что такое фронтальный раздел
АТМОСФЕ́РНЫЙ ФРОНТ
Том 2. Москва, 2005, стр. 465-466
Скопировать библиографическую ссылку:
АТМОСФЕ́РНЫЙ ФРОНТ (тропосферный фронт), промежуточная, переходная зона между воздушными массами в нижней части атмосферы – тропосфере. Зона А. ф. очень узка по сравнению с разделяемыми ею воздушными массами, поэтому её приближённо рассматривают как поверхность раздела (разрыва) двух воздушных масс разной плотности или темп-ры и называют фронтальной поверхностью. По той же причине на синоптич. картах А. ф. изображают в виде линии (линия фронта). Если бы воздушные массы были неподвижны, поверхность А. ф. была бы горизонтальной, с холодным воздухом внизу и тёплым над ним, но поскольку обе массы движутся, она располагается наклонно к земной поверхности, причём холодный воздух лежит в виде очень пологого клина под тёплым. Тангенс угла наклона фронтальной поверхности (наклон фронта) порядка 0,01. А. ф. могут простираться иногда до самой тропопаузы, но могут и ограничиваться нижними километрами тропосферы. В пересечении с земной поверхностью зона А. ф. имеет ширину порядка десятков км, горизонтальные же размеры самих воздушных масс – порядка тысяч км. В начале образования А. ф. и при их размывании ширина фронтальной зоны будет больше. По вертикали А. ф. представляют собой переходный слой толщиной в сотни м, в котором темп-ра с высотой понижается меньше, чем обычно, или возрастает, т. е. наблюдается инверсия темп-ры.
Атмосферный фронт: что это такое, основные признаки и разновидности, особенности в центральной России
Погода — очень изменчивая субстанция. Нередко приходится наблюдать, как постепенные, предсказуемые, так и резкие, неестественные изменения погодных условий. Среди механизмов, связанных с подобными переменами, большое место занимает такое явление, как атмосферные (воздушные) фронты (АФ).
Что такое атмосферный фронт
Это переходная полоса между двумя различными воздушными массами. Образуется высоко над поверхностью Земли в атмосфере, а точнее, в самом нижнем из ее слоев — тропосфере. Воздушные массы при этом должны обладать противоположными свойствами. Соприкасаясь друг с другом, они вступают во взаимодействие, чем побуждают возникновение резких изменений в погоде.
Причины образования
Тропосферу, нижнюю часть атмосферы, образуют неодинаковые по качествам воздушные потоки. Все они чем-то похожи и чем-то различаются. Обычно их разделяют по показателям объема, давления, влажности и температуры. Тропосфера находится в постоянном движении. Из-за этого отличные друг от друга воздушные потоки соприкасаются, и место их столкновения называют атмосферным фронтом.
Основные причины образования:
Что влияет на образование
Для того, чтобы возник АФ, должна произойти встреча противоположных по свойствам воздушных масс (или, для возникновения фронта окклюзий, противоположных фронтов). Для этого нужно обеспечить их движение, а также наделить различными друг от друга свойствами. Факторы, осуществляющие достижение этих целей, перечислены в следующем списке.
Объяснение первого фактора. Разные климатические пояса обладают неодинаковыми по свойствам воздушными массами. Поэтому именно на границах двух и более климатических поясов появляется высокая вероятность соприкосновения отличных друг от друга воздушных массивов.
Вторым фактором является разница в поверхностях тех областей Земли, где образовывались массивы воздуха. Такие массивы будут не похожи друг на друга.
В зависимости от подстилающих поверхностей различают в основном два вида массивов:
В результате третьей причины движения тропосферы, эти разные по свойствам воздушные потоки, имеют возможность перемещаться и сталкиваться между собой.
АФ подразделяют на разновидности, каждая из которых обладает собственными особенностями и приносит с собой собственные погодные условия.
Теплый
Теплый АФ всегда направлен в одну общую сторону движения обоих потоков. Он образуется, когда теплая воздушная масса нагоняет холодную и занимает ее территорию.
Теплый воздух может двигаться быстро, а холодный — нет. Когда обе массы воздуха соприкасаются, холодная образует своеобразный склон, по которому теплая перемещается вверх. Теперь оба потока устремляются в направлении движения теплого воздуха. В процессе набора высоты он охлаждается и начинает формировать дождевые облака.
