Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Облака и их трансформация

Покупка
Артикул: 777266.01.99
Доступ онлайн
200 ₽
В корзину
Работа посвящена одному из удивительных атмосферных явлений - облакам. В ней содержатся сведения об условиях погоды, формирующих те или иные облака, о метеорологических величинах в различных облаках, их микрофизическом строении и особенностях пространственно-временного распределения. Настоящая работа адресована студентам-метеорологам, а также студентам естественнонаучного профиля, может быть интересна спе-циалистам, работающим в области метеорологии и широкому кругу читателей.
Рыбакова, Ж. В. Облака и их трансформация : монография / Ж. В. Рыбакова ; науч. ред. И. В. Кужевская. - Томск : Издательский Дом Томского государственного университета, 2020. - 234 с. - ISBN 978-5-94621-880-1. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1864993 (дата обращения: 22.05.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Ж.В. Рыбакова

ОБЛАКА 

И ИХ ТРАНСФОРМАЦИЯ

Научный редактор 

кандидат географических наук И.В. Кужевская

Томск

Издательский Дом Томского государственного университета

2020

УДК 551.576
ББК 26.23

Р93

Рыбакова Ж.В.

Р93
Облака и их трансформация / науч. ред. И.В. Кужевская. –
Томск : Издательский Дом Томского государственного университета, 2020. – 234 с.

ISBN 978-5-94621-880-1

Работа посвящена одному из удивительных атмосферных явлений –

облакам. В ней содержатся сведения об условиях погоды, формирующих те или иные облака, о метеорологических величинах в различных 
облаках, их микрофизическом строении и особенностях пространственно-временного распределения. 

Настоящая работа адресована студентам-метеорологам, а также 

студентам естественнонаучного профиля, может быть интересна специалистам, работающим в области метеорологии и широкому кругу 
читателей.

УДК 551.576
ББК 26.23

Рецензенты:

кандидат физико-математических наук В.Г. Блинкова

кандидат географических наук А.И. Кусков

ISBN 978-5-94621-880-1

© Рыбакова Ж.В., 2020
© Томский государственный университет, 2020

Введение

3

Содержание

Введение.................................................................................................................. 5
1. Облака верхнего яруса ...................................................................................... 11

1.1. Внешний вид и диагностические признаки............................................. 11

1.1.1. Перистые облака (Cirrus, Ci) .......................................................... 11
1.1.2. Перисто-слоистые облака (Cirrostratus, Cs)................................... 13
1.1.3. Перисто-кучевые облака (Cirrocumulus, Cc) .................................. 14

1.2. Условия образования ............................................................................... 15
1.3. Микроструктура облаков верхнего яруса................................................ 18
1.4. Пространственно-временная структура облаков верхнего яруса........... 21

1.4.1. Повторяемость облаков верхнего яруса ......................................... 21
1.4.2. Количество облаков верхнего яруса 
и их горизонтальная протяженность ........................................................ 22
1.4.3. Границы и мощность облаков верхнего яруса ............................... 22
1.4.4. Некоторые метеовеличины и их профили, 
характерные для облаков верхнего яруса ................................................ 23

2. Облака среднего яруса ...................................................................................... 26

2.1. Внешний вид и диагностические признаки............................................. 26

2.1.1. Высоко-слоистые облака (Altostratus, As). ..................................... 26
2.1.2. Высоко-кучевые облака (Altocumulus, Ac)...................................... 29

2.2. Условия образования ............................................................................... 31
2.3. Микроструктура облаков среднего яруса................................................ 35
2.4. Пространственно-временная структура облаков среднего яруса........... 38

2.4.1. Повторяемость облаков среднего яруса ......................................... 38
2.4.2. Количество, высота расположения, мощность 
и устойчивость во времени облаков среднего яруса ............................... 40
2.4.3. Некоторые метеорологические величины и их профили, 
характерные для облаков среднего яруса................................................. 41

3. Облака нижнего яруса....................................................................................... 46

3.1. Внешний вид и диагностические признаки............................................. 46

