Облачные дорожки
Облачные дорожки
Гряды конвективных облаков (облачные линии, облачные «дорожки», облачные «улицы») являются примером упорядоченных пространственных структур в поле облачности над океанами и морями. Они обнаруживаются на спутниковых изображениях, полученных, главным образом, в видимом диапазоне, и, как правило, наблюдаются в нижней атмосфере в массах движущегося холодного воздуха над морской поверхностью при двухмерной конвекции. Конвективные гряды формируются в сравнительно тонких неустойчиво стратифицированных слоях атмосферы, и поэтому сам факт их существования свидетельствует о том, что нижний слой атмосферы является неустойчиво стратифицированным [1,2,8].
Облачные дорожки формируют кучевые облака, которые фактически образуют ячейки. Подобные ячейки обычно формируются в том случае, когда подстилающая поверхность теплее, чем окружающая среда. Теплая морская поверхность создает восходящие воздушные потоки, которые, в случае ветра, выстраиваются по его направлению и таким образом формируют гряды облаков. Воздух движется восходяще-поступательно: там, где поперек гряды и там, где он поднимается – образуются кучевые облака, а там, где опускается – безоблачные просветы. В тех случаях, когда отсутствует сдвиг скорости ветра, облачные дорожки в атмосфере наблюдаются крайне редко.
Авторы ряда работ полагают, что формирование облачных дорожек происходит при валиковой (грядовой) конвекции, которая возникает при горизонтальном сдвиге скорости ветра, в котором направление ветра с высотой изменяется незначительно. Согласно [2], движение частиц в облачных грядах происходит по спиралям, горизонтальные оси которых ориентированы вдоль основного потока (рис. 1а-в). Направление вращения в смежных грядах (валиках с горизонтальными осями) противоположно. Пространственные вариации величины продольной составляющей скорости ветра в пределах отдельной ветви спирали достигают экстремальных значений на восходящих и нисходящих участках движения. Ускорение потока, как правило, происходит на нисходящих участках спирали, а замедление – на восходящих. Облачные полосы формируются над восходящими ветвями циркуляционных ячеек [2,9].
Гряды конвективной облачности могут наблюдаться как над сушей, так и над морем, однако наиболее правильное геометрическое строение дорожек, как и поля конвективных ячеек, встречается, главным образом, над поверхностью воды. Горизонтальные размеры гряд варьируют в широких пределах. Средняя мощность конвективного слоя DН в облачных грядах составляет примерно 2-3 км, а ширина полосы D (облачная полоса плюс безоблачное пространство) меняется в широких пределах от 1 км до 20-30 км [7]. Рост мощности конвективного слоя, имеющий место при продвижении холодного воздуха над теплой поверхностью океана, сопровождается увеличением расстояния между облачными грядами. Отношение ширины D/DH в среднем равно 6. Длина облачных гряд (L) колеблется от 20 до 500 км и более. Образованию гряд облачности сопутствуют повышенные скорости ветра у поверхности Земли. Анализ данных синхронных спутниковых и наземных наблюдений показал, что скорость ветра у поверхности растет с увеличением расстояния между грядами и длины гряд [7]. При D<20 км и L<200 км среднее значение скорости ветра составляет 8-9 м/с, а при D=20¸50 км и L>700 км возрастает до 12-14 м/с. В облачных грядах, расположенных в тыловой части циклонического вихря, значения скорости ветра составляют 7-12 м/с и выше. Гряды конвективные облаков являются индикатором направления ветра в нижнем слое атмосферы.
Наконец, облачные дорожки в атмосфере, циркуляции Ленгмюра в морях и озерах, а также другие подобные явления, можно рассматривать как когерентное упорядочивание структурв пограничном слое атмосферы [5,6], что и подтверждают многочисленные спутниковые данные, появившееся в последние десятилетия.
На снимках из космоса видимого диапазона (рис. 2-10, 12а, 12б) хорошо видно, что облачные дорожки состоят из облачности кучевых форм. По мере удаления от места возникновения, полосы расширяются и искривляются, отдельные облачные ячейки, их составляющие, увеличиваются в размерах, становятся менее упорядоченными, но более различимыми. Часто полосы формируются в холодное время года, когда имеет место устойчивый перенос воздуха с холодной суши (ледяного покрова) на относительно теплое море. В такой воздушной массе происходит быстрая трансформация приводного слоя воздуха, что в результате приводит к образованию конвективных ячеек, кучевых облаков и выстраиванию их по ветру [1,2]. В начале «облачной улицы» они имеют четкую ячейковую структуру, но затем постепенно трансформируются в крупные облачные формирования, соединяются друг с другом, образуя массивы облаков. Размеры отдельных конвективных ячеек вниз по потоку возрастают, а сами ячейки деформируются (рис. 1в). В случае возникновения облачных полос над ледовыми полями они часто возникают уже надо льдом (рис. 2-6), а при его отсутствии – на некотором расстоянии от берега (рис. 7-10).
