Краткая характеристика метеорологических элементов и явлений погоды

Температура воздуха измеряется в градусах и характеризует тепловое состояние атмосферы.

Температура воздуха имеет периодические колебания (суточный и годовой ход), зависящие от количества тепла, поступающего на данной географической широте от Солнца, характера подстилающей поверхности и атмосферной циркуляции. Кроме того, наблюдаются непериодические колебания температуры, связанные со сменой воздушных масс, имеющих различную температуру. Наиболее вероятное распределение средней температуры до высоты 100 км показано на рис. 1.

Распределение средней температуры по месяцам в тропосфере и нижней стратосфере над центральным районом Европейской части СССР показано на рис. 2.

Наиболее низкие приземные температуры в северном полушарии наблюдаются зимой над Якутской АССР, где среднемесячная температура в январе достигает 50° мороза, а минимальная 70-72° мороза. Над Антарктидой отмечены еще более низкие температуры. На советской станции «Восток», расположенной на высоте 3420 м, отмечена самая низкая температура на Земле (-88,3°), а над Южным полюсом на высоте 21 км зарегистрирована самая низкая температура в стратосфере (-93°).

Самые высокие приземные температуры отмечены в Триполи (Северная Африка) и в Калифорнии (+58°). В СССР наиболее высокие среднемесячные температуры наблюдаются и Туркменской ССР в июле (+31°), а максимальная – до 48-50° тепла.В СССР наиболее высокие среднемесячные температуры наблюдаются в Туркменской ССР в июле (+31°), а максимальная — до 48—50° тепла.

Атмосферное давление – гидростатическое давление, оказываемое атмосферой на все находящиеся в ней предметы. В метеорологии давление измеряют в миллибарах (мб); 1000 мб = 1 000 000 дин/см2, или 750,08 мм рт. ст.; следовательно, 1мб =0,75008 мм рт. ст., а 1 мм рт. ст.= 1,3332 мб.

За нормальное давление, называемое физической атмосферой, принимают атмосферное давление, равное 760 мм рт. ст., что соответствует 1013,25 мб, или 1,0332 кг/см2. Нормальное давление близко к среднему давлению на уровне моря.

Зависимость между атмосферным давлением и высотой выражается барометрической формулой:

Для точных расчетов истинной высоты полета пользуются барометрической формулой Лапласа, которая учитывает изменение силы тяжести в зависимости от широты места, высоты над уровнем моря и влагосодержании воздуха:

– среднее отношение упругости водяного пара к давлению воздуха в слое между двумя уровнями;

По барометрической формуле Лапласа составлены подробные таблицы.

Для определения истинной высоты полета с меньшей точностью можно использовать более простую барометрическую формулу

t – средняя температура воздуха между уровнями рo и р.

Барометрической ступенью называется высота h, на которую надо подняться с исходного уровня, чтобы давление р упало на 1 мм рт. ст., или на 1 мб:

Зависимость барометрической ступени от температуры и давления:

Давление, мб	Барометрическая ступень (м/мб) при t˚C
-40	-20
	6,7	7,4	8,0	8,6	9,3
	13,4	14,7	16,0	17,3	18,6
	67,2	73,6	80,0	86,4	92,8

Из таблицы видно, что барометрическая ступень растет с увеличением высоты, причем в теплом воздухе она больше, чем в холодном. Следовательно, давление с увеличением высоты быстрее понижается в холодном и медленнее в теплом воздухе.

Давление непрерывно изменяется как на поверхности земли, так и на высотах. Эти изменения носят периодический (сезонный и годовой ход) и непериодический характер, связанный с перемещением обширных атмосферных вихрей – циклонов и антициклонов.

Изобарические поверхности – поверхности равного давления. При пересечении с уровенными поверхностями (например, уровень моря) они дают систему замкнутых линий, называемых изобарами, которые соединяют точки с одинаковым давлением.

Плотность воздуха – одна из физических характеристик состояния воздуха, зависящая от атмосферного давления и температуры воздуха. Она увеличивается с понижением температуры и увеличением давления, и наоборот.

