big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Методы предсказания погоды

Служба погоды, организованная еще в 1872 г. при Главной физической обсерватории, в самые первые годы существования Советской власти практически бездействовала, кроме Петроградского бюро погоды. Большая часть метеорологических станций не работала в связи с войной и хозяйственными трудностями. Был нарушен обмен результатами метеорологических наблюдений между Россией и другими странами.

Начало восстановления службы погоды было связано с Декретом «Об организации метеорологической службы РСФСР», подписанным В. И. Лениным в 1921 г. Этот исторический документ, а также бурное развитие народного хозяйства после Великой Октябрьской революции создали условия для быстрого восстановления службы погоды. Уже в 1925 г. на территории Советского Союза наблюдение за погодой велось более чем на 200 метеорологических станциях, а в десяти крупных городах работали бюро погоды.

В последующие годы происходило дальнейшее расширение службы погоды. Количество бюро погоды увеличилось до нескольких десятков. Появились также многочисленные синоптические ячейки при аэропортах гражданского воздушного флота. Рост числа прогностических учреждений сопровождался улучшением научно-методических основ их деятельности, направленной на удовлетворение разнообразных запросов со стороны народного хозяйства и населения. Для развития службы погоды важное значение имели организованные мероприятия, проводившиеся Главным управлением Гидрометеорологической службы, рост сети метеорологических и аэрологических станций, улучшение качества наблюдений, большой размах научно-исследовательских работ по синоптической и динамической метеорологии, по физике атмосферы, внедрение факсимильных связей и возможность применения в оперативной работе электронно-вычислительных машин. Ниже рассматривается развитие краткосрочных прогнозов погоды в нашей стране за 50 лет.

Фронтологический метод. Применение аэрологических данных в службе погоды. Прогностические учреждения советской службы погоды в начальный период их деятельности использовали изобарический метод как методическую основу прогнозов погоды. В развитии этого метода большая роль принадлежала П. И. Броунову, Б. И. Срезневскому, М. А. Рыкачеву и другим выдающимся ученым-метеорологам.

Задача синоптического прогноза погоды тогда сводилась к прогнозу по эмпирическим правилам изменений в приземном барическом поле. Допускалось, что горизонтальное распределение атмосферного давления в основном определяет собой условия погоды. Недостатки изобарического метода существенно ограничивали возможность его практического применения. Несовершенство изобарической синоптики особенно остро стало проявляться в конце 20-х годов. В это время перед службой погоды были поставлены сложные задачи по обслуживанию быстро растущего народного хозяйства полной и своевременной метеорологической информацией, а также прогнозами погоды.

В январе 1930 г. в Москве на базе Московского бюро погоды и Центрального бюро погоды, находившегося до этого в Ленинграде при Главной геофизической обсерватории (ГГО), было создано Центральное бюро погоды СССР (ЦБП). Начало деятельности ЦБП характеризовалось перестройкой оперативной синоптической работы в связи с внедрением фронтологического метода анализа и прогноза погоды. Последний был разработан в Норвегии под руководством В. Бьеркнеса в 20-х годах и включал в себя учение о воздушных массах и фронтах тропосферы, о тесной связи циклонической деятельности с фронтами, о строении и эволюции циклона. Шесть лет, прошедшие до преобразования в 1936 г. ЦБП в Центральный институт прогнозов (ЦИП), были посвящены изучению, дальнейшему развитию и широкому внедрению фронтологического метода в практику советской службы погоды. ЦБП участвовало тогда в организации многих прогностических органов на местах, а также возглавляло работу по подготовке кадров синоптиков. Успехи советской синоптической метеорологии 30-х годов в первую очередь связаны с деятельностью А. И. Аскназия, а также небольшой группы научных сотрудников в составе С. П. Хромова, Б. Л. Дзердзеевского, А. Ф. Дюбюка, И. А. Клемина и др. В 1934 г. А. И. Аскназий опубликовал работу «К вопросу о летней циркуляции, над Европейской территорией СССР», положившую начало изучению на физической основе особенностей синоптических процессов над громадной территорией Советского Союза. В этой работе впервые было обращено внимание на значение трансформации воздуха в развитии атмосферных процессов. Большую роль в распространении и развитии фронтологического метода, а также в подготовке кадров синоптиков сыграла изданная в 1934 г. книга С. И. Хромова «Введение в синоптический анализ».

