И.Н. Завьялова
Климатология арктических облаков
Облачность является одной из важнейших характеристик климата, которая в значительной степени определяет особенности увлажнения, термического, радиационного и светового режимов высоких широт. Так, модельные расчеты показали, что увеличение облачности нижнего и среднего ярусов вызывает эффект похолодания, а верхнего ( потепления [ 8 ]. Влияние облачности нижнего яруса на формирование приземного термического режима настолько велико, что увеличение ее на 10 % ( 1 балл ) может привести к компенсации эффекта возможного потепления, обусловленного удвоением в атмосфере концентрации СО2 [ 24 ].
Климатические исследования облачности северной полярной области в основном проводились в Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте ( ААНИИ ). Некоторое увеличение спутниковой информации стало причиной недооценки роли наземных наблюдений. Однако этому увлечению в настоящее время даны объективные оценки, которые свидетельствуют о необходимости комплексных исследований облачности. В данный момент имеется три основных источника информации об арктической облачности: стандартные наблюдения наземных станций ( включая аэрологические ), спутниковые данные и наблюдения летающей метеорологической обсерватории ( ЛМО ).
Наземные наблюдения характеризуются рядом недостатков, которые приводят к завышению количества облачности. Во-первых, при наблюдении с поверхности земли в поле зрения наблюдателя оказываются не только нижние ( а именно по их площади и должно определяться количество облаков ), но и боковые поверхности облаков, особенно тех, которые находятся в нижней части небесного свода. Во-вторых, облачность в полярных районах может завышаться за счет радиационных туманов или облачной пелены инверсионного характера [ 4 ]. Большие трудности возникают при определении облачности в период полярной ночи. Необходимо учитывать также субъективизм наблюдателей, что особенно четко проявляется при частой смене наблюдательского состава, характерной для Арктики.
Большинство из указанных факторов отсутствует в информации, получаемой с искусственных спутников Земли ( ИСЗ ). Однако накопленный опыт использования данных ИСЗ позволил наряду с положительными объективно оценить и отрицательные стороны этой наблюдательской системы. Главной из них является практическая невозможность получения информации о многоярусной структуре облачности и высотах ее нижней границы. Помимо этого, имеющиеся временные ряды характеристик облачности получены при помощи различных измерительных комплексов с меняющимися во времени чувствительностью и способами индикации характеристик облаков [ 7 ]. ИСЗ ненадежно фиксируют тонкие перистые облака, облачность над снегом и льдом, а ночью [ 17, 27 ], не фиксируют просвечивающие туманы [ 7 ].
Все это приводит к занижению в полярных районах количества облаков по данным ИСЗ по сравнению с наземными наблюдениями. Наибольшие расхождения между ними отмечаются севернее 55о с.ш.. Разница в полученных данных равномерно возрастает и к 85о с.ш. достигает 2,5 ( 3,5 и более баллов [ 21, 22 ]. Особенно велики расхождения при несплошной облачности [ 14 ]. На значительные расхождения в данных, полученных разными методами, указывается также в работе [ 26 ]. Таким образом, поступающая в настоящее время информация ИСЗ не имеет необходимой точности, а потому использование данных ИСЗ в климатологических исследованиях облачности высоких широт пока вряд ли целесообразно. Для этих целей по-прежнему применяются результаты наземных наблюдений.
Существенным дополнением к ним являются материалы ЛМО. Эта обсерватория ежегодно работала в Российской Арктике с 1948 по 1964 г., в основном в навигационный период ( с июня по сентябрь ), хотя в небольшом количестве совершались полеты и в другие месяцы, даже в зимние. Обычно полеты производились из нескольких пунктов западного и восточного районов Российской Арктики к северу и обратно. В результате получен ценный материал по характеристикам облаков и туманов в этих районах. Многие параметры облаков, определенные по наблюдениям ЛМО, являются более достоверными, чем по данным наземных наблюдений. Это относится, прежде всего, к формам облаков, их повторяемости ( особенно облаков среднего и верхнего ярусов ), границам, горизонтальной протяженности и т.д. Имеющиеся в настоящее время материалы ЛМО дают, хотя и довольно общее, но единственное представление о пространственной и микрофизической структуре облаков и туманов.
В данной статье при климатологической характеристике арктической облачности для освещения ее пространственно-временных изменений используются материалы наземных метеорологических наблюдений, а сведения о формах облаков и их параметрах представлены по наблюдениям ЛМО. При этом необходимо иметь в виду, что данные, полученные ЛМО, несмотря на достоверность, следует считать все же ориентировочными из-за сравнительно небольшого количества наблюдений.