Холодный
Холодный АФ всегда направлен в сторону, противоположную направлению теплой массы воздуха. Он образуется, когда холодный воздух нагоняет теплый и занимает его территорию. Последний из-за легкости начинает быстро набирать высоту, и его температура стремительно опускается. Из влаги образуется пар, который формирует кучево-дождевые облака. Воздух продолжает двигаться туда, куда направлялся холодный поток. Начинаются ливни, и наступает резкое похолодание.
Стационарный
Это почти или полностью неподвижный АФ. Ему могут принадлежать признаки как теплого, так и холодного фронтов, так как любой из них может стать стационарным. Именно изначальный фронтальный вид определяет погоду образовавшегося стационарного. На некоторых этапах его существования погода приобретает качества погоды фронта окклюзий.
Фронт окклюзий
Это зона встречи двух других АФ, где холодный оказывается сильнейшим и перебивает теплый или стационарный.
Признаки
Если уметь различать признаки теплого и холодного атмосферных фронтов, можно предугадать погоду на ближайшее время. Чтобы различить эти два типа, нужно обратить внимание на облака, осадки, температуру, ветер и атмосферное давление.
Признаки теплого АФ:
Признаки холодного АФ:
Формула Маргулиса
Если бы воздушные потоки не двигались, то поверхность АФ была бы расположена параллельно поверхности Земли, то есть горизонтально. Но массы постоянно перемещаются, поэтому АФ наклонен к Земле в среднем на 1°. Теплый АФ наклонен в сторону своего движения, холодный АФ — в обратную. Просчитать угол наклона можно с помощью формулы Маргулиса.
Макс Маргулис — австрийский метеоролог, проводивший свои исследования в конце 19-начале 20 веков. Годы жизни — 1856—1920. Разработал формулу, названную впоследствии его же именем (формула Маргулиса).
Циклон и антициклон
Циклон — воронка воздуха с низким давлением в области центра, антициклон — с высоким. Воздушные воронки формируются в результате передвижения воздуха из областей, где его много, и давление повышено, в места, где его не хватает, и давление понижено.
Процесс в циклоне: зона с низким давлением и дефицитом воздуха (центр воронки) высасывает недостающий из областей с его избытком.
Процесс в антициклоне: зона с повышенным давлением и избытком воздуха (центром воронки) отдает лишний в участки с низким давлением.
Атмосферные фронты России
На территории страны преимущественно действуют 2 из 3 фронтов: полярный и арктический. Воздействию 3-го, тропического, подвержен юг Дальнего Востока.
Циклоны образуются в основном над Охотским, Карским и Баренцевом морями. Большое влияние на атмосферу оказывают океаны: Северный Ледовитый, Тихий и Атлантический.
Примеры
Действующий в июле на территории РФ полярный фронт вызывает обильное выпадение осадков в средней полосе страны и в центральной России.
Арктические воздушные массы возникают над Северным Ледовитым океаном и над северной частью Евразии и Северной Америки. Характеристика: низкая температура, низкая влажность, высокая прозрачность воздуха. Если арктические потоки переходят в умеренные широты, то из-за столкновения с противоположными потоками возникает стремительное похолодание с малооблачной или безоблачной погодой.
Континентальные арктические воздушные массивы образуются в центре и на востоке Арктики, а также (в зимний период) над северными берегами континентов. Характеризуются очень низкой температурой и влажностью. Приносят похолодание и безоблачную погоду.
Морские арктические массивы образуются в областях с более высокой температурой и влажностью — в европейской части Арктики, свободной ото льда. Такие потоки даже зимой приносят на материк потепление.
Место с наиболее интенсивным появлением тропических циклонов расположено в юго-западной части севера Тихого океана. В промежутке с 1940 до 1955 года здесь было зафиксировано прохождение 27 тайфунов, затем 28 в промежутке с 1955 до 1965 года, и 29 тайфунов за период с 1966 по 1975 год. В последнее время их число колеблется от 26 до 30.
Влияние на жизнедеятельность человека
Резкие изменения погоды, сопровождающие наступление АФ, могут значительно повлиять на жизнедеятельность людей.
Обильные осадки, грозы, резкие изменения температуры и ветра могут привести к возникновению опасных ситуаций на улицах: к зимней оттепели и гололеду, мощным ветрам и падению деревьев, повреждению проводов электропередач, пожарам, сильным грозам, ударам молний по незащищенным объектам и т. п. Циклоны нередко превращаются в мощные ураганы.
