Лекция №4-5 - Облакаобразование и облака

Образование облаков
Лектор: д.т.н., профессор Гусейнов Н.Ш.
1
УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ
ОБЛАКОВ
Облака – это видимое скопление капель воды и/или кристаллов льда
(продуктов конденсации и/или сублимации водяного пара), находящихся в
воздухе во взвешенном состоянии на некоторой высоте над поверхностью
земли.
Облака являются важнейшим элементом погоды. Они возникают в
результате сложных термодинамических процессов, приводящих водяной
пар к конденсации и сублимации, и являются видимым отображением этих
процессов. По внешнему виду облаков, их форме, высоте нижнего
основания, вертикальной и горизонтальной протяженности можно косвенно
судить о причинах, приведших к облакообразованию, а следовательно, и об
условиях полетов в них.
Для образования облаков необходимы следующие условия: достаточная
влажность воздуха, восходящие движения и ядра конденсации
(гигроскопические частицы пыли, дыма, гари и т.д.).
Главной причиной образования облаков является адиабатическое
понижение температуры в поднимающемся влажном воздухе, приводящее к
конденсации водяного пара. В зависимости от вида восходящего движения,
в результате конденсации и сублимации водяного пара, образуются облака
различных форм с различными физическими характеристиками
(микроструктурой, водностью).
2
Микроструктура облаков
Под микроструктурой облаков понимают их внутреннее
физическое строение: фазовое состояние облачных элементов,
их размеры, число облачных частичек в единице объема.
Другими словами облака различной классификации состоят
из капель воды и кристаллов ледяных частиц различных
размеров, с различной структурой порядка размещения и
плотности.
Характеристики микрофизического состояния зависят от
условий формирования облаков и имеют большое влияние на
ВС во время долгих полетов в облаках.
Размеры частиц облаков могут колебаться от нескольких
миллиметров до нескольких сантиметров.
3
Конденсация водяного пара и образование облачности
Конденсация водяного пара и появление облачности
происходят при наличии восходящих движений в атмосфере
и падении температуры воздуха с высотой. Вертикальные
движения переносят водяной пар из нижних слоев
атмосферы в верхние, более холодные, что приводит к
конденсации и образованию облачности. Диапазон
вертикальных скоростей, весьма велик. Крупномасштабные
вертикальные скорости постоянно присутствуют в
атмосфере и имеют характерные величины порядка см/сек.
Конвективные струи возникают не всегда и не везде.
Вертикальные скорости в конвективных потоках могут
достигать десятков метров в секунду. Их появление часто
носит чрезвычайный характер.
4
Опасности облаков
• Основные причины:
–
–
–
–
Ухудшение видимости
Турбулентность
Обледенение самолета
Осадки
5
Количество облаков
• Передается в октантах.
• Чтобы оценить облачный покров,
наблюдатель делит небо на 8 равных
секций, и покрытие оценивается
согласно числу секций, покрытых
облаком.
6
Количество облачности
FEW
Few
0/8 (0 октант)
SKC
Sky clear
1/8 - 2/8 (1-2 октант
SCT
Scattered
3/8 - 4/8 (3-4 октант)
BKN
Broken
5/8 -7/8 (5-7 октант)
OVC
Overcast
8/8 (8 октант)
Нижняя граница облаков
– На синоптических картах и в METAR высота
облаков сообщается как высота над уровнем земли.
– Измеряется в футах (FT).
8
Высота
Механизм образования облаков
Топография
(б)
Конвекция
(а)
Высота
Холодный
воздух
Конвергенция воздуха
(в)
Теплый
воздух
Холодный
воздух
9
Подъем вдоль атмосферных фронтов
(г)
Условия образования облаков
•
•
•
•
•
Конвекция
Конвергенция
Орографическая конвекция
Фронтальная конвекция
Турбулентность на пограничном слое
10
Облако с образовавшейся
турбулентностью пограничного слоя
полёт
гладкая поверхность
(STRATUS/STRATOCUMULUS)
Турбулентность
облако
тряский
полёт
11
Расчет ВНГО
Уровень
свободной
конвекции
Точка
росы
Поверхностная
температура 12
Эффект относительной влажности
на ВНГО
• Уменьшение относительной влажности
увеличивает высоту НГО.
