Атмосферные фронты

Исследователи, имеющие дело с анализом космических радиолокационных изображений (РЛИ), неоднократно отмечали, что атмосферные фронты, так или иначе, отображаются в поле мелкомасштабного поверхностного волнения [1, 2, 4-6, 7, 8, 11-14, 16, 17, 19, 20, 22]. Теплые и холодные фронты, отображающиеся на РЛИ, имеют характерные радиолокационные (РЛ) сигнатуры; их основные особенности отображения обсуждаются ниже. Следует подчеркнуть, что радиолокационные мелко- и мезо-масштабные особенности атмосферных фронтов не видны на оптических спутниковых снимках, так как они практически всегда маскируются облаками вышележащих ярусов. Хорошо известно, что практически любой циклон создает систему из теплого и холодного фронтов (рис. 1, 2).

Теплые фронты (рис. 1а) имеют на РЛИ «однородные» фронтальные границы или не имеют их вовсе, что зависит от ряда пока неизвестных факторов. В [19, 22] отмечается, что большая часть фронтов, отобразившихся на РЛИ, имеют полосы предфронтального усиления ветра, часто более интенсивные, чем у холодных фронтов, непосредственно примыкающие к линии фронта. Также отмечены проявления АГВ, но менее интенсивные и непосредственно у линии фронта. Предфронтальное и зафронтальное пространство (теплый сектор) теплых фронтов значительно более однородно, чем у холодных фронтов, что говорит об их менее динамичной природе (постепенное натекание теплого воздуха на клин холодного); конвективных ячеек не наблюдается, ветровые полосы крайне редки; ряд примеров приведен на рис. 3-5.Таким образом, радиолокационные сигнатуры холодных фронтов визуально выглядят более динамичными, чем, например, теплых.

Под холодным фронтом подразумевают перемещающийся фронтальный раздел между наступающим холодным и отступающим теплым воздухом (рис. 1б). Холодный воздух, как более плотный и тяжелый, при своем движении вклинивается в теплый воздух, вынуждая его подниматься вдоль фронтальной поверхности. Наиболее бурный подъем происходит в передней части клина холодного воздуха, т.е. непосредственно у линии фронта. Подъем теплого воздуха приводит к его охлаждению, конденсации водяного пара и образованию кучево-дождевых облаков, из которых выпадают осадки в виде ливней, а зимой в виде снега. Зона ливневых осадков перед фронтом – сравнительно узкая полоса в несколько десятков километров. Вслед за прохождением холодного фронта и связанной с ним облачности наступает резкое прояснение.

По наблюдениям автора на РЛИ в большинстве случаев линии холодных фронтов (рис. 6-13, 17) имеют выпуклый характер; эта выпуклость определяется их динамикой и направлена в сторону движения фронта. Однако это наблюдается не всегда, на РЛИ зарегистрированы как прямолинейные, так и вогнутые сигнатуры холодных фронтов. Иногда холодный фронт рассматривают как мощное внедрение холодного воздуха в теплый в виде гравитационного течения, имеющего крайне неустойчивую границу [21].На границе интенсивного взаимодействия воздушных масс образуется узкая градиентная зона с мощными восходящими движениями, поднимающими частицы воздуха на высоты 4-5 км и более (рис. 6, 8). Особенностью радиолокационных образов холодных фронтов являются непосредственно сама фронтальная граница, т.н. зона шквалов. На РЛИ граница холодного фронта выглядит неровной, «волнистой», состоящей из серии фестонов, иногда прерывистой, что объясняется мезомасштабной конвекцией, развитием мощной облачности вертикального развития и мелкомасштабным вихреобразованием на границе фронта (рис. 6-11). Очень часто линия холодного фронта осложнена вкраплениями кучевых и кучево-дождевых облаков, которые видны на РЛИ в виде ячеек (рис. 7, 9, 11). В ряде случаев у быстро перемещающихся холодных фронтов отмечены широкие полосы предфронтального шквала (в виде широкой полосы светлого тона на некотором расстоянии перед фронтом; причем в таких условиях над сушей в аридных регионах может развиться предфронтальная пыльная буря).