Различают весовую плотность – вес 1 м3 воздуха (кг/м3), массовую плотность – масса 1 м3 воздуха – находится делением весовой плотности на ускорение силы тяжести (кг·сек2/м4), и относительную плотность – отношение массовой плотности в реальных условиях к массовой плотности при нормальных условиях (давление 760 мм рт. ст., температура 15° С).

Плотность воздуха уменьшается с высотой, и это уменьшение в основном определяется изменением атмосферного давления.

Атмосферное давление учитывается при выборе эшелонов. Полет на эшелоне означает, что самолет летит на высоте, где атмосферное давление остается постоянным, т. е. вдоль изобарической поверхности. Данные о давлении учитываются при выборе безопасной высоты полета, а также при посадке. В последнем случае используется давление, измеренное на взлетно-посадочной полосе.

Отклонения температуры и плотности воздуха от стандартных оказывают существенное влияние на скороподъемность и практический потолок, на длину разбега и пробега самолетов, на мощность и тягу двигателей, на показания аэронавигационных приборов. Поэтому эти отклонения, часто наблюдающиеся в верхней тропосфере и нижней стратосфере, должны учитываться при составлении инженерно-штурманского графика полета.

Влажность воздуха – содержание водяного пара в воздухе, выраженное в абсолютных или относительных единицах.

Упругость водяного пара (в мм рт. ст. или мб) представляет собой парциальное давление водяного пара.

Абсолютная влажность – количество водяного пара в граммах в 1 м3 воздуха.

Удельная влажность – количество водяного пара в граммах на 1 кг влажного воздуха.

Относительная влажность R% - отношение фактической упругости водяного пара е к максимальной упругости Е при данной температуре:

Точка росы – температура, при которой воздух достиг бы состояния насыщения при данном влагосодержании и неизменном давлении.

Содержание водяного пара в атмосфере зависит прежде всего от температуры воздуха и условии испарения с подстилающей поверхности: оно больше при высокой температуре и над океанами и меньше при низкой температуре и внутри материков.

В экваториальной зоне абсолютная влажность бывает около 20 г/м3, в умеренных широтах – 5-7 г/м3, а при сильных морозах уменьшается до 1 г/м3 и ниже. С подъемом на высоту количество водяного пара быстро уменьшается: на высотах 1,5-2 км – в два раза, на высоте 5 км – в десять раз. Основная масса водяного пара сосредоточена в нижнем слое атмосферы толщиной 10-12 км. Выше он содержится в ничтожных количествах.

Ветер – движение воздуха относительно земной поверхности, характеризуется направлением и скоростью. Направление ветра измеряется в градусах, при этом отсчет ведется от севера по часовой стрелке: северное направление соответствует 0° (или 360°), восточное –90°, южное – 180°, западное – 270°. Направление метеорологического ветра (откуда дует) отличается от направления аэронавигационного (куда дует) на 180°. Скорость ветра измеряется в метрах в секунду.

В тропосфере скорость ветра с высотой увеличивается и достигает максимума под тропопаузой. В зоне тропопаузы и в нижней стратосфере ветер ослабевает и достигает минимума на высоте 18-20 км, а выше снова усиливается. Более слабые ветры наблюдаются в теплую половину года и более сильные – зимой (рис. 3).

Причиной возникновения ветра является неравномерное распределение атмосферного давления в горизонтальном направлении. Вследствие этого на воздух действует сила, стремящаяся переместить его из зоны более высокого в зону более низкого давления. Она называется силой барического градиента.

Кроме этой силы, на направление и скорость ветра оказывают влияние вращение Земли, сила трения и центробежная сила. Под действием этих сил ветер у поверхности земли всегда дует под некоторым углом к изобаре, отклоняясь в сторону низкого давления. На суше угол между касательной к изобаре и направлением ветра составляет и среднем 40°, над морем – 15о. Выше слоя трения (600-1000 м) движение воздуха происходит параллельно изобарам. Так, если встать лицом по направлению ветра, то в северном полушарии низкое давление будет располагаться слева, а высокое – справа.