В январе 1932 г. было организовано Авиаметеорологическое бюро как филиал ЦБП; его руководителем стал С. М. Простяков. Это был первый орган нашей службы погоды, созданный специально для метеорологического обеспечения гражданской авиации. В этом бюро впервые началась научная разработка методов авиационных прогнозов погоды применительно к полетам в нижней половине тропосферы, где летчики встречаются с туманами, низкой облачностью, обледенением и другими опасными явлениями. Прогноз таких элементов, как осадки, туманы и грозы, с необходимой детализацией прогноза во времени и в пространстве стал более реальным благодаря помощи фронтологического анализа. Важно отметить, что, осуществляя этот анализ, советские синоптики в то же время придавали большое значение и анализу барического поля, чтобы более полно вскрывать физическую сущность развивающегося процесса и условия возникновения опасных для авиации явлений.

С ростом запросов авиации синоптики Авиаметеобюро настойчиво ставили вопрос о необходимости организации систематических аэрологических наблюдений с помощью радиозондов, а также самолетного вертикального и горизонтального зондирования атмосферы. Поэтому с 1934 г. в Москве, а затем и в других пунктах СССР стало регулярно производиться самолетное вертикальное зондирование атмосферы. Использование самолетного зондирования, а также данных расширяющейся сети радиозондирования и шаропилотных наблюдений позволило синоптикам перейти от так называемой косвенной аэрологии к аэрологии прямой и тем самым на деле осуществить идею физического пространственного синоптического анализа.

Центральный институт погоды возглавил всю исследовательскую и методическую работу в области синоптической метеорологии в нашей стране. Одной из главных задач Института в тот момент была разработка метода анализа одновременно всех аэрологических данных. Выбор пал на метод барической топографии, позволявший производить одновременно анализ барического и термического полей, а также определять ветер на любых высотах в тропосфере и стратосфере. Большая заслуга во внедрении метода барической топографии в исследовательских целях и в оперативной прогностической работе принадлежит X. П. Погосяну и Н. Л. Таборовскому.

Работы по применению метода барической топографии значительно расширили представления синоптиков о развитии атмосферных процессов и очень помогли в прогностической работе в годы Великой Отечественной войны, когда из-за прекращения международных связей на приземных и высотных картах отсутствовали данные наблюдений заграничных станций. Но и в эти тяжелые для нашей страны годы не прекращалось усовершенствование методов прогнозов погоды. Достаточно, например, сказать, что в 1943 г. в ЦИПе, впервые в истории нашей службы погоды, начали составляться прогностические карты приземного давления и положения фронтов.

Широкий размах получили прогностические исследования в послевоенные годы. Тематика их охватывала наиболее важные теоретические и практические проблемы синоптической метеорологии. Вопросы цикло-антициклогенеза, теория изменения атмосферного давления с учетом влияния орографии и приземного трения, трансформация воздушных масс, пространственная структура атмосферных фронтов, физические и микроструктурные особенности внутримассовой и фронтальной облачности, общая циркуляция атмосферы и региональные ее особенности, а также многие другие вопросы подверглись глубокой разработке.

Результаты этих исследований внесли много нового и ценного в теорию и практику синоптического метода прогноза погоды. Для его развития наибольшее принципиальное значение имели работы по теории изменения давления и проблеме цикло-антициклогенеза, которые использовали в качестве основы уравнения вихря скорости. Работа В. А. Бугаева «О порядке величин горизонтальных производных барического и термического полей», опубликованная в 1952 г., способствовала внедрению в синоптическую практику новой теории.