Для характеристики пространственно-временного распределения облачности в Арктике использованы материалы наблюдений российских и зарубежных полярных станций за 40 лет, дрейфующих станций "Северный полюс", а также попутные судовые наблюдения. Наблюдения дрейфующих станций обработаны по методике З.М.Прик, основная суть которой заключается в осреднении данных по группам станций. Состав этих групп и их среднее местоположение меняются в разные месяцы [ 19 ]. Судовые наблюдения обобщены по квадратам размером 5о по широте и 10о по долготе в Гренландском, Норвежском и Баренцевом морях и 1х5о в остальных морях Российской Арктики. В качестве основных климатических показателей количества облаков приняты: среднее значение, повторяемость различных отметок облачности и среднее число ясных и пасмурных дней. Данные получены из рядов наблюдений, объединенных за все сроки. Повторяемость различных отметок облачности представлена по трем градациям: ясное состояние неба ( 0(2 балла ), полуясное ( 3(7 баллов ) и пасмурное ( 8(10 баллов ). Повторяемость ясного и пасмурного состояния определена в процентах от общего многолетнего числа наблюдений за каждый конкретный месяц, а полуясного ( как дополнение до 100 % .
Общепринятое подразделение состояния неба на ясное ( 0(2 балла ) и пасмурное ( 8(10 баллов ) недостаточно точно отражает структуру арктических облаков. Анализ повторяемости каждого балла общей облачности, проведенный по наблюдениям сети российских полярных и дрейфующих станций показал, что внутри рассматриваемых градаций отмечается резко выраженное преобладание крайних баллов: полностью чистого неба ( 0 баллов ) и сплошной облачности ( 10 баллов ). При этом в летние месяцы и осенью отмечается абсолютное преобладание 10-балльной облачности, например, в июле 71(92 % при общей повторяемости соответствующей градации (8(10 баллов) 72(95 %. В зимне-весенний период характерно резкое преобладание облачности 0 и 10 баллов, суммарная повторяемость которых составляет 80(90 %. В результате значение средней облачности фактически очень далеко отстоит от ее модального значения и не всегда отражает степень наиболее часто наблюдаемой закрытости горизонта. Это особенно четко выражено в зимние месяцы, когда повторяемость баллов, наиболее близких к средней облачности не превышает 5(10 % [ 9 ]. Поэтому для объективной характеристики облачности в Арктике следует пользоваться не каким-либо одним ее параметром, а их комплексом.
Ясным считается день, в течение которого сумма отметок облачности за 4 ( 8 ) сроков не превышает 7 ( 14 ) баллов, пасмурным ( когда сумма отметок не менее 33 ( 66 ) баллов. Введенное с 1969 г. дополнительное условие, согласно которому ясным считается день, когда ни в один из сроков облачность не превышала 5 баллов [ 18 ], привело к некоторому занижению ( на 1(2 дня ) среднего числа ясных дней в зимние месяцы. Все указанные выше характеристики рассмотрены как для общей (включающей облака всех ярусов), так и для нижней (только облака нижнего яруса) облачности.
Морфология и сплоченность облачного покрова над Арктикой определяются, главным образом, циркуляцией атмосферы и воздействием подстилающей поверхности. Однородность последней способствует сравнительно небольшой пространственной изменчивости облачности, но резко выраженные сезонные изменения режима центров действия атмосферы приводят к существенной перестройке полей облачности от зимы к лету.
Годовой ход облачности характеризуется в целом наибольшими ее значениями в период с мая по октябрь и наименьшими ( с ноября по апрель. Следует отметить, что при переходе от зимнего режима к летнему, особенно от апреля к маю, наблюдается очень интенсивное увеличение облачности. В большинстве районов Арктики наиболее четко максимум выражен в августе(октябре, а минимум ( в январе(марте ( рис.1 ). Амплитуда годового хода общей облачности составляет над южной частью Баренцева моря около 1 балла, над окраинными морями (2(3 балла, а над акваторией центральной части Северного Ледовитого океана достигает 5 баллов. Однако в связи с различием циркуляционных процессов в разных районах Арктики годовой ход средней облачности имеет более сложный характер. Так, над морями Баренцевым, Карским и Лаптевых отмечается вторичное уменьшение облачности в июле, что связано с ослаблением циклоничности в этом месяце. Над Чукотским морем вторичное снижение облачности в годовом ходе смещается на июнь и также связано с уменьшением в это время числа проходящих над морем циклонов до 3-4 за месяц, тогда как в мае и июле наблюдается до 5(6 циклонов в месяц.
Характерной особенностью пространственно-временной структуры полей средней облачности является то, что в период с мая по октябрь наибольшие значения средней общей облачности отмечаются над акваторией Северного Ледовитого океана ( свыше 8 баллов ), достигая в приполюсном районе 9 ( 9,5 баллов. Лишь при переходе на сушу количество облаков уменьшается до 7 баллов ( рис.2 а ). Такая значительная и устойчивая облачность связана как с интенсивной циклонической деятельностью, так и с воздействием холодного океана, покрытого тающим льдом, над которым воздушные массы быстро трансформируются, способствуя образованию частых инверсий, туманов и низких слоистых облаков.
