- •1. Предмет и метод метеорологии
- •2. Связь метеорологии с другими науками. Деление на научные дисциплины
- •3. Значение метеорологии для народного хозяйства и обороны страны
- •4. Особенности
- •6. Краткие сведения о достижениях метеорологической науки
- •7. Международное сотрудничество в области метеорологии
- •Глава 1
- •1.1. Состав воздуха вблизи земной поверхности
- •1.2. Состав воздуха
- •1.3. Уравнение состояния сухого воздуха
- •1.4. Уравнение состояния влажного воздуха
- •1.5. Характеристики влажности воздуха и связь между ними
- •2 Строение атмосферы
- •2.1. Основные сведения о Земле как планете
- •2.2. Принципы деления атмосферы на слои. Краткие сведения о методах исследования атмосферы
- •2.3. Тропосфера, стратосфера и мезосфера
- •2.4. Понятие о воздушных массах и фронтах
- •3 Статика атмосферы
- •3.1. Силы, действующие в атмосфере в состоянии равновесия
- •3.2. Уравнение статики атмосферы
- •3.3. Барометрические формулы
- •3.4. Барическая ступень
- •3.5. Вертикальный масштаб атмосферы
- •3.6. Геопотенциал. Абсолютная и относительная высота изобарических поверхностей
- •3.7. Стандартная атмосфера
- •Глава 4 Термодинамика атмосферы
- •4.1. Первое начало термодинамики применительно к атмосфере
- •4.2. Адиабатический процесс
- •4.3. Сухоадиабатический градиент
- •4.4. Потенциальная температура
- •4.5. Критерии устойчивости атмосферы по методу частицы
- •4.6. Изменение потенциальной температуры с высотой при различных видах стратификации атмосферы
- •4.7. Адиабатические процессы во влажном ненасыщенном воздухе
- •4.8. Влажноадиабатические процессы
- •4.9. Анализ состояния атмосферы с помощью термодинамических графиков
- •4.10. Стратификация атмосферы по отношению к влажноадиабатическому и сухоадиабатическому движению частицы
- •4.11. Метод слоя
- •Глава 5
- •5.2. Солнце и солнечная постоянная
- •Глава 6
- •6.1. Поглощение солнечной радиации в атмосфере Земли
- •6.2. Рассеяние солнечной радиации в атмосфере
- •6.3. Законы ослабления радиации в земной атмосфере
- •6.4. Прямая солнечная радиация
- •6.5. Рассеянная радиация
- •6.6. Суммарная радиация
- •6.7. Альбедо
- •Глава 7
- •7.1. Излучение земной поверхности
- •7.2. Излучение атмосферы
- •7.3. Полуэмпирические формулы для расчета излучения атмосферы и эффективного излучения земной поверхности
- •7.4. Влияние облачности на встречное и эффективное излучение
- •7.5. Суточный и годовой ход эффективного излучения
- •Глава 8
- •8.1. Радиационный баланс земной поверхности
- •Глава 9
- •9.1. Ламинарное и турбулентное состояние атмосферы
- •9.2. Простейшие характеристики турбулентности
- •9.3. Конвективный и турбулентный потоки тепла
- •Глава 11
- •11.1. Уравнение
- •Глава 12
- •12.1. Распределение температуры в тропосфере и нижней стратосфере
- •12.2. Инверсии температуры в атмосфере
- •Глава 14 Влажность воздуха
- •14.1. Уравнение переноса водяного пара в турбулентной атмосфере
- •14.2. Испарение
- •Глава 15
- •15.2. Зависимость теплоты фазового перехода и давления насыщенного водяного пара от температуры
- •Глава 16 Туманы
- •16.1. Физические условия образования и классификация туманов
- •Глава 17 Облака
- •Глава 18 Осадки
- •18.1. Классификация осадков
- •18.2. Процессы укрупнения облачных элементов и образования осадков
- •18.3. Наземная конденсация и осадки
- •Глава 19
- •19.1. Силы, действующие в атмосфере
- •19.2. Уравнения движения турбулентной атмосферы
- •Глава 21
- •21.1. Ветер в пограничном слое атмосферы
- •21.2. Местные ветры
- •Глава 22
- •22.1. Яркость небесного свода
- •22.3. Оптические явления в облаках, туманах и осадках
- •Глава 23
- •23.1. Ионизация атмосферы
- •23.3. Механизм образования электрических зарядов в грозовых облаках
- •23.4. Структура грозового облака. Рост града
- •23.5.. Полярные сияния
Глава 17 Облака
Облака представляют собой одно из интереснейших явлений природы. Среди тех величин и явлений, которые объединяются понятием „погода", облакам и связанным с ними осадкам принадлежит определяющая роль.
Изменяя тепловой и радиационный режим атмосферы, облака оказывают большое влияние на многие стороны деятельности человека (прежде всего, в сфере сельскохозяйственного производства), а также на растительный и животный мир Земли. Велика зависимость от облаков, туманов и осадков различных видов транспорта, в первую очередь авиации.
