Атмосферный фронт

Воздушная масса представляет собой большой объём воздуха с относительно однородными характеристиками температуры и влажности; переход между двумя такими объёмами называют фронтом^[3]. Это слой, внутри которого свойства воздуха изменяются значительно быстрее, чем внутри каждой из соседних масс^[4]. Наиболее заметен обычно контраст температуры, однако при фронтальном анализе учитывают также влажность, плотность, направление и скорость ветра, давление, облачность и осадки^[5].

Фронт формируется и усиливается при сближении воздушных потоков с различными свойствами; этот процесс увеличения температурных контрастов называется фронтогенезом. При расхождении потоков контрасты ослабевают, фронт размывается, а соответствующий процесс называют фронтолизом^[6].

Фронтальная поверхность — наклонная поверхность или тонкая зона перехода, отделяющая холодный, более плотный воздух от тёплого, менее плотного^[6]. Холодный воздух поднимает тёплый. Поднимающийся воздух охлаждается и конденсируется, образуя область облаков и дождь^[7].

Пересечение фронтальной поверхности с поверхностью Земли образует линию фронта^[8], которую проводят на синоптической карте^[6]. Поскольку ширина переходной зоны мала относительно горизонтальных размеров воздушных масс, на карте её условно изображают одной линией^[9].

Фронтальная поверхность наклонена в сторону холодной воздушной массы, поскольку давление с высотой в тёплом, менее плотном воздухе убывает медленнее, чем в холодном^[3][5].

Наблюдаемый наклон обычно очень мал: среднее отношение вертикального изменения к горизонтальному оценивается примерно как 1:150, а характерный диапазон составляет от 1:50 для крутого фронта до 1:300 для пологого. Поэтому на вертикальных схемах горизонтальный масштаб намеренно сокращают относительно вертикального, иначе наклон почти неразличим. Качественную зависимость наклона от температурного контраста, широты и разности скоростей воздушных потоков описывает формула Маргулеса, выводимая для упрощённых условий без трения и при прямолинейном движении^[6].

Горизонтальная протяжённость развитой фронтальной системы достигает тысяч километров, тогда как её ширина у поверхности Земли имеет ширину несколько десятков километров^[10]. По вертикали основные фронты распространяются на несколько километров, а наиболее развитые поверхности в средних широтах могут достигать высот 8—12 км и приближаться к тропопаузе^[6].

Основные фронты прослеживаются как у Земли, так и на картах барической топографии^[11], вторичные фронты ограничены нижней тропосферой, а верхние фронты выражены на высотах и отсутствуют у поверхности^[6].

Во фронтальной зоне возрастают горизонтальные градиенты температуры, влажности и давления, а также изменяются скорость и направление ветра. Давление при переходе через поверхность раздела не испытывает скачка; фронт в барическом поле обычно соответствует барической ложбине или ложбинообразному изгибу изобарических поверхностей^[6][11].

Интенсивность фронта зависит от различия свойств соприкасающихся воздушных масс и неодинакова вдоль всей его длины^[4].

Тёплый фронт перемещается в сторону холодного воздуха: тёплая масса наступает, плавно поднимаясь над отступающим клином более плотного холодного воздуха^[12]. Его сравнительно пологий наклон способствует постепенному подъёму воздуха, развитию широкой области слоистообразной облачности и продолжительных осадков впереди приземной линии фронта^[13][14]. После прохождения фронта температура и влажность обычно повышаются^[15].

Холодный фронт возникает, когда холодная воздушная масса наступает и вытесняет тёплый воздух вверх. Подъём воздуха может сопровождаться кучево-дождевыми облаками, ливнями и грозами^[7]. За фронтом обычно понижаются температура и влажность, а давление после предфронтального падения начинает расти^[13].

Фронт окклюзии образуется в циклоне, когда более быстро движущийся холодный фронт догоняет тёплый и тёплый воздух вытесняется от земной поверхности вверх^[16][17]. У поверхности после смыкания соприкасаются две относительно холодные воздушные массы, а характер окклюзии определяется тем, какая из них плотнее и холоднее^[13]. Погода на окклюзии может сочетать признаки тёплого и холодного фронтов, включая многослойную облачность и осадки^[18].

Стационарный фронт — малоподвижная граница, вдоль которой воздушные массы могут течь почти параллельно, не вытесняя одна другую в устойчивом направлении^[8]. Вблизи такой границы сохраняются сходимость, подъём воздуха, облачность и осадки, а длительное удержание фронта над одной областью способно приводить к значительным суммам осадков^[13]. При изменении циркуляции отдельный участок стационарного фронта может стать тёплым или холодным в зависимости от направления его последующего движения^[6].

