Физические условия образования конвективных облаков
Лекция 3. ФИЗИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ОБЛАКОВ
План лекции
Физические условия образования конвективных облаков.
Облака термической конвекции.
Облака динамической конвекции.
Облака турбулентности.
Условия образования волнистообразных облаков
Синоптические ситуации, характерные для формирования основных форм облаков.
Физические условия образования конвективных облаков
Облака образуются в результате перехода воды из газообразного состояния (водяной пар) в жидкое (капли) и твердое (кристаллы). При этих переходах, называемых конденсацией и сублимацией и происходящих вследствие конвекции или упорядоченного подъема влажного воздуха, выделяется большое количество тепла, которое оказывает значительное влияние на образование облаков, термическую и динамическую устойчивость атмосферы, режим движения воздуха, формирование фронтальных разделов и развитие циклонов.
По условиям образования различают облака фронтальные и внутримассовые. Происхождение фронтальных облаков объясняется процессами, происходящими на границах раздела между различными воздушными массами, а внутримассовых облаков – процессами внутри однородных воздушных масс: термической и динамической конвекцией, турбулентным перемешиванием и волновыми движениями (или адвекцией облачных систем).
Внутримассовые облакав зависимости от характера процессов их образования, а также от соотношения их горизонтальной (L) и вертикальной (h) протяженности подразделяются на конвективные (кучевообразные) – h/L > 1, облака турбулентности (облака устойчивой воздушной массы) – h/L « 1 и волнистообразные, характеризующиеся повторяющимся соотношением h/L и возникающие в зоне волновых движений в атмосфере.
Основные процессы, приводящие к образованию внутримассовых облаков: термическая и динамическая конвекция, турбулентное перемешивание, волновые движения.
Основным процессом, приводящим к образованию фронтальных облаков, является восходящее скольжение теплого воздуха по клину более холодного воздуха.
Основными процессами, приводящими к образованию конвективных облаков, являются термическая конвекция и турбулентный обмен.
С развитием конвективного облака связаны следующие уровни в атмосфере: уровень конденсации, уровень нулевой изотермы и уровень свободной конвекции.
Уровень конденсации zк – уровень, до которого нужно подняться воздуху, чтобы содержащийся в нем водяной пар при адиабатическом подъеме достиг состояния насыщения (относительная влажность воздуха 100 %). Уровень конденсации практически совпадает с нижней границей облака. Уровень конденсации определяется с помощью аэрологических диаграмм или по формуле Ферреля zк = 122 (T0 –τ0),
гдеzк- в метрах , T0 – температура поднимающегося воздуха, τ0 - температура точки росы у земной поверхности.
Уровень нулевой изотермы z0 отделяет переохлажденную (верхнюю) часть облака от непереохлажденной (нижней).
Уровень конвекцииzконв – уровень, на котором температура восходящего воздуха сравнивается с температурой окружающей воздушной среды и восходящие токи конвекции затухают. Уровень конвекции практически совпадает с верхней границей облака.
В кучево-дождевых облаках восходящее движение преобладает над нисходящим.
Конвективные облака в зависимости от облакообразующих факторов подразделяются на облака термической конвекции и облака динамической конвекции.
Рис. 3.1. Развитие термической конвекции
Облака термической конвекции. Летом в ясную погоду под действием солнечной радиации происходит интенсивный нагрев деятельной поверхности. Однако различные ее участки нагреваются неодинаково. Над более нагретыми участками развиваются восходящие движения воздуха, а над менее нагретыми – нисходящие. Так возникает термическая конвекция. Постепенно отдельные восходящие струйки сливаются и образуют мощный восходящий поток, вовлекающий в себя все большие и большие объемы воздуха. На периферии этого потока образуются многочисленные нисходящие движения.
Вследствие вертикальных движений, обусловленных конвекцией, в атмосфере образуются конвективные (кучевообразные) облака. Скорость восходящих движений воздуха в конвективных облаках составляет от 0.1 до 40 м/с. Практически все внутримассовые конвективные облака, как и фронтальные, образуются и наблюдаются в областях пониженного давления – циклонах и ложбинах.
Если под влиянием прогрева подстилающей поверхности в нижних слоях атмосферы вертикальный градиент температуры увеличивается и создается неустойчивая стратификация, а в более высоких слоях, под уровнем конденсации, сохраняется малый или даже отрицательный вертикальный градиент температуры, то развивающиеся конвективные движения не достигают уровня конденсации и облака не образуются. Если же уровень конвекции (высота, до которой развиваются конвективные движения) находится выше уровня конденсации, то образуются конвективные облака, вертикальная мощность которых зависит от разности высот этих уровней (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Образование кучевых и кучево-дождевых облаков
Если неустойчивое или влажнонеустойчивое состояние имеется лишь в сравнительно небольшом слое над уровнем конденсации, а выше расположен задерживающий слой, то образуются лишь облака хорошей погоды или кучевые средние. При отсутствии задерживающего слоя кучевые облака продолжают развиваться по вертикали, приобретая более резкие очертания и превращаясь в мощные кучевые облака с куполообразной вершиной.
Если влагосодержание в воздухе велико и имеются благоприятные условия для дальнейшего развития конвекции, то кучевое облако быстро растет в вертикальном и отчасти в горизонтальном направлениях. Если его вершина достигнет уровня замерзания, то начнется ее обледенение, т.е. облачные элементы будут замерзать и приобретать кристаллическую структуру. Облако темнеет и принимает с теневой стороны свинцовый оттенок. Вершина приобретает расплывчатую волокнистую структуру, и облако превращается в кучево-дождевое.
Вертикальное развитие кучево-дождевого происходит до тех пор, пока температура поднимающегося воздуха не сравняется с температурой окружающей среды. Особенно резко тормозится рост облака, когда его вершина попадает в слой с глубокой инверсией температуры. При большой энергии восходящих движений, связанной с выделением теплоты конденсации, кучево-дождевое облако может проникнуть через слой инверсии. Тогда на уровне «пробитой» инверсии остаются полосы высококучевых чечевицеобразных облаков. Иногда вершина кучево-дождевого облака, достигая слоя инверсии, не проникает в него, а растекается под ним в виде перистообразных облаков. Тогда она принимает форму наковальни. При распаде Cb остатки наковальни, разорванные ветром, похожи по виду на перистые облака.
Неустойчивое состояние атмосферы иногда отмечается на высоте более 2 км, тогда как в нижних слоях атмосферы устойчива. При таких условиях в среднем ярусе возникают кучевообразные облака: высококучевые хлопьевидные и башенкообразные. При неустойчивом состоянии слоев, лежащих на высотах более 6 км, могут образоваться перисто-кучевые облака.
Облака динамической конвекции. Н а возникновение облаков в тропосфере существенное влияние оказывают динамические факторы: конвергенция потоков воздуха, вынужденный подъем воздуха при обтекании препятствия, перпендикулярного к потоку, а также вертикальные движения синоптического масштаба.
Облака турбулентности. Причиной образования этих облаков является турбулентное перемешивание воздуха в нижних слоях атмосферы при наличии в них инверсии. Турбулентное перемешивание приводит к понижению температуры подынверсионного слоя и одновременно к увеличению его влажности. В результате происходит конденсация водяного пара и как следствие образование слоистообразных облаков. 
Верхняя граница этих облаков обычно совпадает с основанием инверсионного слоя.