К зиме количество облаков над большей частью Северного Ледовитого океана резко сокращается и составляет в январе 4(5 баллов ( рис.2 б ). Наименьшая средняя облачность отмечается в это время севернее Восточно-Сибирского моря, чему способствует тенденция к антициклонической циркуляции в данном районе, а также удаленность его от источников увлажнения. Область максимальной облачности ( около 9 баллов ) смещается из приполюсного района на южную часть Баренцева моря [ 1, 9 ].
Отмеченные особенности пространственно-временного распределения средней и общей облачности находятся в полном соответствии с распределением повторяемости пасмурного и ясного состояния неба. Летом наибольшая повторяемость пасмурного неба ( 8(10 баллов ) по общей облачности, превышающая 90 %, характерна для приполюсного района и северной части Баренцева моря. К югу вероятность пасмурной погоды уменьшается до 75 % вдоль азиатского побережья, до 65(70 % над южной частью Баренцева моря и до 60(65 % у берегов Канады и Северной Гренландии ( рис.3 а ).
С мая по сентябрь повторяемость пасмурного состояния неба меняется мало и достигает максимума в сентябре(октябре. В ноябре она начинает быстро уменьшаться, а в январе(марте становится минимальной. В эти месяцы наименьшая повторяемость пасмурного неба ( 35(40% ) отмечается над морем Лаптевых, районами севернее Восточно-Сибирского моря и островами Канадского Арктического архипелага ( рис.3 б ). Наиболее часто ( более 70 % ) пасмурная погода зимой наблюдается над южной частью Баренцева моря. Здесь она обусловлена активной циклонической деятельностью вдоль ложбины исландского минимума. В связи с тем, что восточнее архипелага Новая Земля интенсивность атлантических циклонов быстро ослабевает, повторяемость пасмурного неба над Карским морем уменьшается от 65 % в районе Карских Ворот до 40(45 % у берегов Северной Земли. От марта к маю повсеместно происходит значительное увеличение как общей облачности, так и повторяемости пасмурного неба.
Ясное небо ( 0(2 балла ) по общей облачности над акваторией Северного Ледовитого океана летом отмечается не чаще, чем в 10 % всего времени, а в приполюсном районе еще реже ( менее 5% ). В прибрежной зоне шельфовых морей повторяемость ясной погоды обычно не превышает 15 %, и лишь в юго-восточной части Карского моря она больше 20 % . От лета к зиме повторяемость ясного неба над центральной частью Северного Ледовитого океана возрастает в 5 (10 раз и превышает над значительной его частью 50 %. Для зимних месяцев характерны резкие контрасты повторяемости ясного неба над Баренцевым и Гренландским морями, где она быстро уменьшается от 35(40 % на северной периферии до 8(10 % в центральных частях этих морей. В Чукотском море вероятность ясной погоды зимой составляет около 35 % [ 1, 9 ].
Указанные закономерности годового хода различных состояний неба по общей облачности наглядно иллюстрирует рис.4, на котором представлены данные трех полярных станций, расположенных в разных районах Российской Арктики.
Процентная повторяемость ясного и пасмурного неба характеризует суммарную продолжительность этих состояний. Распределение ясной и пасмурной погоды в течение месяца показывает число ясных и пасмурных дней. В целом в Арктике число пасмурных дней значительно превышает число ясных дней: над морями Лаптевых, Восточно-Сибирским и прилегающей центральной частью Северного Ледовитого океана в 3(4 раза, над Чукотским морем в 4(6 раз, а над некоторыми районами Баренцева моря в 10(15 раз. Однако вследствие резко выраженного годового хода соотношение числа ясных и пасмурных дней в различные сезоны меняется: летом различия возрастают , зимой же над районами с преобладающим антициклоническим режимом погоды число ясных дней превышает число пасмурных. Наибольшее в годовом ходе число пасмурных дней наблюдается летом. В приполюсном районе оно достигает в среднем 26(28 дней за месяц, в отдельные годы пасмурная погода отмечается в течение всего месяца. По направлению к материкам число пасмурных дней быстро убывает и в прибрежной зоне составляет 18(20 за месяц.
В целом над акваторией арктических морей повсеместно с мая по октябрь для более чем половины всех дней характерно пасмурное состояние неба. Наибольшее число пасмурных дней в этот период повсюду превышает 25 за месяц, иногда достигает 30. Начиная с ноября-декабря число пасмурных дней быстро уменьшается и в январе не превышает в среднем 6(8 над большей частью Арктического бассейна, 8(10 над Чукотским морем, и лишь над центральной частью Баренцева моря число пасмурных дней сравнительно мало отличается от летнего и составляет 18(20 за месяц. Четко выраженный годовой минимум отсутствует ( с января по март число пасмурных дней примерно одинаково, но в апреле начинает интенсивно возрастать [ 1, 9 ].
