Новые вихревые облач­ные ячейки чаще растут с правого фланга облака и рассеиваются с левого. Но бывает и так, что раз­вивающийся Сb разделяется: одна его часть движется вправо и вра­щается по часовой стрелке, вто­рая — влево, вращаясь циклони­чески. Если ветер с высотой пово­рачивает вправо (например, у земли — западный, а на высоте — северо-западный), то восходящий поток теплого воздуха в облаке формируется правее, а нисходя­щий — левее середины Сb. Это, конечно, влияет на эволюцию об­лака и его смещение. Наклонен­ные ветром шкваловые облака развиваются быстрее, как бы «рас­тягиваются». Восходящий поток в верхней части облака наклоняется по ветру и влево и выносится из наковальни вперед. При этом го­ризонтальные размеры восходя­щего потока несколько уменьша­ются с высотой, вихрь вытягивает­ся вдоль ведущего края шторма иногда более чем на 10 км. Этот же сдвиг ветра может разрушить облака в одних случаях, и способ­ствовать развитию смерчей — в других.

Кроме структуры Сb и ведуще­го потока, на его движение оказы­вает сильное влияние рельеф. В горных районах Сb тормозятся сильнее, чем на равнинах, и лишь при тропосферном ветре сильнее 40 км/ч влияние рельефа ослабе­вает.

С облаком перемещается и свя­занный с ним мезофронт, псевдо­фронт. Поднимая перед собой влажный неустойчивый воздух, фронт способствует развитию но­вых Сb, новых шквалов. Кроме то­го, воздушный поток изгибает Сb, нижняя и верхняя части кото­рого могут опережать среднюю. С боков облака могут втягивать в себя струи ветра, усиливая враще­ние облака и смещая его относительно общего воздушного пото­ка.

Исследование взаимодействия воздушных потоков в облачном слое с особенностями структуры облаков в последнее десятилетие привлекает все большее внима­ние ученых.

Имя шквала

Многие местности со сложной орографией характе­ризуются присущими им шквала­ми. Они получают «собственное имя», хотя их природа и структура, имеют много общего со шквала­ми в других местностях с анало­гичными условиями. Так, напри­мер, семейство Сb вытягивается вдоль длинных горных хребтов подобно неподвижной арке, дуге протяженностью в десятки, а то и сотни километров. В этих облаках отчетливо видны мощные вихри диаметром 200—300 м. Семейства Сb формируются над горами и предгорьями при возникновении теплых ветров с гор — фенов или при обвалах холодного воздуха с гор — боры. Это, например, в го­рах Сьерры — так называемые волны Сьерры, в горах Дальнего Запада США — Дуга чинука. В вос­точной Бенгалии дуга начинается над Бенгальским заливом и обра­зует внешний край громадного грозового облака с типичной нако­вальней — признаком шквала. В Гвинейском заливе дуговое об­лако предшествует возникнове­нию смерчей, шквальной бури. В Малаккском проливе известен суматра — ночной дуговой шквал с сильными грозами и ливнем, обычный для периода юго-запад­ного муссона и связанный с систе­мой дуговых облаков длиной до 400 км. Дуговые шквалы встреча­ются в Европе, в Альпах, где они получили свое название, в пред­горьях украинских Карпат и др.

Облака со шквалами формиру­ются в связи со стоком холодного воздуха с гор при господстве тро­посферного потока, перпендику­лярного горному хребту. Шквалы достигают большой силы, когда поперек горной гряды развива­ется значительная разность атмо­сферного давления. Обвалы воз­духа с перевалов в сторону низко­го давления происходят толчками, и ветер приобретает характер орографических мезоструй и воздухопадов, усиливаясь в сужениях рельефа и приобретая вращение вокруг горизонтальной оси. На­пример, бора — это зимний шква­листый ветер, сток, обвал сухого и холодного воздуха с невысокого горного хребта, мощный воздухопад по крутому подветренному горному склону с холодного на­горья к теплым предгорьям или к морю. Шквал обрушивается стре­мительно с резкими похолодания­ми, пульсирующими порывами. Различают стадии развития боры: накопления холодного воздуха на наветренной (высокой) стороне хребта; начала перетекания воз­духа через перевал; обвала на подветренную сторону и возник­новения предгорного шквала; за­тем наступает ослабление боры. Широко известны боры: Новорос­сийская, Адриатическая,Новоземельская, Кизеловская, северо­восточные ветры в Венеции, на склонах хребта Чингиз-Тау, севе­ро-западный муссон на гористых побережьях Дальнего Востока, воздухопады с хребтов, окружаю­щих Байкал (сарма и др.), шква­листые воздухопады на Земле Франца-Иосифа и др.

