Л.Т. Матвеев - Курс общей метеорологии. Физика атмосферы (1115251), страница 96
Текст из файла (страница 96)
17.20 и 1?.21 приведены фактические данные о распределении температуры во фронтальной зоне (по результатам 336 случаев прохождения теплых фронтов через Киев и Харьков). Согласно данным табл. 17.21, вертикальный градиент температуры во фронтальной зоне близок к значению, полученному выше расчетным путем. Если же учесть, что во фронтальной зоне может наблюдаться (см. табл.17.20) изотермическое (Т 0) и нормальное (Т ~ О) распределение температуры более чем в половине случаев, то становится очевидным, что вертикальные движения и тепло конденсации вполне могут обусловить наблюдаемое распределение температуры. Таблица 17.21. Количественные характеристики инверсноиных слоев во фронтальной зоне (57 — разность температур на верхней н нижней границах инверсии) Средняя толщина слоя инверсии, м Иааравленне дви- жения фРонта дт 'с т'сыез м Месяц 1,5 1,2 0,6 530 440 380 Март Апрель Май С запала — 0,30 — 0,27 — 0,20 С югз — 0,3! — 0,16 — 0,13 1,9 0,8 0,4 600 500 3!О Март Апрель Мвй — 0,20 0,8 Март С сезеро-запада 6 — Я км) вертикальные градиенты температуры больше, чем в средней и нижней тропосфере, где образуются облака большей водности.
Если, после того как под влиянием восходящих вертикальных токов образовалось облако, восходя!цие вертикальные движения сменяются нисходящими, то инверсия температуры возникает над облаком, В самом деле (рис. 17.21 б), если внутри некоторого слоя к моменту возникновения нисходящих токов (се<0) уже существовало облако, то над облаком (в ненасыщенном воздухе) будет наблюдаться рост (во времени) температуры (в формуле (4.1) и2 < О, у <ук), в облаке же — или падение (в формуле (4.2) ус < < О, у ) Т' ), или очень слабое повышение (при у < у',). В том и другом случае вблизи верхней границы создаются условия, благоприятные для образования инверсии температуры. При этом облако, а вместе с ним и условия для образования инверсии могут 'длительное время сохраняться, так как изменение (во времени) температуры внутри облака крайне незначительно (ЬТ' жО засчет малой разности у — у', ).
Образующиеся под влиянием нисходящих вертикальных токов и тепла конденсации инверсии температуры можно связать с инверсиями, которые обычно наблюдаются вблизи верхней границы облаков типа 8с — 81 — Ас. Турбулентное перемешивание, всегда наблюдающееся в атмосфере, несколько сглаживает ту картину, которая возникает под влиянием одних лишь вертикальных токов, но не может изменить основной вывод: восходящие еертикальные токи (в сочетании с теплом конденсации) способствуют образованию подоблачной инеерсии температуры (или замедленному падению ее), нисходящие— образованию надоблачной инверсии температуры.
30 Заказ уе 24! Облака, тумаам а асадкк Облака Следует обратить внимание на то, что турбулентное перемешивание может при определенных условиях также способствовать обострению облачных инверсий температуры. В самом деле, если под влиянием вертикальных токов образуется инверсия температуры (или замедленное падение ее), то произойдет расслоение атмосферы: турбулентный обмен достаточно сильно развит ниже и выше инверсии и ослаблен внутри инверсиониого слоя. Турбулентный обмен способствует приближению кривой стратификации к сухой адиабате вне облака и к влажной адиабате внутри облака.
Благодаря этому в слое воздуха между земной поверхностью и нижней границей инверсии произойдет похолодание в верхней части и потепление в нижней, поскольку стратификация этого слоя устойчивая, Нетрудно видеть, что понижение температуры в верхней части слоя (под инверсией) будет способствовать обострению инверсии температуры, начавшей образовываться под влиянием вертикальных токов. Аналогичное заключение справедливо и в отношении слоя воздуха, располагающегося выше надоблачной инверсии: повышение температуры в нижней части этого слоя, которое произойдет под влиянием турбулентного обмена, будет способствовать обострению инверсии, образовавшейся под влиянием нисходящих вертикальных токов.