Годовой ход числа ясных дней имеет противоположный характер, причем относительные контрасты зимы и лета значительно больше, чем для числа пасмурных дней ( хотя и уступают по абсолютным значениям ). Зимой над большей частью центра Северного Ледовитого океана среднее число ясных дней достигает 8(10, а в отдельные годы 15(20 за месяц. Над Чукотским морем оно составляет 5(7, над Баренцевым морем отмечается, как правило, не более 2 ясных дней за месяц. В летние месяцы над всей акваторией Северного Ледовитого океана число ясных дней не превышает 2 в месяц, а над его центральной частью такие дни отмечаются 2(5 раз за 10 лет.
Основной составляющей общей облачности являются облака нижнего яруса. Поскольку в зарубежных публикациях соответствующие материалы обычно отсутствуют, приводимые ниже сведения получены только по данным российских полярных станций. Рассмотренные закономерности годового хода всех характеристик общей облачности в целом сохраняются и для нижней ( см. рис.1, 4 ). Однако следует отметить, что при меньших, чем по общей облачности, значениях среднего балла, амплитуды его годового хода несколько больше и составляют от 3 до 7 баллов (по общей облачности 2(5 баллов), ( см. рис. 1 ).
Повторяемость пасмурного неба по нижней облачности значительно меньше, а повторяемость ясного неба больше, чем по общей облачности. В южных районах Российской Арктики с июня по октябрь эта разница составляет примерно 20%, но зимой, когда низкие облака бывают реже, она возрастает до 30(35 %. Над акваторией Северного Ледовитого океана в летне-осенний период повторяемость пасмурного неба примерно на 15 % меньше, чем по общей облачности, а повторяемость ясного неба примерно на столько же больше. Зимой эти различия возрастают более, чем в 2 раза. Характерно, что нижняя облачность обычно наблюдается в виде обширных массивов, занимающих более половины небосвода. Об этом свидетельствует высокая повторяемость нижней облачности в количестве, превышающем 5 баллов, которая для разных районов Арктики составляет 20(30 % в зимнее время и 70(90 % в период с июня по сентябрь.
Большой интерес представляет вопрос об устойчивости ясной и пасмурной погоды как по общей, так и по нижней облачности. Для такой оценки обычно используются коэффициенты устойчивости К, представляющие собой отношение числа ясных и пасмурных дней ( в процентах от числа всех дней в месяце ) соответственно и повторяемости ясного ( 0(2 балла ) и пасмурного ( 8(10 баллов ) состояний неба. Наибольшая устойчивость ясной погоды характерна для зимних и весенних месяцев, когда она часто отмечается несколько суток подряд. При этом следует отметить, что ясная погода по нижней облачности ( К приближается к единице) более устойчива, чем по общей облачности ( К преимущественно менее 0,5). В летний период длительные периоды ясной погоды исключительно редки. Пасмурная погода, наоборот, наиболее устойчива с июня по октябрь, когда коэффициенты устойчивости близки к единице.
Суточный ход облачности довольно сложен. Он неодинаков для различных форм облаков. Как отмечал В.Ю.Визе [ 23 ], осенью и в конце зимы характерные для Арктики тонкие облака, через которые часто просвечивают звезды, ночью остаются незамеченными. Поэтому количество облачности в ночные часы занижается. Только в высоких широтах в полярную ночь условия освещенности в течение суток одинаковы и суточный ход не искажен. Согласно данным В.Ю.Визе, анализировавшего суточный ход облачности во время дрейфа л/п "Г. Седов", а также по материалам наиболее северной полярной станции о-в Рудольфа и станций "Северный полюс", дрейфовавших севернее 85о с.ш., облачность в период полярной ночи в ночные и ранние утренние часы несколько больше, чем в дневные, но амплитуда ее изменений очень мала.
Аналогичный суточный ход получен в период полярного дня, когда условия освещенности в течение суток тоже одинаковы и суточный ход не искажен. На основании этого В.Ю.Визе считал, что поскольку суточный ход облачности зимой и летом одинаков, то он должен быть таким же и в остальные сезоны. Анализ многолетних наблюдений ряда полярных станций показал, что наиболее типичны амплитуды суточного хода, не превышающие пределы точности наблюдений ( 1(1,5 балла ).
В целом облачность является достаточно устойчивой климатической характеристикой, межгодовые колебания которой сравнительно невелики. По данным полярных станций среднеквадратические отклонения (() среднемесячных значений облачности в зимний период находятся, как правило, в пределах 1,0(1,5 баллов, при этом максимум может приходиться на различные месяцы зимы. Наименьшая изменчивость облачности отмечается в конце лета ( начале осени ( ( составляет 0,5(0,6 балла ). Коэффициенты вариации количества облачности невелики: 0,2(0,3 в зимние месяцы и не более 0,1 летом и осенью. Среднеквадратическое отклонение от среднего суточного количества общей облачности превышает указанные значения для среднемесячных и составляет зимой 3,0(3,5 балла, а летом 1,6(2,7 балла.
