Раздел 4 Вода в атмосфере (стр. 4 )

9. Кучевые облака — это отдельные облака в нижнем и среднем ярусах, как правило, плотные, с резко очерченными контурами, развивающимися в виде холмов, куполов, башен. На солнце кажутся ослепительно-белыми. Кучевые облака осадков, как правило, не дают, но в тропиках при большой водности облаков из них могут выпадать небольшие дожди.

10. Кучево-дождевые облака являются дальнейшей стадией развития кучевых облаков. Они представляют собой мощные кучевообразные массы, очень сильно развитые по вертикали в виде гор или башен от нижнего до верхнего яруса. Закрывая солнце, они имеют мрачный вид и сильно уменьшают освещённость. Они дают осадки ливневого характера, интенсивные дожди с градом, зимой — густой снег. С ними часто связаны грозовые явления и радуга.

Генетические типы облаков. Различия в структуре и внешнем облике облаков объясняют различиями в условиях их возникновения, и их генезисе. Различают облака внутримассовые и фронтальные. Первые обязаны своим происхождением процессам внутри воздушных масс, вторые — процессам, связанным с фронтами, то есть с границей между отдельными воздушными массами.

Наиболее яркими примерами внутримассовых облаков являются облака конвекции. Они возникают в результате адиабатического охлаждения воздуха в восходящих токах в неустойчивых воздушных массах. В среднем скорость восходящих токов при облакообразовании порядка 3-6 м/сек, но в отдельных случаях — выше 20 м/сек. Таким образом формируются кучевые облака, которые при последующем развитии могут превратиться в кучево-дождевые. Превращение заключается в появлении ледяных кристаллов в верхних частях облаков (оледенение вершин облаков) и появлении в них волокнистых структур. Именно этот процесс приводит к выпадению осадков из кучево-дождевых облаков, тогда как кучевые облака осадков не дают. Кучево-дождевые облака даже в умеренных широтах могут достигать уровня 13 км, а в тропиках и выше 14 км. Поперечники кучево-дождевых облаков достигают 15-20 км, облака состоят из отдельных ячеек, которые существуют в течении 20-30 минут.

Для развития облаков конвекции необходимо, чтобы воздушная масса до значительных высот обладала неустойчивой стратификацией, т. е. вертикальные градиенты температуры в ней до уровня конденсации должны быть больше сухоадиабатического градиента, или близки к нему, а выше уровня конденсации – больше влажноадиабатического градиента.

Высоту конденсации в этом случае можно подсчитать, зная температуру и влажность воздуха у земной поверхности:

Z =122 (t0-t0),

Где Z – уровень конденсации в метрах, t0- температура воздуха у земли (0С), t0 – точка росы для этого воздуха, размерность коэффициента –122 м/град. Температуры на уровне оледенения составляют -8 -120С.

При наличии на какой-либо высоте слоя инверсии температуры или хотя бы слоя с малыми вертикальными градиентами конвекция замедляется или прекращается. Эти слои называются задерживающими. Такие явления часто наблюдаются в тропиках и объясняют отсутствие осадков в сухие сезоны.

Облака конвекции образуются:

- в холодных воздушных массах, движущихся над теплой поверхностью. В этом случае они возникают и над сушей, и над морем.

- летом над сушей в местных воздушных массах над сильно прогревающейся днем поверхностью почвы. В этом случае облакообразование имеет отчетливо выраженный суточный ход: наибольшее развитие днем, в послеполуденные часы и исчезают под утро.

- зимой над морем облака конвекции образуются довольно часто, над сушей – редко или отсутствуют вовсе.

Волнообразные облака. В устойчивых воздушных массах (в основном тёплых) основным процессом развития облаков является турбулентный перенос водяного пара вместе с воздухом от земной поверхности вверх и соответствующее его адиабатическое охлаждение. Подъём осуществляется до слоя инверсии, под ним происходит накопление водяного пара, его радиационное выхолаживание и формирование облаков. Так образуются слоистые и слоисто-кучевые облака нижнего яруса. И те, и другие облака растянуты в горизонтальном направлении и имеют волнистую структуру. Эта структура связана с волновым процессом в слое инверсии. В слое инверсии и по обе стороны от него возникают воздушные волны длиной порядка 50-2000 м. В гребнях этих волн воздух поднимается вверх, между гребнями опускается вниз. В результате облачный слой разделяется на отдельные валы, характерные для слоисто-кучевых облаков. При больших длинах волн возникают слоистые облака, волнистая структура которых заметна только с самолёта. При существовании слоев инверсии в средней тропосфере этот же процесс приводит к образованию высококучевых облаков. Волнообразные облака образуются чаще всего ночью и в холодный сезон.