• Поскольку днем температура увеличивается и
разность между точкой росы, и температуры
увеличивается, увеличивается и уровень
конденсации.
13
Конвекция
• Уменьшает плотность воздуха
• Теплый воздух поднимается пока температура
этой воздушной массы будет равна температуре
окружающей среды.
14
Конвекция, продолжение.
• Кроме того, в поднимающемся устойчивом воздухе в
результате конденсации выделяется скрытая теплота,
которая изменяет градиент вертикальной температуры и
тем самым создает неустойчивость, инициирующий
конвекцию.
• Точка, в которой это происходит, называется уровнем
свободной конвекции.
15
продолжение
• Принудительная конвекция воздушной
частицы вызван многими факторами, а
именно:
– Орографическая конвекция, где воздух
вынужден подниматься над холмами или
горами.
– Фронтальная конвекция, воздух вынужден
подниматься над фронтальной поверхности,
где воздушные массы теплых фронтов,
холодных фронтов и фронтов окклюзии
смешиваются.
– Конвергенция в циклонах и ложбинах.
16
Конвективное формирование
облаков
Dew
Pt
Surface
heating
Critical
temperature
17
Конвективное формирование
облаков
• Условия формирования:
– Достаточный запас теплого, влажного
воздуха на нижнем уровне.
– Неустойчивый вертикальный градиент в
слое несколько тысяч футов.
– Достаточный нагрев, чтобы поднять воздух
до уровня свободной конвекции.
18
•
Облако турбулентного
перемешивания
Сформированный турбулентном
перемешиванием в пограничном слое
Инверсия
4ºC
6ºC
Верт.
град.
Old
ELR
2000 ft Верхняя
8ºC
часть пограничного
слоя
турбулентное
перемешивание
10ºC
12ºC
14ºC
19
Формирование облаков
турбулентного перемешивания
Inversion
ELR above mixing layer
unchanged at 2°C/1000’
8ºC 2000 ft Top of Boundary Layer
5.5ºC
Stratus
7°C
Turbulent
Mixing
1000ft
HMR
line
7.5ºC
10ºC
20
Облако турбулентного
перемешивания
• Условия :
– Достаточная турбулентность для изменения
скорости вертикального градиента в слое трения
3/1000 фут.
– Влажный воздух.
– Устойчивый вертикальный градиент.
21
Продолжение
• Эффекты смешивания:
– Формирование инверсии на вершине слоя
смешения.
– Нагревание у поверхности.
– Охлаждение на вершине слоя смешения.
– Дефицит влажности воздуха на уровне
поверхности.
– Воздух становится влажным и формируется облака
ST/SC.
– Температура в середине слоя смешения остается
стабильной.
22
Виды и классификация облаков
• Обычно облака имеет 3 основных типов,
то есть:
– Перистые
– Кучевые
– Слоистые
23
Перистые
CI- Cirrus
Перисто-кучевые
CC-Cirrocumulus
Перисто-слоистые
CS-Cirrostratus
Высоко кучевые
AC-Altocumulus
Высоко слоистые
AS-Altostratus
Слоисто-дождевые
NS-Nimbostratus
Слоисто-кучевые
SC-Stratocumulus
Слоистые
ST-Stratus
Кучевые
CU-Cumulus
Кучево-дождевые
CB-Cumulonimbus
Карта облаков
Nil Turb.
Nil Icing.
CB/TS
Nil/Lt Turb.
Lt/Mod Icing.
Mod/SevTurb.
TCU
Mod Turb.
Mod/Sev Icing.
Mod Ocnl Sev Icing.
Lt/Mod Turb.