Анализ параметров изменчивости общего количества облаков представляет наибольший интерес с точки зрения исследования короткопериодных колебаний климата, поскольку именно с облачностью тесно связаны изменения потоков радиации и гидротермического режима земной поверхности и атмосферы. По данным исследований [ 3 ], выполненных на основании спутниковой информации, с 1966 г. по настоящее время наблюдается общая тенденция увеличения среднегодового балла облачности в обоих полушариях. Однако в северном полушарии этот рост несколько меньше, чем в южном ( коэффициенты линейного тренда соответственно 0,26 и 0,60 ). На фоне общего роста отмечены три периода уменьшения облачности: в 1966 г., 1975 г. и с 1988 г. Процесс, начавшийся в 1988 г. , продолжился и в 1989 г.
Особенностью зонального распределения облачности в 1984-1989 гг. явилось то, что в полярных широтах северного полушария положительные и отрицательные аномалии в 1984-1986 гг. попеременно замещали друг друга, а с 1987 г. стало заметным преобладание отрицательных аномалий. Такие выводы, возможно, являются следствием ненадежности результатов спутниковых наблюдений [ 26 ].
Большой интерес вызывает вопрос о будущих тенденциях в изменении облачности арктического региона. Экспертная оценка ожидаемых климатических условий в Арктике на период до 2005 г. ( с учетом антропогенных воздействий ) показала, что в Российской Арктике годовое количество общей облачности будет колебаться в существующих пределах с пиками и спадами в отдельные годы [ 16 ]. В качестве метрических характеристик форм облаков в настоящей работе приняты следующие параметры: горизонтальная протяженность, высоты верхней и нижней границ и мощность.
Горизонтальная протяженность облаков получена по данным наблюдений с самолетов. Высоты нижней и верхней границ определены соответственно по резкому ухудшению и улучшению видимости при полете, а мощность облака ( как разность высот верхней и нижней границ. Все средние характеристики указанных параметров получены путем суммирования значений, относящихся к одной форме, и деления этой суммы на число наблюдений.
По данным наземных наблюдений наиболее распространенной формой облаков в Арктике являются слоистые облака St , характерные для устойчивой воздушной массы. Они существуют в течение всего года. В связи с тем, что однородные воздушные массы с устойчивой термической стратификацией охватывают обширные районы Арктики, горизонтальная протяженность этих облаков может составлять сотни и даже тысячи километров. Однако чаще всего она не превышает 600 км. В западной части Российской Арктики такая протяженность наблюдается в 80(90 % случаев, при этом 40 % приходится на протяженность до 200 км [ 13 ].
Поскольку указанные термические условия в Арктике наиболее характерны для летнего периода, повторяемость этих облаков значительно возрастает от холодного периода к теплому. Независимо от времени года повторяемость данной формы облаков больше в районах, удаленных от основных центров действия атмосферы. В ряде пунктов она составляет до 40 % всех наблюдений. В 70 % случаев слоистые облака встречаются в количестве 8(10 баллов.
Нижняя граница слоистых облаков St располагается в среднем на высоте 170 м летом и 350 м ( зимой, но мощность летних облаков ( 400 м ) больше, чем зимних ( 150 м ) [ 8, 20 ]. Колебания границ облаков весьма значительны. Однако анализ повторяемости высот этих границ в различных слоях атмосферы показал, что в 88 % случаев нижняя граница слоистых облаков находилась в нижнем 600-метровом слое. Верхняя граница этой формы облачности в 74 % случаев не превышала 1000 м [ 12 ]. Слоистые облака в теплое полугодие часто смыкаются с туманами, повторяемость которых в Арктике велика, а иногда они опускаются до поверхности земли [ 11 ].
Характерной особенностью положения нижней и верхней границ слоистых облаков является их понижение от побережья к высоким широтам в летний период. Например, средняя высота верхней границы слоистых облаков в районе 70(75о с.ш. составила 770 м, а в районе Северного полюса ( 544 м [ 6 ]. Понижение нижней границы связано с понижением уровня конденсации водяного пара в указанном районе. Верхняя граница облаков обусловлена высотой инверсий, которые являются задерживающим слоем, препятствующим вертикальному переносу водяного пара [ 6 ].
