Для метеорологического обеспечения полетов необходимо правильное прогнозирование времени образования тумана, его интенсивности и продолжительности. Поэтому для успешного прогноза тумана необходимо знать классификацию и характеристики туманов. Туманом называют совокупность взвешенных в воздухе капель воды или кристаллов льда, ухудшающих дальность видимости до значений менее 1 км 1, с. 64. В авиационной метеорологии ограниченная видимость затрудняет взлет и посадку воздушных судов и влияет на обнаружение и опознавание наземных ориентиров. Различают горизонтальную, или метеорологическую дальность видимости, полетную, посадочную, или наклонную и вертикальную видимость. Метеорологической дальностью видимости называется то расстояние, на котором исчезают последние признаки наблюдаемого объекта днем или становится неразличимым нефокусируемый источник света определенной интенсивности, т.е. видимый контраст между объектом и фоном становится равным пороговому контрасту глаза человека. Принципы классификации туманов могут быть различными в зависимости от поставленных задач. По агрегатному состоянию воды все туманы могут быть классифицированы как капельные, ледяные и смешанные. Большинство туманов являются мелкокапельными даже при отрицательных температурах. Наибольшую повторяемость в туманах имеют капли радиусом 5-15 мкм. По синоптическому положению, при котором возникают туманы, они делятся на фронтальные, образование которых связано с термодинамическими процессами в области фронтальных разделов, и внутримассовые. По степени ухудшения горизонтальной видимости туманы принято делить на слабые (видимость 500-1000 м), умеренные (видимость 50-500 м) и
6
сильные (видимость менее 50 м). Наибольшее значение применительно к задаче разработки методов краткосрочного прогноза туманов имеет их генетическая классификация 9, с. 38. В зависимости причин образования тумана различают два основных вида: туманы охлаждения и туманы испарения. Достижение состояния насыщения воздуха с последующей конденсацией водяного пара в приземном слое атмосферы, вызывающей образование тумана, происходит вследствие двух основных процессов: понижения температуры воздуха и увеличения его влагосодержания. При сильных морозах образованию тумана способствует обогащение воздуха водяным паром при сгорании топлива в печах, котельных электростанций, авиационных двигателей и др. 3, с. 44. Туманы охлаждения возникают за счет приближения влажности воздуха к состоянию насыщения при понижении температуры воздуха. При этом охлаждение воздуха в приземном слое может происходить в результате следующих причин: при перемещении влажного воздуха на относительно холодную подстилающую поверхность; при понижении температуры подстилающей поверхности за счет ее радиационного охлаждения; при адиабатическом расширении воздуха. Туманы возникающие по первой причине называются адвективными, по второй – радиационными. В тех случаях, когда понижение температуры воздуха при его перемещении на относительно холодную подстилающую поверхность в дальнейшем усиливается его охлаждением от радиационно выхолаживающейся подстилающей поверхности, могут возникать туманы, которые принято называть адвективно-радиационными (рис. 1.1). Понижение температуры воздуха при его адиабатическом расширении
7
может сопровождаться образованием тумана практически только при натекании воздуха на склоны возвышенностей, обеспечивающем значительное перемещение воздуха по вертикали, а, следовательно, ощутимое его охлаждение. Поэтому возникающие при этом туманы называют орографическими.
Рис. 1.1. Видимость ориентиров в тумане в зависимости от высоты полета и направления обзора [18, с. 71]
К туманам испарения относятся надводные и фронтальные туманы. Надводные туманы возникают только тогда, когда температура испаряющей поверхности выше температуры приземного воздуха. Образование фронтальных туманов обусловлено испарением капель дождя, выпадающего из теплой воздушной массы; адвективным понижением температуры холодного воздуха, перемещающегося из более южных районов; адиабатическим охлаждением воздуха при предфронтальном падении давления 11, с. 59 . Образование туманов возможно при смешении двух воздушных масс с разной температурой и влажностью. Эти туманы называются туманами
8
смешения. Они возникают вблизи границ раздела между теплыми и холодными морскими течениями, вблизи морских побережий. Такие туманы можно назвать пограничными. Кроме того, туманы могут образовываться при поступлении водяного пара в атмосферу в результате хозяйственной деятельности человека. Водяной пар в этом случае играет роль второй теплой и влажной воздушной массы в процессе смешения. Такие туманы могут быть названы антропогенными. Приведенная классификация туманов является условной, так как в природе различные физические процессы действуют одновременно. Важнейшей характеристикой туманов является их водность. Абсолютной водностью туманов называют массу капель воды и кристаллов льда, содержащихся в единичном объеме воздуха (чаще всего в 1 м3). Удельная влажность – это масса капель воды и кристаллов льда в 1 г воздуха. В тумане вода находится в двух, а при низких температурах в трех фазовых состояниях. Если ввести новую величину Q – абсолютное влагосодержание воздуха, под которым будем понимать массу водяного пара , капель воды и кристаллов льда в 1 м3 воздуха, т.е.
Q = (1.1) где — абсолютная влажность, — водность тумана. До момента образования тумана = 0 и Q = ; в тумане абсолютная влажность близка к максимальной , которая является функцией одной лишь температуры Т. для тумана последнее равенство можно переписать в виде
= Q - (Т) (1.2) При количественном анализе общих физических условий в тумане и перед образованием тумана используются известные уравнения притока тепла и
9
водяного пара в виде
cp Lm dz dR cpkdz d
dz dT
dx dTu
dt dT 1
(1.3)
m
dz dS
k
dz d
dz dS
dx dS
u
dt dS
(1.4)
где Т – температура воздуха, С; t – время; u – скорость ветра; x – горизонтальная ось координат, направленная по потоку; — вертикальная скорость; z – вертикальная координата; k – коэффициент турбулентности; и а — фактический и адиабатический градиент температуры; S – абсолютная влажность воздуха, которая в пределах пограничного слоя атмосферы простым умножением на плотность воздуха переводится в удельную влажность; m — характеризует скорость конденсации водяного пара (г(м3с)), она пропорциональна водности тумана. Анализ уравнений (1.3) показал, что в тумане m и можно пренебречь, поскольку они, как правило, на порядок меньше других членов. Нередко в практической работе синоптика для использования теоретических положений из смежных наук приходится производить значительные упрощения, поскольку без таких упрощений требуется слишком много времени для расчетов, либо недостает исходной информации 6, с. 91 Водность туманов изменяется в достаточно широких пределах от тысячных и сотых долей гм3 до 1,5-2 гм3 (табл.1.1). Согласно табл. 1.1 водность тумана возрастает с увеличением его
10
интенсивности. Максимальные значения водности туманов одной и той же интенсивности при переходе от положительных температур к отрицательным уменьшаются. С ростом температуры может увеличиваться лишь водность туманов охлаждения (радиационных и адвективных).