Неожиданные скачки и резкие спады/повышения атмосферного давления могут негативно сказаться на людях, страдающих от проблем с собственным давлением. Кроме этого, резкая смена погодных условий оказывает негативное влияние на метеочувствительных или метеозависимых людей, может вызывать обострение хронических заболеваний, рецидивы и пр.
Интересные факты
Циклоны представляют собой гигантские вихри диаметром до нескольких тысяч километров.
Они могут существовать от нескольких дней до нескольких недель, а в определенных местах и до года. Обычно это районы с низким атмосферным давлением. Такими циклонами являются Исландский и Алеутский.
Во второй половине прошлого века антициклоны и циклоны стали называть мужскими и женскими именами. Это оказалось очень удобным для обмена информацией и позволило сократить количество ошибок.
Атмосферный фронт: что это такое, основные признаки и разновидности, особенности в центральной России
Погода — очень изменчивая субстанция. Нередко приходится наблюдать, как постепенные, предсказуемые, так и резкие, неестественные изменения погодных условий. Среди механизмов, связанных с подобными переменами, большое место занимает такое явление, как атмосферные (воздушные) фронты (АФ).
Что такое атмосферный фронт
Это переходная полоса между двумя различными воздушными массами. Образуется высоко над поверхностью Земли в атмосфере, а точнее, в самом нижнем из ее слоев — тропосфере. Воздушные массы при этом должны обладать противоположными свойствами. Соприкасаясь друг с другом, они вступают во взаимодействие, чем побуждают возникновение резких изменений в погоде.
Причины образования
Тропосферу, нижнюю часть атмосферы, образуют неодинаковые по качествам воздушные потоки. Все они чем-то похожи и чем-то различаются. Обычно их разделяют по показателям объема, давления, влажности и температуры. Тропосфера находится в постоянном движении. Из-за этого отличные друг от друга воздушные потоки соприкасаются, и место их столкновения называют атмосферным фронтом.
Основные причины образования:
Что влияет на образование
Для того, чтобы возник АФ, должна произойти встреча противоположных по свойствам воздушных масс (или, для возникновения фронта окклюзий, противоположных фронтов). Для этого нужно обеспечить их движение, а также наделить различными друг от друга свойствами. Факторы, осуществляющие достижение этих целей, перечислены в следующем списке.
Объяснение первого фактора. Разные климатические пояса обладают неодинаковыми по свойствам воздушными массами. Поэтому именно на границах двух и более климатических поясов появляется высокая вероятность соприкосновения отличных друг от друга воздушных массивов.
Вторым фактором является разница в поверхностях тех областей Земли, где образовывались массивы воздуха. Такие массивы будут не похожи друг на друга.
В зависимости от подстилающих поверхностей различают в основном два вида массивов:
В результате третьей причины движения тропосферы, эти разные по свойствам воздушные потоки, имеют возможность перемещаться и сталкиваться между собой.
АФ подразделяют на разновидности, каждая из которых обладает собственными особенностями и приносит с собой собственные погодные условия.
Теплый
Теплый АФ всегда направлен в одну общую сторону движения обоих потоков. Он образуется, когда теплая воздушная масса нагоняет холодную и занимает ее территорию.
Теплый воздух может двигаться быстро, а холодный — нет. Когда обе массы воздуха соприкасаются, холодная образует своеобразный склон, по которому теплая перемещается вверх. Теперь оба потока устремляются в направлении движения теплого воздуха. В процессе набора высоты он охлаждается и начинает формировать дождевые облака.
Холодный
Холодный АФ всегда направлен в сторону, противоположную направлению теплой массы воздуха. Он образуется, когда холодный воздух нагоняет теплый и занимает его территорию. Последний из-за легкости начинает быстро набирать высоту, и его температура стремительно опускается. Из влаги образуется пар, который формирует кучево-дождевые облака. Воздух продолжает двигаться туда, куда направлялся холодный поток. Начинаются ливни, и наступает резкое похолодание.
Стационарный
Это почти или полностью неподвижный АФ. Ему могут принадлежать признаки как теплого, так и холодного фронтов, так как любой из них может стать стационарным. Именно изначальный фронтальный вид определяет погоду образовавшегося стационарного. На некоторых этапах его существования погода приобретает качества погоды фронта окклюзий.