Второй наиболее распространенной формой облаков в Арктике являются слоисто-кучевые Sc, которые, как правило, образуются также в устойчивой воздушной массе, но в результате волновых движений в слоях инверсий, расположенных в нижней тропосфере. Повторяемость этой формы хотя и близка к повторяемости слоистых облаков, однако более часто, особенно в летний период, бывает больше. Минимальная повторяемость Sc отмечается в холодный период года ( 12(18 % ), но уже в мае их повторяемость составляет 28(34 %, а в начале осени достигает 47 %. Как правило, в 60 % случаев эта форма облаков отмечается в количестве 8(10 баллов. Нижняя граница Sc располагается в среднем на высоте 450 м летом и 650 м ( зимой. Вертикальная протяженность этой формы облаков от 450 м зимой до 600 м ( летом [ 8, 20 ].
Экстремальные значения границ слоисто-кучевых облаков, как и слоистых, также колеблются в широком диапазоне. Наиболее часто нижняя граница слоисто-кучевых облаков расположена в слое 200(600 м ( 35 % ), а верхняя ( в слое 600(1400 м ( 50 % ) [ 13 ]. Горизонтальная протяженность Sc в целом такая же, как и St. Однако протяженность Sc до 200 км наблюдается реже ( например, в западном районе Российской Арктики около 30 % ) [ 12 ].
Другие формы облаков нижнего яруса, а также облака вертикального развития для Арктики не характерны, повторяемость их обычно не превышает 10 %. Следует отметить, что большая повторяемость облаков St и Sc приводит к маскированию облаков вертикального развития для наземного наблюдателя. Тем не менее при работах ЛМО были неоднократно отмечены случаи появления кучево-дождевых облаков Cb выше слоя слоисто-кучевых. Наиболее благоприятен для их образования летне-осенний период, когда достаточный контраст температуры воздуха над морем и сушей ( или льдом ) обусловливает при переносе более холодного воздуха с материка или ледяного поля на сравнительно теплую морскую поверхность развитие конвекции. По экспериментальным данным этот контраст составляет не менее 4(5 оC [ 10 ]. Наличие в слое развития облака задерживающих прослоек, перемежающихся с неустойчивыми прослойками, ограничивает развитие такого облака по вертикали. Вследствие этого возникающие над водной поверхностью кучево-дождевые облака, как правило, не имеют наковален, а вертикальная мощность их сравнительно невелика ( 500(2000 м ) [ 10 ]. Фронтальные кучево-дождевые облака отличаются, как правило, большей мощностью. Отмечены случаи, когда эти облака при самолетном зондировании не были пробиты до высоты 6000 м.
Средняя высота нижней границы слоисто-дождевых облаков Ns составляет в летне-осенний период 500 м [ 20 ]. В это время года слоисто-дождевые облака являются наиболее мощными по сравнению с другими формами, но однако их мощность все же относительно невелика ( средняя (1500 м ) [ 20 ], в отдельных случаях ( не более 4000 м [ 11 ]. Горизонтальная протяженность составляет примерно 250 км [ 12 ].
В Арктике отмечается особая разновидность облачности, относящаяся к типу слоистых облаков, так называемая облачная пелена. Она представляет собой тонкий белесый слой продуктов конденсации, который формируется под инверсионным слоем в холодное время года. Высота нижней границы пелены колеблется от 30 до 200 м. Облачная пелена ( весьма частое явление в период полярной ночи в Арктике, особенно над дрейфующими льдами [ 4 ].
Правильный учет облаков среднего яруса по данным наземных наблюдений возможен лишь при отсутствии облаков нижнего яруса или других явлений погоды, ухудшающих видимость в приземном слое. В летнее время исследование облаков среднего яруса затруднено вследствие исключительно частой повторяемости туманов и облаков нижнего яруса, а зимой ( наличием полярной ночи и метелей [ 5, 7, 8 ]. Однако результаты наблюдений ЛМО свидетельствуют о значительной повторяемости облаков среднего яруса. Так, из 183 полетов в летне(осенний период, выполненных выше уровня верхней границы облаков нижнего яруса, в 96% случаев отмечались высококучевые Ас и высокослоистые As облака. В весенний период повторяемость этих форм облаков составила всего 35 % [ 5 ].
По данным наземных наблюдений, фиксирующим лишь видимую часть Ас и As, высококучевые облака отмечаются в 10(30 % случаев, причем в летний период повторяемость их меньше, чем в холодный [ 7 ]. Последнее обстоятельство обусловлено не только закрытостью облаками нижнего яруса, но и тесной связью между повторяемостью инверсионной стратификации в средней тропосфере и Ас [ 8 ]. Максимум повторяемости таких инверсий ( 80 % ) приходится на период с мая по октябрь, т.е. на период наибольшей повторяемости облаков нижнего яруса. По этой причине эффект маскировки облаками нижнего яруса хотя и уменьшает процентную повторяемость Ас, особенно в теплую часть года, все же не искажает картины фактического годового распределения. Высококучевые облака чаще всего отмечаются в количестве 1(2 или 8(10 баллов. Эта форма облаков обычно располагается в слое 2600-3050 м при средней мощности менее 500 м [ 5 ].