Другими особенностями, характерными для холодных фронтов, являются полосы предфронтальных атмосферных гравитационных волн с гребнями параллельными линии фронта (рис. 8, 11), возникающие из-за вертикального сдвига поперечной компоненты скорости ветра. Они неоднократно отмечались исследователями фронтов, боров и АГВ [2, 10]. Пространство за фронтом часто покрыто облачными/дождевыми/конвективными ячейками различного типа и размеров (рис. 6, 8, 10) или ветровыми полосами (рис. 9, 11, 12), указывающими на направление ветра  [2, 3,8,14, 20, 22].

Более «спокойные» радиолокационные сигнатуры фронтов окклюзии показаны на рис. 14-16 [19, 22];системы фронтов полярных циклонов, представленных главным образом холодными фронтами, на рис. 17.

Заметим также, что некоторые фронты в атмосфере создают особенности, обусловленные изменчивостью пограничного слоя атмосферы[19]. Таким образом, набор радиолокационных сигнатур с характерными признаками позволяет определить, к какому типу относится тот или иной атмосферный фронтальный раздел, отобразившийся на радиолокационном изображении.

Литература

$11.      Атлас аннотированных радиолокационных изображений морской поверхности, полученных космическим аппаратом «Алмаз-1» / А.В. Дикинис, А.Ю. Иванов и др.; под ред. Л.Н. Карлина. М.: ГЕОС, 1999.

$12.      Иванов А.Ю. Атмосферный фронт над Каспийским морем по радиолокационным, оптическим и метеорологическим данным // Исслед. Земли из космоса, 2014. № 4. С. 16-26.

$13.      Калмыков А.И., Назиров М., Никитин П.А., Спиридонов Ю.Г. Об упорядоченных мезомасштабных структурах на поверхности океана, выявленных по данным радиолокационных съемок из космоса // Исслед. Земли из космоса. 1985. № 3. С. 41-47.

$14.      Кравцов Ю.А., Митягина М.И., Пунгин В.Г., Сабинин К.Д. Проявление тонкой структуры ветрового поля перед холодным атмосферным фронтом в радиолокационных изображениях морской поверхности // Исслед. Земли из космоса. 1997. № 4. С. 3-12.

$15.      Митник Л.М., Дубина В.А., Митник М.Л. Использование спутниковых РЛС с реальной и синтезированной апертурой для картирования поля ветра в прибрежных районах // Исслед. Земли из космоса. 2003. № 2. С. 47-58.

$16.      Радиолокация поверхности Земли из космоса / Под ред. С.В. Викторова и Л.М. Митника. Л.: Гидрометеоиздат, 1982, 300 с.

$17.      AlpersW. MeasurementofmesoscaleoceanicandatmosphericphenomenabyERS-1 SAR // URSIRadioSci. Bulletin. 1995. 275. P. 14-22.

$18.      Alpers W., Chen J.P., Pi Ch.-J., Lin I-I. On the origin of atmospheric frontal lines off the east coast of Taiwan observed on space-borne synthetic aperture radar images // Mon. Wea. Rev., 2010. 138. P. 475-496.

$19.      Alpers W., Ivanov A.Yu., Dagestad K.-F. Observation of local wind fields and cyclonic atmospheric eddies over the Eastern Black Sea using Envisat synthetic aperture radar images // Исслед. Земли из космоса. 2010. № 5. C. 46–58.

$110.  Alpers W., Stilke G. Observation of a nonlinear wave disturbance in the marine atmosphere by synthetic aperture radar aboard the ERS-1 satellite // J. Geophys. Res. 1996.101. P. 6513-6525.

$111.  Beal R.C., Katz I., De Leonibus P. (Eds). Spaceborne SAR for oceanography. The Johns Hopkins University Press, 1981.

$112.  Friedman K.S., Sikora T.D., Pichel W.G., Clemente-Colon P., Hufford G. Using spaceborne synthetic aperture radar to forecast polar mesoscale cyclones in the Bering Sea // Wea. Forecasting, 2001, 16, p.270-276.

$113.  Fu L.-L., Holt B. Seasat views ocean and sea ice with synthetic aperture radar. NASA/JPL Publication 81-120, 1982.

$114.  Ivanov A.Yu., Alpers W., Litovchenko K.Ts., He M.-X., Feng Q., Fang M., Yan X.-H. Atmospheric front over the East China Sea studied by multi-sensor satellite and in-situ data // J. Geophys. Res., 2004, 109(C12), C12001 doi:10.1029/2004JC002432.