Фронт окклюзий
Это зона встречи двух других АФ, где холодный оказывается сильнейшим и перебивает теплый или стационарный.
Признаки
Если уметь различать признаки теплого и холодного атмосферных фронтов, можно предугадать погоду на ближайшее время. Чтобы различить эти два типа, нужно обратить внимание на облака, осадки, температуру, ветер и атмосферное давление.
Признаки теплого АФ:
Признаки холодного АФ:
Формула Маргулиса
Если бы воздушные потоки не двигались, то поверхность АФ была бы расположена параллельно поверхности Земли, то есть горизонтально. Но массы постоянно перемещаются, поэтому АФ наклонен к Земле в среднем на 1°. Теплый АФ наклонен в сторону своего движения, холодный АФ — в обратную. Просчитать угол наклона можно с помощью формулы Маргулиса.
Макс Маргулис — австрийский метеоролог, проводивший свои исследования в конце 19-начале 20 веков. Годы жизни — 1856—1920. Разработал формулу, названную впоследствии его же именем (формула Маргулиса).
Циклон и антициклон
Циклон — воронка воздуха с низким давлением в области центра, антициклон — с высоким. Воздушные воронки формируются в результате передвижения воздуха из областей, где его много, и давление повышено, в места, где его не хватает, и давление понижено.
Процесс в циклоне: зона с низким давлением и дефицитом воздуха (центр воронки) высасывает недостающий из областей с его избытком.
Процесс в антициклоне: зона с повышенным давлением и избытком воздуха (центром воронки) отдает лишний в участки с низким давлением.
Атмосферные фронты России
На территории страны преимущественно действуют 2 из 3 фронтов: полярный и арктический. Воздействию 3-го, тропического, подвержен юг Дальнего Востока.
Циклоны образуются в основном над Охотским, Карским и Баренцевом морями. Большое влияние на атмосферу оказывают океаны: Северный Ледовитый, Тихий и Атлантический.
Примеры
Действующий в июле на территории РФ полярный фронт вызывает обильное выпадение осадков в средней полосе страны и в центральной России.
Арктические воздушные массы возникают над Северным Ледовитым океаном и над северной частью Евразии и Северной Америки. Характеристика: низкая температура, низкая влажность, высокая прозрачность воздуха. Если арктические потоки переходят в умеренные широты, то из-за столкновения с противоположными потоками возникает стремительное похолодание с малооблачной или безоблачной погодой.
Континентальные арктические воздушные массивы образуются в центре и на востоке Арктики, а также (в зимний период) над северными берегами континентов. Характеризуются очень низкой температурой и влажностью. Приносят похолодание и безоблачную погоду.
Морские арктические массивы образуются в областях с более высокой температурой и влажностью — в европейской части Арктики, свободной ото льда. Такие потоки даже зимой приносят на материк потепление.
Место с наиболее интенсивным появлением тропических циклонов расположено в юго-западной части севера Тихого океана. В промежутке с 1940 до 1955 года здесь было зафиксировано прохождение 27 тайфунов, затем 28 в промежутке с 1955 до 1965 года, и 29 тайфунов за период с 1966 по 1975 год. В последнее время их число колеблется от 26 до 30.
Влияние на жизнедеятельность человека
Резкие изменения погоды, сопровождающие наступление АФ, могут значительно повлиять на жизнедеятельность людей.
Обильные осадки, грозы, резкие изменения температуры и ветра могут привести к возникновению опасных ситуаций на улицах: к зимней оттепели и гололеду, мощным ветрам и падению деревьев, повреждению проводов электропередач, пожарам, сильным грозам, ударам молний по незащищенным объектам и т. п. Циклоны нередко превращаются в мощные ураганы.
Неожиданные скачки и резкие спады/повышения атмосферного давления могут негативно сказаться на людях, страдающих от проблем с собственным давлением. Кроме этого, резкая смена погодных условий оказывает негативное влияние на метеочувствительных или метеозависимых людей, может вызывать обострение хронических заболеваний, рецидивы и пр.
Интересные факты
Циклоны представляют собой гигантские вихри диаметром до нескольких тысяч километров.
Они могут существовать от нескольких дней до нескольких недель, а в определенных местах и до года. Обычно это районы с низким атмосферным давлением. Такими циклонами являются Исландский и Алеутский.
