Для составления прогнозов погоды с любой заблаговременностью необходимы данные наблюдений за погодой. Систематические наблюдения в отдельных пунктах Европы были начаты 200—300 лет назад, когда были изобретены термометр и барометр. Более ста лет назад были составлены первые приземные карты погоды, а оперативное их составление стало возможным после изобретения телеграфа.
До начала систематического аэрологического зондирования, т. е. до 30-х годов XX столетия, исследование атмосферных процессов производилось на основе данных наземных метеорологических наблюдений. Эпизодически выпускаемые шары-зонды с начала XX века лишь частично восполняли пробел в наблюдениях на высотах. Поэтому до 30-х годов при анализе погодообразующих процессов, как и при прогнозе погоды, пользовались почти исключительно данными наземных наблюдений. В этих же целях привлекались и данные так называемой косвенной аэрологии, т. е. наблюдения за облаками.
С изобретением радиозонда (1930 г.), а позднее и других радиометеорологических приборов в методах исследования атмосферных процессов произошел резкий перелом. Систематические аэрологические наблюдения позволили не только усовершенствовать методы исследования, но и методы краткосрочных прогнозов погоды, т. е. прогнозов с 1—3-суточной заблаговременностью. Это сказалось на повышении качества этих прогнозов. Так, например, оправдываемость прогнозов погоды (по одинаковой методике их оценки) в СССР за последние 30 лет повысилась более чем на 25%, т. е. с 56—58% до 84—86%. При этом с конца 30-х до середины 50-х годов оправдываемость прогнозов погоды повысилась на 18—19% (с 58—62% до 78—79%). В течение этого периода в Службе погоды СССР начали широко использоваться данные аэрологических наблюдений, и прежде всего карты барической топографии (с декабря 1937 г.) и метод использования этих карт при анализе атмосферных процессов, адвективно-динамический анализ (1939—1946 гг.). Со второй половины 50-х годов 1966—1967 гг. оправдываемость прогнозов, продолжая возрастать, достигла 84—86%, т. е. против второй половины 50-х годов повысилась на 6—7%. Здесь уже большую роль сыграло внедрение численных методов прогноза полей давления, температуры, влажности, вертикальных движений, ветра.
Процесс повышения оправдываемости суточных прогнозов погоды наблюдался и в других развитых странах.
В течение последнего тридцатилетия успешно развивалась и теоретическая (динамическая) метеорология и открылись возможности создания и развития численных методов прогноза отдельных метеорологических элементов. Разработке численных методов прогноза погоды в значительной мере способствовало изобретение быстродействующих электронных вычислительных машин, которые в настоящее время уже широко используются в научной и оперативной работе Службы погоды СССР и других передовых стран.
Таким образом, после появления систематических аэрологических наблюдений в методах исследования и прогнозирования погоды произошли коренные изменения.
В СССР прогнозы погоды составляются с различной заблаговременностью и делятся на краткосрочные, в пределах 1—3 суток, и долгосрочные, на период 4—10 суток, месяц, сезон. Прогнозы на период 4—10 суток называются обычно прогнозами малой заблаговременности.
Прогнозы погоды составляются общие и специализированные. В общих прогнозах содержатся сведения о температуре, ветре, облачности и осадках, опасных явлениях погоды и пр. Специализированные прогнозы составляются с учетом специфики той или иной отрасли народного хозяйства. Например, для авиации в прогноз погоды включаются данные о нижней границе и мощности облаков, тумане, видимости, обледенении и «болтанке» самолетов, ветре на высотах. Работников сельского хозяйства интересуют данные об осадках, засухе и суховеях, заморозках, температуре, грозах, ливнях, граде. Для транспортников важны сведения о метелях, снегопадах, сильных ливнях и т. п.
В прогнозах погоды на несколько дней и на месяц содержится общая характеристика погоды с датами лишь резких изменений погоды. В месячных прогнозах приводятся данные и о климатических особенностях территории.
Органы Службы погоды призваны обеспечить страну прогнозами и информацией о текущей погоде. Информация во всех странах печатается в газетах, передается по радио.
Методы составления суточных прогнозов погоды во всех странах почти одинаковы. Они основаны на пространственном исследовании атмосферных процессов и вызванных ими изменений погоды. Для этого составляются приземные и высотные синоптические карты погоды. В некоторых странах используются электронные вычислительные машины для расчета полей давления (геопотенциала), температуры и ветра на высотах с суточной заблаговременностью.
