ГРАДИЕНТНЫЙ ВЕТЕР В случае криволинейных изобар возникает центробежная сила. Она всегда направлена в сторону выпуклости (от центра циклона или антициклона в сторону периферии). Когда осуществляется равномерное горизонтальное движение воздуха без трения при криволинейных изобарах, то в горизонтальной плоскости уравновешиваются 3 силы: сила барического градиента G , сила вращения Земли K и центробежная сила C. Такое равномерное установившееся горизонтальное движение воздуха при отсутствии трения по криволинейным траекториям называется градиентным ветром. Вектор градиентного ветра направлен по касательной к изобаре под прямым углом вправо в северном полушарии (влево – в южном) относительно вектора силы барического градиента. Поэтому в циклоне – вихрь против часовой стрелки, а в антициклоне – по часовой стрелке в северном полушарии.
Взаимное расположение действующих сил в случае градиентного ветра: а) циклон, б) антициклон. А – сила Кориолиса (в формулах она обозначена К)
Рассмотрим влияние радиуса кривизны r на скорость градиентного ветра. При большом радиусе кривизны (r > 500 км) кривизна изобар (1/ r) очень мала, близка к нулю. Радиус кривизны прямой прямолинейной изобары r → ∞ и ветер будет геострофическим. Геострофический ветер – частный случай градиентного ветра (при С = 0). При небольшом радиусе кривизны (r < 500 км) в циклоне и антициклоне при круговых изобарах скорость градиентного ветра определяется следующими уравнениями: В циклоне уравновешиваются силы G = K + C: или В антициклоне К = G + С: Поэтому в циклоне: или
В антициклоне: или То есть В центре циклона и антициклона горизонтальный барический градиент равен нулю, т. е. Значит, G = 0 как источник движения. Следовательно, = 0. Градиентный ветер является приближением к действительному ветру в свободной атмосфере циклона и антициклона.
Скорость градиентного ветра может быть получена при решении квадратного уравнения — в циклоне: — в антициклоне: В медленно перемещающихся барических образованиях (скорость перемещения не более 40 км/ч) в средних широтах при большой кривизне изогипс (1/ r) → ∞ (малом радиусе кривизны r ≤ 500 км) на изобарической поверхности используют следующие соотношения между градиентным и геострофическим ветром: При циклонической кривизне ≈ 0, 7 При антициклонической кривизне ≈ 1,
При большой кривизне изобар у поверхности Земли (1/ r) → ∞ (радиус кривизны r ≤ 500 км): при циклонической кривизне ≈ 0, 7 при антициклонической кривизне ≈ 0, 3 Геострофический ветер используется: — при прямолинейных изогипсах и изобарах и — при среднем радиусе кривизны 500 км < r < 1000 км, — а также при большой кривизне изобар (r < 500 км) в быстро перемещающихся барических образованиях.
ЗАКОН ВЕТРА Связь направления приземного ветра с направлением горизонтального барического градиента была сформулирована в 19 веке голландским ученым Бейс-Балло в виде правила (закона). ЗАКОН ВЕТРА: Если смотреть по направлению ветра, то низкое давление будет слева и несколько впереди, а высокое – справа и несколько позади (в северном полушарии). При проведении изобар на синоптических картах учитывают направление ветра: направление изобары получают, повернув стрелку ветра вправо (по часовой стрелке) примерно на 30 -45°.
ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЙ ВЕТЕР Реальные движения воздуха не стационарны. Поэтому характеристики действительного ветра у земной поверхности отличаются от характеристик геострофического ветра. Рассмотрим действительный ветер в виде двух слагаемых: V = + V ′ – агеострофическое отклонение u = + u ′ или u ′ = u — v = + v ′ или v ′ = v – Запишем уравнения движения без учета силы трения:
ВЛИЯНИЕ СИЛЫ ТРЕНИЯ НА ВЕТЕР Под влиянием трения скорость приземного ветра в среднем в два раза меньше скорости геострофического ветра, а направление его отклоняется от геострофического в сторону барического градиента. Таким образом, действительный ветер отклоняется у поверхности земли от геострофического влево в северном полушарии и вправо – в южном. Взаимное расположение сил. Прямолинейные изобары
В циклоне под влиянием трения направление ветра отклоняется к центру циклона, в антициклоне – от центра антициклона к периферии. В связи с влиянием трения направление ветра в приземном слое отклонено от касательной к изобаре в сторону низкого давления в среднем примерно на угол 30° (над морем примерно на 15°, над сушей примерно на 40 -45°).
ИЗМЕНЕНИЕ ВЕТРА С ВЫСОТОЙ С высотой сила трения уменьшается. В пограничном слое атмосферы (слое трения) ветер с высотой приближается к геострофическому, который направлен по изобаре. Таким образом, с высотой ветер будет усиливаться и поворачивать вправо (в северном полушарии) до тех пор, пока не будет направлен по изобаре. Изменение скорости и направления ветра с высотой в пограничном слое атмосферы (1 -1, 5 км) можно представить годографом. Годограф – кривая, соединяющая концы векторов, изображающих ветер на разных высотах и проведенных из одной точки. Эта кривая представляет собой логарифмическую спираль, называемую спиралью Экмана.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЯ ВЕТРА ЛИНИИ ТОКА Линия тока – линия, в каждой точке которой вектор скорости ветра направлен по касательной в данный момент времени. Таким образом, они дают представление о структуре поля ветра в данный момент времени (мгновенное поле скоростей). В условиях градиентного или геострофического ветра линии тока будут совпадать с изобарами (изогипсами). Вектор скорости действительного ветра в пограничном слое не параллелен изобарам (изогипсам). Поэтому линии тока действительного ветра пересекают изобары (изогипсы). При проведении линий тока учитывают не только направление, но и скорость ветра: чем больше скорость, тем гуще располагаются линии тока.
Примеры линий тока у поверхности Земли в приземном циклоне в приземном антициклоне в ложбине в гребне
ТРАЕКТОРИИ ЧАСТИЦ ВОЗДУХА Траектории частиц – пути индивидуальных воздушных частиц. Т. е. траектория характеризует перемещение одной и той же частицы воздуха в последовательные моменты времени. Траектории частиц можно приближенно рассчитать по последовательным синоптическим картам. Метод траекторий в синоптической метеорологии позволяет решать две задачи: 1) определить, откуда переместится частица воздуха в данную точку за определенный промежуток времени; 2) определить, куда переместится частица воздуха из данной точки за определенный промежуток времени. Траектории можно строить по картам АТ (чаще по АТ-700) и по приземным картам. Используется графический способ расчета траектории с помощью градиентной линейки.