Ветер оказывает влияние на взлет и посадку самолетов, на самолетовождение, бомбометание, перемещение радиоактивного облака и т. д. По своей структуре ветер имеет турбулентный характер, вследствие чего самолеты при попадании в зону турбулентности (болтанки) испытывают перегрузки, различные по величине и знаку.

Облака – скопление в атмосфере мелких капель воды и ледяных кристаллов (или их смеси), возникших в результате конденсации водяного пара.

Количество облаков оценивается визуально по 10-балльной шкале в зависимости от степени покрытия неба: при безоблачном небе – 0 баллов, при сплошной облачности – 10 баллов.

Высота облаков измеряется с помощью потолочных прожекторов, свето- и радиолокаторов, шаров-пилотов и самолетов.

Облака наряду с видимостью определяют степень сложности погоды. С облаками неразрывно связаны осадки, грозы, обледенение и сильная болтанка. Характеристика облаков дана в табл. 1.

Осадки – частицы воды в жидком или твердом виде, выпадающие из облаков на земную поверхность (дождь, снег, град) или осаждающиеся на ней непосредственно из воздуха вследствие конденсации водяного пара (гололед, иней, изморозь).

По характеру выпадения осадки разделяют на обложные, выпадающие из слоисто-дождевых и высоко-слоистых облаков в виде капель дождя средней величины или в виде снежинок; ливневые, выпадающие из кучево-дождевых облаков в виде крупных капель дождя, хлопьев снега или града; моросящие, выпадающие из слоистых, слоисто-кучевых облаков в виде очень мелких капель дождя.

Полет в зоне осадков сопровождается резким ухудшением видимости и снижением высоты облаков, болтанкой, обледенением в переохлажденном дожде и мороси, повреждением поверхности самолета (в случае выпадения града).