На основании изложенного можно наметить следующую физическую картину образования облака и его эволюции. Образуется облачность, как правило, при наличии восходящих вертикальных токов (в областях пониженного давления), при этом образуется подоблачная инверсия температуры (или слой с замедленным падением ее), вблизи же верхней границы градиент температуры в процессе развития облака увеличивается. Для образования инверсии температуры над облаками типа Зс — Я вЂ” Ас необходимо, чтобы произошла смена (во времени или по высоте) восходящих вертикальных токов на нисходящие. Вертикальные токи обусловливаются общединамическими факторами (силами трения, нестационарностью и инерционностью движения) и от наличия или отсутствия облачности зависят слабо.
Смена знака вертикальной скорости может произойти под влиянием перестройки барического поля, а также вследствие горизонтального переноса облачности (например, из области циклона на периферию антициклона). В целом для областей с восходящими вертикальными токами характерна развивающаяся во времени облачность типа 14з — Аз — Сз. Для областей с нисходящими вертикальными токами наиболее характерна медленно размывающаяся облачность типа Яс — Я вЂ” Ас. В последние десятилетия автором и его учениками (Ю. Г.
Лушев, Л. П. Быкова, В. Н. Козлов, С. А. Солдатенко и др.) разработан метод прогноза слоистообразной и плотной волнистообразной облачности на основе решения системы уравнений (3.2.6)— (3.2.10) численными методами. При этом учитывалась зависимость вертикальной скорости и коэффициента турбулентности от высоты, а также влияние земной поверхности на температуру н влажность воздуха (эффекты трансформации).
Из всех результатов этих исследований приведем здесь только один. В зависимости от ш, й, относительной влажности и температуры воздуха в начальный момент в перемещающейся воздушной массе время формирования системы облаков Хз — Аз — Сз толщиной в несколько километров изменяется от 3 — 5 до 40 — 50 ч. Таков же порядок величины и времени размывания этих облаков с момента смены восходящего движения на нисходящее. Радиациоиные свойства облаков резко отличаются от свойств безоблачной атмосферы прежде всего потому, что существенно различны коэффициенты поглощения радиации каплями воды и водяным паром: в инфракрасном участке спектра для капель они имеют порядок 1000 сма(г, для водяного пара 0,1 — 10 см"/г.
Радиационным свойствам облаков и туманов посвящены работы К. С. Шифрина, Е. М. Фейгельсон и др. В работах Шифрина главное внимание уделено исследованию оптических характеристик облаков — закономерностей поглощения и рассеяния радиации отдельными каплями н их совокупностями, распределения рассеянной радиации по направлениям (индикатрис рассеяния), преобразования потоков радиации в облаках и т. п. Фейгельсон и ее ученики основные усилия сосредоточилп на выявлении роли радиации в изменении термического режима и поля водности облаков.
Прн этом в их работах широко использован метод анализа и решения системы уравнений переноса тепла н влаги, изложенный в и. 3 настоящей главы. Исходная система уравнений имеет вид уравнений (3.2.!3) — (3.2.!4), при этом второе из этих уравнений дополняется членом, представляющим радиационный приток тепла. В общем случае приток тепла, обусловленный поглощением солнечной и земной радиации, описывается очень сложными уравнениями. Большой интерес представляет обоснованный в работах Фейгельсон вывод о том, что влияние радиационных потерь тепла распространяется на тонкий (порядка 100 м) слой облака вблизи верхней границы его.
Во всей остальной части облака наблюдается лучистое равновесие: элементарный слой облака поглощает лучистой энергии столько же, сколько ее и теряет. Таким образом, радиационный приток тепла при построении теории облаков можно не учитывать в уравнениях, описывающих процесс распространения тепла и влаги, а учесть его лишь в граничном условии на верхней поверхности облака.