3.1.1. Слоисто-дождевые облака (Nimbostratus, Ns) ................................ 46
3.1.2. Слоистые (Stratus, St) и слоисто-кучевые 
(Stratocumulus, Sc) облака ......................................................................... 47

3.2. Условия образования ............................................................................... 51
3.3. Микроструктура облаков нижнего яруса ................................................ 55

3.3.1. Микроструктура слоисто-дождевых облаков 
(Nimbostratus, Ns) ...................................................................................... 55
3.3.2. Микроструктура слоистых (St) 
и слоисто-кучевых (Sc) облаков ............................................................... 57

3.4. Пространственно-временная структура облаков нижнего яруса ........... 59

3.4.1. Повторяемость облаков нижнего яруса.......................................... 59

Облака и их трансформация

4

3.4.2. Количество облаков нижнего яруса 
и их горизонтальная протяжённость ........................................................ 61
3.4.3. Границы и мощность облаков нижнего яруса................................ 62
3.4.4. Некоторые метеорологические величины и их профили, 
характерные для облаков нижнего яруса ................................................. 66

4. Облака вертикального развития ....................................................................... 70

4.1. Внешний вид и диагностические признаки............................................. 70

4.1.1. Кучевые облака (Cumulus, Cu)........................................................ 70
4.1.2. Кучево-дождевые облака (Cumulonimbus, Cb) ............................... 73

4.2. Условия образования облаков вертикального развития ......................... 77
4.3. Микроструктура облаков вертикального развития................................. 88
4.4. Пространственно-временная структура 
облаков вертикального развития .................................................................... 93

4.4.1. Повторяемость облаков вертикального развития .......................... 93
4.4.2. Количество облаков вертикального развития 
и их горизонтальная протяжённость ........................................................ 94
4.4.3. Границы и мощность облаков вертикального развития ................ 98

4.5. Некоторые метеорологические величины и их профили, 
характерные для облаков вертикального развития...................................... 103

4.5.1. Режим движения в облаках вертикального развития 
и околооблачном пространстве .............................................................. 104
4.5.2. Распределение температуры и влажности в облаках 
вертикального развития и в околооблачном пространстве ................... 118

4.6. Формирование и выпадение осадков 
из облаков вертикального развития ............................................................. 127

5. Облачность в горах ......................................................................................... 132
6. Стратосферные и мезосферные облака .......................................................... 151

6.1. Стратосферные облака ........................................................................... 151
6.2. Мезосферные облака.............................................................................. 154

7. Трансформация облаков ................................................................................. 157
Заключение.......................................................................................................... 165
Список использованной литературы.................................................................. 167
Снимки облаков .................................................................................................. 173

Введение

5

ВВЕДЕНИЕ

Облака – многообразные атмосферные явления, которые наблюдают
ся на всех метеостанциях. Они представляют собой аэрозольную среду, 
в которой вода находится в двух или трёх фазовых состояниях, на некоторой высоте над подстилающей поверхностью.

Облака позволяют правильно оценить физическое состояние атмо
сферы, определить характер атмосферного процесса и стадию его развития, иными словами, специалист использует данные об облачности для 
диагноза, а затем – и прогноза погоды. В ряде случаев облака – предвестники атмосферного процесса, и в любом случае – «лакмусовая бумажка» 
этого процесса, ибо всегда свидетельствуют о причинах своего образования. Формирование и динамика облаков – доказательство постоянных 
изменений физического состояния атмосферы, указание на конкретное 
звено в цепи атмосферного процесса.

Для практической деятельности необходимо знать о турбулентном 

режиме в облаках, судить о направлении и скорости ветра на соответствующих высотах, о наиболее вероятном профиле температуры воздуха 
и некоторых других метеорологических величин при конкретных формах 
облачности.

Облачность, особенно плотная и низкая или мощная, может в значи
тельной мере затруднить работу авиации. При низкой облачности 
осложняются условия взлёта и посадки самолётов. В капельных переохлаждённых облаках может произойти обледенение воздушного судна, 
в смешанных кучево-дождевых облаках – резкая смена восходящих и 
нисходящих потоков, а в ряде случаев – и грозовые разряды. Таким образом, изучение возможности и условий полётов в облаках стали специальной задачей метеорологии.