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЛАКОВ И ИХ ВЛИЯНИЯ НА ПОЛЕТ

Ярус	Основные формы облаков	Средняя высота нижней границы облаков	Вертикальная мощность облаков	Видимость в облаках	Осадки	Влияние на полет	Внешний вид облаков и другие характеристики
Болтанка	Обледенение
Верхний ярус	Перистые	7000-10000 м	От нескольких сотен метров до нескольких километров	От нескольких километров до нескольких сотен метров	Не выпадают	Полет спокоен. В облаках, связанных со струйными течениями, болтанка от умеренной до сильной	Очень редко слабое	Белые, очень тонкие и про-зрачные волнистые облака, разбросанные по небу. Появление таких облаков может указывать на при-ближение атмосферного фронта
Перисто-кучевые	6000-8000 м	Несколько сотен метров	От нескольких километров до нескольких сотен метров	Не выпадают	Полет спокоен. В облаках, связанных со струйными течениями, болтанка от умеренной до сильной	Очень редко слабое	Белые, тонкие и прозрач-ные облака в виде мелких волн, хлопьев или ряби. Наблюдаются в небольшом количестве и чаще с другими облаками верхнего яруса
Перисто-слоистые	6000-8000 м, нижняя граница часто сливается с высоко-слоистыми	От нескольких сотен метров до нескольких километров	От нескольких километров до нескольких десятков ветров	Не выпадают	Полет спокоен. В облаках, связанных со струйными течениями, болтанка от умеренной до сильной	Очень редко слабое	Белая или голубоватая тонкая однородная пелена облаков, закрывающая все небо. Появление таких облаков указывает на при-ближение атмосферного фронта (теплого, окклюзии)
Средний ярус	Высоко-кучевые	2000-6000 м	Несколько сотен метров	Менее 200 м	Не выпадают	Слабая, иногда умеренная и сильная в башенкообразных облаках	Слабое, иногда умеренное при температуре от 0 до -10^˚	Белые, иногда сероватые облака в виде волн, плас-тин или хлопьев, закры-вающие значительную часть неба. Облака в виде полос связаны с фронтами, а башенкообразные являются предвестниками грозы. Солнце и луна сквозь облака просвечивают
Высоко-слоистые	3000-6000 м	Несколько километров	Менее 200 м	Зимой иногда обложной снег, летом иногда слабый дождь, не достигающий земли	Иногда слабая	Слабое, умеренное и сильное при температуре от 0 до -10^˚	Сплошная серая одно-родная пелена облаков. Солнце и луна сквозь облака просвечивают слабо. Появление этих облаков указывает на бли-зость зоны осадков, свя-занных с фронтом (теплым, окклюзией)
Нижний ярус	Слоисто-дождевые	100-1000 м. Верхняя граница часто сливается с высоко-слоистыми	2-3 км, иногда более 5 км	Менее 100 м	Обложные. Летом дождь, зимой снег	Слабая и умеренная, особенно в нижнем слое облаков	При температуре от 0 до -10^˚умеренное, иногда сильное, ниже -10^˚слабое	Темно-серый облачный слой. При осадках нижняя граница размыта. Солнце и луна не просвечивают. Типичные облака теплого фронта окклюзии
Слоисто-кучевые	От 600 до 1500 м	0,2-1,0 км	Менее 200 м	Иногда морось или слабый снег	От слабой до умеренной	При температуре от 0 до -10^˚от слабого до умеренного	Серые облака в виде гряд, волн, пластин или хлопьев, иногда просвечивающие
Слоистые	От 100 до 700 м, иногда сливаются с туманом	0,2-0,8 км	Менее 100 м	Иногда морось или слабый снег	Иногда слабая	При температуре от 0 до -10^˚от слабого до умеренного	Однородный серый слой облаков, нижняя граница часто имеет вид клочьев. Видимость под облаками часто плохая. Облака нередко закрывают возвышенности
Облака вертикального развития	Плоские кучевые	800-1500 м	От нескольких десятков до нескольких сотен метров	Менее 50 м	Не выпадают	От слабой до умеренной	Не наблюдается	Отдельные плотные белые облака с кучеобразными вершинами, слабо развитыми по вертикали. Характеризуют устойчивое состояние атмсосферы
Мощные кучевые	600-1500 м	От нескольких сотен метров до нескольких километров	20-40 м	Иногда слабые в виде крупных капель	Сильная и очень сильная. Входить вэтим облака запрещается	Умеренное и сильное при отрицательных температурах	Сильно развитые по вертикали белоснежные облака с куполообразными вершинами и темным основанием. Указывают на неустойчивое состояние атмосферы. Нередко перерастают в кучево-дождевые
Кучево-дождевые	400-1000 м, иногда и ниже	3-6 км, летом вершины часто достигают тропопаузы	10-30 м. В верхней части облака иногда 50-100 м и более	Летом сильный ливневый дождь, иногда с градом, зимой сильный хлопьевый снег, иногда снежная крупа	Сильная и очень сильная. Входить вэтим облака запрещается	Сильное во всем облаке при отрицательных температурах	Огромные горообразные облачные массы с вершинами, имеющими часто волокнистое строение в фолрме наковальни. В теплую половину года часто сопровождаются грозами. Возможны разряды молнии в самолет

Тип	Время года	Условия образования тумана	Условия рассеивания тумана	Районы возникновения тумана	Районы, неблагоприятные для образования тумана
Радиационный туман	В течение всего года	Охлаждение приземного слоя воздуха до состояния насыщения водяным паром в результате отдачи тепла земной поверхностью в ясные тихие ночи	Повышение температуры после восхода солнца, усиление ветра	Участки суши, особенно низины (луга, болота)	Возвышенности или прибрежные районы, а также районы с сильными ветрами и районы, закрытые облаками
Адвективный туман над сушей	Холодная половина года	Охлаждение теплого и влажного воздуха при перемещении над холодной поверхностью земли до состояния насыщения водяным паром	Рассеивание при смене воздушной массы или повышении температуры. При усилении ветра превращается в низкие слоистые облака	Большие площади суши и особенно наветренные склоны возвышенностей	Подветренные склоны возвышенностей
Адвективный туман над морем	В течение всего года	Охлаждение теплого воздуха при движении над холодной водной поверхностью до состояния насыщения водяным паром	Смена воздушной массы. В прибрежных районах повышение температуры днем	Открытые участки моря, прилегающие равнинные участки суши - ночью	Районы, удаленные от моря, особенно подветренные склоны возвышенностей
Фронтальный туман	В течение всего года	Снижение облаков, связанных с атмосферным фронтом, до поверхности земли	Перемещение атмосферного фронта, смена воздушных масс	Возвышенности, особенно их наветренные склоны	Низины и подветренные склоны возвышенностей
Морозный туман	Зима	Сильные морозы (-30^ои ниже) в безветренную погоду	Усиление ветра, повышение температуры	Населенные пункты, особенно промышленные районы	Районы, удаленные от населенных пунктов