Пример построения траектории частицы воздуха (откуда переместится частица) по одной карте: А – пункт прогноза; В – середина пути частицы; С – начальная точка траектории С помощью нижней части градиентной линейки по расстоянию между изогипсами определяют скорость геострофического ветра (V , км/ч). Линейку прикладывают нижней шкалой (V , км/ч) по нормали к изогипсам примерно в середине пути. По шкале (V , км/ч) между двумя изогипсами (в точке пересечения со второй изогипсой) определяют среднюю скорость V cp.
Градиентная линейка для широты 60˚ Далее определяют путь частицы за 12 ч (S 12) при заданной скорости переноса. Он численно равен скорости переноса частицы V ч. Путь частицы за 24 ч равен S 24 = 2· S 12 ; путь частицы за 36 ч равен S 36 = 3· S 12 . По верхней шкале линейки откладывают путь частицы от пункта прогноза в направлении, противоположном направлению изогипс, с учётом их изгиба.
24. Барический закон ветра
Опыт подтверждает, что действительный ветер у земной поверхности всегда (за исключением широт, близких к экватору) отклоняется от барического градиента на некоторый острый угол в Северном полушарии вправо, в Южном – влево. Отсюда следует так называемый барический закон ветра: если в Северном полушарии встать спиной к ветру, а лицом туда, куда дует ветер, то наиболее низкое давление окажется слева и несколько впереди, а наиболее высокое давление – справа и несколько сзади.
Этот закон был найден эмпирически еще в первой половине XIX в. Бейс-Балло и носит его имя. Точно так же действительный ветер в свободной атмосфере всегда дует почти по изобарам, оставляя (в Северном полушарии) низкое давление слева, т.е. отклоняясь от барического градиента вправо на угол, близкий к прямому. Это положение можно считать распространением барического закона ветра на свободную атмосферу.
Барический закон ветра описывает свойства действительного ветра. Таким образом, закономерности геострофического и градиентного движения воздуха, т.е. при упрощенных теоретических условиях, в основном оправдываются и в более сложных действительных условиях реальной атмосферы. В свободной атмосфере, несмотря на неправильную форму изобар, ветер по направлению близок к изобарам (отклоняется от них, как правило, на 15-20°), а скорость его близка к скорости геострофического ветра.
То же справедливо и для линий тока в приземном слое циклона или антициклона. Хотя эти линии тока и не являются геометрически правильными спиралями, однако характер их все же спиралеобразный и в циклонах они сходятся к центру, а в антициклонах расходятся от центра.
Фронты в атмосфере постоянно создаются такие условия, когда две воздушные массы с разными свойствами располагаются одна возле другой. В этом случае эти две воздушные массы разделены узкой переходной зоной, называемой фронтом. Длина таких зон – тысячи километров, ширина – лишь десятки километров. Эти зоны относительно земной поверхности наклонены с высотой и прослеживаются вверх, по крайней мере, на несколько километров, а нередко до самой стратосферы. В зоне фронта, при переходе от одной воздушной массы к другой температура, ветер и влажность воздуха резко меняются.
Фронты, разделяющие основные географические типы воздушных масс, называют главными фронтами. Главные фронты между арктическим и умеренным воздухом носят название арктических, между умеренным и тропическим воздухом – полярных. Раздел между тропическим и экваториальным воздухом не носит характера фронта, этот раздел называют внутритропической зоной конвергенции .
Ширина фронта в горизонтальном направлении и толщина его по вертикали невелики в сравнении с размерами разделяемых им воздушных масс. Поэтому, идеализируя действительные условия, можно представлять фронт как поверхность раздела между воздушными массами.
В пересечении с земной поверхностью фронтальная поверхность образует линию фронта, которую также кратко называют фронтом. Если мы идеализируем фронтальную зону как поверхность раздела, то для метеорологических величин она является поверхностью разрыва, потому что резкое изменение во фронтальной зоне температуры и некоторых других метеорологических величин приобретает на поверхности раздела характер скачка.
Фронтальные поверхности проходят в атмосфере наклонно (рис. 5). Если бы обе воздушные массы были неподвижными, то теплый воздух располагался бы над холодным, и поверхность фронта между ними была бы горизонтальной, параллельной горизонтальным изобарическим поверхностям. Поскольку воздушные массы движутся, поверхность фронта может существовать и сохраняться при условии, что она наклонена к поверхности уровня и, стало быть, к уровню моря.
Рис. 5. Поверхность фронта в вертикальном разрезе
Теория фронтальных поверхностей показывает, что угол наклона зависит от скоростей, ускорений и температур воздушных масс, а также от географической широты и от ускорения свободного падения. Теория и опыт показывают, что углы наклона фронтальных поверхностей к земной поверхности очень малы, порядка угловых минут.
Каждый индивидуальный фронт в атмосфере не существует бесконечно долго. Фронты постоянно возникают, обостряются, размываются и исчезают. Условия для образования фронтов всегда существуют в тех или иных частях атмосферы, поэтому фронты не редкая случайность, а постоянная, повседневная особенность атмосферы.
Обычный механизм образования фронтов в атмосфере – кинематический: фронты возникают в таких полях движения воздуха, которые сближают между собой воздушные частицы с различной температурой (и другими свойствами),
В таком поле движения горизонтальные градиенты температуры растут, и это приводит к образованию резкого фронта вместо постепенного перехода между воздушными массами. Процесс образования фронта называется фронтогенезом. Аналогично в полях движения, которые удаляют воздушные частицы друг от друга, уже существующие фронты могут размываться, т.е. превращаться в широкие переходные зоны, а существовавшие в них большие градиенты метеорологических величин, в частности температуры, – сглаживаться.
В реальной атмосфере фронты, как правило, не параллельны воздушным течениям. Ветер по обе стороны фронта имеет составляющие, нормальные к фронту. Поэтому сами фронты не остаются в неизменном положении, а перемещаются.