Велико влияние облаков на сельскохозяйственное производство. 

С облаками связаны осадки, ослабление потоков солнечной радиации, 
возможность или невозможность заморозков и ночных понижений температуры, интенсивность испарения с почвы и транспирация растений.

Количество и форма облаков оказывают влияние на настроение и да-

же на психику человека, то радуя его своей красотой или отсутствием на 
небесном своде, то нагнетая чувства опасности, беспокойства, безысходности. Недаром при обосновании размещения курортов всегда учитыва
Облака и их трансформация

6

ется режим облачности в местах предположительного строительства 
курортного или лечебного учреждения.

Облака оказывают влияние на круговорот воды в природе, на радиа
ционный и тепловой баланс подстилающей поверхности и атмосферы, 
в целом системы «подстилающая поверхность – атмосфера».

От облаков и связанных с ними осадков зависит самоочищение атмо
сферы. Облака являются одним из факторов формирования и колебаний 
климата Земли.

Сегодня специалисты проявляют интерес к целому ряду облачных па
раметров – высоте нижней границы и мощности облаков, водности и 
степени развития турбулентного перемешивания в них, микрофизической 
структуре, которая определяет видимость и возможность обледенения, 
а также пропускающую способность потоков солнечной радиации и земного излучения, отражательную способность облаков и т.д. При этом 
спектр интересующих специалистов облачных характеристик постоянно 
расширяется, растут требования к их количеству и особенно к качеству 
со стороны всех заинтересованных потребителей такой информации.

Следует отметить, что интерес человека к облакам был большим все
гда. Наблюдения за облаками начинались с наземного прослеживания за 
высотой их расположения, внешним видом и их изменениями, а также за 
последующими погодными условиями.

Первоначально эти наблюдения не имели систематического характера 

и были локальными. Древние писания, поэтические откровения всех 
времён и народов свидетельствуют о постепенном расширении наблюдений человека за облачностью, хотя и простое созерцание облаков даже 
в древние времена носило глубокий смысл и ставило перед человеком 
много вопросов.

Неспециалиста многообразие и постоянное изменение облаков приво
дят к мысли о случайности их появления и изменений, о невозможности
их классификации. Недаром Даниил Гранин в известном романе «Иду на 
грозу» писал: «Ветры, облака, дожди, колебания температуры – все то, 
чем занимается метеорология, все возникло из сцепления бесчисленных 
случайностей, они зависимы друг от друга, и невозможно было в этом 
клубке разыскать начала и концы... Но в этой сложнейшей науке издавна 
существовал наиболее трудный раздел – облака... стремление исследовать облака было уже само по себе героизмом. В самом развитии облака 
крылась великая тайна... Нет и, наверное, не было двух более или менее 
одинаковых облаков. Даже наиболее по типу сходные, они отличаются 

Введение

7

всем – и толщиной, и формой, и возрастом, и поведением. У каждого 
своя судьба. Тут все меняется причудливо, неповторимо, иногда долгими 
часами. И все же должны быть у них какие-то общие черты. Что-то объединяет их. Но что, как, где?» [1].

Заслуга создания первой классификации облаков принадлежит фран
цузскому естествоиспытателю Ж.Б. Ламарку [2]. В 1802 г. он писал: 
«Тем, кто занимается метеорологией, весьма важно обращать внимание 
на форму облаков. Ведь, помимо особых или случайных форм, облакам 
присущи некоторые формы, неподвластные случайности, каковые при 
современном положении науки полезно распознавать и исследовать». 
Ламарк предложил сначала пять, затем семь основных форм облаков, 
и не его вина в том, что эта классификация не получила признания.