Mod Ocnl
Lt/Mod Icing.
Nil/Lt Turb.
Sev Turb. Lt/Mod Icing.
CU
25
Таблица высоты облаков
Cloud Heights for Temperate
Latitudes
High
16 500' to 45 000'
Medium
6500' to 23 000'
Low
Surface to 6500'
26
Виды и классификация облаков
ОБЛАКА ВЕРХНЕГО ЯРУСА (h>6км)
Перистые облака (Cirrus, Ci) — это отдельные облака волокнистой
структуры и белесоватого оттенка. Перистые облака состоят из
мельчайших ледяных кристалликов. Часто появление таких облаков
предвещает изменение погоды. Со спутников перистые облака порой
трудноразличимы.
Перисто-кучевые облака (Cirrocumulus, Cc) — слой облаков, тонких
и просвечивающихся, как перистые, но состоящих из отдельных
хлопьев или мелких шариков. Эти облака обычно образуют, образно
говоря, «кучевое» небо. Часто они появляются вместе с перистыми
облаками. Бывают видны перед штормами.
Перисто-слоистые облака (Cirrostratus, Cs) — тонкий,
просвечипающийся беловатый или молочного оттенка покров, сквозь
который отчетливо виден диск Солнца или Луны. Покров этот может
быть однородным, как слой тумана, либо волокнистым. На перистослоистых облаках наблюдается характерное оптическое явление гало (светлые круги вокруг Луны или Солнца, ложное Солнце и др.).
Перистослоистые облака часто указывают на приближение
ненастной погоды.
27
ОБЛАКА СРЕДНЕГО ЯРУСА(h=2-6 км)
Они отличаются от сходных облачных форм нижнего яруса
большой высотой, меньшей плотностью и большей
вероятностью наличия ледяной фазы.
Высококучевые облака (Altocumulus, Ac) - слой
белых или серых облаков, состоящих из гряд или
отдельных «глыб», между которыми обычно
просвечивается небо. Гряды и «глыбы»,
образующие «перистое» небо, сравнительно
тонкие и располагаются правильными рядами или
в шахматном порядке, реже - в беспорядке.
Высокослоистые облака (Altostratus, As) - тонкая,
реже плотная вуаль сероватого или синеватого
оттенка, местами неоднородная или даже
волокнистая в виде белых или серых клочьев по
всему небу. Солнце или Луна просвечиваются
сквозь нее в виде светлых пятен, порой довольно
слабых.
ОБЛАКА НИЖНЕГО ЯРУСА (h<2 км)
Слоисто-кучевые облака (Stratocumulus, Sc) - облачный слой,
состоящий из гряд, валов или отдельных их элементов, крупных и
плотных, серого цвета. Почти всегда имеются более темные
участки. Эти облака редко приносят дождь, лишь иногда они
превращаются в слоисто-дождевые, из которых выпадает дождь
или снег.
Слоистые облака (Stratus, St) — довольно однородный,
лишенный правильной структуры слой низких облаков серого
цвета, очень похожий на туман, поднявшийся нал землей на сотню
метров. Характерный для холодного времени года. Они
образуются под слоем инверсии и имеют вид сплошной серой
пелены или разорванных облачных масс, нижнее основание
находится на высоте 100...300 м. Облака могут опускаться до
земли переходить в туман. Из них выпадают моросящие осадки.
Полет в облаках и осадках сопровождается обледенением,
интенсивность которого зависит от водности облака и
температуры воздуха. Из-за малой высоты слоистые облака
затрудняют или исключают взлет, посадку и визуальные полеты.
Слоисто-дождевые облака (Nimbostratus, Ns, Frnb) — это темносерые тучи, порой угрожающего вида. Часто ниже их слоя
появляются низкие темные обрывки разорванно-дождевых
облаков — типичные предвестники дождя или снегопада.
При длительных полетах в Ns облаках с переохлажденными
каплями ВС подвергаются обледенению. Вероятность
обледенения в этих облаках больше в теплое время года.