$115.  Ivanov A.Yu., Litovchenko K.Ts. Oceanological results from the ALMAZ-1 mission: An overview / Proc. IGARSS-1997. V.1. P. 539-541. doi:10.1109/IGARSS.1997.615936.

$116.  Jackson C.R., Apel J.R., Eds. Synthetic Aperture Radar Marine User’s Manual. National Oceanic and Atmospheric Administration, Center for Satellite Application and Research, NOAA/NESDIS, Washington, D.C., 2004, 455 p.

$117.  Johannessen J.A., Digranes G., Espedal H. et al. SAR ocean feature catalogue (ESA SP-1174). ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, 1994.

$118.  Monaldo F., Kerbaol V. and the SAR Wind Team. The SAR measurement of ocean surface winds: An overview. Proc. 2nd Workshop on Coastal and Marine Applications of SAR. 8-12 September 2003, Svalbard, Norway (ESA SP-565). Noordwijk, The Netherlands, 2004.

$119.  Sikora T.D., Young G.S., Beal R.C., Edson J.B. Use of spaceborne synthetic aperture radar imagery of the sea surface in detecting the presence and structure of the convective marine atmospheric boundary layer // Mon. Wea. Rev. 1995. 123. P. 3623-3632.

$120.  Sikora T.D., Young G.S., Beal R.C., Monaldo F.M., Vachon P.W. Applications of synthetic aperture radar in marine meteorology. Advances in Fluid Mechanics: Atmosphere Ocean Surface Interactions, v. 2. Wessex Institute of Technology, 2005.

$121.  Young G.S., Johnson R.H. Meso- and microscale features of a Colorado cold front // J. Climate Appl. Meteor. 1984. 23. P. 1315–1325.

$122.  Young G.S., Sikora T.D., Winstead N.S. Use of synthetic aperture radar in fine-scale analysis of synoptic-scale fronts at sea // Wea. Forecasting. 2005. 20. P. 311-327.

Рис. 1. Схематическое представление теплого (а) и холодного (б) фронтов на трехмерных диаграммах. ÓThompsonHigherEducation, 2007

 

Рис 2. Система фронтов полярного циклона на радиолокационном изображении спутника Radarsat-1 (31.10.1999, 05:00 UTC) в Беринговом море; четко различаются теплый, холодный и окклюдированный фронты. Центр кадра находится на 56º с.ш. и 169º з.д. (рисунок из [22]). © Canadian Space Agency

Теплые фронты

 

Рис. 3. Теплый фронт с β-мезoмасштабными вихрями на радиолокационном изображении спутника Radarsat-1 (5.02.2000, 04:29 UTC) в районе Алеутских о-вов; фронт ориентирован СЗ-ЮВ и перемещается на СВ. Центр кадра находится на 54º с.ш. и 162º з.д. (рисунок из [22]). © Canadian Space Agency

 

Рис. 4. Теплый фронт с гравитационными волнами на радиолокационном изображении спутника Radarsat-1 (30.03.2002, 03:20 UTC) в заливе Аляска; фронт ориентирован запад-восток и перемещается на СВ. Центр кадра находится на 53º с.ш. и 144º з.д. (рисунок из [22]). © CanadianSpaceAgency

 

Рис. 5. Теплый фронт с областью предфронтального усиления ветра на радиолокационном изображении спутника Radarsat-1 (3.10.2001, 03:13 UTC) в заливе Аляска; фронт ориентирован запад-восток и перемещается на С-СВ. Центр кадра находится на 56º с.ш. и 143º з.д. (рисунок из [22]). © CanadianSpaceAgency

Холодные фронты

Рис. 6. Холодный фронт, проходящий через Алеутские о-ва, на радиолокационном изображении спутника Radarsat-1 (8.02.2001, 05:06 UTC); фронт ориентирован СЗ-ЮВ и перемещается на СВ. Центр кадра находится на 58º с.ш. и 172º з.д. (рисунок из [22]); двухконечная стрелка показывает фронтальную зону. © CanadianSpaceAgency

 

Рис. 7. Холодный фронт на радиолокационном изображении спутника Radarsat-1 (8.03.2003, 03:17 UTC) в заливе Аляска; фронт ориентирован СЗ-ЮВ и перемещается на ЮЗ. Центр кадра находится на 56º с.ш. и 144° з.д. (рисунок из [22]). © Canadian Space Agency