Наряду с исследованиями по общим проблемам краткосрочных прогнозов погоды, в рассматриваемый период были выполнены также работы по региональной синоптике, содержавшие правила диагноза и прогноза погоды, учитывающие физико-географические условия соответствующего района. Такая работа по изучению синоптических процессов Средней Азии наиболее обстоятельно была выполнена группой ташкентских синоптиков под руководством В. А. Бугаева, издавших в 1957 г. монографию «Синоптические процессы Средней Азии».

Характерной особенностью в развитии синоптических методов прогноза погоды в 50-х годах было стремление исследователей сделать прогноз как можно более объективным с помощью расчетных методов прогноза отдельных метеорологических элементов и явлений погоды. Уже в первом издании «Руководства по краткосрочным прогнозам погоды», вышедшем в 1954 г., были помещены некоторые способы расчета обложных осадков и туманов. Во втором издании указанного «Руководства», опубликованном в 1964 г., расчетные методы заняли более значительное место. Они изложены применительно к прогнозу температуры и влажности воздуха, суточного хода температуры, заморозков, обложных и ливневых осадков, гроз, струйных течений, низкой облачности, туманов, а также дальности горизонтальной и наклонной видимости.

Большинство разработанных расчетных методов основывается на учете следующих факторов:

1) изменения температуры и влажности воздуха у Земли и на высотах вследствие горизонтального переноса воздушных масс;

2) изменения тех же элементов вследствие упорядоченных вертикальных движений воздуха, а также атмосферных движений турбулентного характера;

3) процесса теплообмена между атмосферой и подстилающей поверхностью.

При этом широко используются различного рода номограммы и графики, выражающие связи прогнозируемого элемента со значениями метеорологических элементов в некоторый, принятый за исходный, момент времени.

Новые требования к изучению метеорологических условий полета во всей толще тропосферы и в нижней стратосфере предъявило в послевоенные годы бурное развитие авиации, в первую очередь высотно-скоростной авиации. Очень повысились также требования к точности краткосрочных прогнозов погоды для самых нижних слоев атмосферы, необходимых для обеспечения безопасности взлета и посадки самолетов. В связи с этим при ЦИПе был создан специальный отдел авиационной метеорологии под руководством И. Г. Пчелко, возглавивший и объединивший но существу всю научную и методическую работу в СССР в области прогнозов погоды для гражданской авиации.

Особое значение при таких прогнозах приобрели исследования струйных течений, атмосферной турбулентности, вызывающей болтанку самолетов в верхних слоях тропосферы и в нижней стратосфере, туманов и низкой облачности, а также видимости при пыльных бурях и осадках.

Возможности авиации летать все выше и дальше, расширение географии мореплавания, а также выход рыболовецких и китобойных флотилий на просторы Мирового океана привели к необходимости изучения и предсказания погоды в масштабе всей планеты. С этой целью, в дополнение к картам погоды северного полушария, в ЦИПе с 1953 г. стали составляться карты для Южного полушария и приэкваториальной зоны, в связи с чем значительно расширился объем работы по изучению планетарной циркуляции не только в тропосфере, но и в стратосфере (X. П. Погосян, В. Р. Дубенцов и их сотрудники). При выполнении оперативной работы важное значение приобрели задачи своевременного обнаружения и прогноза перемещения тайфунов над Тихим океаном и ураганов над Атлантическим океаном. Систематически такие прогнозы составляются с 1957 г., т. е. с начала Международного геофизического года, когда с расширением программы международного обмена приземными и высотными данными синоптические карты стали значительно богаче обосновываться наблюдениями. В связи с этим особое значение приобрели исследования наших синоптиков, работавших в Антарктиде в бюро погоды в Мирном.