Зимой ширина этих облаков и выпадающих обложных осадков
увеличивается до 400...500 км. Видимость облаках плохая несколько десятков метров. При длительном полете в них
ОБЛАКА ВЕРТИКАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ
Кучевые облака (Cumulus, Cu) — плотные, резко очерченные, с
плоским, сравнительно темным основанием и куполообразной
белой, как бы клубящейся, вершиной, напоминающей цветную
капусту. Они зарождаются в виде небольших белых обрывков, но
вскоре у них формируется горизонтальное основание, и облако
начинает незаметно подниматься. При небольшой влажности и
слабом вертикальном восхождении воздушных масс кучевые
облака предвещают ясную погоду. В противном случае они
накапливаются и течение дня и могут развивается в грозовые
облака.
Мощно-кучевые облака - образуются из кучевых облаков. При
большой влажности воздуха (а > 10 г/м ) и благоприятных условиях
для развития конвекции кучевые об развиваются по вертикали,
переходят через нулевую изотерму и становятся мощно- кучевыми.
Нижнее основание облаков плоское, на высоте 600... 1000 м,
вершина - куполообразная, белого цвета на высоте 4...6 км. Мощнокучевые облака могут располагаться в виде отдельных редких
облаков или в виде значительное скопления, закрывающего почти
все небо. Эти Облака состоят капельно-жидких частиц.. Осадки из
мощно-кучевых облаков в средних широтах не выпадают. В облаках
преобладают восходящие потоки, скорость которого достигает 10...
15 м/с. Полеты внутри мощно-кучевых облаков запрещены из-за
сильной болтанки по всему облаку и интенсивного обледенения на
высоте нулевой изотермы.
Кучево-дождевые (Cumulonimbus, Cb) - огромные
горообразные облачные массы с темны основаниями и яркобелыми вершинами, которые, как правило, имеют волокнистое
строение.
В зависимости от условий образования Сb бывают
внутримассовые и фронтальные.
По вертикали кучево-дождевые облака могут развиваться до
тропопаузы, а иной пробивают ее и вклиниваются в нижнюю
стратосферу. Образуются из мощно-кучевых облаков при
абсолютной влажности воздуха более 13 г/м . При
благоприятных условиях; развития конвекции и большом
влагосодержании воздуха мощно-кучевые облака продолжают
расти вверх и достигают вершинами высот, где температура
воздуха настолько низкая, что в облаках начинают
образовываться ледяные кристаллы. Таким образом
микроструктура кучево-дождевого облака смешанная - имеются
как капли воды, так и кристаллы льда. Процесс перерастания
мощно-кучевого облака в кучево-дождевое происходит очень
быстро, иногда в течение 15...20 минут. Признаком такого
перерастания может служить изменение формы мощно-кучевого
облака. Пока развивающееся облако состоит только из капель
воды, оно осадков не дает и имеет резко очерченные контуры.
Вершина облака выглядит подобно головке цветной капусты. Как
только верхняя часть облака приобретает кристаллическое
строение, оно теряет свои резкие очертания, его края начинают
лохматиться, а вершина принимает вид перевернутой метлы
(наковальни) Ледяные кристаллы, находясь в соседстве с
переохлажденными каплями воды увеличиваются и начинают
выпадать из облака. Из кучево-дождевых облаков выпадают
ливневые осадки
Формирование кучевых
облаков
Tropopause
SALR
DPLR
DALR
32
Орографические облака
• Условия:
– Влажный воздух.
– Достаточно высокий ландшафт чтобы
поднять воздух до уровня конденсации.
– Устойчивый вертикальный градиент
окружающей среды.
33
Орографические облака
0°C
3°C
34
ФЁН
Cooling at SALR
Warming at DALR
35
Облака теплого фронта
Т
сухая
зона
направление движения
36
Облака холодного фронта
сухая
зона
Т
направление движения
37