Фронт может перемещаться либо в сторону более холодного воздуха, либо в сторону более теплого воздуха. Если линия фронта перемещается у земли в сторону более холодного воздуха, это значит, что клин холодного воздуха отступает и освобождаемое им место занимает теплый воздух. Такой фронт называют теплым. Прохождение его через место наблюдения приводит к смене холодной воздушной массы теплой, а следовательно, к повышению температуры и к определенным изменениям других метеорологических величин.
Если линия фронта перемещается в сторону теплого воздуха, это значит, что клин холодного воздуха продвигается вперед, теплый воздух перед ним отступает, а также вытесняется вверх наступающим холодным клином. Такой фронт называют холодным. При его прохождении теплая воздушная масса сменяется холодной, температура понижается, а также резко изменяются другие метеорологические величины.
В области фронтов (или, как обычно говорят, на фронтальных поверхностях) возникают вертикальные составляющие скорости движения воздуха. Наиболее важен особенно частый случай, когда теплый воздух находится в состоянии упорядоченного восходящего движения, т.е. когда одновременно с горизонтальным движением он еще перемещается вверх над клином холодного воздуха. Именно с этим связано развитие над фронтальной поверхностью облачной системы, из которой выпадают осадки.
На теплом фронте восходящее движение охватывает мощные слои теплого воздуха над всей фронтальной поверхностью, вертикальные скорости здесь порядка 1…2 см/с при горизонтальных скоростях в несколько десятков метров в секунду. Поэтому движение теплого воздуха имеет характер восходящего скольжения вдоль фронтальной поверхности.
В восходящем скольжении участвует не только слой воздуха, непосредственно примыкающий к фронтальной поверхности, но и все вышележащие слои, часто до тропопаузы. В результате возникает обширная система перисто - слоистых, высокослоистых – слоисто-дождевых облаков, из которых выпадают обложные осадки. В случае холодного фронта восходящее движение теплого воздуха ограничено более узкой зоной, однако вертикальные скорости значительно больше, чем на теплом фронте, и особенно они сильны перед холодным клином, где теплый воздух вытесняется холодным. Здесь преобладают кучево-дождевые облака с ливневыми осадками и грозами.
Очень существенно, что все фронты связаны с ложбинами в барическом поле. В случае стационарного (малоподвижного) фронта изобары в ложбине параллельны самому фронту. В случаях теплого и холодного фронтов изобары приобретают форму латинской буквы V, пересекаясь с фронтом, лежащим на оси ложбины.
При прохождении фронта ветер в данном месте меняет свое направление по часовой стрелке. Например, если перед фронтом ветер юго-восточный, то за фронтом он изменится на южный, юго-западный или западный.
В идеальном случае фронт можно представить как геометрическую поверхность разрыва.
В реальной атмосфере такая идеализация допустима в планетарном пограничном слое. В действительности фронт есть переходная зона между теплой и холодной воздушными массами; в тропосфере он представляет некоторую область, называемую фронтальной зоной. Температура на фронте не испытывает разрыва, а резко меняется внутри зоны фронта, т.е. фронт характеризуется большими горизонтальными градиентами температуры, на порядок большими, чем в воздушных массах по обе стороны от фронта.
Мы уже знаем, что, если есть горизонтальный градиент температуры, достаточно близко совпадающий по направлению с горизонтальным барическим градиентом, последний с высотой растет, а с ним растет и скорость ветра. Во фронтальной зоне, где между теплым и холодным воздухом горизонтальный градиент температуры особенно велик, барический градиент сильно растет с высотой. Это значит, что термический ветер вносит большой вклад и скорость ветра на высотах достигает больших значений.
При резко выраженном фронте над ним в верхней тропосфере и нижней стратосфере наблюдается в общем параллельное фронту сильное воздушное течение в несколько сотен километров шириной, со скоростями от 150 до 300 км/ч. Оно называется струйным течением. Его длина сопоставима с длиной фронта и может достигать нескольких тысяч километров. Максимальная скорость ветра наблюдается на оси струйного течения вблизи тропопаузы, где она может превышать 100 м/с.
Выше, в стратосфере, где горизонтальный температурный градиент меняется на обратный, барический градиент уменьшается с высотой, термический ветер направлен противоположно скорости ветра и она уменьшается с высотой.
У арктических фронтов струйные течения обнаруживаются на более низких уровнях. При определенных условиях струйные течения наблюдаются в стратосфере.
Обычно главные фронты тропосферы – полярные, арктические – проходят в основном в широтном направлении, причем холодный воздух располагается в более высоких широтах. Поэтому связанные с ними струйные течения чаше всего направлены с запада на восток.
При резком отклонении главного фронта от широтного направления отклоняется и струйное течение.
В субтропиках, где тропосфера умеренных широт соприкасается с тропической тропосферой, возникает субтропическое струпное течение, ось которого обычно расположена между тропической и полярной тропопаузами.
Субтропическое струйное течение жестко не связано с каким-либо фронтом и является главным образом следствием существования температурного градиента экватор-полюс.
Струйное течение, встречное по отношению к летящему самолету, уменьшает скорость его полета; попутное струйное течение ее увеличивает. Кроме того, в зоне струйного течения может развиваться сильная турбулентность, поэтому учет струйных течений важен для авиации.
| " |
1. Основные понятия и определения
СНЕЖНЫЕ ЗАРЯДЫ (ЗАРЯДЫ СНЕГА), согласно широко известному классическому Метеорологическому словарю 1974г. издания [ 1 ] - это: «…название кратковременных, интенсивных ливневых осадков в виде снега (или снежной крупы) из кучево-дождевых облаков, часто со снежными шквалами».
И в Метеословаре — глоссарии POGODA.BY [ 2 ]: «Снежные «заряды» - весьма интенсивные снегопады, сопровождающиеся резким усилением ветра при их прохождении. Снежные «заряды» иногда следуют друг за другом через небольшие промежутки времени. Они обычно наблюдаются в тылу циклонов и на вторичных холодных фронтах . Опасность снежных «зарядов» в том, что видимость резко уменьшается практически до нуля при их прохождении»
Кроме того, это интенсивное и опасное для авиации явление погоды описано и в современном Электронном учебном пособии «Авиация и Погода» [ 3 ] как: «очаги выпадения твёрдых ливневых осадков в холодное время года (ливневой снег, снег «хлопьями», снежная крупа, ливневой мокрый снег и снег с дождём), которые выглядят как «снежные заряды» - быстро движущиеся зоны весьма интенсивного снегопада, буквально «обвала» снега при резком уменьшении видимости, часто сопровождающиеся снежными шквалами (snow storm) у поверхности Земли».