В реальных условиях температура изменяется под влиянием не только радиации, но и вертикальных движений, турбулентного обмена 'и тепла конденсации. Прн совместном учете влияние радиации сильно ослабляется другими факторами. В качестве примера приводим результаты расчета изменения (приращения) темпера- зпа Облака Облака, тумккы и есаакп 458 туры ЬТ в течение 10 ч под влиянием радиационного притока тепла: 0 ! 2 3 4 5 6 7 8 9 0 0 0,3 — 0,2 — 0,9 — 0,3 — 0,3 — 0,3 — 0,3 — 0,2 г км ГкТпС ! ! 2 3 4 5 6 7 8 9 0 0 0 0 — О! — 03 0 0 — 01 — О! г км Аупч. Видно, что в нижнем облачном слое вклад радиации равен нулю. Из наблюдений же известно, что инверсия температуры нередко образуется вблизи верхней границы и таких облачных слоев (рис.
17.22). Явление это достаточно широко распространенное. По данным самолетного зондирования атмосферы в Москве за 1956 †19 гг. инверсия температуры над нижним слоем облаков $$ — Зс наблюдалась в 37, а над верхним — в 77 случаях из 105; средние значения вертикального градиента температуры воздуха Таблица !7.22. Вероятность (Тр) появления облаиов 8! — 8с вследствие иовообразоваиив и переноса из других областей Нпкппбразпаккке Перепас к тркксформкппк украина Северо-Запах украина ечс Беркческпе поле Северо-Запек БЧС Аитпцпялои северная часть восточиая часть южная часть западпая часть 88,6 86,6 89,4 95,4 92,0 93,7 11,4 !3,4 !0,6 4,6 8,0 6,3 7,7 8,7 92,3 91,3 !(ихлов теплый сектор тыловая часть 100 100 100 95,0 5,0 Малоградиеитиое 72,5 79,7 20,3 Переходное от циклопа к антициклону 85,0 !5,0 Вблизи нижней границы облака, располагающейся на высоте 2 км, радиация приводит к повышению температуры на 0,3'С, вблизи верхней границы (на высоте 3 км) и над облаком под влиянием радиации температура понижается.
Влияние радиации на термический режим облака становится особенно малозаметным в том случае, когда над этим облаком располагается другое облако (т. е. наблюдается двухслойная облачность). В качестве примера приведем значения приращения ЬТ на разных высотах в том случае, когда наблюдаются два слоя облаков (от 2 до 3 и от 4 до 5 км): в инверсии, наблюдаемой над первым и вторым слоем слоистых и слоисто-кучевых облаков, составляют соответственно — 0,93 и — 2,30'С/100 м в холодный периодгода и — 0,63 и — 1,38'С!100м— в теплый. Интересные данные, подкрепляющие развиваемый автором взгляд на механизм образования и эволюции облаков, получены в последние годы по Украине и по Се- веро-Западу Европеиской части СССР. Все облака 5! — Зс разделены на две 4ООО группы. Первую группу составили облака, одновременно образовавшиеся на обширной территории (большей части Украины или Северо-Запада ЕЧС) 5ООО ! осле ясной пого ы такие облака -5 070 ия темпера б О -20 -!5 -!О п д можно считать вновь образовавшимися лз юс В ДаННОМ РайОНЕ И НаЗЫВатЬ МЕСТНЫМИ.
2ООО . 4'":.'..~'ф' '. кЮ Вторая группа облаков 5! — Зс вклю- ~ ЙЫ~!ьЫЗБ чает облака, принесенные в данный ' район из других областей; переносимыми облаками могут быть как сами !ООО 51 — Зс, так и облака других форм (прежде всего !х)з — Аз), которыетрансформируются (в процессе переноса ) у в 51 — Зс. Результаты анализа снпоптнко- аэрологических материалов представ- рис. п,22. ииверс лены в табл. 17.22. Вопреки традицп- туры вблизи верхней границы онному мнению, согласно которому облачпого слоя, иад которым облака 3! — Зс принято считать мест.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