Облачность у фронта формируется главным образом вследствие подъёма тёплого воздуха, его адиабатического охлаждения и последующей конденсации водяного пара^[19]. Подъёму способствуют сходимость ветра у линии фронта, восходящее скольжение над холодным клином и различие скоростей предфронтального и зафронтального потоков^[6].

Для медленно движущихся фронтов с упорядоченным подъёмом характернее слоистообразные облака и обложные осадки, а для быстро движущихся фронтов при неустойчивой стратификации — кучевые и кучево-дождевые облака с ливневыми осадками. Осадки не являются обязательным признаком каждого фронта: при недостаточной влажности, слабом подъёме или размывании контраста фронт может пройти с малой облачностью либо без осадков у поверхности^[6].

Прохождение фронта означает смену воздушной массы, поэтому в пункте наблюдений обычно меняются температура, влажность, направление и скорость ветра, облачность и ход давления^[20]. Для тёплого фронта типичны повышение температуры или влажности после его прохождения, а для холодного — их понижение, но суточный ход температуры, осадки и теплообмен с земной поверхностью могут частично маскировать этот сигнал^[6].

В барическом поле перед движущимся фронтом давление чаще падает, а позади него растёт; особенно выраженный рост нередко наблюдается за холодным фронтом^[6].

Фронты являются характерными элементами многих внетропических циклонов: тёплый и холодный фронты ограничивают тёплый сектор, а в ходе развития циклона холодный фронт может настичь тёплый с образованием окклюзии^[21][4]. В приземном слое воздух сходится к области пониженного давления и поднимается, что поддерживает фронтальную облачность и осадки^[13].

На ранних стадиях циклогенеза усилению восходящих движений способствует динамическое падение давления, а на поздних стадиях сокращение тёплого сектора и окклюдирование изменяют фронтальную структуру циклона. В антициклонах и барических гребнях приземная дивергенция, напротив, способствует размыванию фронтов, хотя фронтальная зона на высоте может сохраняться^[6].

Положение фронта на приземной карте определяют комплексно по распределению температуры и точки росы, повороту ветра, сходимости потоков, облачности, осадкам и конфигурации изобар^[4][6]. На стандартных цветных схемах тёплый фронт обозначают красной линией с полукружиями, холодный — синей линией с треугольниками, а направление выпуклостей или вершин указывает направление движения^[22]. Окклюзию показывают фиолетовой линией с чередующимися полукружиями и треугольниками на одной стороне, стационарный фронт — чередованием красных полукружий и синих треугольников на противоположных сторонах линии^[13][14].

Высотная фронтальная зона — область усиленных горизонтальных градиентов температуры и геопотенциала в средней или верхней тропосфере, выявляемая на картах барической топографии по сгущению изогипс^[23]. Такие зоны располагаются между высотными холодными циклонами и тёплыми антициклонами и часто связаны с сильными воздушными течениями^[6][24].

Приземному фронту не всегда соответствует отдельная высотная зона: два параллельных фронта у Земли могут объединяться наверху в одну широкую зону, а высотный температурный контраст может существовать без выраженного приземного фронта.

В пограничном слое атмосферы шероховатость подстилающей поверхности создаёт трение, которое замедляет движение воздуха и отклоняет приземный ветер относительно потока в свободной атмосфере^[5]. Из-за отставания нижних слоёв профиль тёплого фронта у Земли становится более пологим, тогда как у холодного фронта внизу может сформироваться крутой холодный вал^[6].

Неодинаковое трение над сушей, морем и участками с различной шероховатостью меняет скорость разных отрезков фронта и деформирует его линию^[6].

Горные хребты изменяют движение фронта: поток частично обтекает препятствие, частично поднимается по наветренному склону, а разные участки линии фронта перемещаются с неодинаковой скоростью. Вынужденный подъём влажного воздуха на наветренной стороне усиливает облакообразование и осадки, тогда как на подветренной стороне опускающийся воздух адиабатически нагревается, облака разрушаются и осадки ослабевают или прекращаются^[6].

При переваливании через хребет фронтальная облачная система может временно нарушиться, а после удаления от гор — восстановиться. Результат зависит от высоты и ориентации хребта, устойчивости стратификации, влажности воздуха и угла между фронтом и горным препятствием^[6].