Высокослоистые облака в Арктике наблюдаются чаще, чем высококучевые. Их внутригодовая повторяемость тесно связана с циклонической деятельностью и потому в теплый период года их повторяемость в 2(3 раза меньше, чем в холодный. Высокослоистые облака чаще всего отмечаются в сочетании с другими формами, в остальных случаях они фиксируются в основном в количестве 8(10 баллов [ 7 ]. Эта форма облаков располагается в слое 2350(3150 м при средней мощности 800 м [ 5 ].
Экстремальное положение границ среднего яруса варьирует в большом диапазоне, превышающем 4000 м. Так, нижняя граница этих облаков отмечалась на высоте 1000 и 5500 м. В 95 % случаев нижняя граница As и Ac отмечена в слое 1,4(3,4 км. Наибольшая повторяемость ( 69 %) верхней границы As характерна для слоя 2,2(3,4 км. У облаков Ас в 72 % случаев повторяемость верхней границы зарегистрирована в слое 2,6(3,4 км. Следует отметить сравнительно большую повторяемость верхней границы обеих форм облаков выше 4,6 км ( у As ( 16 %, у Ac ( 10 % ). Чаще всего к указанной границе относятся фронтальные облачные системы. В практике полетов ЛМО отмечено несколько случаев, когда верхняя граница фронтальных облаков среднего яруса не была пробита до высоты 6000 м. По имеющимся данным облака фронтальных систем в районе побережья могут достигать высоты 7000(9000 м, а их мощность превышать 1000 м. Мощность облаков среднего яруса внутримассового происхождения невелика и редко достигает 1000 м, составляя в среднем 420 м. Высококучевые облака тоньше, их средняя мощность равна 360 м [ 5 ].
Горизонтальная протяженность облаков среднего яруса составляет в среднем около 600 км. Наибольшая протяженность отмечена у As оp ( 1015 км ), наименьшая - у Ac tr ( 210 км ) [ 5 ]. Для As ( как и для St ) , характерны наибольшие сезонные изменения горизонтальной протяженности, которая от холодного периода к теплому возрастает в среднем на 150(200 км [ 13 ].
Указанные недостатки в проведении наземных наблюдений за облаками среднего яруса еще в большей степени относятся к данным наблюдений за облаками верхнего яруса. Эти облака связаны, главным образом, с атмосферными фронтами [ 2 ]. Наиболее распространенной формой верхнего яруса являются перистые облака Ci , отмечавшиеся в 80 %, перисто-слоистые Cs отмечаются всего в 16 %, а перисто-кучевые Сс - в 4 % случаев [ 7 ]. Такое распределение повторяемости облаков верхнего яруса по формам свидетельствует о том, что в Арктике при образовании облаков в верхней тропосфере чаще всего наблюдается сложный характер вертикальных движений. Упорядоченные вертикальные движения в верхней тропосфере не являются доминирующими, что вполне естественно, если учесть преобладание разрушающихся фронтов над рассматриваемой территорией.
Сплошная или близкая к сплошной облачность верхнего яруса харктерна лишь для Cs. Так, по данным наблюдений ЛМО в августе(сентябре 1959 г. в районе моря Лаптевых и отчасти в центральной части арктического бассейна повторяемость облаков 8(10 баллов составила для Cs 92 %, Cc 50 % и Ci 29 %. В то же время повторяемость облаков до 5 баллов была для Cs 2 %, Cс 38 % и Ci 55 % [ 2 ].
Нижняя граница облаков верхнего яруса в теплое полугодие наблюдалась на высотах от 5 до 9 км при наибольшей повторяемости на 5(6 км ( 67 % ), а в холодное ( в слое 4( 7 км, причем максимальная повторяемость отмечалась в слое 5(6 км и составляла 86 %. Верхняя граница облаков верхнего яруса в теплое полугодие располагалась в слое от 5 до 11 км с максимумом повторяемости на 7(9 км ( 61 % ), а в холодное полугодие ( в пределах 6(10 км при максимуме на 6(7 км ( 43 % ) [ 2 ].
По данным работы [ 12 ] средние высоты нижней границы верхних облаков над арктическими морями и центральной части Арктического бассейна составили для перистых облаков ( 5,6 км, для перисто-слоистых ( 5,8 км. Максимальные высоты составили соответственно 6,5 и 8,5 км, а минимальные для обеих облачных систем ( 4,0 км.
Вертикальная протяженность облаков верхнего яруса изменяется от нескольких сотен метров до 4 км. Наибольшую повторяемость имеет мощность облаков от 1,1 до 3,0 км, которая составляет в теплый период 70 %, а в холодный ( 50 %. Теплые фронты характеризуются более значительной вертикальной протяженностью облаков, холодные и фронты окклюзии ( меньшей. Наименьшую мощность имеют в среднем внутримассовые облака верхнего яруса. С увеличением широты высота и мощность облаков верхнего яруса, как и соответствующие характеристики облаков других ярусов, уменьшаются [ 2 ].
