Основы метеорологии

Основы метеорологии

Из истории развития синоптической метеорологии

Прогнозы погоды (П.п.) составляются методами синоптической метеорологии. Синоптическая метеорология С.М.(от греч. synoptikos – способный всё обозреть), - раздел метеорологии, изучающий атмосферные процессы, определяющие условия погоды и их изменения с целью разработки методов прогноза погоды.

Первые попытки предвидения погоды, основанные на местных признаках, относятся к глубокой древности. Обычно, столь «выгодным» делом занимались колдуны, шаманы, знахари, жрецы, то есть люди в своём окружении талантливые и наблюдательные. Передавая знания и опыт своим последователям они подмечали какие местные признаки (ветер со стороны на которой мох у деревьев- к похолоданию, иногда не выпавшая утром роса на траве- к образованию тумана, перемена ветра перед сильным дождём и т.д.), означают то или иное состояние погоды. Были в их предсказаниях и ошибки, но их списывали на волю богов, которым поклонялся данный народ. Мы - дети своей истории, зайдите сейчас на пороге ХХI века в любой метеорологический центр и вы услышите от людей не связанных с этой профессией в обращении к синоптикам: «Что наколдовали шаманы?, Я вам бубен принёс, Ну что, боги погоды ?». В 350 – г.г. до н. э. древнегреческий философ и учёный Аристотель одним из первых научно обосновал и написал логический трактат «О метеорологических вопросах».

После изобретения в ХVII веке барометра, делались попытки предсказания погоды по изменению атм.давления в данном пункте, но единичные данные не давали общей картины для анализа процессов происходящих в атмосфере. Первую попытку построения прогнозных карт предпринял в 1826г. немецкий учёный Г.В. Брандес. Но только изобретение телеграфа создало предпосылки для широкого развития синоптического метода и позволило создать службу погоды. Практическим толчком к этому послужила буря 14 февраля 1854, во время которой в Балаклавской бухте погибло много кораблей англо-французкого флота, действовавшего на Чёрном море в период Крымской войны (1853-1856г.). Французкий учёный Урбен Жан Жозеф ЛЕВЕРЬЕ астроном, член Парижской АН который всю жизнь занимался небесной механикой, вопросами устойчивости Солнечной системы. Будучи к этому моменту директором Парижской обсерватории проследил перемещение этой бури в Европе по данным имевшихся наблюдений и пришёл к выводу, что её можно было своевременно предсказать при условии обмена данными наблюдений между разными странами.

В Главную физическую обсерваторию в Петербурге метеорологические телеграммы начали поступать в 1856г., а в 1872г. в России под руководством М.А. Рыкачёва начато издание ежедневного бюллетеня погоды. Первое штормовое предупреждение по Балтийскому морю было дано 10 октября 1874г.  Ещё до организации службы погоды Г.В. Дове (1837) в Германии пришёл к выводу, что изменения погоды в умеренных широтах объясняются последовательной сменой полярных и экваториальных потоков воздуха и что все атм.движения имеют вихревой характер. В 60-х гг. английский учёный Р. Фицрой Вице-адмирал, тот самый что возглавлял океанографическую экспедицию на корабле «Бигл», в которой участвовал Ч. Дарвин; во время этой эксп. были произведены съёмки берегов Патагонии, Огненной Земли и Магелланова пролива. Развивая воззрения Дове, Фицрой доказал, что, в атмосфере умеренных широт всегда обнаруживаются перемежающиеся течения полярного и тропического воздуха, на границах между которыми возникают циклоны.

В 20-е годы ХХв. Норвежские учёные В. Бьеркнес, Т. Бержерон и др. более точно сформулировали представления о воздушных массах и атмосферных фронтах, предложили схемы эволюции циклонов и антициклонов и развили волновую теорию циклогенеза. Циклогенез - процесс возникновения и развития циклона, Антициклогенез – процесс возн. и разв. антициклона. Дальнейшее развитие С.М. происходило под знаком внедрения в синоптич. анализ аэрологических наблюдений, ставших возможными после изобретения радиозонда, первая конструкция к-рого была предложена П.А. Молчановым. В конце 40 -нач. 50-х гг. рост аэрологич. сети и увеличение высоты подъёма радиозондов позволили обогатить С.М. новыми представлениями, в частности о струйных течениях. С 50-х гг. также интенсивно развивались методы описания и прогноза атм. процессов с помощью составления и численного решения уравнений атм. гидротермодинамики. В 60-е гг. начался новый этап развития С.М. 28 февраля 1967. запущен первый метеорологический спутник. На базе гидродинамич. теории и численных методов анализа, прогноза полей давления, температуры и ветра оказалось возможным перейти к рассмотрению атм. процессов в целом, в масштабе всей планеты (Дж. Смагоринский и др.,США) и численному краткосрочному а также долгосрочному прогнозу общего характера погоды для больших территорий.

И наконец 90-е г.г. подарили С.М. персональные компьютеры с их мобильностью, и мировой метеорологической сетью. Что позволяет современным метеорологическим службам значительно повысить наглядность, качество и оперативность прогнозов погоды. С.м. изучает, те атмосферные процессы, которые развиваются на обширных территориях и по масштабам относятся к звеньям общей циркуляции атмосферы.

Исследования этих процессов опираются на физические законы, определяющие изменения свойств воздуха и его движение; при этом учитываются широта места, с которой связано количество притекающей солнечной энергии, а также характер и свойства подстилающей поверхности (суша, характер её рельефа, море), реализующей эту энергию.