Ценным источником сведений об облачных дорожках над океаном стали данные космической радиолокации (рис. 11, 12в, 13), позволяющие определить условия на границе раздела океан-атмосфера; особенно интересны случаи квазисинхронного наблюдения (рис. 12а-в). На радиолокационных изображениях (РЛИ) облачные дорожи, как структуры, состоящие из отдельных ячеек, создают пространственно упорядоченные вариации шероховатости морской поверхности (рис. 12в, 13). На РЛИ они представляют собой последовательность ориентированных по направлению основного переноса и чередующихся широких светлых полос и более узких темных полос. На РЛИ высокого разрешения хорошо видна их ячейковая внутриполосовая структура (рис. 13). Очевидно, неоднородности в поле интенсивности обратного рассеяния (в поле мелкомасштабного волнения), имеющие линейчатый квази-упорядоченный характер, как правило, коррелированы с грядами конвективной облачности, видимой на оптических снимках. Обработка и анализ спутниковых РЛИ позволяет определить характерные размеры дорожек, особенности циркуляции воздуха на границе раздела океан-атмосфера, скорость и направление ветра у поверхности моря и ряд др. параметров [4,7,9,13,18-20,22,24].
Рис. 1а. Схематический рисунок циркуляции, обусловленной вихрями с горизонтальной осью («роликами») в пограничном слое атмосферы. A: трехмерная структура потока; B: вариации вертикальной компоненты скорости ветра uzвдоль оси Z; C: вариации горизонтальных компонент скорости ветра uxи uyв плоскости X-Y(рисунок из [9]).
Рис. 1б. Упрощенный схематический рисунок, объясняющий образование облачных дорожек роликами с горизонтальной осью(автор: D.Tyndall, Department of Meteorology, University of Utah).
Рис. 1в. Схематический рисунок, объясняющий образование облачных дорожек (источник: http://www.brockmann-consult.de/CloudStructures/contents.htm).
Рис. 2. Облачные дорожки над Каспийским морем на снимке спутника Terra/MODIS(10.01.2008, 07:45 UTC). © NASAGSFC
Рис. 3. Облачные дорожки над Баренцевым морем на снимке спутника Terra/MODIS(24.04.2002, 09:10 UTC). © NASAGSFC
Рис. 4. Облачные дорожки над Беринговым морем и заливом Аляска на снимке спутника Aqua/MODIS(14.03.2003, 23:45 UTC). © NASAGSFC
Рис. 5. Облачные дорожки над проливом Девиса на снимке спутника Terra/MODIS(18.03.2002, 15:30 UTC). © NASAGSFC
Рис. 6. Облачные дорожки над Охотским морем на снимке спутника Terra/MODIS(6.02.2007, 01:20 UTC). © NASAGSFC
Рис. 7. Облачные дорожки над Мексиканским заливом на снимке спутника Aqua/MODIS(16.12.2007, 19:25 UTC). © NASAGSFC
Рис. 8. Облачные дорожки над Атлантическим океаном к востоку от Новой Шотландии (Канада) на снимке спутника Terra/MODIS(25.01.2004, 15:00 UTC). © NASAGSFC
Рис. 9. Облачные дорожки над Атлантическим океаном к востоку от Новой Англии (Канада) на снимке спутника Terra/MODIS(17.01.2007, 15:00 UTC). © NASAGSFC
Рис. 10. Облачные дорожки, развившиеся над Черным морем во время адвекции холодного воздуха с суши, на снимкe Aqua/MODIS (8.02.2012, 10:55 UTC). ÓNASAGSFC
Рис. 11. Проявления облачных дорожек в Гренландском море у побережья о. Шпицберген на радиолокационном изображении спутника ERS-1 (24.03.1993, 19:54 UTC) (рисунок из [20]). © ESA
Рис. 12а. Облачные дорожки над Каспийским морем на снимке спутника Terra/MODIS(6.02.2012, 07:45 UTC). © NASAGSFC
Рис. 12б. Облачные дорожки над Каспийским морем на снимке спутника Aqua/MODIS, (6.02.2012, 09:30 UTC). © NASAGSFC
Рис. 12в. Проявления облачных дорожек в Каспийском море на радиолокационном изображении спутника Envisat(6.02.2012, 18:32 UTC). ÓESA
Рис. 13. Проявления облачных дорожек в СВ части Черного моря на радиолокационном изображении спутника TerraSAR-X(22.11.2007, 03:43 UTC). ÓDLR, InfoTerra
Литература
1. Вельтищев Н.Ф., Степаненко В.М. Мезометеорологические процессы. М.: 2006.