Снежный заряд - это мощное, яркое и кратковременное (обычно длительностью лишь несколько минут) явление погоды, которое по возникающим метеоусловиям весьма опасно не только для полётов легкомоторной авиации и вертолётов на малых высотах, но и для всех типов ВС (воздушных судов) в нижнем слое атмосферы при выполнении взлёта и первоначального набора высоты, а также при заходе на посадку. Это явление, как увидим далее, иногда даже становится причиной АП (авиационного происшествия). Важно, что при сохранении в регионе условий для формирования снежных зарядов, в том же самом месте их прохождение может повторяться!
Для повышения безопасности полётов ВС необходимо проанализировать причины возникновения снежных зарядов и метеорологических условий в них, показать примеры соответствующих АП, а также выработать рекомендации летно-диспетчерскому составу и службе метеорологического обеспечения полётов для того, чтобы по возможности избегать АП в условиях прохождения снежных зарядов.
2. Внешний вид очагов снежных зарядов
Поскольку наиболее опасные снежные заряды, о которых идёт речь, встречаются не столь часто, то для понимания проблемы важно, чтобы у всех авиаторов были правильные (в т.ч. и визуальные) представления об этом мощном явлении природы. Поэтому вначале статьи для просмотра предлагается видео-пример типичного прохождения такого снежного заряда у поверхности Земли.
Рис. 1 Приближение зоны снежного заряда. Первые кадры из видео, см: http://rutube.ru/video/728d027f45b8ae5356c962f70f40d6dd/
Интересующимся читателям для просмотра предлагаются также некоторые видео-эпизоды прохождения снежных зарядов у Земли:
и др. (см. в поисковиках Интернета).
3. Процесс формирования очагов снежных зарядов
С точки зрения метеорологической ситуации, типичные условия для возникновения зимних ливневых очагов являются аналогичными тем, которые происходят при формировании мощных очагов ливней и гроз в летнее время - после произошедшего холодного вторжения и соответственно, возникновения условий для динамической конвекции. При этом быстро формируются кучево-дождевые облака, которые и дают очаги ливневых осадков летом в виде интенсивного дождя (часто с грозами), а в холодное время года - в виде очагов ливневого снега. Обычно такие условия при адвекции холода наблюдаются в тылу циклонов - как за холодным фронтом, так и в зонах вторичных холодных фронт ов (в т.ч. и вблизи от них).
Рассмотрим схему типичной вертикальной структуры очага снежного заряда в стадии максимального развития, формирующегося под кучево-дождевым облаком в условиях адвекции холода зимой.
Рис. 2 Общая схема вертикального разреза очага снежного заряда в стадии максимального развития (А, В, С - точки АП, см. п. 4 статьи)
Схема показывает, что выпадающие из кучево-дождевого облака интенсивные ливневые осадки «увлекают» за собой воздух, в результате чего возникает мощный нисходящий поток воздуха, который подходя к поверхности Земли «растекается» в стороны от очага, создавая шквалистое усиление ветра у Земли (в основном - в направлении движения очага, как на схеме). Аналогичное явление «вовлечения» воздушного потока вниз выпадающими жидкими осадками отмечается и в тёплое время года, создавая «фронт порывистости» (зону шквала), возникающего как пульсирующий процесс впереди движущегося грозового очага - см. литературу по сдвигам ветра [ 4 ].
Таким образом, в зоне прохождения интенсивного очага снежного заряда можно ожидать в нижних слоях атмосферы следующие опасные для авиации явления погоды, чреватые АП: мощные нисходящие потоки воздуха, шквалистые усиления ветра у Земли и участки резкого ухудшения видимости в снежных осадках. Рассмотрим по отдельности эти явления погоды при снежных зарядах (см. пп. 3.1, 3.2, 3.3).
3.1 Мощные нисходящие потоки воздуха в очаге снежного заряда
Как уже указывалось, в пограничном слое атмосферы может наблюдаться процесс формирования участков сильных нисходящих потоков воздуха, вызванных выпадением интенсивных осадков [ 4 ]. Этот процесс вызван вовлечением воздуха выпадающими осадками, если эти осадки имеют большой размер элементов, имеющих повышенную скорость падения, а также наблюдается большая интенсивность этих осадков («плотность» летящих элементов осадков). Кроме того, важно в этой ситуации то, что наблюдается эффект «обмена» масс воздуха по вертикали - т.е. возникновения участков компенсационных потоков воздуха, направленных сверху вниз, в связи с наличием участков восходящих токов при конвекции (рис.3), при котором участки выпадающих осадков играют роль «пускового механизма» этого мощного вертикального обмена.
Рис. 3 (это - копия Рис. 3-8 из [ 4 ]). Формирование нисходящего потока воздуха на стадии созревания b), увлекаемого ливневыми осадками (в красной рамке).
Мощность возникающего нисходящего потока воздуха за счёт вовлечения выпадающими интенсивными ливневыми осадками прямо зависит от размеров выпадающих частиц (элементов) осадков. Крупные частицы осадков (Ø ≥5 мм) обычно выпадают со скоростями ≥10 м/с и поэтому наибольшую скорость падения развивают крупные мокрые хлопья снега, поскольку они могут иметь и размеры > 5 мм, а они в отличие от сухого снега, имеют значительно меньшую «парусность». Аналогичный эффект возникает и летом в очаге интенсивного выпадения града, также вызывающего мощный нисходящий поток воздуха.
Поэтому в очаге «мокрого» снежного заряда (хлопьями) резко усиливается «захват» воздуха выпадающими осадками, приводящий к увеличению скорости нисходящего потока воздуха в осадках, который может в этих случаях не только достигать, но даже и превышать «летние» их значения при сильных ливнях. При этом «сильными», как известно, считаются скорости вертикального потока от 4 до 6 м/с, а «очень сильными» - более 6 мс [ 4 ].
Крупные мокрые хлопья снега обычно возникают при слабо положительных значениях температуры воздуха и поэтому очевидно, что именно такой фон температуры и будет способствовать возникновению сильных и даже очень сильных нисходящих потоков воздуха в снежном заряде.
