Спостереження за хмарами

Лабораторне заняття № 8

Хмари, класифікація хмар, хмарність, спостереження за хмарами на метеорологічних станціях

Мета роботи: ознайомлення з поняттями хмари і хмарність, міжнародною класифікацією хмар, приладами для визначення висоти хмар і напряму їх переміщення, реєстрації кількості, форм і висоти нижньої границі хмар.

Прилади та матеріали: міжнародний атлас хмар

Теоретичні відомості

Хмари – це видимі продукти конденсації чи сублімації водяної пари в атмосфері, які утворюються при адіабатичному піднятті повітряних мас. Головною причиною виникнення хмар є висхідні рухи повітря. При цьому повітря адіабатично охолоджується і водяна пара, яка знаходиться у повітрі, насичується і в результаті конденсації в атмосфері утворюються скупчення продуктів конденсації краплинок і кристалів.

Сукупність крапель і кристалів, які знаходяться у безперервному процесі еволюції називається хмарами.

Важливими факторами хмароутворення є турбулентні рухи, які переміщують водяну пару із нижніх шарів у більш високі. Розмір хмарних елементів – краплинок і кристаликів – настільки малий, що вони довгий час залишаються зваженими у повітрі, або переміщуються уверх висхідними потоками, та униз – низхідними. Хмари переносяться повітряними течіями. Якщо відносна вологість у навколишньому повітрі знижується, то хмари випаровуються. При певних умовах частина хмарних елементів зростає і збільшується настільки, що випадає із хмар у вигляді опадів. Саме таким шляхом вода повертається із атмосфери на земну поверхню. Хмари знаходяться у безперервному процесі новоутворення і зникнення.

По своєму складу хмари ділять на три групи:

– водяні хмари, які складаються із краплинок і можуть існувати і при невеликих від’ємних температурах. У цьому випадку крапельки знаходяться у переохолодженому стані, що цілком звичайно в атмосферних умовах.

– льодові хмари, які складаються тільки із кристаликів при достатньо низьких температурах.

– змішані хмари, які складаються із переохолоджених краплинок і кристаликів при помірних від’ємних температурах.

Розміри хмарних крапель варіюються у широких межах: від часток мікрона до сотень мікронів. Кристали у хмарах також різноманітні по формі і розмірам. Кількість крапель в одиниці об’єму хмарного повітря може складати від сотень до одиниці на 1 см³, вміст кристаликів у хмарах ще менше – порядку 0,1 на 1 см³.

Водністю хмар називають вміст у них води у рідкому або твердому вигляді. У водяних хмарах на кожний 1 м³ хмарного повітря приходиться від 0,2 до 5 г води; у кристалічних хмарах водність значно менша – соті і тисячні частки грама на кожний м³.

В залежності від умов створення хмари розділяють на:

– внутрішньомасові, які виникають усередині однорідної повітряної маси, при цьому підняття повітря і його охолодження до стану насиченості відбувається у результаті процесів теплової конвекції і динамічної турбулентності. Іноді хмари цієї групи з’являються у зв’язку із охолодженням повітря від підстилаючої поверхні або через хвильові рухи на поверхні шару інверсії температури.

– фронтальні, які створюються при висхідних рухах великих повітряних мас на атмосферних фронтах.

– орографічні, які виникають на навітреному боці при змушеному піднятті повітряних мас по схилам гір.

Висота хмар, їх будова пов’язані з висотою рівнів конденсації, нульової температури, оледеніння. Нижня границя хмар звичайно співпадає з рівнем конденсації. Між цим рівнем і рівнем нульової температури хмари складаються із крапель або сніжинок, які тануть. Вище до рівня замерзання хмари складаються із переохолоджених крапель і сніжинок, а вище рівня оледеніння – із кристаликів льоду. Верхня границя хмар визначається висотою підняття повітря. Велика кількість процесів, які сприяють утворенню хмар обумовлюють існування великої кількості їх форм. Для метеорологічних спостережень прийнята міжнародна морфологічна класифікація хмар за їх зовнішнім виглядом. Згідно з цією класифікацією хмари поділяють на 4 родини і 10 основних форм (табл. 1).

