Воздушная масса может характеризоваться как неустойчивым, так и устойчивым равновесием. Данное разделение воздушных масс учитывает один из важнейших результатов теплового обмена – вертикальное распределение температуры воздуха и соответствующий ему вид вертикального равновесия. С устойчивыми и неустойчивыми воздушными массами связаны определенные условия погоды.
Устойчивой (УВМ) называют воздушную массу, в которой преобладает устойчивое вертикальное равновесие, т.е. в основной ее толще вертикальный температурный градиент g меньше влажноадиабатического gва.
Термическая конвекция в УВМ не развивается, а динамическая развита слабо. Среднее значение вертикального температурного градиента в УВМ обычно меньше 0.6°/100м. Здесь встречаются слои инверсии и изотермии (задерживающие слои).
В УВМ могут возникать облака динамической конвекции – слоистые и слоисто-кучевые. Если же динамическая конвекция развита незначительно, например, при слабых ветрах, или же уровень конденсации лежит выше верхней границы динамической конвекции, то наблюдается ясная погода.
Значительных осадков в УВМ не наблюдается, из слоистых облаков, достигших значительной вертикальной мощности, в ряде случаев могут выпадать моросящие осадки, а из слоисто-кучевых зимой – слабый снег. Ввиду малого вертикального обмена скорость приземного ветра более или менее слабая. В случае мощных приземных инверсий у земли преобладает штиль. Благодаря слабому вертикальному обмену, в УВМ обычно наблюдаются дымки, а в ряде случаев и туманы.
Неустойчивой (НВМ) называется воздушная масса, в основной толще которой преобладает влажнонеустойчивое равновесие. Здесь различают абсолютную неустойчивость, или сухонеустойчивость, когда g>gва, и относительную неустойчивость, или влажнонеустойчивость, когда g>gа.
Среднее значение вертикального температурного градиента в НВМ чаще всего более 0.6°/100м. В неустойчивой воздушной массе может развиваться как термическая, так и динамическая конвекция. чем слабее ветер, тем более преобладает термическая конвекция, при значительных скоростях ветра и быстром изменении его с высотой роль динамической конвекции возрастает.
Для НВМ характерны кучевые и кучево-дождевые облака. Если преобладает динамическая конвекция, то облачность частично или полностью имеет характер слоисто-кучевой, иногда довольно большой вертикальной мощности.
Скорость ветра в НВМ при одной и той же величине барического градиента больше, чем в устойчивой. Ветер часто бывает порывистым, а при прохождении кучево-дождевых облаков наблюдаются шквалы. Наиболее ярко неустойчивость проявляется в образовании мощных кучево-дождевых облаков, выпадении ливневых осадков, развитии гроз.
Чем больше неустойчивость ВМ, тем на большую высоту может подняться данная воздушная масса.
Поскольку величина gва сильно зависит от температуры воздуха и меньше от давления (табл. 4.):
Таблица 4.
Зависимость gва от температуры и давления воздуха
| Давление, гПа | Т, °С | gва, °С/100м |
| 0.44 | ||
| 0.66 | ||
| -20 | 0.88 | |
| <-45 | gса=0.98 | |
| 0.34 | ||
| 0.52 | ||
| -20 | 0.78 |
Отсюда следует, что более теплая воздушная масса относительно и более неустойчива, чем холодная – температура в ней с высотой падает медленнее, чем в холодной, поэтому более теплая воздушная масса имеет возможность подняться на большую высоту, пока ее температура не сравняется с температурой окружающей среды и прекратится подъем.
Кроме того, при одних и тех же условиях более влажная масса относительно неустойчивее менее влажной воздушной массы. Другими словами, чем ниже уровень конденсации в воздушной массе, тем она относительно более неустойчива при прочих равных условиях. Очевидно, при одной и той же начальной разности между воздушной частицей и средой и при одном и том же значении g в окружающем воздухе частица поднимется на большую высоту (где ее температура сравняется с температурой окружающей среды и прекратится подъем), если происходит подъем влажного воздуха и в процессе подъема будет достигнуто насыщение водяного пара, и на меньшую высоту, если поднимается сухой или менее влажный воздух.
Особенно велико влияние на устойчивость воздушной массы свойств подстилающей поверхности.
Если воздушная масса теплее подстилающей поверхности, то в приземном слое она охлаждается, у земли температуры воздуха могут стать ниже, чем на более высоких уровнях, могут образоваться задерживающие слои. Воздушная масса становится устойчивой, по крайней мере, в нижнем слое атмосферы.
Если воздушная масса холоднее подстилающей поверхности, то в приземном слое она прогревается, увеличиваются контрасты температуры между нижними слоями атмосферы и вышележащими, величина g быстро возрастает и создаются благоприятные условия для развития конвекции. Воздушная масса становится неустойчивой.
Свойства УВМ и НВМ подвержены суточному ходу. Например, летом над сушей неустойчивая воздушная масса ночью приобретает многие свойства устойчивой. Исчезают конвективные облака, возникают приземные инверсии и даже радиационные туманы. Устойчивая воздушная масса над сушей бывает наиболее выражена ночью. Таким образом, определяя, является ли данная воздушная масса над сушей устойчивой или неустойчивой, основное внимание надо обращать на явления погоды, развивающиеся днем.
Над морем наблюдается обратный суточный ход свойств УВМ и НВМ. Следовательно, над морем более показательны явления погоды, наблюдающиеся ночью, особенно это относится к неустойчивым воздушным массам.
Но все же более часто встречаются воздушные массы со слабо выраженной неустойчивостью или устойчивостью, и нелегко бывает решить, к какому типу их отнести.