В 1803 г. английский химик-фармацевт Лука Говард предложил свою 

классификацию. Неудивительно, что фармацевт ввёл латинские термины 
для обозначения форм облаков, которые считал основными (Cirrus, 
Cumulus, Stratus) и из которых при переходе одних форм в другие возникают новые формы. Классификация Луки Говарда в последующие годы 
дополнялась учёными разных стран, а латинские термины для обозначения форм (видов, разновидностей) облачности навсегда закрепились в 
метеорологической науке [2].

Со временем систематизация наблюдений привела к созданию меж
дународной морфологической классификации и атласа облаков. Издание 
первого атласа облаков относится к 1896 г., затем уже переработанный 
атлас (по переработанной классификации облаков) издавался в Европе 
дважды – в 1929–1932 и 1956 гг. [3]; в нашей стране атлас облаков переиздавался в 1957 и в 1978 гг. [4, 5]. 

Углубление познаний об облаках связано с исследованиями в области 

физики облаков. В конце ХIХ в. учёные разных стран, прежде всего самых развитых, обратили внимание на термодинамику облаков. Наибольший интерес был проявлен к кучево-дождевым, особенно грозовым, и 
отчасти кучевым облакам. Изучение грозовых облаков привело к большому количеству углублённых наблюдений за электрическими свойствами атмосферы. Последующие шаги были сделаны в направлении 
установления связей облачных образований с порождающими их атмосферными процессами.

В синоптических исследованиях наметились и успешно развивались 

два направления – исследования системы облаков с последовательной 
сменой их форм при прохождении циклонов (французская синоптическая 

Облака и их трансформация

8

школа) и исследования связи облаков с характером воздушных масс и 
типами атмосферных фронтов (норвежская синоптическая школа).

Исследования внутреннего строения облаков обязаны развитию ме
теорологических приборов и техники в целом. Аэрологические и самолётные наблюдения, а позднее – ракетные и спутниковые, позволили 
сделать большие шаги в теории метеорологической науки. Появились 
теоретические разработки в области образования осадков, прогноза осадков и условий полётов в облаках, а с развитием микрофизических исследований облаков – и в области активного воздействия на облака с целью 
их рассеивания или вызывания осадков.

В настоящее время за облаками наблюдают снизу (наземные наблю
дения на метеостанциях) и сверху (спутниковые наблюдения). Такой 
подход позволил соотнести крупномасштабное и местное, «увидеть» 
циклоны, фронты и другие объекты синоптического анализа. В результате к сегодняшнему дню накоплена значительная информация об облаках, 
которая, однако, не является исчерпывающей. Наименее изученной является облачность над горными районами, где приходится переосмысливать такие характеристики, как высота нижней границы, формы облаков, 
суточный ход количества и степени развития облаков и многие другие.

Настоящая работа преследует цель расширить сведения об облаках

специалистов, работающих в сфере метеорологии, углубить знания студентов-метеорологов в области систематизации, процессов образования, 
микрофизического строения облаков, их диагностики и оценки состояния 
атмосферы. Автор использует литературные источники, а при рассмотрении облачности над Алтаем привлекает результаты собственных исследований и исследований студентов Томского государственного университета, выполненных под руководством автора.

Основные формы облачности формируются в тропосфере, и разделе
ние облаков по семействам производится по расположению их нижней 
границы в определённом слое тропосферы – нижней, средней и верхней. 
Так, семейство облаков нижнего яруса (табл. 1, В) включает в себя облачность, имеющую нижнюю границу до двух километров, семейство 
облаков среднего яруса (табл. 1, Б) – от двух до шести километров, семейство облаков верхнего яруса (табл. 1, А) – выше шести километров. 

Следует отметить, что водность, плотность, оптические свойства 

облаков, их микрофизическая структура и некоторые другие характеристики и свойства в большей мере обязаны расположением облака в определённом слое атмосферы по вертикали. 

Введение

9

Т а б л и ц а  1

Морфологическая классификация облаков [6, 7]

Семей
ство
Форма
Вид
Число разновидностей

A

I. Перистые (Cirrus, Ci)
1. Нитевидные (fibratus, Ci fib.)
2. Плотные (spissatus, Ci spiss.)

3
2

II. Перисто-кучевые 
(Cirrocumulus, Cc)

1. Волнистые (undulatus, Cc und.) 
2. Кучевообразные (cumuliformis, 
Сc cuf.)