Карты погоды. Это географические карты, на которые условными значками и цифрами наносятся сведения о погоде по наблюдениям сети метеорологических станций в установленные сроки. Эти сведения в зашифрованном виде получают органы Службы погоды по телеграфу и радио. Телеграммы «метео» состоят из пятизначных групп. В них содержатся сведения о погоде в определенный момент времени в пунктах, расположенных на материках и частично океанах. Все они наносятся особыми значками на карты и анализируются. На приземных картах погоды, например, проводят линии одинакового давления и определяют области высокого и низкого давления, местонахождение атмосферных вихрей, районы расположения холодных и теплых, сухих и влажных, устойчивых и неустойчивых масс воздуха, атмосферные фронты, зоны дождей и т. п. На высотных картах проводят линии одинакового геопотенциала, определяют положение фронтальных зон, направление и скорости ветра вдоль воздушных течений и т. п.
Карты погоды составляются несколько раз в сутки. Делятся они на основные и вспомогательные. Основные карты (обычно масштаба одной десяти- или пятнадцатимиллионной) содержат почти все сведения о погоде на площади, равной по территории Европе вместе с северной Атлантикой и Западной и Восточной Сибирью, с прилегающими океанами или значительной части Азии и т. п. К вспомогательным относятся карты с данными отдельных элементов, например осадков, температуры, величин изменения давления за определенный промежуток времени и др. В крупных бюро погоды ежедневно используются карты северного полушария и даже карты мира. Эти карты для удобства работы с ними имеют масштабы 1 : 30 000 000, 1:40 000 000 и 1 : 60 000 000.
Частота составления карт и их размеры зависят от заблаговременности прогноза. Для суточных прогнозов основные карты (ограниченные территорией Европы, севера Атлантики и Сибири) составляются 4 раза в сутки. Необходим также ряд вспомогательных карт. Важны для анализа атмосферных процессов и прогноза высотные карты погоды. Для прогноза погоды на 2—3 суток и более составляются приземные и высотные карты северного полушария. Размер территории определяется скоростью движения атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов.
Данные, получаемые с метеорологических станций, наносятся на приземные карты погоды по единой для всех стран схеме, принятой Всемирной метеорологической организацией. По этой схеме (рис. 77, а) возле каждого пункта наблюдений, который обводится кружком (О), условными значками и цифрами наносятся следующие сведения о погоде: общее количество облаков (N), давление воздуха (РРР), температура воздуха (ТТ), температура точки росы (TdTd), максимальная или минимальная температура в течение суток (ТеТе) характеристика облаков нижнего
яруса (Q) и высота их в метрах (Nh), характеристика облаков среднего (См) и верхнего (Сн) ярусов, высота облаков нижнего яруса (h), горизонтальная видимость (vv), погода в срок наблюдения или за последний час перед наблюдением (ww), погода между сроками наблюдений (W), величина и знак барической тенденции, т, е. изменения давления за 3 часа перед наблюдением (±рр), характеристика барической тенденции (а), количество осадков за прошедшие 12 часов (RR). Направление ветра (откуда он дует) изображается стрелкой, направленной к кружку станции, а скорость ветра наносится в виде оперения на стрелке. Для каждого метеорологического элемента имеются специальные символы или условные значки, качественно характеризующие его состояние или интенсивность явления (например, снег, дождь, ливень, сильный дождь и т. д.).
На примере различного состояния погоды в двух пунктах покажем, как выглядят зашифрованные сведения о ней на приземных картах погоды. На рисунке 77, б изображен пример плохой погоды, когда в срок наблюдений все небо было покрыто облаками, до срока наблюдений шел дождь, который в срок наблюдений усилился; количество выпавших осадков за сутки составило 8,0 мм. Облака нижнего яруса слоистой формы и высота их над поверхностью земли 200 м, облака среднего яруса являются высокослоистыми. Температура воздуха +13°, а температура точки росы +12°, скорость ветра 16—17 м/сек, направление ветра юго-западное. Горизонтальная видимость характеризуется цифрой 98, что означает видимость около 4 км. Давление воздуха 1004,6 мб, за последние 3 часа оно упало на 2,5 мб, причем это падение происходило равномерно.