Шквалами являются и пыльные бури, развивающиеся на холод­ных фронтах при сильном нагреве почв, оголенных от растительности, когда вихрь гонит перед собой мощную стену пыли. Пыльные бу­ри развиваются вверх и по площа­ди, перемещаются вместе с фрон­том, проходя при этом ряд стадий, от небольших очагов — вихрей у земли до огромных пылевых об­лаков, вытянутых по потоку на сотни километров. Пылевые пото­ки имеют хорошо видный из кос­моса фронт в виде вала, стены пыли. Это и есть линия шквалов. Основные очаги пыльных шква­лов на планете — это Северная, Центральная, Западная и Восточ­ная Африка, Аравийский полу­остров, Нижнее Поволжье и Се­верный Кавказ, юг Украины, пу­стыни и степи Средней Азии, Мон­голии, Китая, степи Австралии, центральные штаты США (так называемая Чаша пыли, или Пояс торнадо), пампасы Южной Аме­рики. Самый крупный очаг пыль­ных шквалов и бурь — это Сахара. Для Африки весьма характерна, например, песчаная буря на хо­лодном фронте — хабуб, «дую­щая неистово» в пустынях Судана, Египта, Аравии. Она обрушивается со скоростью автомобиля и пред­шествует грозовому ливню. Шквал, вихрь гонит перед собой облака пыли в виде стены высотой иногда до 1500 м, шириной до 30 км. Во всей этой зоне ветер имеет разрушительную силу. Буря может длиться до двух часов, иногда заканчивается сильным ливнем из мощных Сb. Менее про­должителен (до 10 минут), но так­же внезапен самум — сухой и пыльный весенне-летний шкваловый вихрь раскаленного воздуха с песком в пустынях Малой Азии, Аравии и Сахары. В Египте и Лива­не недоброй славой пользуется южный или юго-восточный шква­листыйхамсин, дующий после дней весеннего равноденствия в течение 50 дней (с перерывами) впереди циклонов.

Ветры пустынь, вырываясь на Средиземное море, увлажняются и вместе с красной пылью прино­сят в Европу удушающий зной. Это сирокко — горячий, очень пыльный и вместе с тем влажный ветер, налетающий шквалами. Он имеет различные местные на­звания: левече, картахена,бочорно, сахель, гибли, шергуи, нотиа, остриа, фурианте, марцио, малеццо и др.

Не все шквалы в Африке пыль­ные. В Южной Сахаре дожди не­сколько регулярнее и обильнее, чем в северной; летом это тропи­ческие ливни, настоящие потопы со стремительными грозовыми шквалами. Они возникают при начале или окончании дождевого юго-западного муссона и встрече его с сухим и пыльным северо-вос­точным харматтаном — пассатом, который тоже нередко имеет ха­рактер шквалов. В нагретом воз­духе появляется относительно хо­лодный нисходящий поток. Такие шквалы и ливни здесь неправильно называют ураганами. Шквальные порывы ветра предшествуют и завершают эти короткие и бурные возмущения атмосферы, переме­щающиеся на запад, к Атлантиче­скому океану.

Характер шквалов имеют и снежные бури — бураны, метели, пурги. Они встречаются под раз­личными названиями. Это, напри­мер, акман, тукман, гарасат — в Татарии, калаидашт — на Памире, северо-восточный курдай и мугоджарский ураган — на одно­именных перевалах, торок,торопец — на севере Союза, торон — северо-западный шквал на Каспии, бюрль — в горах Франции, флурри — в Канаде, фриск винд — в Швеции и др. Нередко осенне-зимние бури вблизи побережий морей тоже представляют собой шквалы — вихри с горизонталь­ной осью. На юго-восточном побе­режье Бразилии это северный шквал аброхоло, на юге Кубы — байамо, на Байкале — байкал, на севере Целебеса — барат, на юж­ном берегу Аравии — северный белат, в Японии — бофу, на за­падных берегах Франции — галерно, на Гаваях — каваиха, коала, в Персидском заливе —лагеймар, в Шотландии — ландлаш, на юге Малакки — рибут, в Центральной Америке — чубаско, на юго-за­паде Индостана — элефанта, в Тайваньском проливе — кват и т. п. Моряки называют тропиче­ские шквалы фамильярно — бразер, булз аи (бычий глаз) или кокид-боб (косоглазый Боб).

В горных или холмистых стра­нах неравномерное нагревание смежных территорий способству­ет обострению атмосферных фронтов и развитию шквалов. Собственные имена имеют бури на холодных фронтах: северный шквал аджина шамол (чертов ве­тер) — на Амударье, стрыйский шквал — в Предкарпатье, варзобокий шквал — в Таджикистане, оча­ковский шквал — на юге Украины, южный шквал — на Иссык-Куле, армавирский восточняк, карадарьинский штормовой карабуран, кызылбуран, сарык, афганец — в Средней Азии, норд, хазри — в Баку, южный барстер и северныйбрикфильдер (кирпичник) — в Австралии, дойнионн — период шквалов в Ирландии, сухой хуан-фын — в Пекине, кайджу — в Бра­зилии, наф хат — в Аравии, сонора-шторм — в Нижней Калифор­нии, турбонадос — на севере Испании, колла — юго-западные шквалы на Филиппинах, северныйчоколатеро — в Мексике и многие другие.

Иногда орография определяет собой спиралевидную форму шквала, например техашапи в Ка­лифорнии. Этому способствует прогрев обращенных к солнцу склонов и форма долины, вдоль которой развит большой бариче­ский градиент, а следовательно, и сильный ветер, имеющий характер шквала. А на Новой Земле, напри­мер, когда начинается бора и в некоторых ущельях дует штормо­вой «сквозняк», на выходе из ущелий при ясном небе могут возникать смерчеподобные вихри с вертикальной осью.

comments powered by HyperComments