1
1

III. Перисто-слоистые
(Cirrostratus, Cs)

1. Нитевидные (fibratus, Cs fib.)
2. Туманообразные (nebulosus, 
Cs neb.)

Б

IV. Высоко-кучевые
(Altocumulus, Ac)

1. Волнистые (undulatus, Ac und.)
2. Кучевообразные (cumuliformis, 
Аc cuf.)

4
4

V. Высоко-слоистые 
(Altostratus, As)

1. Туманообразные (nebulosus, 
As neb.)
2. Волнистые (undulatus. As und.)

3

3

В

VI. Слоисто-кучевые
(Stratocumulus, Sc)

1. Волнистые (undulatus, Sc und.)
2. Кучевообразные (cumuliformis, 
Sc cuf.)

3
4

VII. Слоистые
(Stratus, St)

1. Туманообразные (nebulosus, 
St neb.)
2. Волнистые (undulatus, St und.)
3. Разорвано-слоистые (fractus, 
St fr.)

1

VIII. Слоисто-дождевые 
(Nimbostratus, Ns)

Г

IX. Кучевые 
(Cumulus, Cu)

1. Плоские (humilis, Cu hum.)
2. Средние (mediocris, Cu med.)
3. Мощные (congestus, Cu cong.)

1

1

X. Кучево-дождевые 
(Cumulonimbus, Cb)

1. Лысые (calvus, Cb calv.)
2. Волосатые (capillatus, Cb cap.)

1
3

Кроме перечисленных, выделяется ещё и семейство облаков верти
кального развития (табл. 1, Г), нижняя граница которых может располагаться в большом диапазоне высот по вертикали.

Таким образом, облачность подразделяется на четыре семейства. 

Внутри каждого семейства выделяют различные формы облачности, 
внутри каждой формы – виды и разновидности (см. табл. 1). 

Так выглядит морфологическая классификация облаков (от греч.

morphe – форма), т.е. классификация по внешнему виду и высоте расположения их нижней границы. Эта классификация используется наблюда
Облака и их трансформация

10

телями на метеостанциях и хороша тем, что наблюдатель может качественно выполнить наблюдения, не владея специальными познаниями 
об условиях формирования или микрофизической структуре облаков. 
Последние, несомненно, самые важные критерии различия облаков, стали 
основой для двух других классификаций – генетической (от лат. gen, 
genesis – рождение, происхождение) и классификации по микрофизическому строению (агрегатному состоянию, водности, форме кристаллов, 
концентрации облачных частиц и т.д.).

Безусловно, для специалиста-метеоролога необходимо умело соеди
нять сведения, которые можно получить по всем имеющимся классификациям облаков, ибо только такое полное представление об облачности и 
даёт возможность увидеть облако как носителя конкретного атмосферного процесса, понять, почему те или иные оптические и электрические 
явления связаны с определёнными формами облаков.

В настоящей работе будет сделана попытка рассмотреть облачность 

с разных сторон – внешней (по морфологической классификации), внутренней (по микрофизическому строению), причинно-следственной (причины образования и трансформации облачности, т.е. по генетической
классификации), а в некоторых случаях – дать отдельные метеорологические величины и их профили, характерные для той или иной облачности.

1. Облака верхнего яруса

11

1. ОБЛАКА ВЕРХНЕГО ЯРУСА

1.1. Внешний вид и диагностические признаки

Облака верхнего яруса тонкие и белые, лишь в ночное время они ка
жутся более плотными. Все облака верхнего яруса отличаются большой 
пропускающей способностью – сквозь них просвечивают Солнце, Луна и 
даже яркие звезды, угадывается голубой цвет неба. При всех этих облаках предметы днём дают тени. Облака верхнего яруса в значительной
мере пропускают не только солнечную радиацию, но и земное излучение –
они не спасают от ночных понижений температуры и заморозков подстилающую поверхность и прилегающий слой воздуха.