По данным наблюдений, во втором пункте (рис. 77, б) была хорошая погода. В срок и между сроками наблюдений было ясно. Температура воздуха +7°, а точки росы —6°, давление воздуха — 1021,0 мб, барическая тенденция 4-1,5 мб, происходивший рост давления был равномерным. Скорость ветра составляла 1 м/сек, а направление ветра было северо-восточным. Видимость хорошая —50 км.
На приземных картах погоды такие данные нанесены одновременно для всей сети метеорологических станций, будь то в Азии, Европе, Америке, Африке или Австралии с прилегающими частями океанов. Приземная карта погоды за 15 часов 3 мая на Европейской территории СССР приведена на рисунке 78.
По данным давления на уровне моря на карте проведены изобары (линии одинакового давления) и обозначено положение центров циклонов и антициклонов, а также положение атмосферных фронтов в местах пересечения их с поверхностью земли. В областях, где располагаются циклоны и проходят фронты, преобладает облачная погода с осадками, а в областях, занятых антициклонами, наблюдалась ясная погода или небольшая облачность и без осадков.
Высотные карты погоды (карты барической топографии) ежедневно строятся по материалам радиозондирования атмосферы. Они содержат сведения о температуре и влажности воздуха, направлении и скорости ветра, геопотенциале. Эти карты составляются для разных изобарических поверхностей (поверхностей с одинаковым давлением воздуха). Принято строить их для изобарических поверхностей 850, 700, 500, 300, 200, 100, 50, 30, 20 и 10 мб, которые приблизительно соответствуют высотам 1,5; 3; 5—5,5; 9; 12; 16; 20; 24; 27 и 29—30 км. В отдельных случаях для исследовательских целей по ракетным данным создаются карты для поверхностей давления 5 и 1 мб, соответствующие высотам 35—37 и 50 км.
Высота изобарической поверхности вычисляется не в обычных метрах, а в геопотенциальных, которыми выражается работа, необходимая для поднятия единицы массы от уровня моря до заданной высоты. Карты абсолютной барической топографии представляют поле давления атмосферы вблизи данной изобарической поверхности. Напомним, что величина абсолютного геопотенциала зависит от приземного давления и средней температуры воздуха в слое между нижней и верхней изобарическими поверхностями.
Анализ карт барической топографии состоит в проведении линий одинаковых значений геопотенциала, т. е. изогипс (линии
равных высот) и в получении рельефа давления на данной изобарической поверхности. На картах барической топографии хорошо изображены барические возвышенности и впадины, которым соответствуют. антициклоны и циклоны, гребни и ложбины. Здесь же определены зоны слабых и сильных ветров, струйные течения.
Кроме карт абсолютной топографии, ежедневно строятся карты относительной топографии — на них наносятся величины разностей геопотенциалов двух изобарических поверхностей. Так как величина относительного геопотенциала определяется средней температурой воздуха в слое между двумя поверхностями давления, например 500 и 1000 мб или 300 и 500 мб, то карты относительной топографии выражают распределение средней температуры слоя между взятыми поверхностями. На картах относительной топографии легко выделить области холода и тепла, зоны большого сгущения изогипс, т. е. фронтальные зоны.
Карты барической топографии позволяют установить структурные особенности циклонов и антициклонов, фронтальных зон и атмосферных фронтов, их термическое строение. Они важны для определения характера развития процессов, причин происходящих изменений структуры полей давления, температуры и ветра в тропосфере и нижней стратосфере. По характеру строения высотных полей температуры и ветра устанавливают возможность возникновения новых атмосферных вихрей и определяют траектории движения существующих. По этим картам вычисляют вертикальные движения воздуха, определяют возможные области выпадения осадков.
Прогностические карты барической топографии с суточной заблаговременностью получают с помощью электронных вычислительных машин.
Кроме основных, ежедневно строятся вспомогательные карты суточных или полусуточных сумм осадков, изаллобар (изменения давления в течение суток или полусуток), максимальных и минимальных температур, более подробные карты погоды по небольшой территории через каждый час или 2—3 часа, карты вертикальных движений, карты облачности по данным спутников и др.
Для определения состояния атмосферы и прогноза ливней и гроз по данным аэрологических наблюдений чертятся аэрологические диаграммы. Строятся также вертикальные разрезы атмосферы по наиболее интересным направлениям или трассам полетов самолетов. На разрезах, передаваемых летчикам, указываются направление и скорость ветра, струйные течения, зоны возможного обледенения и «болтанки» самолетов и т. п.