У цих родинах і формах розрізняють значну кількість різновидів і додаткових особливостей, а також проміжних форм.

Вказані в табл. 1 висоти хмар відносять до помірних кліматів і обчислюються не від рівня моря, а від загального рівня земної поверхні у даній місцевості.

По висоті розташування хмари поділяють на 3 яруси:

– верхній ярус хмар (Ci, Cc, Cs) у полярних широтах простягається у середньому від 3 до 8 км, у помірних широтах – від 5 до 13 км, у тропічних широтах – від 6 до 18 км.

– Середній ярус хмар (Ac, As) у полярних широтах простягається від 2 до 4 км, у помірних – від 2 до 7 км, і у тропічних – від 2 до 8 км.

– Нижній ярус хмар (Sc, St, Ns) простягається по всіх широтах від земної поверхні до 2 км.

Хмари вертикального розвитку (Cu, Сb) звичайно знаходяться у нижньому ярусі, але їх вершини часто проникають у середній, а іноді і у верхній ярус.

Форми хмар розділяють по зовнішньому вигляду, щільності, забарвленню, оптичним явищам.

 

 

Таблиця 1

Міжнародна класифікація хмар

 

Назва (форма) хмар
українська	російська	міжнародна
І родина: хмари верхнього ярусу (нижня межа висоти основи близько 6000 м)
Перисті	Перистые	Cirrus (Ci)
Перисто-купчасті	Перисто-кучевые	Cirrocumulus (Cc)
Перисто-шаруваті	Перисто-слоистые	Cirrostratus (Cs)
ІІ родина: хмари середнього ярусу (верхня межа висоти близько 6000 м, нижня – близько 2000 м)
Висококупчасті	Высококучевые	Altocumulus (Ac)
Високошаруваті	Высокослоистые	Altostratus (As)
ІІІ родина: хмари нижнього ярусу (верхня межа висоти близько 2000 м, нижня – біля земної поверхні)
Шарувато-купчасті	Слоисто-кучевые	Stratocumulus (Sc)
Шаруваті	Слоистые	Stratus (St)
Шарувато-дощові	Слоисто-дождевые	Nimbostratus (Ns)
IV родина: хмари вертикального розвитку (верхня межа – рівень перистих хмар, нижня – рівень ≈ 500 м)
Купчасті	Кучевые	Cumulus (Cu)
Купчасто-дощові	Кучево-дождевые	Cumulonimbus (Сb)

 

Хмари своєю формою, кількістю і потужністю характеризують ті фізичні процеси, які відбуваються в атмосфері. Різні форми хмар і послідовність їх появи тісно пов’язані з типом погоди і наступними її змінами, тому хмари є одним із важливіших ознак визначення погоди на короткий строк (3-4год).

Хмари верхнього ярусу. На вигляд це білі напівпрозорі хмари, які складаються із льодових кристалів.

Перисті хмари виглядають як окремі нитки, грядки, або смуги волокнистої структури. Опадів не дають.

Перисто-купчасті хмари уявляють собою грядки або пластини, які мають ясно виражену структуру із дуже мілких пластівців, завитків. Опадів також не дають.

Перисто-шаруваті хмари – це тонка прозора білесувата пелена, частковоабоповністю закриваючанебосхил. В них іноді розрізняється волокниста структура. Ці хмари часто дають оптичні явища, так звані гало - світлі, злегка забарвлені у райдужні кольори (червоний – усередину) круги навколо Сонця чи Місяця. Опади землі не досягають.

Хмари середнього ярусу. Висококупчасті хмари складаються із дуже мілких краплинок, частіше переохолоджених. Білі, іноді сіруваті або синюваті у вигляді хвиль гряд, пластівців. Між ними просвічує небо, але іноді елементи можуть зливатися. Для цих хмар характерно оптичні явища – вінці – світлі ореоли, які безпосередньо примикають до диску сонця чи місяця. Опадів ці хмари не дають.