Туман – такое скопление мельчайших капель воды или кристаллов льда в приземном слое воздуха, когда горизонтальная видимость не превышает 1 км. При горизонтальной видимости от 1 до 10 км это явление называют дымкой.

Туман серьезно осложняет взлет и особенно посадку самолетов, а иногда делает их опасными. При распространении на большой территории туманы сильно затрудняют или вовсе исключают визуальную ориентировку. В табл. 2 дана характеристика основных типов туманов, наблюдающихся на территории СССР.

Гроза – атмосферное явление, связанное с образованием кучево-дождевых облаков, электрических разрядов в виде молнии, сопровождающихся звуковым эффектом – громом и выпадением обильных ливневых осадков.

Грозы бывают двух основных типов: внутримассовые, возникающие в неустойчивых воздушных массах, и фронтальные, возникающие на атмосферных фронтах. На территории СССР грозы наблюдаются главным образом летом, реже весной и осенью и очень редко зимой. В среднем в году отмечается от 20 до 30 дней с грозой.

Главную опасность для самолета и экипажа представляют мощные восходящие и нисходящие потоки воздуха внутри кучево-дождевых облаков (20-40 м/сек и более), вызывающие болтанку. Попадая в такие потоки, самолет становится неуправляемым и в течение короткого промежутка времени может самопроизвольно набрать или потерять несколько километров высоты. Сильная болтанка нередко отмечается при полете в непосредственной близости от кучево-дождевых облаков.

При полете в кучево-дождевых облаках и вблизи них может произойти разряд молнии в самолет. Чаще всего молнией поражаются наружные части самолета: антенны, пластмассовые части, подвижные поверхности (элероны, хвостовое оперение). Иногда отмечаются прожоги металлической обшивки диаметром от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. При полете в зоне грозовой деятельности сильно затрудняется радиосвязь на коротких радиоволнах из-за радиопомех, обусловленных грозовыми разрядами.

Град, выпадающий летом из грозовых облаков, представляет серьезную опасность для самолета, потому что его лобовые части за несколько десятков секунд полета в зоне града могут получить значительные повреждения. Град может наблюдаться при полете не только под облаками, но и внутри кучево-дождевых облаков на значительных высотах. Так, например, мелкий град был отмечен на высоте 13 км, а крупный – на высоте 9,5 км. Избежать встречи с градом можно при полетах над облаками или на удалении 10-15 км от грозовых облаков.

Шквал – внезапное и кратковременное усиление скорости ветра (более 15 м/сек), сопровождающееся изменением его направления. Шквалы возникают в передней части грозовых облаков.

Чтобы избежать опасных явлений, связанных с грозой, необходимо тщательно изучать метеорологические условия перед полетом: определить по картам погоды тип грозы (фронтальная, внутримассовая), ее зону и интенсивность; использовать наземные и самолетные радиолокационные станции сантиметрового диапазона для обнаружения и своевременного обхода грозовых очагов; избегать пересечения фронтальных гроз; если полет через грозовой фронт неизбежен, то он должен выполняться выше кучево-дождевых облаков не менее чем на 500 м; внутримассовые грозы можно обходить стороной на удалении от кучево-дождевых облаков не менее чем на 10-15 км.