Семейство облаков верхнего яруса включает в себя три формы обла
ков (см. табл. 1) – перистые, перисто-слоистые и перисто-кучевые. Эти 
облака образуются в верхней тропосфере, т.е. выше 6 км, поэтому, учитывая температуру воздуха на данной высоте, устойчивое их состояние –
кристаллическое. При высокой скорости ветра этого слоя они приобретают волокнистое строение – нити, волокна, крючки и т.д. 

Сказанное имеет отношение прежде всего к перистым облакам, кото
рые расположены в самой верхней части тропосферы, где наиболее велики скорости ветра, но и у перисто-слоистых есть разновидность (перистослоистые волокнистые), имеющая выраженную волокнистую структуру. 
Что же касается перисто-кучевых, то более или менее отчётливо связь 
с волокнами прослеживается и у них.

1.1.1. Перистые облака (Cirrus, Ci)

Перистые облака очень тонкие, отличаются выраженной волокнистой 

структурой, но иногда имеют более плотные части (Cirrus spissatus). 

Высота расположения нижней границы Ci, как и всех других облаков, 

зависит от притока солнечной радиации к подстилающей поверхности, 
т.е. в нижних широтах она выше, чем в высоких, летом выше, чем зимой, 
днём выше, чем ночью.

Высота основания перистых облаков в умеренных широтах чаще 

всего составляет 7–10 км [4, 5, 8], повышаясь летом и уменьшаясь зимой. 

Облака и их трансформация

12

В тропических районах с более мощной тропосферой и высокой тропопаузой перистые облака имеют значительно более высокую нижнюю границу (17–18 км), мало меняющуюся от сезона к сезону. В приполюсных 
районах перистые облака расположены очень низко. Согласно [3–5, 9], 
в очень холодном воздухе Ci могут в виде «алмазной пыли», искрящейся 
на солнце, распространяться до подстилающей поверхности.

Толщина слоя Ci может достигать нескольких километров, но может 

быть и значительно меньше – несколько сотен метров [4, 5]. Согласно [9], 
этот диапазон ограничен значениями 0,2–3,0 км.

Осадки из перистых облаков не достигают Земли: они выпадают в ви
де очень мелких кристаллов, которые падают медленно и уже на больших 
высотах испаряются. Лишь в арктических районах, где эти осадки выпадают у самой подстилающей поверхности, они достигают измеряющих 
осадки приборов (осадкомеров), но и в этом случае такие осадки неизмеримы [5].

Среди других атмосферных явлений, связанных с перистыми облака
ми, следует отметить гало – систему оптических явлений, в числе которых наблюдаются радужные круги вокруг Солнца или Луны радиусом 22 
и 46° (красный цвет расположен на внутренней части), а чаще – части 
этих кругов, ибо перистые облака обычно представляют собой дискретные волокна (нити). Заметим, что гало более характерно для перистослоистых облаков.

Перистые облака имеют два вида:
1. Cirrus fibratus (Ci fib.) – волокнистые, нитевидные. 
Разновидности:
а) Cirrus uncinus (Ci unc.) – когтевидные;
б) Cirrus vertebratus (Ci vert.) – хребтовидные;
в) Cirrus intortus (Ci int.) – перепутанные.
2. Cirrus spissatus (Ci sp.) – плотные. 
Разновидности:
а) Cirrus incus-genitus (Ci ing.) – грозовые (послегрозовые);
б) Cirrus floccus (Ci floc.) – хлопьевидные.
Ci fib. и их разновидности различаются лишь расположением нитей 

(волокон). Так, Ci unc. имеет вид параллельных или почти параллельных 
нитей, концы которых загнуты вверх; часто на одном конце заметны 
утолщения. Ci vert. напоминают скелеты рыб: от более плотной средней 
части облаков в обе стороны расходятся нити. Ci int. – разбросанные по 
небу клубки или пятна из перепутанных нитей.

Доступ онлайн
200 ₽
В корзину