Во второй половине прошлого века антициклоны и циклоны стали называть мужскими и женскими именами. Это оказалось очень удобным для обмена информацией и позволило сократить количество ошибок.
Что такое фронтальный раздел воздушных масс?»
Штормовые ветра и ливни, которые наблюдалось в Москве и Подмосковье в первые дни лета, вызвали образовавшиеся фронтальные разделы, а также вторичные фронты. Такая ситуация повышает риск взрывных, то есть сложно прогнозируемых процессов. Об этом РИА Новости рассказал научный руководитель Гидрометцентра Роман Вильфанд.
По словам метеоролога, еще более непредсказуемой ситуацию сделал циклон, который пришел в центр Европейской России с Черного моря.
Что такое фронтальный раздел воздушных масс?
По словам Вильфанда, фронтальные разделы разделяют воздушные массы с разными физическими свойствами и разной температурой. В частности, в столичном регионе в одной точке сошлись теплый и холодный фронты, из-за чего возникало их турбулентное перемешивание по горизонтали.
В метеорологии для этого явления также используют понятие атмосферный фронт, или просто фронт. По определению Сергея Хромова (советский и российский ученый-метеоролог и климатолог, доктор географических наук, профессор), которое дано в Большой советской энциклопедии, атмосферные фронты представляют собой переходные зоны между воздушными массами в тропосфере, т.е. нижнем слое атмосферы.
Что такое воздушные массы и какие они бывают?
Воздушные массы — это части тропосферы, горизонтальные размеры которых составляют тысячи километров. Каждая из них обладает однородностью свойств и перемещается как целое. Воздушные массы движутся из одних областей Земли в другие, их свойства меняются, массы исчезают и формируются заново.
Свойства воздушных масс определяются географическими условиями их очагов (регион, где сформировалась масса). Очагом может стать обширный район с достаточно однородной подстилающей поверхностью: океаны в тропических широтах, арктические льды, массивы тайги, крупные пустыни и т.д. По положению очага Хромов выделяет четыре типа воздушных масс: арктический либо антарктический воздух (формируются в наиболее высоких широтах Земли), полярный, он же умеренный воздух (возникает во внетропических широтах), тропический воздух (приходит из тропических или субтропических широт) и экваториальный воздух (формируется в наиболее низких приэкваториальных широтах). Также в каждом типе выделяют морской и континентальный воздух.
Кроме того, ученые делят воздушные массы на холодные, теплые и местные. Холодные массы движутся на более теплую подстилающую поверхность и приносят с собой похолодание, теплые — наоборот. Местными называют воздушные массы, которые не меняют географического положения в течение долгого времени.
Как выглядят атмосферные фронты?
Атмосферные фронты, как и сами воздушные массы, не видны обычному наблюдателю. Зона фронта намного уже, чем размеры разделяемых им воздушных масс. В пересечении с земной поверхностью она имеет ширину всего несколько десятков километров. Из-за того, что воздушные массы движутся, зона атмосферного фронта располагается наклонно к земной поверхности, при этом холодный воздух находится в виде очень пологого клина под теплым.
Почему возникают фронты?
Основная причина возникновения фронтов — это наличие систем движения в тропосфере, которые приводят к сближению воздушные массы, обладающие разной температурой. Атмосферные фронты чаще формируются в умеренных широтах, где между собой граничат основные воздушные массы тропосферы.
Как атмосферные фронты влияют на погоду?
Прохождение атмосферного фронта приводит к быстрому и резкому изменению погоды. Меняется атмосферное давление и характеристики ветра. Над фронтальными поверхностями возникают большие слоисто-дождевые и кучево-дождевые облака, которые дают осадки.
Между массами разных широтных зон с достаточно большими контрастами температуры возникают длинные, вытянутые на тысячи километров, преимущественно по широте, главные фронты: арктические, антарктические и полярные. На них образуются циклоны и антициклоны.
Что такое фронтальный раздел
Фронты и фронтальные зоны относятся к числу наиболее интересных явлений в океане. В соответствии с классическим определением фронтальной зоной считают такую зону в океане, где пространственные градиенты основных термодинамических характеристик по сравнению с их фоновым распределением. В свою очередь фронтальный раздел – это поверхность внутри фронтальной зоны, совпадающая с поверхностью максимального градиента одной или нескольких характеристик (температуры, солености, плотности, скорости и т.д.). Тогда фронт – это след пересечения фронтального раздела со свободной поверхностью океана [Федоров, 1983].