2. Вельтищев Н.Ф., Желнин А.А., Угрюмова Г.В. Эксперименты по численному моделированию конвекции в потоке с вертикальным сдвигом // Тр. Гидрометцентра СССР, 1973. Т. 110. С.48-56.
3. Герман М.А. Космические методы исследования в метеорологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1985.
4. 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.
5. Михайлова Л.А., Орданович А.Е. Математическое моделирование упорядоченных структур в пограничном слое атмосферы // Известия АН СССР, ФАО, 1988. Т. 24. N.10. С. 1023-1031.
6. Орданович А.Е. Математическое моделирование «облачных улиц» в пограничном слое атмосферы // Известия АН СССР, ФАО, 1988,. Т. 24. N. 9. С. 992-931.
7. Радиолокация поверхности Земли из космоса / Под ред. С.В. Викторова и Л.М. Митника. Л.: Гидрометеоиздат, 1982, 300 с.
8. Руководство по использованию спутниковых данных в анализе и прогнозе погоды / Под ред. И.П. Ветлова, Н.Ф. Вельтищев Л.: Гидрометеоиздат, 1990, 200 с.
9. Alpers W., Brümmer B. Atmospheric bondary layer rolls observed by the synthetic aperture radar aboard the ERS-1 satellite // J. Geophys. Res., 1994. V. 99. P. 12613-12621.
10. Brown R.A. Longitudinal instabilities and secondary flows in the planetary boundary layer: A review // Rev. Geophys. Space Phys., 1980. V. 18. Р. 683-697.
11. Etling D., Brown R.A. Roll vortices in the planetary boundary layer: A review // Boundary Layer Meteorol., 1993. V. 65. P. 215-248.
12. Ford J.P., Cimino J.B., Elachi C. Space shuttle Columbia views the world with imaging radar: The SIR-A experiment. JPL, Calif. Inst.of Technol., Pasadena, 1983. Publ. 82-95.
13. Fu L.L., Holt B. SEASAT views oceans and sea ice with synthetic aperture radar. JPL, Calif. Int. of Technol., Pasadena, 1981. Publ. 81-120.
14. Horizontal convective rolls (http://en.wikipedia.org/wiki/Cloud_streets).
15. Kelly R. A single Doppler radar study of horizontal-roll convection in a lake-effect snow storm. J. Atmospheric Sc., 1982. 21. P. 1816–1826.
16. Küttner J.P. Cloud bands in the atmosphere // Tellus, 1971. V. 23. P. 404-425.
17. Le Mone M. The structure and dynamics of horizontal vorticities in the planetary boundary layer. J. Atmospheric Sci., 1973. 30 (6). P. 1077–1091.
18. Li X., Zheng W., Zou C.-Z., Pichel W.G. A SAR Observation and numerical study on ocean surface imprints of atmospheric vortex streets // Sensors, 2008. 8. P. 3321-3334.
19. Mitnik L.M. Mesoscale coherent structures in the surface wind field during cold air outbreaks over the Far Eastern seas from the satellite side looking radar // Extrait de la mer (Bulletin de la Société franco-japanaise d`oceanographie), 1982. 30(3). P. 287-296.
20. Miura Y. Aspect ratios of longitudinal rolls and convection cells observed during cold air outbreaks // J. Atmos. Sci., 1986. V. 43. P. 26-39.
21. Mourad P.D., Walter B.A. Viewing a cold air outbreak using satellite-based synthetic aperture radar and Advanced Very High Resolution Radiometer imagery // J. Geophys. Res., 1996. V.101. P. 16391-16400.
22. Müller G., Brümmer B., Alpers W. Roll convection within an Arctic cold air outbreak: Interpretation of in situ aircraft measurements and spaceborne SAR imagery by a three-dimensional atmospheric model // Mon. Weather Rev., 1999. V. 127. P. 363-380.
23. Raasch S. Numerical simulation of the development of convective boundary layer during a cold air outbreak // Boundary Layer Meteorol., 1990. V. 52. P. 349-357.
24. Thompson T.W., Liu W.T., Weissman D.E. Synthetic aperture radar observations of the ocean roughness from rolls in an unstable marine boundary layer // J. Geophys. Res., 1983. V.10. P. 172-175.
25. Weckwerth T.M., Horst T.W., Wilson J.W. An observational study of the evolution of horizontal convective rolls // Mon. Weather Rev., 1999.V.127.P. 2160-2179.
26. Young G.; Zawislak J. An observational study of vortex spacing in island wake vortex streets // Mon. Wea. Rev., 2006. 134 (8). P. 2285–2294.