Високошаруваті хмари. З мішані по складу хмари, світла або синювата однорідна пелена, злегка хвиляста. Сонце і місяць можуть просвічувати як скрізь матове скло. Влітку опади із високошаруватих хмар поверхні землі, як правило, не досягають. Взимку із них часто випадає мілкий сніг.

Хмари нижнього ярусу. Шарувато-купчасті хмари у більшості випадків складаються із мілких краплин, у вигляді сірих великих гряд, хвиль або пластин, які можуть бути розділені просвітами або зливатися у суцільний покрив. Іноді дають слабкі опади.

Шаруваті хмари. Це однорідний на вигляд сірий шар крапельного складу (при достатньо низьких температурах в них з’являються і кристалики). Можливо випадіння слабких опадів і цих хмар.

Шарувато-дощові хмари. По складу є змішані, уявляють собою темно-сірий суцільний шар, під яким часто спостерігають безформне скупчення низьких розірваних хмар. Ці хмари завжди дають опади.

Хмари вертикального розвитку. Купчасті хмари складаються із краплин. Це окремі хмари, як правило, щільні з різко окресленими контурами, при випромінюванні сонця – яскраво-білі. Опади із цих хмар звичайно не випадають.

Купчасто-дощові хмари. Щільні потужні купчастоподібні маси, дуже сильно розвинуті по вертикалі, змішані по складу. З ними завжди пов’язано випадіння опадів. Значення хмар полягає у тому, що вони затримують частину сонячної радіації і тим самим впливають на світловий і тепловий режими діючої поверхні, перешкоджають тепловому випромінюванню Землі, з них випадають опади.

 

Спостереження за хмарами

При метеорологічних спостереженнях відзначають ступінь покриття неба хмарами, тобто хмарність. Вона визначається візуально і виражається у балах. При цьому небо умовно поділяють на 10 частин і коли все небо покрите хмарами, хмарність становить 10 балів, а коли безхмарно – 0 балів і т.д. Спостереження за хмарами повинні проводитись завжди з одного і того ж пункту, з якого видно весь небосхил по можливості до горизонту. Спостерігач повинен визначити форму, кількість і висоту нижньої границі хмар. Для одержання правильних характеристик хмарності необхідно безперервно слідкувати за станом неба. Одночасно з визначенням кількості і форм хмар необхідно відмічати наявність і інтенсивність сонячного або місячного сяйва, а також зміни, які відбуваються у хмарному покриві. Сяяння сонця або місяця відмічається у книжці КМ-1 перед кількістю хмар наступними умовними знаками:

○² – сонце зовсім відкрито, тіні від предметів чіткі;

○ – сонце закрито тонкими хмарами, тіні від предметів слабкі;

○^° – сонце слабо просвічує скрізь хмари. Тіней від предметів немає.

Знак місячного сяяння – ○, з додатком тих же індексів.

При наявності на небі одночасно сонця і місяця ставиться знак тільки сонця. При зовсім безхмарному небі знаки сонця і місяця не ставляться.

Кількість хмар визначається для хмар всіх ярусів (загальна хмарність) і для хмар одного нижнього ярусу (нижня хмарність) Запис у книжку спостерігача КМ-1 здійснюється у вигляду дробі: у чисельнику кількість балів загальної хмарності, у знаменнику – кількість балів нижньої хмарності.

Форми хмар визначаються у відповідності з міжнародною класифікацією. При спостереженнях необхідно керуватися атласом хмар і синоптичним кодом. Визначення форм хмар здійснюється для всіх хмар, які спостерігаються на небосхилі. Для хмар, які знаходяться нижче 5-6° над горизонтом форми дозволяється не визначати. Визначення форм хмар необхідно починати з тих, які займають найбільшу частину неба, а потім переходити до наступних у порядку зменшення їх видимої кількості. У такій послідовності необхідно здійснювати і запис їх у книжку спостерігача КМ-1 незалежно від ярусів.