Фронтальными облаками являются облака упорядоченного восходящего скольжения. Эти облака представляют собой огромные облачные системы, вытянутые в длину вдоль линии раздела воздушных масс (вдоль фронта) на тысячи километров и в ширину захватывающие сотни километров. Наиболее отчетливо эта облачная система бывает выражена на теплом фронте. При надвигании тёплого воздуха на холодный формируется очень пологая поверхность теплого фронта. Медленное вползание тёплого воздуха по холодному клину приводит к адиабатическому охлаждению мощных слоёв теплого воздуха и к конденсации в нем водяного пара. В результате возникает облачная система, расположенная в тёплом воздухе над холодным клином. Самая мощная часть облачной системы расположена вблизи линии фронта и образована слоисто-дождевыми облаками мощностью в несколько километров между уровнями 1-2 и 6-8 км. Дальше от линии фронта облака теплого фронта представлены менее мощными высокослоистыми, ещё дальше перисто-слоистыми, перед которыми на расстоянии многих сотен километров от линии фронта наблюдаются гряды перистых облаков. Осадки из высокослоистых облаков не достигают земной поверхности, по крайней мере, летом. Но из слоисто-дождевых облаков выпадают обложные осадки полосой, ширина которой 200-300 км. Вместе с перемещением фронта перемещаются и связанные с ним облака и осадки. Признаками приближающегося тёплого фронта с последующей мощной облачностью и осадками являются вытянутые полосы перистых облаков на западном или южном горизонте.

В случае холодного фронта (перемещения холодной массы на место тёплой) получается, по существу, такая же облачная система. Отличие состоит в том, что она более узкая и в передней, наиболее мощной части, имеет характер кучево-дождевых облаков с ливневыми осадками.

Следует отметить, что на фронтах возможно образование и некоторых других типов облаков. Например, на холодном фронте возможно образование перисто-кучевых облаков, летом кучево-дождевые облака могут образовываться и на теплом фронте.

Облачность упорядоченного восходящего движения более характерна для внетропических широт, а в тропиках преобладают облака конвекции.

4.6.Облачность, её суточный и годовой ход

Степень покрытия небесного свода облаками называют облачностью. Облачность выражается в десятых долях покрытия неба (0-10 баллов). При облаках, полностью закрывающих небо, облачность обозначается числом 10, при совершенно ясном небе — 0. На метеостанциях облачность обычно определяют на глаз. Но существуют для этого и приборы в виде фотокамер с выпуклым полусферическим зеркалом. Принято отдельно оценивать общую облачность и количество нижних облаков, так как высокие и отчасти средние облака мало затеняют солнечный свет.

Облачность имеет большое значение для оборота тепла на Земле. Она отражает прямую солнечную радиацию и уменьшает её приток на земную поверхность, увеличивает рассеяние радиации, уменьшает эффективное излучение, меняет условия освещённости.

Суточный ход облачности на Земле сложен и в большой степени зависит от рода облаков. Внутримассовые слоистые и слоисто-кучевые облака, связанные с выхолаживанием воздуха от земной поверхности и со сравнительно слабым турбулентным переносом водяного пара вверх, имеют максимум ночью и утром.

Облака конвекции имеют отчетливо выраженный суточный ход. Они возникают в дневное время (максимальное прогревание суши) и исчезают к ночи. Поэтому над сушей в умеренных широтах летом наблюдаются два максимума облаков — утром и после полудня. В холодное же время года преобладает утренний максимум. В тропиках весь год преобладает послеполуденный максимум, так как важнейшим облакообразующим процессов является конвекция. Над морем облака конвекции и облака восходящего скольжения не имеют ясного суточного хода.

Годовой ход облачности различен в разных климатических зонах. В высоких и умеренных широтах над сушей максимум приходится на зиму, когда наиболее развита циклоническая деятельность, а минимум – на весну и лето, когда преобладают облака конвекции. Над морем в этих широтах различий в годовом ходе облачности между сезонами не наблюдается. Внутри континентов, где в зимнее время господствуют антициклоны минимальная облачность наблюдается зимой, а максимальная летом.

В субтропиках, где летом господствуют антициклоны, на это время приходится минимум облачности, на зиму –максимум. В тропиках, в пассатной зоне – максимум облачности приходится на лето, минимум на зиму.

В географическом распределении облачности на Земле можно отметить следующие особенности. Над морем облачность больше, чем над сушей. В среднем для всего северного полушария она над морем — 5.6, над сушей — 4.8, для южного полушария — над морем 6.0, над сушей — 4.9 . Для всего Земного шара в целом облачность составляет 5.4, то есть поверхность Земного шара в целом закрыта облаками более чем наполовину. От самых высоких широт к субполярным облачность растёт и достигает максимума в зоне 70-60° широты. Это связано с максимальным развитием циклонической деятельности в субполярных широтах. Затем к субтропикам облачность убывает и достигает минимума в зоне 30-20°. Этот минимум связан с субтропическими антициклонами. Далее к экватору облачность снова увеличивается: это зона пассатов с их кучевыми облаками и затем зона внутритропической конвергенции вблизи экватора, где развивается сильная конвекция.

4.7.Продолжительность солнечного сияния

Продолжительность солнечного сияния — это время, в течение которого прямые солнечные лучи освещают земную поверхность. Продолжительность солнечного сияния является важным элементом климата и зависит от длины дня, определяемой широтой местности и временем года, и облачности. На метеостанции она определяется гелиографами. Продолжительность солнечного сияния выражают либо в часах, либо в процентах от наиболее возможной продолжительности.