В океанологии фронтальные зоны подразделяют на климатические и синоптические. Климатические фронтальные зоны – это квазистационарные зоны, связанные с глобальным распределением, радиации, осадков и испарения, а также с влиянием общей циркуляции океана и атмосферы. Синоптические фронтальные зоны обусловлены процессами синоптического масштаба в океане и атмосфере. В океане возникает и ряд локальных фронтальных зон, а именно: у границ апвеллинга, у кромки шельфа мелководных морей (как баланс между стратификацией и сильными приливами), у устьев крупных рек и в эстуариях.
Фронты по масштабам также подразделят на крупномасштабные фронты климатического происхождения (планетарные), создаваемые постоянно действующими климатическими факторами, мезомасштабные фронты, связанные с процессами синоптического масштаба в океане, и мелкомасштабные фронты локального происхождения [Федоров, 1983]. Подобную классификацию фронтов Мирового океана предложил M. Tomczak 1996 (рис. 1).
К фронтам планетарного масштаба относятся фронты таких течений, как Гольфстрим и Куросио. Климатические фронты могут быть связаны не только с основными крупномасштабными течениями, но и являться зонами взаимодействия ветвей общей циркуляции или быть результатом взаимодействия этих течений с крупномасштабными формами рельефа дна или береговой черты.
Океанские мезомасштабные фронты имеют самую разнообразную природу. В открытом океане это могут быть фронты теплых или холодных рингов Гольфстрима или Куросио (рис. 13); аналогичные фронты могут возникать на границах прибрежных и экваториальных апвеллингов. В мелководных районах приливные и сгонно-нагонные явления, перемешивая воды от поверхности до дна, способствуют образованию фронта в том месте, где воды мелководного шельфа соприкасаются с водами открытого океана. Поскольку вода прибрежной зоны океана обычно сильно отличается по своим физико-химико-биологическим свойствам от вод расположенных мористее, такие фронты выражена настолько хорошо, что видны визуально (рис. 2,3).
Мелкомасштабные фронты обычно образуются в местах впадения крупных рек или в их эстуариях. Такие фронты возникают на границе потока речных вод и часто являются соленостными, так как разделяют распресненные прибрежные воды от более соленых вод открытого океана. Они обычно характеризуются более резкими градиентами плотности и более узкие, чем температурные фронты, так как изменчивость солености здесь оказывается более эффективным.
Особенно интенсивные динамические процессы протекают в тех фронтальных зонах, где встречаются водные массы с наибольшими различиями физико-химических свойств, например, в субполярных и полярных фронтальных зонах. В то время как экваториальные и тропические фронтальные зоны менее динамичны, так как различия физико-химических свойств при этом невелики.
Важнейшим отличительными свойствами фронтальных зон вне зависимости от масштабов являются их сложная структура, высокая динамичность и пространственно-временная изменчивость. О сложности структуры, можно хотя бы судить по фронтальной зоне Субтропической конвергенции (рис. 4), которая включает множество отдельных фронтальных разделов. Наконец, фронтальные зоны являются областями повышенной биопродуктивности, чрезвычайно важными в промысловом отношении.
Типичные масштабы фронтов Мирового океана по данным наблюдений (*в исключительных случаях, например, для стоковых и эстуарийных фронтов и более указанного максимума) [Монин и Красицкий, 1985]
Фронты на поверхности океана имеют в основном вид протяженных полос с максимумами горизонтальных градиентов характеристик и экстремумами характеристик состояния морской поверхности. Внутри фронтальной зоны может существовать несколько фронтальных разделов. Визуально фронты чаще всего наблюдаются как относительно узкие полосы на морской поверхности (МП), в которых скапливается пена, поверхностно-активные вещества (ПАВ), водоросли, плавающий мусор и т.п., а также по резкому изменению характеристик поверхностного волнения, рассеивающего дневной свет.
Безусловно, наиболее информативными космическими датчиками для мониторинга фронтов, выраженных в поле температуры поверхности океана (ТПО), являются датчики, работающие в инфракрасном (ИК) диапазоне, например, радиометры AVHRR на ИСЗ серии NOAA (рис.4) или ATSR/AATSR на ИСЗ ERS-1/ERS-2/Envisat, а также спектрорадиометры MERIS (на ИСЗ Envisat) и MODIS (на ИСЗ Terra и Aqua ). Однако исследования последних лет показали, что космические радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА) также могут давать ценную информацию о фронтах в океане. Эта информация может, как дополнять ИК, так и заменять её в ряде случаев (рис. 5-8, 15). Механизм отображения фронтов на радиолокационных изображениях (РЛИ), как показано ниже, связан с влиянием на поле гравитационно-капиллярных волн и температуры.