Численные методы прогнозов погоды. Предвычисление погоды — это давнишняя мечта метеорологов и особенно синоптиков. Однако при первых попытках осуществления этой мечты, предпринятых еще в 20-х годах текущего столетия, исследователи встретились с такими большими трудностями, что вообще стали возникать сомнения в успешном решении когда-либо такой задачи. Но время шло, требования к службе погоды становились настолько обширными, что дальнейшее усовершенствование методов прогнозов погоды и форм метеорологического обеспечения различных отраслей народного хозяйства уже было бы невозможно без привлечения теоретических исследований в области динамической метеорологии.

Запросы практики убедительно показывали, что одной из актуальных задач, успешное решение которой могло бы заметно продвинуть вперед метод прогноза погоды, является разработка теории изменения атмосферного давления и практического способа его предвычисления, а также и вертикальных упорядоченных скоростей, связанных с крупномасштабными атмосферными процессами. Решение этой задачи в 1940 г. было дано И. А. Кибелем в работе «Применение к метеорологии уравнений механики бароклинной жидкости». В ней впервые была эффективно использована гипотеза о квазигеострофичности атмосферных процессов: при выводе формул каждая из горизонтальных составляющих действительного ветра была заменена суммой компонентов геострофического и агеострофического (небольшого по абсолютной величине, но играющего важную роль в эволюции барических полей) ветров, вычисляемых по данным карт барической топографии.

Выразив давление и температуру как функции времени в зависимости от начальных значений этих элементов, И. А. Кибель получил сравнительно простые формулы для предвычисления давления и температуры, которые давали представление и о механизме изменения давления. Работа Кибеля, заложившая основы для предвычисления давления и температуры на ближайшие 24—36 час, имела исключительное значение для развития как численных методов прогнозов погоды, так и для обычных синоптических методов.

В 1943 г. в ЦИПе был создан отдел динамической метеорологии (ОДМ), который возглавил И. А. Кибель, ранее работавший в ГГО. Последовавший за этим период характеризовался особенно большой активностью исследований. На основе использования идей И. А. Кибеля была выполнена серия исследований по расчету локальных изменений давления, температуры и влажности воздуха (М. И. Юдин, А. С. Монин, Н. Л. Таборовский, Б. Д. Успенский и др.), а также по методике расчета вертикальных скоростей (М. Е. Швец, А. Ф. Дюбюк, Г. М. Морской и др.).

Новый шаг в развитии теории изменения давления был связан с работой А. М. Обухова, которая привела к использованию в краткосрочном прогнозе давления на среднем уровне уравнения Фридмана для вихря скорости (Обухов, 1949). Первый практический способ прогноза на этой основе вскоре был предложен Н. И. Булеевым.

К началу 50-х годов исследования в области динамической метеорологии подготовили почву для создания современных схем прогноза полей давления, температуры и крупномасштабных вертикальных движений во всей толще атмосферы. Наиболее существенные результаты в этой области были получены в работах Н. И. Булеева, Г. И. Марчука, И. А. Кибеля и М. И. Юдина.

Успехи вычислительной техники, появление первых советских вычислительных машин сделали возможным применение на практике многоуровенных, более совершенных схем краткосрочного прогноза, получивших название численных прогнозов погоды. Рабочие схемы численных прогнозов основных метеорологических элементов были подготовлены и испытаны В. В. Быковым, С. Л. Белоусовым, Ш. А. Мусаеляном, П. К. Душкиным и Е. Г. Ломоносовым.

Дальнейшее развитие теории краткосрочного прогноза погоды было связано с разработкой методов учета влияния рельефа земной поверхности, трения в приземном слое атмосферы и различных видов притока тепла на атмосферные процессы. Эти исследования проводятся на основе более детального изучения физических процессов в атмосфере.