На основании изложенного вполне очевидно, что в зоне снежного заряда в стадии его максимального развития (в особенности при мокром снеге и положительной температуре воздуха) могут встречаться как сильные, так и очень сильные вертикальные потоки воздуха, представляющие чрезвычайную опасность для полётов любых типов ВС.
3.2 Шквалистые усиления ветра у Земли вблизи очага снежного заряда.
Нисходящие потоки масс воздуха, о которых говорилось в п.3.1 статьи, приближаясь к поверхности Земли, по законам газовой динамики начинают в пограничном слое атмосферы (до высот сотен метров) резко «оттекать» по горизонтали в стороны от очага, создавая шквалистое усиление ветра (рис.2).
Поэтому вблизи ливневых очагов у Земли и возникают «фронты порывистости» (или «порывов») - зоны шквала, распространяющиеся от очага, но «несимметричные» по горизонтали относительно расположения очага, поскольку они движутся обычно в ту же самую сторону, куда идёт и сам очаг по горизонтали (рис.4).
Рис.4 Структура фронта порывистости (порывов), распространяющегося от ливневого очага в пограничном слое атмосферы в направлении движения очага
Такой «ветровой» шквалистый фронт порывистости появляется обычно внезапно, движется с довольно большой скоростью, проходит через конкретный участок всего лишь за несколько секунд и отличается резкими шквалистыми усилениями ветра (15 м/с, иногда и более) и существенным увеличением турбулентности. Фронт порывистости «откатывается» от границы очага как пульсирующий во времени процесс (то появляясь, то исчезая) и при этом шквал у Земли, вызванный этим фронтом, может достичь удаления до нескольких километров от очага (летом при сильных грозах - более 10 км).
Очевидно, что такой шквал у Земли, вызванный прохождением фронта порывистости вблизи очага, представляет большую опасность для всех видов ВС, находящихся в полёте в пограничном слое атмосферы, что может стать причиной АП. Пример прохождения такого фронта порывистости в условиях полярного мезоциклона и при наличии снежного покрова приводится в анализе АП вертолёта на Шпицбергене [ 5 ].
При этом в условиях холодного времени года возникает интенсивное «заполнение» воздушного пространства летящими снежинками в снежном шквале, что и приводит к резкому уменьшению видимости в этих условиях (см. далее - п. 3.3 статьи).
3.3 Резкое уменьшение видимости в снежном заряде и при снежном шквале у Земли
Опасность снежных зарядов состоит также в том, что видимость в снеге в них обычно резко уменьшается, иногда практически до полной потери визуальной ориентации при их прохождении. Размеры снежных зарядов варьируются от сотен метров до километра и более.
При усилениях ветра у Земли на границах снежного заряда, в особенности рядом с очагом - в зоне фронта порывистости у Земли, возникает быстро движущийся «снежный шквал», когда в воздухе у Земли может находиться, кроме выпадающего сверху интенсивного снега, ещё и снег, поднятый ветром с поверхности (рис. 5).
Рис. 5 Снежный шквал у Земли в окрестностях снежного заряда
Поэтому условия снежного шквала у Земли - это часто ситуация полной потери пространственной ориентации и видимости лишь до нескольких метров, что является чрезвычайно опасным для всех видов транспорта (как наземного, так и воздушного), и в этих условиях высока вероятность происшествий. Наземный транспорт в снежном шквале может остановиться и «переждать» такие чрезвычайные условия (что часто и происходит), но ВС вынуждено продолжать движение, а в ситуациях полной потери визуальной ориентации это становится чрезвычайно опасным!
Важно знать, что при снежном шквале вблизи очага снежного заряда движущаяся зона потери визуальной ориентации при прохождении снежного шквала у Земли довольно ограничена в пространстве и составляет обычно лишь 100…200 м (редко больше), а за пределами зоны снежного шквала видимость обычно улучшается.
Между снежными зарядами видимость становится лучше, и поэтому в стороне от снежного заряда - часто даже на расстоянии сотен метров от него и далее, если нет поблизости приближающегося снежного шквала, зона снежного заряда бывает даже видна в виде некоторого движущегося «снежного столба». Это очень важно для оперативного визуального обнаружения этих зон и их успешного «обхода» - для обеспечения безопасности полётов и оповещения экипажей ВС! Кроме того, зоны снежных зарядов хорошо обнаруживаются и отслеживаются современными метеорологическими радиолокаторами , что и должно использоваться для метеорологического обеспечения полётов по району аэродрома в этих условиях.
4. Виды авиационных происшествий при снежных зарядах
Очевидно, что ВС, попадающие в полёте в условия снежного заряда, испытывают значительные трудности для сохранения безопасности полёта, что иногда и приводит к соответствующим АП. Рассмотрим далее три таких подобранных для статьи типичных АП - это случаи в т.т. А, В, С (они отмечены на рис.2) на типовой схеме очага снежного заряда в стадии максимального развития.
А ) 19 февраля 1977г вблизи п. Тапа ЭстССР самолёт АН-24Т при заходе на посадку на военный аэродром, находясь на глиссаде, после прохода ДПРМ (дальний приводной радиомаркер), уже находясь на высоте около 100 м над ВПП (взлётно-посадочная полоса), попал в мощный снежный заряд в условиях полной потери видимости. Самолёт при этом внезапно и резко потерял высоту, в результате чего задел высокую дымовую трубу и упал, все 21 чел. находившиеся на борту ВС, погибли.
Это АП явно произошло при попадании ВС в сам нисходящий поток в снежном заряде на некоторой высоте над поверхностью Земли.
В) 20 января 2011г. вертолёт AS - 335 NRA -04109 у озера Суходольское Приозёрского р-на Ленинградской обл. летел на малой высоте и в видимости Земли (по материалам дела). Общая метеоситуация при этом по данным метеослужбы была следующая: полёт этого вертолёта производился в циклонических условиях пасмурной погоды с ливневыми осадками и ухудшениями видимости в тылу вторичного холодного фронта …наблюдались осадки в виде снега с дождём, с наличием отдельных зон осадков ливневого характера . В этих условиях вертолёт во время полёта «обходил» очаги ливневых осадков (они были видны), но при попытке снижения внезапно попал в «край» снежного заряда, резко потерял высоту и упал на землю при усилении ветра у Земли в условиях снежного шквала. К счастью, никто не погиб, но вертолёт получил серьёзные повреждения.