Облаком называют видимую совокупность взвешенных капель воды и кристаллов льда, находящихся на некоторой высоте над земной поверхностью. С точки зрения микрофизического строения принципиальной разницы между облаками и туманом нет. Однако они существенно различаются по условиям образования, вертикальной протяженности и т. п.
Определяющую роль в формировании поля облаков играют вертикальные движения, или токи воздуха. В зависимости от горизонтальных размеров тех областей, в пределах которых вертикальная скорость (w) сохраняет один и тот же знак (w > 0 или w < 0), вертикальные движения принято делить на три класса. Первый класс составляют микромасштабные (пульсационные), второй — мезомасштабные и третий — макромасштабные вертикальные движения.
С этой классификацией тесно связано деление облаков по генетическому принципу, т. е. по условиям образования. Согласно этому принципу, облака подразделяются на слоистообразные, волнистообразные и кучевообразные.
Из анализа уравнения неразрывности теории размерности следует, что чем больше горизонтальный размер (масштаб) области, в которой w сохраняет знак, тем меньше модуль самой вертикальной скорости.
Макро-, или крупномасштабные вертикальные движения связаны с такими барическими системами, как циклоны и антициклоны, ложбины и гребни, которые принято называть синоптическими вихрями или системами. Горизонтальный размер (L) таких вихрей колеблется от сотен до нескольких тысяч километров (L ≈ 5 ·102 ... 103 км), вертикальный масштаб Н составляет несколько километров (Н ~ 100 км). Поскольку в областях пониженного давления (циклонах и ложбинах) наблюдается сходимость (конвергенция) воздушных течений, то в них преобладают восходящие вертикальные движения (w > 0).
В областях повышенного давления (антициклонах и гребнях), наоборот, преобладают нисходящие вертикальные движения (w < 0), обусловленные расходимостью (дивергенцией) воздушных течений. Скорость вертикальных движений (ее модуль) крупного, или синоптического масштаба имеет порядок 10-1—100 см/с, или10-3—10-2 м/с.
Под непосредственным влиянием вертикальных движений синоптического масштаба образуются обширные облачные поля (системы), называемые слоистообразными облаками. К ним относятся слоисто-дождевые (Ns), высокослоистые (As) и перисто-слоистые (Cs) облака. Горизонтальная протяженность (размер) слоистообразных облаков имеет такой же порядок, что и масштаб синоптических вихрей (циклонов и ложбин). С образованием и развитием слоисто-образных облаков тесно связано формирование атмосферных фронтов. Поэтому эти облака называют также фронтальными.
Вертикальные движения синоптического масштаба оказывают хотя и опосредованное, но крайне существенное влияние на образование и эволюцию двух других классов облаков.
Под влиянием распределения и> по высоте изменяется во времени термическая стратификация атмосферы. В приземном слое в изменении стратификации значительна также роль радиации, поглощаемой и теряемой земной поверхностью.
В тех случаях, когда стратификация становится сухонеустойчивой (γ > γ а) в ненасыщенном влажном воздухе и влажнонеустойчивой (γ> γ а) в насыщенном, определяющую роль в формировании поля вертикальной скорости начинает играть сила плавучести (разность между силой Архимеда и силой тяжести). Возникающие при этом мезомасштабные вертикальные скорости имеют порядок 101— 103 см/с, или 10-1— 101 м/с. Под влиянием таких вертикальных движений образуются кучевообразные облака, называемые также конвективными. Их горизонтальная протяженность изменяется от сотен метров до 100 км:
L ~10-1— 101 км. К конвективным облакам относятся кучевые (Си) и кучево-дождевые (Сb) облака.
Большая часть (свыше 80 %) волнистообразных облаков (St, Sc, Ас, Сс) имеют переносную природу: они формируются в областях повышенного давления из принесенных сюда слоистообразных облаков в процессе их эволюции под влиянием нисходящих вертикальных движений синоптического масштаба. Часть волнистообразных облаков образуется из приподнятого тумана как радиационного, так и адвективного происхождения.
Волнистообразный вид этих облаков обусловлен волновыми движениями, возникающими в инверсионных слоях или под влиянием неоднородностей земной поверхности, в частности гор и возвышенностей. Просвечивающие облака в форме валов или ячеек, как правило, малой толщины могут образоваться и под непосредственным воздействием волновых движений — за счет охлаждения воздуха в гребне волны.
Микромасштабные движения носят неупорядоченный пульсационный (турбулентный) характер. Накладываясь на движения большего масштаба, они оказывают влияние на условия образования и развития всех форм облаков, равно как на поля других метеовеличин (температуры, влажности, скорости ветра). Учитываются микромасштабные движения статистически — путем введения в уравнения турбулентных членов. При этом подчеркнем, что именно в облаках, прежде всего таких, как кучево-дождевые, мощные кучевые, слоисто-дождевые, турбулентные движения наиболее интенсивны, и, следовательно, при наличии облаков они оказывают более существенное влияние на все характеристики атмосферных процессов.
Теория образования, развития и строения различных форм облаков рассматривается в следующих параграфах.