Практический интерес представляют работы Сибирского отделения АН СССР (под руководством Г. И. Марчука) и ГГО (возглавляемые М. И. Юдиным). Из результатов исследований Гидрометеоцентра СССР последних лет следует отметить численную схему прогноза полей приземного давления и геопотенциала по полным уравнениям гидродинамики В. М. Кадышникова и численную схему прогноза осадков, разработанную коллективом научных работников под руководством Б. Д. Успенского. Заслуживают внимания работы Л. Т. Матвеева по численному прогнозу облачности. Ручной способ подготовки исходных данных для схем численного прогноза исключал возможность их повседневного использования. Поэтому был выполнен ряд исследований с целью разработки методики анализа исходных аэрологических данных с помощью вычислительных машин. Были предложены различные способы такого анализа, названного объективным анализом метеорологических полей. Для исследования при оперативных численных прогнозах полей геопотенциала был принят метод, разработанный Л. С. Гандиным и основанный на оптимальной интерполяции. Последняя, учитывая статистическую структуру метеорологических полей, приводит к минимальной средней квадратичной ошибке.

Оперативная работа службы погоды. До недавнего времени оперативная работа каждого прогностического подразделения строилась таким образом, что все необходимые для прогнозов приземные и высотные синоптические карты составлялись и анализировались непосредственно на месте. По мере увеличения объема заданий по обслуживанию народного хозяйства стало совершенно очевидным, что такой порядок работы является неэкономичным и недостаточно продуктивным. Нужно было организовать централизованное составление и обработку всех карт погоды и передачу их в местные прогностические подразделения. Такая работа стала осуществляться Центральным институтом прогнозов с 1957 г., когда в нашей службе погоды стали внедряться факсимильные связи. В настоящее время Гидрометеоцентр СССР передает по факсимильным каналам связи более 100 карт в сутки. Значительная часть из них — это приземные и высотные карты с нанесенными фактическими данными за различные сроки наблюдений и частично вспомогательные, также фактические карты со сведениями о струйных течениях, высотах тропопаузы, вертикальных скоростях. Второй вид карт — это прогностические приземные и высотные для пяти уровней (850, 700, 500, 400 и 300 ж), а также карты струйных течений, вертикальных движений для трех уровней и карты конвекции и конденсации.

По мере усовершенствования самих факсимильных связей качество передаваемых карт улучшилось, что позволило многим местным подразделениям совершенно отказаться от составления карт на месте. У синоптиков же освободилась часть времени для более глубокого анализа развития атмосферных процессов и применения расчетных методов при составлении прогнозов погоды. Начиная с середины 1963 г. все прогностические высотные карты рассчитываются на электронных вычислительных машинах. Приземные же прогностические карты пока еще составляются обычными синоптическими приемами.

Естественно возникает вопрос, как же совершенствование методов прогноза сказалось на качестве самих прогнозов погоды? Объективный ответ на него дают имеющиеся сравнимые данные об оправдываемости прогнозов погоды по Москве за отдельные периоды с 1936 по 1965 г. В предвоенные годы оправдываемость прогнозов не превышала 60%. После окончания Великой Отечественной войны, особенно между 1946 и 1948 гг., оправдываемость повысилась и приблизилась к 75%. Такое улучшение можно объяснить значительным расширением в эти годы сети аэрологических станций и вообще увеличением другого информационного материала. В 1963—1965 гг. произошло дальнейшее повышение оправдываемости прогнозов, в Москве в среднем за три года оно достигло 84%. Это не является случайным и в значительной степени связано с регулярным использованием в оперативной работе прогностических высотных карт, предвычисляемых на электронно-счетных машинах. Прогресс состоит также и в том, что синоптики в настоящее время имеют возможность составлять краткосрочные прогнозы для удаленных районов и для различных уровней тропосферы и нижней стратосферы.

Надо сказать, что достигнутое улучшение качества прогнозов погоды все же еще отстает от возрастающих требований народного хозяйства. Выдающиеся достижения советской науки, однако, открывают перед метеорологами благоприятные перспективы для развития более совершенной теории и более точных и надежных методов прогноза погоды.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.