Условия фактической погоды в месте АП (по протоколам допросов свидетелей и потерпевших): «… это произошло при наличии очагов осадков в виде снега с дождём… в смешанных осадках… что ухудшало горизонтальную видимость в зоне ливневых снежных осадков ….» Это АП очевидно произошло в т. В соответствии с рис.2, т.е. в том месте, где вблизи вертикальной границы зоны снежного заряда уже сформировался снежный шквал.
С) 6 апреля 2012г вертолёт «Agusta» у оз. Янисъярви Сортавальского р-на Карелии при полёте на высоте до 50 м. в спокойных условиях и при видимости Земли, на удалении около 1 км от очага выпадения снега (очаг был виден экипажу) испытал болтанку в налетевшем у Земли снежном шквале и, вертолёт, резко потеряв высоту, ударился о Землю. К счастью, никто не погиб, вертолёт получил повреждения.
Анализ условий этого АП показал, что полёт происходил в ложбине циклона вблизи быстро приближающегося и интенсивного холодного фронта, и АП произошло практически в самой фронтальной зоне у Земли. Данные дневника погоды при прохождении этого фронта через зону аэродрома показывают, что при его прохождении у Земли отмечались мощные очаги кучево-дождевых облаков и выпадение ливневых осадков (зарядов мокрого снега), а также наблюдались усиления ветра у Земли до 16 м/с.
Таким образом, очевидно, что данное АП произошло хотя и за пределами выпадения самого снежного заряда, в который вертолёт так и не попал, но он оказался на участке, в который внезапно и на большой скорости «ворвался» снежный шквал, вызванный находящимся в отдалении снежным зарядом. Поэтому и произошёл бросок вертолёта в турбулентной зоне фронта порывистости, когда налетел снежный шквал. На Рис.2 - это т. С - внешняя зона границы снежного шквала, «откатывающегося» как фронт порывистости у Земли от очага снежного заряда. Следовательно, и это очень важно , что зона снежного заряда опасна для полётов не только внутри самой этой зоны , но и на расстоянии в километры от неё - за пределами выпадения самого снежного заряда у Земли, куда может «примчаться» фронт порывистости, сформированный ближайшим очагом снежного заряда и вызывающий снежный шквал!
5. Общие выводы
В зимнее время в зонах прохождения холодных атмосферных фронтов различных типов у поверхности Земли и непосредственно после их прохождения, обычно возникают кучево-дождевые облака и формируются очаги выпадения твёрдых ливневых осадков в виде ливневого снега (в т.ч. снега «хлопьями»), снежной крупы, ливневого мокрого снега или снега с дождём. При выпадениях ливневого снега могут возникать резкие ухудшения видимости, вплоть до полной потери визуальной ориентации, в особенности в снежном шквале (при усилениях ветра) у поверхности Земли.
При значительной интенсивности процессов формирования ливневых осадков, т.е. при высокой «плотности» выпадения элементов в очаге, и при увеличенных размерах выпадающих твёрдых элементов (в особенности «мокрых») скорость их падения резко возрастает. По этой причине возникает мощный эффект «вовлечения» воздуха падающими осадками, в результате которого может возникнуть сильный нисходящий поток воздуха в очаге выпадения таких осадков.
Массы воздуха в нисходящем потоке, возникшем в очаге выпадения твёрдых ливневых осадков, приближаясь к поверхности Земли, начинают «растекаться» в стороны от очага, преимущественно в сторону движения очага, создавая зону снежного шквала, быстро распространяющуюся на несколько километров от границы очага - аналогично летнему фронту порывистости, возникающему у мощных летних грозовых очагов. В зоне такого кратковременного снежного шквала, кроме больших скоростей ветра, может наблюдаться сильная турбулентность.
Таким образом, снежные заряды опасны для полётов ВС как резкой потерей видимости в осадках, так и сильными нисходящими потоками в самом снежном заряде, а также снежным шквалом вблизи очага у поверхности Земли, что чревато соответствующими АП в зоне снежного заряда.
В связи с чрезвычайной опасностью снежных зарядов для работы авиации, для того, чтобы избегать вызванных ими АП, необходимо строго выполнять ряд рекомендаций как для лётно-дипетчерского состава, так и для оперативных работников Гидрометеорологического обеспечения авиации. Эти рекомендации получены на основании анализа АП и материалов, связанных со снежными зарядами в нижних слоях атмосферы по району аэродрома и их выполнение уменьшает вероятность возникновение АП в зоне снежных зарядов.
Работникам Гидрометслужбы , обеспечивающим работу аэродрома, в условиях погоды, способствующих возникновению снежных зарядов по району аэродрома, следует обязательно вносить в формулировку прогноза по аэродрому сведения о возможности появления снежных зарядов по району аэродрома и вероятных сроках этого явления. Кроме того, необходимо в соответствующие периоды времени, на которые прогнозируется возникновение снежных зарядов, следует включать эту информацию в консультации экипажам ВС.
На период прогнозируемого возникновения снежных зарядов в районе аэродрома дежурному синоптику для выявления фактического появления снежных зарядов необходимо следить за имеющейся у него информацией метеорологических локаторов, а также регулярно запрашивать диспетчерскую службу (по визуальным данным КДП - контрольно-диспетчерского пункта, аэродромных служб и сведениям с бортов ВС) о фактическом появлении очагов снежных зарядов в районе аэродрома.
При поступлении информации о фактическом возникновении снежных зарядов в районе аэродрома незамедлительно подготовить соответствующее штормовое оповещение и представить его в диспетчерскую службу аэродрома и внести эту информацию в радиовещательные оповещения о погоде для экипажей ВС, находящихся в районе аэродрома.
Лётно-диспетчерской службе аэродрома на период прогнозируемого синоптиками появления снежных зарядов по району аэродрома следует следить за появлением снежных зарядов по данным локаторов, визуальным наблюдениям КДП, сведениям аэродромных служб и экипажей ВС.
При фактическом появлении снежных зарядов в районе аэродрома следует сообщить об этом синоптику и при наличии соответствующих данных начать оперативное обеспечение экипажей ВС сведениями о расположении снежных зарядов на глиссаде снижения и на траектории набора высоты после отрыва при выполнении взлёта. Необходимо рекомендовать экипажам ВС по возможности избегать попадания ВС в зону снежного заряда, а также снежного шквала у Земли в окрестностях снежного заряда.