Все данные наземных и аэрологических наблюдений, как и данные спутников, синоптик-прогнозист использует при составлении прогноза погоды. При этом он располагает считанными минутами, так как несвоевременно составленный прогноз погоды теряет смысл.
В сегодняшнем арсенале синоптика очень много данных наблюдений. Обработать их в течение 3—4 часов и произвести комплексный анализ под силу учреждению, где работает большой коллектив метеорологов и техников. В СССР таким учреждением является Гидрометеорологический научно-исследовательский центр (Гидрометцентр СССР), находящийся в Москве. Здесь составляются прогнозы погоды с разной заблаговременностью для центральных учреждений и ведомств. В республиканских и некоторых областях бюро погоды составляется лишь часть перечисленных карт. Многие важные карты и графики, требующие больших вычислительных работ, готовятся в центре и передаются периферийным органам Службы погоды по факсимильной связи (передача изображения на расстоянии). Синоптикам местных бюро погоды из центра передаются консультации о развитии атмосферных процессов и ближайших изменениях погоды в различных районах страны.
Синоптик с ближайшими своими помощниками, анализируя ряд приземных и высотных карт погоды, составленных за разные сроки, как бы читает страницы из жизни атмосферы. Последовательно сравнивая все эти карты, изучая показания вспомогательных данных, графиков и вертикальных разрезов атмосферы, он узнает о деятельности атмосферных фронтов, видит, как рождаются и разрушаются высотные фронтальные зоны, возникают и исчезают большие и малые атмосферные вихри — циклоны и антициклоны, несущие ясную и теплую погоду либо ненастье, холод, бури и штормы. Составляются и прогнозы ветра на высотах — в тропосфере и стратосфере; при этом отмечаются зоны сильных ветров, т. е. струйные течения, где максимум; скорости нередко превышает 200—300 км/ч.
Каждому краткосрочному прогнозу погоды предшествует небольшое по времени, но многостороннее исследование атмосферных процессов. Синоптика интересуют процессы не только над территорией, по которой дается прогноз, но и далеко за пределами этой территории, поскольку атмосферные объекты и связанная с ними погода совершают за сутки путешествие, нередко превышающее 1000—1500 км. Средние скорости горизонтального переноса воздуха зимой составляют 30—40 км/ч, или до 800 — 1000 км за сутки.
Скорости вертикальных движений в сотни раз меньше горизонтальных. Средние скорости восходящих и нисходящих движений больших масс воздуха (так называемых упорядоченных движений) обычно составляют 3—5 см/сек, или 3—4 км за сутки. Однако подъема воздуха на 3—4 км достаточно для продолжительных обложных осадков. С точки зрения изменения погоды небольшие вертикальные движения воздуха подчас играют более значительную роль, чем при переносе воздуха по горизонтали на расстоянии 1000—2000 км.
Прогностические приземные и высотные карты погоды с суточной заблаговременностью начали составляться в 1943 г. До 60-х годов они строились на основе качественного синоптического анализа с элементами простейших расчетов. В последние 5— 6 лет прогностические карты для различных поверхностей тропосферы получаются численными методами. Подобным же способам строятся карты вертикальных движений воздуха.
Прогнозы погоды сравнительно легко составляются и хорошо оправдываются в случаях, когда изменение метеорологических процессов относительно невелико. Когда же происходит перестройка (преобразование) полей давления температуры и основных воздушных течений, это сопровождается возникновением новых и разрушением существующих атмосферных фронтов и атмосферных вихрей. С перестройкой воздушных течений изменяют направление движения циклоны, антициклоны и происходит смена погоды. В этих случаях обычно наиболее часты неудачи в прогнозах погоды.
При составлении прогноза синоптику трудно учесть весь огромный комплекс взаимодействующих факторов. И вот на помощь ему пришла математика, а новая техника способствовала рождению численных методов прогноза погоды.
Метеорологи давно искали пути замены качественных методов прогноза погоды, содержащих элементы субъективизма, объективными количественными методами. Для этого было необходимо производить расчет движения атмосферных вихрей с помощью уравнений гидродинамики. Однако результаты таких расчетов не могли быть удовлетворительными, поскольку для решения уравнений допускались значительные упрощения.
—Источник—
Погосян, Х.П. Атмосфера Земли/ Х.П. Погосян [и д.р.]. – М.: Просвещение, 1970.- 318 с.
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