Горизонтальная протяженность облаков верхнего яруса изменяется в больших пределах и определяется, главным образом, синоптическими условиями ее формирования. Наиболее значительные по горизонтальной протяженности зоны облаков связаны с теплыми фронтами. В ряде случаев благоприятные условия для образования верхней облачности создаются и при антициклональных положениях. Средняя ширина зон высоких облаков составляет 250 км. Наибольшую повторяемость имеет следующая ширина зон: до 100 км ( около 32 %, 100(200 км - около 24 %, 200(300 км ( около 24 %, а более 800 км ( всего лишь примерно 3 %.
Преобладание тех или иных форм облаков над арктическим регионом меняется в зависимости как от сезона, так и от района, что связано с циркуляционными особенностями и различиями в характере подстилающей поверхности [ 15 ].
Таким образом, характерной особенностью пространственно-временной структуры арктической облачности является то, что наибольшая облачность в Арктике отмечается в период с мая-июня по октябрь. Для этого времени характерны: наибольший балл средней облачности ( общая облачность над приполюсным районом 9(9,5 баллов, при переходе на сушу ( 7 баллов ); наибольшие повторяемость пасмурного состояния неба ( по общей облачности над приполюсным районом и южной частью Баренцева моря ( свыше 90 % ) и число пасмурных дней ( в приполюсном районе более 26, у побережий ( 16(20) и соответственно наименьшие повторяемость ясного неба и числа ясных дней ( над всей акваторией Северного Ледовитого океана не более 2 дней в месяц ).
Пасмурная погода в летне-осенний период отличается большой устойчивостью ( коэффициент устойчивости близок к единице ). Наибольшая устойчивость ясной погоды характерна для зимних и весенних месяцев, когда она часто отмечается несколько суток подряд.
При четко выраженном годовом ходе облачности с максимумом в августе(октябре и минимумом в январе(марте изменения ее количества в течение суток незначительны и в большинстве случаев не превышают 1 балла. Наибольшая амплитуда годового хода характерна для центральной части Северного Ледовитого океана ( до 5 баллов ). Наибольшую повторяемость в Арктике имеют облака слоистых форм, особенно нижнего яруса. В летний период эти облака отмечаются почти в половине случаев, а вместе с туманами составляют более 70 %.
Для арктических облаков характерны относительно небольшая протяженность и более низкое расположение по сравнению с облаками аналогичных форм умеренных широт. Отличительной особенностью являются также сезонно-широтные изменения параметров облаков (максимальные значения в летний период, уменьшение величин с увеличением широты). Причины такого явления заключаются в изменении вертикальной стратификации атмосферы и циркуляционных условий.
Первоочередной задачей дальнейших исследований должно быть изучение динамики облачных форм на базе современных наблюдений и их параметров, получение трендовых оценок и параметризация облачности для целей моделирования радиационного режима. Поскольку изменчивость облаков над арктическим регионом может существенно влиять на градиент планетарного альбедо и обмен энергии у поверхности земли [ 25 ], для изучения изменений климата важен мониторинг полярного облачного покрова, поэтому контроль состояния облачного неба при региональном мониторинге климата Арктики должен быть обязательно учтен.
Список литературы
Подрисуночные подписи
к статье Завьяловой И.Н. "Климатология арктических облаков".
Рис.1 Годовой ход средней общей (а) и нижней (б) облачности, баллы: 1 ( Амдерма; 2 ( о-ва Голомянный и Домашний; 3 ( о-в Диксон; 4 ( о-в Котельный; 5 ( Уэлен.
Рис.2 Средняя общая облачность в июле (а) и январе (б), баллы (по данным работы [ 1 ]).
Рис.3 Повторяемость пасмурного состояния неба по общей облачности в июле (а) и январе (б), % (по данным работы [ 1 ]).
Рис.4 Годовой ход повторяемости ясного, полуясного и пасмурного состояния неба по общей и нижней облачности: 1 ( повторяемость ясного неба ( 0(2 балла ); 2 ( повторяемость полуясного неба ( 3(7 баллов ); 3 ( повторяемость пасмурного неба ( 8(10 баллов ) Рис.1 Годовой ход средней общей (а) и нижней (б) облачности, баллы: 1 ( Амдерма; 2 ( о-ва Голомянный и Домашний; 3 ( о-в Диксон; 4 ( о-в Котельный; 5 ( Уэлен. Рис.4 Годовой ход повторяемости ясного, полуясного и пасмурного состояния неба по общей и нижней облачности: 1 ( повторяемость ясного неба ( 0(2 балла ); 2 ( повторяемость полуясного неба ( 3(7 баллов ); 3 ( повторяемость пасмурного неба ( 8(10 баллов )