Экипажам ВС при полёте на малой высоте и получении оповещения диспетчера о вероятности или наличии снежных зарядов следует внимательно следить для их визуального обнаружения в полёте.
При обнаружении очагов снежных зарядов в полёте в нижних слоях атмосферы необходимо по возможности «обходить» их и избегать попадания в них, придерживаясь правила: НЕ ВХОДИТЬ, НЕ ПРИБЛИЖАТЬСЯ, УХОДИТЬ.
Об обнаружении очагов снежных зарядов следует незамедлительно сообщить диспетчеру. При этом, по возможности, следует дать оценку расположения очагов снежных зарядов и снежных шквалов, их интенсивности, размерах и направлении смещения.
В этой ситуации вполне допустимым является отказ от взлёта и/или посадки по причине обнаружения очага интенсивного снежного заряда или снежного шквала, обнаруженных по курсу впереди ВС.
Литература
- Хромов С.П., Мамонтова Л.И. Метеорологический словарь. Гидрометеотздат, 1974.
- Метеословарь — глоссарий метеорологических терминов POGODA.BY http://www.pogoda.by/glossary/?nd=16
- Глазунов В.Г. Авиация и Погода. Электронное учебное пособие. 2012.
- Руководство по сдвигу ветра на малых высотах. Doc.9817 AN/449 ICAO Международная организация гражданской авиации, 2005. http://aviadocs.net/icaodocs/Docs/9817_cons_ru.pdf
- Глазунов В.Г. Метеорологическая экспертиза катастрофы Ми-8МТ на вертодроме Баренцбург (Шпицберген) 30�32008 г.
- Автоматизированный метеорологический радиолокационный комплекс МЕТЕОР-МЕТЕОЯЧЕЙКА. ЗАО «Институт радарной метеорологии» (ИРАМ).
2. Сила Кориолиса
3.Сила трения: 4.Центробежная сила:
16. Барический закон ветра в приземном слое (слое трение) и его метеорологические следствия в циклоне и антициклоне.
Барический закон ветра в слое трения : под действием трения ветер отклоняется от изобары в сторону низкого давления (в сев. полушарии - влево) и уменьшается по величине.
Итак, согласно барическому закону ветра:
В циклоне циркуляция осуществляется против часовой стрелки, у земли (в слое трения) наблюдается сходимость воздушных масс, восходящие вертикальные движения и формирование атмосферных фронтов. Преобладает облачная погода.
В антициклоне – циркуляция против часовой стрелки, расходимость воздушных масс, нисходящие вертикальные движения и формирование крупномасштабных (~1000 км) приподнятых инверсий. Преобладает безоблачная погода. Слоистая облачность в подынверсионном слое.
17. Приземные атмосферные фронты (АФ). Их формирование. Облачность, особые явления в зоне Х и Т АФ, фронт окклюзии. Скорость движения АФ. Условия полетов в районе АФ зимой и летом. Какова средняя ширина зоны обложных осадков на Т и Х АФ? Назовите сезонные различия ОЯП на ХФ и ТФ. (см. Богаткин с.159 – 164).
Приземные атмосферные фронты АФ – узкая наклонная переходная зона между двумя воздушными массами с разными свойствами;
Холодный воздух (более плотный) лежит под теплым
Длина зон АФ – тысячи км, ширина – десятки км, высота – несколько км (иногда до тропопаузы), угол наклона к земной поверхности – несколько угловых минут;
Линия пересечения фронтальной поверхности с земной поверхностью называется линией фронта
Во фронтальной зоне скачком изменяется температура, влажность, скорость ветра и др. параметры;
Процесс образования фронта – фронтогенез, разрушения – фронтолиз
Скорость движения 30-40 км/ч и более
Приближение нельзя (чаще всего) заметить заранее – все облака за линией фронта
Характерны ливневые осадки с грозами и шквалистым ветром, смерчи;
Облака сменяют друг друга в последовательности Ns, Cb, Аs, Cs (на повышение яруса);
Зона облаков и осадков в 2-3 раза меньше, чем у ТФ – до 300 и 200 км , соответственно;
Ширина зоны обложных осадков – 150-200 км;
Высота НГО – 100-200 м;
На высоте за фронтом ветер усиливается и поворачивает влево - сдвиг ветра!
Для авиации: плохая видимость, обледенение, турбулентность (особенно в ХФ!), сдвиг ветра;
Полеты запрещены до прохождения ХФ.
ХФ 1 рода – медленно двигающийся фронт (30-40 км/ч), отн.широкая (200-300 км) зона облачности и осадков; высота верхней границы облаков зимой мала – 4-6 км
ХФ 2 рода – быстро двигающийся фронт (50-60 км/ч), ширина облачности узкая – несколько десятков км, но опасны развитыми Cb (особенно летом - с грозами и шквалом), зимой – сильные снегопады с резким кратковременным ухудшением видимости
Теплый АФ
Скорость движения меньше, чем у ХФ- < 40 км/ч.
Приближение можно заметить заранее по появлению на небе перистых, а затем перисто-слоистых облаков, а затем Аs, St, Sc с НГО 100 м и менее ;
Плотные адвективные туманы (зимой и в переходные сезоны);
Основа облачности – слоистые формы облаков, образованные в результате подъема теплого в-ха со скоростью 1-2 см/с;
Обширная зона обложных о садков – 300-450 км при ширине зоны облачности около 700 км (максимальны в центральной части циклона);
На высотах в тропосфере ветер усиливается с высотой и поворачивает вправо – сдвиг ветра!
Особенно трудные условия для полетов создаются в зоне 300-400 км от линии фронта, где облачность низкая, видимость ухудшена, возможность обледенения зимой, летом – грозы (не всегда).
Фронт окклюзии
–
объединение теплой и холодной фронтальных поверхностей
(зимой особенно опасен обледенением, гололед, ледяной дождь)
Для дополнения почитайте учебник Богаткин с.159 – 164.
Многие из новичков яхтенного дела слышали о «законе бейсболки», который некоторым образом используется опытными яхтсменами в морской навигации. Заранее следует сказать, что этот закон не имеет никакого отношения ни к головным уборам, ни к морской экипировке вообще. «Законом бейсболки» на морском сленге называется барический закон ветра, открытый в своё время членом Императорской Петербургской Академии наук Христофором Бёйс-Баллотом, часто именуемым на английский манер — Бейс-Балло. Закон этот объясняет интересный феномен — почему ветер в северном полушарии в циклонах поворачивается по часовой стрелке, — то есть вправо. Не путать с вращением самого циклона, где воздушные массы вращаются против часовой стрелки!