У книжку КМ-2 (синоптичну) форми хмар записують окремо по ярусам, зберігаючи у кожному ярусі ту ж послідовність у запису, тобто запис здійснюється у порядку зменшення видимої кількості хмар.

При визначенні форми хмар необхідно керуватися описами і ілюстраціями атласу хмар. Запис форм і видів хмар необхідно вести у суворій відповідності із скороченими позначеннями, які вказані у таблиці і атласі хмар.

Коли спостерігач знаходиться у тумані так, що йому зовсім не видно небесний схил, то у стрічці (кількість) необхідно поставити 10/10, якби туман відносився до хмар нижнього ярусу, а у стрічці форми поставити знак туману (≡), незалежно від того, що цей знак буде поставлений у стрічці атмосферні явища.

Визначення висоти хмар. Під висотою хмар розуміється висота їх нижньої поверхні над землею. Визначення висоти здійснюється лише для хмар нижнього ярусу і для хмар середнього ярусу, якщо вони розташовані не вище 2500м над земною поверхнею (над станцією). При цьому у всіх випадках по можливості вказується висота для самих низьких частин основи хмар.

Висоту хмар визначають різними способами: візуально у всі строки спостережень, по кулі-пілоту, який спостерігають неозброєним оком або за допомогою біноклю або теодоліту, за допомогою світлолокаторів, стельових прожекторів (вночі).

Якщо на станції ведуться аерологічні спостереження необхідно приєднувати також більш точні аерологічні дані про висоту хмар, які одержують на основі літакових зондувань, базисних куль-пілотів і т. д.

Напрям і швидкість руху хмар визначають за допомогою нефоскопа Бессона, або використавши теодоліт для спостереження за кулями-пілотами.

У випадку, коли спостерігач не має ніяких спеціальних приладів напрям руху хмар визначають візуально. Окрім загальної хмарності, напряму і швидкості руху хмар проводять визначення родин і форм хмар, а також дають загальну оцінку стану неба. Результати спостережень порівнюють з хмарами, зображеними в атласі, і у випадку подібності рекомендується позначити номер таблиці атласу хмар.

Спостереження за хмарами здійснюється безперервно протягом доби. Всі характеристики хмарності записуються у книжку КМ-1 у основні кліматологічні строки (1, 7, 13, 19 год.), а на деяких станціях у синоптичні строки (3, 9, 15, 21 год.)

 

Завдання для лабораторної роботи:

1) Ознайомитись з атласом хмар

2) Визначити візуально ступінь покриття неба хмарами за десятибальною шкалою: загальну хмарність, ступінь покриття неба хмарами окремих ярусів

3) Визначити форму, кількість хмар і стан неба у конкретну добу і записати результати спостережень згідно з порядком запису книжки КМ-1

4) Перевірити візуальне визначення форм хмар з фотографіями (таблицями) хмар зображеними в атласі. Перш за все необхідно визначити родину, до якої належить хмара (верхнього, середнього нижнього ярусу чи хмари вертикального розвитку, потім уточнити чи записати в таблицю спостереження форми хмар за скороченими позначками (кодом, прийнятими в атласі, додаток).

Питання для самоконтролю.

1) Що називають хмарами

2) Які існують форми хмар

3) Які форми хмар відносяться до хмар верхнього, середнього і нижнього ярусів; висоти їх розташування і скорочена їх характеристика

4) Які хмари за міжнародною класифікацією відносять до хмар вертикального розвитку; скорочена їх характеристика

5) Як визначається загальна хмарність, строки спостережень, порядок реєстрації і запису у книжку КМ-1

6) Які види хмар виділяють по їх походженню, мікрофізичному стану

7) Із яких форм хмар випадають опади

8) Як визначити висоту нижньої границі хмар, напрям та орієнтовну швидкість хмар