В случае, когда ветер дует поперек линии фронта и в условиях неустойчивости над теплой водой развиваются конвективные процессы и турбулентность, которые способствуют незначительному увеличению скорости ветра, а затем и скорости трения, которая определяет шероховатость МП. Это, в свою очередь, приводит к видоизменению поля ГКВ на теплой воде по сравнению с ним на холодной воде. Кроме того, часто бывает так, что скорость ветра над теплой водой становится больше пороговой для генерации ГКВ, и поэтому с одной стороны фронта МП покрыта рябью, а с другой нет. Такие ситуации очень часто наблюдаются на РЛИ Ладожского озера, где в весенне-летний период развивается термобар – динамический гидрологический фронт, отделяющий теплые прибрежные воды от холодных вод глубоководной центральной части озера (рис. 16). Таким образом, наличие значительных контрастов ТПО и вариаций разности температур вода-воздух поперек фронта может приводить к увеличению контрастов на РЛИ (рис. 9).
Таким образом, океанские фронты на снимках из космоса могут отобразиться по следующим причинам:
— в оптическом диапазоне: из-за разности цвета вод (биооптических характеристик), вступающих во взаимодействие; особенно это характерно для фронтов прибрежной зоны.
— в ИК диапазоне: из-за различной температуры соприкасающихся водных масс/течений.
— в СВЧ диапазоне: из-за: 1) скопления пленок ПАВ в зонах конвергенции поверхностных течений (темная(ые) полоса(ы) на РЛИ); 2) трансформации поля, как поля ГКВ, так и крупных волн в зонах сдвига скорости течения и конвергенции (светлая полоса на РЛИ); 3) трансформации атмосферного погранслоя над фронтальной зоной с резкими градиентами температуры (граница на РЛИ, разделяющая зоны разной яркости (интенсивности)).
Однако из-за того, что процессы, происходящие на фронтах и во фронтальных зонах, имеют самую разнообразную природу и масштабы они не всегда имеют типичные признаки, которые позволили бы с 100% уверенностью обнаружить их на снимках из космоса. Более того, они могут иметь различные поверхностные проявления в зависимости от скорости ветра, интенсивности волнения и ряда др. факторов. Анализ эволюции волнового поля во фронтальной зоне иногда позволяет получить информацию о фронтальных разделах даже в тех случаях, когда другие поверхностные проявления отсутствуют, причем мониторинг или оперативный контроль таких ситуаций возможен только с помощью космического РСА.
Рис. 1. Классификация океанских фронтов [M. Tomczak, 1996-2000].
Рис. 2. Прибрежный фронт, разделяющий распресненные и морские воды в заливе Ла-Плата на подходе к г. Монтевидео (Уругвай) (фото В. Морозов, 1.11.2005).
Рис. 3. Прибрежный фронт, разделяющий речные воды р. Херберт и морские воды к северу от г. Таунсвилл (Восточная Австралия) (фото M. Heron, 27.03.2000).
Рис. 9. Радиолокационные изображения спутника ERS-1 от 13, 16 (слева), 19 и 22 (справа) сентября 1991 г. (03:10 UTC ), совмещенные с картами ТПО, полученными по данным радиометра AVHRR на спутнике NOAA-12. Хорошо видно совпадение линейчатых структур на РЛИ с поверхностными структурами, связанными с температурными фронтами на северной и южной границах Гольфстрима. Эти эффекты могут быть объяснены только процессами трансформации атмосферного погранслоя и повышенной конвективной активностью над теплой водой Гольфстрима [Beal et al., 1997].
В центре: модельное поле течений (изотахи проведены через 0,5 м) с траекториями волновых пакетов для систем волнения А и В (а) и зыби (b); W – направление ветра.