Академик Х. Х. Бёйс-Баллот
Бёйс-Баллот и закон барического ветра
Бёйс-Баллот — выдающийся голландский учёный середины 19 века, занимавшийся математикой, физикой, химией, минералогией и метеорологией. Несмотря на такой обширный спектр увлечений, прославился он именно как первооткрыватель закона, позднее названного его именем. Бёйс-Баллот одним из первых стал активно внедрять в жизнь активное сотрудничество учёных разных государств, вынашивая идеи Всемирной академии наук. В Голландии им был создан Институт метеорологии и система предупреждения о надвигающихся штормах. В знак признания его заслуг перед мировой наукой, Бёйс-Баллот наряду с Ампером, Дарвином, Гёте и другими представителями науки и искусства был избран иностранным членом Петербургской Академии наук.
Что же касается собственно закона (или «правила») Бейс-Баллота, то, строго говоря, первые упоминания о баррическом законе ветра относятся ещё к концу 18 века. Именно тогда немецкий учёный Брандис впервые высказал теоретические предположения об отклонении ветра относительно вектора, соединяющего области с высоким и низким давлением. Но доказать на практике свою теорию он так и не смог. Установить правильность предположений Брандиса смог академик Бёйс-Баллот только в середине 19 века. Причём, сделал это чисто эмпирически, то есть, путём научных наблюдений и измерений.
Суть закона Бейс-Балло
Дословно «закон Бейс-Балло», сформулированный учёным в 1857 году, звучит следующим образом: «Ветер у поверхности, кроме субэкваториальных и экваториальных широт, отклоняется от барического градиента на некоторый угол вправо, а в южном направлении — влево.» Барический градиент — это вектор, показывающий изменение атмосферного давления в горизонтальном направлении над поверхностью моря или ровной земной поверхностью.
Баррический градиент
Если перевести закон Бейс-Балло с научного языка, то выглядеть он будет следующим образом. В земной атмосфере всегда имеются области повышенного и пониженного давления (причины этого явления мы в данной статье разбирать не будем, дабы не заблудиться в дебрях). В результате, воздушные потоки устремляются из области с более высоким давлением в область более низкого. Логично предположить, что подобное движение должно идти по прямой: это направление и показывает вектор под названием «барический градиент».
Но тут вступает в действие сила движения Земли вокруг своей оси. А точнее, сила инерции тех объектов, что находятся на поверхности Земли, но не связаны жёсткой связью с земной твердью — «сила Кориолиса» (ударение на последнее «и»!). К таким объектам относятся вода и воздух атмосферы. Что касается воды, то давно было замечено, что в северном полушарии реки, текущие в меридиональном направлении (с севера на юг), больше подмывают правый берег, в то время как левый остаётся низменным и относительно ровным. В южном полушарии – наоборот. Объяснить подобный феномен смог другой академик Петербургской Академии наук — Карл Максимович Бэр. Им был выведен закон, согласно которому, текущая вода испытывает на себе влияние силы Кориолиса. Не успевая вращаться вместе с твёрдой поверхностью Земли, текущая вода по инерции «прижимается» к правому берегу (в южном полушарии, соответственно — к левому), в результате подмывая его. По иронии судьбы, закон Бэра был сформулирован в том же 1857 г., что и закон Бейс-Балло.
Таким же образом, под действием силы Кориолиса, отклоняется движущийся атмосферный воздух. В результате, ветер начинает отклоняться вправо. При этом в результате действия силы трения угол отклонения близок к прямому в свободной атмосфере и меньше прямого у поверхности Земли. Если смотреть по направлению приземного ветра, то наиболее низкое давление в северном полушарии будет слева и несколько впереди.
Отклонения движения воздушных масс в северном полушарии под влиянием силы вращения Земли. Красным цветом показан вектор барического градиента, направленный прямо от области высокого давления к области низкого давления. Синяя стрелка — направление действия силы Кориолиса. Зелёным — направление движения ветра, отклоняющегося под действием силы Кориолиса от барического градиента
Использование закона Бейс-Балло в морской навигации
О необходимости уметь применять данное правило на практике указывают многие учебники по навигации и морскому делу. В частности — «Морской словарь» Самойлова, изданный Народным комиссариатом военно-морского флота в 1941 г. Самойлов даёт исчерпывающее описание барического закона ветра применительно к мореходной практике. Его наставления вполне могут взять на вооружение и современные яхтсмены:
«…В случае нахождения корабля по близости к районам мирового океана, где часто возникают ураганы, необходимо следить за показаниями барометра. Если стрелка барометра начинает опускаться, а ветер — крепчать, то велика возможность приближения урагана. При этом нужно незамедлительно определить, в каком направлении находится центр циклона. Для этого моряки используют правило Бейс-Балло — если встать к ветру спиной, то центр урагана будет располагаться примерно на 10 румбов влево от фордевинда в северном, и на столько же вправо — в южном полушарии.
Затем нужно определить, в какой части урагана находится корабль. Для скорейшего определения местоположения парусному судну необходимо незамедлительно лечь в дрейф, а паровым — остановить машину. После чего необходимо произвести наблюдения за изменением ветра. Если направление ветра постепенно меняется слева на право (по часовой стрелке), то судно находится по правой стороне от пути движения циклона. Если же направление ветра меняется в противоположном направлении — то слева. В случае, когда направление ветра не меняется совсем — судно находится прямо на пути следования урагана. Уходить от центра урагана в северном полушарии нужно следующим образом:
* перевести судно на правый галс;
* при этом, если вы находитесь справа от центра циклона, то следует лечь в бейдевинд;
* если слева или по центру движения — в бакштаг.
В южном полушарии — наоборот, кроме случая, когда судно оказывается по центру наступающего циклона. Идти данными курсами необходимо, пока судно не уйдёт с пути движения центра циклона, что можно определить по начавшему подниматься барометру».
А о правилах уклонения от тропических циклонов наш сайт писал в статье « ».
Паразитическая цивилизация породила элиту-паразита
В какое время можно восполнять пропущенные намазы
Тьютор для ребенка с рас: правовая норма и реальность
Лучшие рождественские гадания!
Все, что нужно знать о тельцах Мужчина телец он