 

Рис. 8. Холодный фронт на радиолокационном изображении спутника Radarsat-1 (20.12.2001, 15:45 UTC) в заливе Аляска; фронт ориентирован север-юг и перемещается на восток. Центр кадра находится на 47º с.ш. и 143º з.д. (рисунок из [22]). © Canadian Space Agency

Рис. 9. Слева: холодный фронт на радиолокационном изображении спутникаRadarsat-1 (19.11.2000, 21:42 UTC) в Восточно-Китайском море, протянувшийся от о. Тайвань до о. Чеджу (Корея); размер кадра 340 x1240 км; фронт ориентирован СВ-ЮЗ и перемещается в восточном направлении.Справа: поле приводного ветра, восстановленное по данным радиолокации на основе алгоритма, разработанного в GKSS (Германия); стрелки показывают направление ветра, а их длина пропорциональна скорости ветра. Направление и скорость ветра с большой точностью могут быть восстановлены на тех участках РЛИ, где видны ветровые полосы (к западу от фронта), но не в зонах, где скорость ветра мала (к востоку от фронта) (рисунки из [14]). © CSA

 

Рис. 10. Слева: холодный фронт у побережья провинции Британская Колумбия (Канада) на радиолокационном изображении спутника Radarsat-1 (13.04.1997, 02:28 UTC); фронт ориентирован север-юг и перемещается на восток. Справа: этот же холодный фронт 12 час спустя после того как, он переместился с моря на сушу (13.04.1997, 14:37 UTC). © CanadianSpaceAgency

Рис. 11. Пример анализа радиолокационного изображения Radarsat-2 (28.09.2013, 02:58 UTC), на котором отобразился холодный атмосферный фронт на северной часть Каспийского моря и характерная структура его фронтальной зоны. На врезке в правом верхнем углу показан увеличенный фрагмент центрального участка холодного фронта (рисунок из [2]). ÓMDA, ИТЦ СКАНЭКС

Рис. 12. Холодный фронт над Каспийским морем на радиолокационном изображении спутника Radarsat-2 (6.12.2013, 04:27 UTC); цветными стрелками показано прогнозное поле ветра на 03:00 UTC). © MDA, СКАНЭКС

 

Рис. 13. Квази-стационарный атмосферный фронт к востоку от о. Тайвань на радиолокационных изображениях спутников ERS-1 и ERS-2 (23.04.1995, 7.04.1997, 18.01.1999, 13.11.2000). © EuropeanSpaceAgency

Окклюдированные фронты

 

Рис. 14. Хорошо выраженный окклюдированный фронт на радиолокационном изображении спутника Radarsat-1 (12.01.2003, 03:20 UTC) в заливе Аляска; фронт ориентирован восток-запад и перемещается на север. Центр кадра находится на 53º с.ш. и 144º з.д. (рисунок из [22]). © Canadian Space Agency

 

Рис. 15. Окклюдированный фронт на радиолокационном изображении спутника Radarsat-1 (3.05.1997, 15:21 UTC) в северной части Тихого океана. Фронт ориентирован запад-восток и перемещается на север (рисунок из [22]). © CanadianSpaceAgency

 

Рис. 15. Окклюдированный фронт на радиолокационном изображении спутника Radarsat-1 (3.05.1997, 15:21 UTC) в северной части Тихого океана. Фронт ориентирован запад-восток и перемещается на север (рисунок из [22]). © CanadianSpaceAgency

 

Рис. 16. Окклюдированный фронт с поперечными гравитационными волнами на радиолокационном изображении спутника Radarsat-1 (16.01.2000, 03:00 UTC) в заливе Аляска; фронт ориентирован СЗ-ЮВ и перемещается на СВ. Центр кадра находится на 52º с.ш. и 139º з.д. (рисунок из [22]). © CanadianSpaceAgency

 

Рис. 17. Полярные циклоны и системы их фронтов над Лабрадорским морем на радиолокационных изображениях спутника Radarsat-1, полученных в широкообзорном режиме ScanSAR-Wide (полоса обзора 500 км) 30.01.1997, 28.12.1997, 29.12.1997, 1.01.1998, 15.01.1998 и 13.01.1999. © CanadianSpaceAgency