Внизу: выборка двумерных спектров РЛИ, отражающая эффект трансформации фонового волнового поля при пересечении интенсивного течения [Гродский и др., 1999]
Рис. 11. Радиолокационное изображение КА «Алмаз-1» (28.08.1991, 12:16 UTC ), на котором отобразились температурные и динамические проявления, связанные с фронтальной зоной Гольфстрима. © НПО машиностроения
Рис. 12. Интерпретация РЛИ, приведенного на рис. 11. Проявление поверхностных аномалий связаны первого с взаимодействием поверхностного волн со сдвигом скорости течения, а термических – с трансформацией атмосферного програнслоя[Гродский и др., 1999].
Рис. 14. Поле постепенно меняющихся поверхностных течений, которое представляет все возможные типы динамических фронтов – от конвергенции (1) до сдвига скорости (5).
Федоров К.Н. Физическая природа и структура океанических фронтов. Л.: Гидрометеоиздат, 1983, 296 с.
Монин А.С., Красицкий В.П. Явления на поверхности океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1985, 373 с.
Радиолокация поверхности Земли из космоса / Под. ред. С.В.Викторова и Л.М. Митника. Л.: Гидрометеоиздат, 1990, 200 с.
Tomczak M. (1996). Fronts in shallow seas and estuaries (…………).
Иванов А.Ю., Нефедьев В.П., Смирнов А.В., Эткин В.С. Исследование динамики мезомасштабных фронтов по данным дистанционного зондирования океана в СВЧ-диапазоне // Изв. АН СССР, ФАО, 1986, № 4, с. 440-447.
Иванов А.Ю., Литовченко К.Ц., Альперс В., Науменко М.А., Каретников С.Г. Проявления гидрофизических процессов на поверхности Ладожского озера на радиолокационных изображениях ERS-1 // Исследование Земли из космоса, 1999, № 5, c.63-75.
Гродский С.А., Кудрявцев В.Н., Иванов А.Ю., Зайцев В.В., Соловьев Д.М. Взаимодействие поверхностных волн с Гольфстримом по данным радиолокатора с синтезированной апертурой КА «Алмаз-1» // Исследование Земли из космоса 1996, № 3, с.38-47.
Гродский С.А., Кудрявцев В.Н., Иванов А.Ю. Наблюдения фронтальной зоны Гольфстрима радиолокатором с синтезированной апертурой КА «Алмаз-1» и с борта НИС «Академик Вернадский» // Океанология, 1999, т.39, № 3, с.356-369.
Гродский С.А., Кудрявцев В.Н., Иванов А.Ю. Наблюдения океанского волнения на Гольфстриме РСА КА «Алмаз-1» и с борта НИС «Академик Вернадский» // Исследование Земли из космоса, 1999, № 2, c.63-70.
Askari F., Chubb S.R., Donato T., Alpers W. and Mango S.A. Study of Gulf Stream features with a multi-frequency polarimetric SAR from the Space Shuttle // Proceedings IGARSS’97, 1997, v.4, p. 1521-1523.
Askari F., Geernaert G.L., Keller W.C. and Raman S. Radar imaging of thermal fronts // Int. J. Rem. Sens., 1993, 14, p. 275-294.
Beal R.C., Katz I. and De Leonibus P. (Eds.). Spaceborne SAR for oceanography. The Johns Hopkins University Press, 1981, 213 p.
Beal R.C., Kudryavtsev V.N., Thompson D.R., Grodsky S.A., Tilley D.G., Dulov V.A. and Graber H.C. The influence of the marine atmospheric boundary layer on ERS-1 synthetic aperture radar imagery of the Gulf Stream // J. Geophys. Res., 1997, 102, C3, p. 5799-5814.
Chubb S.R., Donato T., Askar F., Romeiser R., Ufermann S., Cooper A.L., Alpers W., Mango S.A., Lee J.S. Study of Gulf Stream features with a multi-frequency polarimetric SAR from the Space Shuttle // IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, 1999, 37, p. 2495-2507.
Clemente-Colon P. Coastal oceanography applications of SAR in the Middle Atlantic Bight. Ph.D. Thesis, University of Delaware, 2001.
Fu L.-L. and Holt B. Seasat views ocean and sea ice with synthetic aperture radar. NASA/JPL Publication 81-120, 1982, 200 p.
Grodsky S., Kudryavtsev V. and Ivanov A. Quasisynchronous observations of the Gulf Stream frontal zone with Almaz-1 SAR and measurements taken on board the R/V Akademik Vernadsky // The Global Atmosphere and Ocean System, 2000, 7, p. 249-272.