В тропосфере сюда относятся пассаты, муссоны, воздушные течения, связанные с циклонами и антициклонами, в стратосфере – преимущественно западные переносы воздуха с наложенными на них длинными волнами. Создавая перенос воздуха, а с ним тепла и влаги из одних широт и регионов в другие, Ц.а. является важнейшим климатообразующим процессом. Характер погоды и его изменения в любом месте Земли определяются не только местными условиями теплооборота между земной поверхностью и атмосферой, но и Ц.а. Существование Ц.а. обусловлено неоднородным распределением атмосферного давления (наличием барического градиента), вызванным прежде всего неодинаковым притоком солнечной радиации в различных широтах Земли и различными физическими свойствами земной поверхности, особенно в связи с её разделением на сушу и море. Неравномерное распределение тепла на земной поверхности и обмен теплом между ней и атмосферой приводят в результате к постоянному существованию Ц.а., энергия которой расходуется на трение, но непрерывно пополняется за счёт солнечной радиации.

Вследствие силы Кориолиса движение воздуха при общей Ц.а. является квазигеострофическим, т.е. оно достаточно близко к геострофическому ветру, направленному по изобарам, перпендикулярно барическому градиенту. А т.к. атмосферное давление распределяется над земным шаром в общем зонально (изобары близки к широтным кругам), то и перенос воздуха имеет зональный характер. Распределение атм.давления над земной поверхностью, а с ним и течения Ц.а. зональны лишь в общих чертах. В действительности Ц.а. находиться в непрерывном изменении как в связи с сезонными изменениями в распределении источников и стоков тепла на земной поверхности и в атмосфере, так и в связи с циклонической деятельностью которая осуществляет обмен воздуха между низкими и высокими широтами Земли. В низких широтах Земля получает больше тепла от Солнца, чем теряет его путём собственного излучения, в высоких широтах – наоборот. Междуширотный обмен воздухом приводит к переносу тепла из низких широт в высокие и холода из высоких широт в низкие, чем сохраняется тепловое равновесие на всех широтах Земли.

У земной поверхности и в нижней тропосфере зональное распределение давления сложнее, поскольку оно в большей степени определяется циклонической деятельностью. В процессе последней циклоны, перемещаясь в общем к востоку, в тоже время отклоняются в более высокие широты, а антициклоны – в более низкие. Поэтому в нижней тропосфере (и у земной поверхности) образуются две субтропические зоны повышенного давления по обе стороны от экватора см (рис.в),вдоль которого давление понижено (экваториальная депрессия); в субполярных широтах образуются две зоны пониженного давления (субполярные депрессии); в самых высоких широтах давление повышено. Этому распределению давления соответствуют западный перенос в средних широтах каждого из полушарий и восточный перенос в тропических и высоких широтах.

Теперь, когда мы разобрались с общей циркуляцией атмосферы «опустимся» с небес на землю. Между подстилающей поверхностью и атмосферой существует непрерывный обмен теплом , влагой и примесями разного рода. В различных областях Земли под влиянием теплообмена с земной поверхностью формируются воздушные массы тропосферы с разными свойствами ; пограничные зоны между ними при определённых условиях превращаются в резкие атмосферные фронты.

Атмосферные фронты и барические образования.

Атмосферные фронты А.ф.– промежуточные, переходные зоны между  воздушными массами в тропосфере. Зона А.ф. очень узка по сравнению с разделяемыми ею воздушными массами, поэтому её приближённо рассматривают, как поверхность раздела двух воздушных масс разной температуры и называется фронтальной поверхностью. По той же причине на синоптических картах А.ф. изображают в виде линии (линия фронта). Если бы воздушные массы были неподвижны, поверхность А.ф. была бы горизонтальной, с холодным воздухом внизу и теплым над ним, но поскольку обе массы движутся, она располагается наклонно к земной поверхности, причём холодный воздух лежит в виде очень пологого клина под тёплым. Тангенс угла наклона фронтальной поверхности (наклон фронта) – порядка 0,01гр. Размеры А.ф.: по горизонтали - от 500км до 5000км и более, по вертикали - до высот 5000 – 7000м. На картах погоды: тёплый А.ф. наносят линией красного, холодный А.ф.- синего, а фронт окклюзии коричневого цвета. У земной поверхности А.ф. характеризуются, увеличенными горизонтальными градиентами температуры воздуха – в узкой зоне фронта температура резко переходит от значений, свойственных одной воздушной массе, к значениям, свойственным другой , причём изменение иногда превышает 10гр С. Меняются во фронтальной зоне также влажность воздуха и его прозрачность.

Перед линией фронта ветер усиливается и несколько поворачивает влево. За фронтом ослабевает и поворачивает вправо. В барическом поле А.ф. связаны с ложбинами пониженного давления в циклонах; поэтому при прохождении А.ф. происходят соответствующие изменения атм. давления и ветра. Над фронтальными поверхностями образуются обширные облачные системы, включающие слоисто-дождевые(Ns), кучево-дождевые (Св) облака, дающие осадки. А.ф. перемещаются со скоростью, равной нормальной составляющей к фронту скорости ветра, поэтому прохождение А.ф. через место наблюдения приводит к быстрому (в течение часов) и подчас резкому изменению важных метеорологических элементов и к изменению всего режима погоды. А.ф. характерны для внетропических широт Земли, в особенности для умеренных широт, где между собой граничат основные воздушные массы тропосферы. Основная причина возникновения А.ф. - фронтогенез – наличие таких систем движения в тропосфере, которые приводят к сближению (сходимости) масс воздуха, обладающих разной температурой. Первоначально широкая переходная зона между воздушными массами становится при этом резким фронтом. В процессе общей циркуляции атмосферы между воздушными массами разных широтных зон с достаточно большими контрастами температуры возникают длинные (тыс. км), вытянутые преимущественно по широте главные фронты – арктические, антарктические, полярные, на которых происходит образование циклонов и антициклонов.

Циклон (Ц.) - (от греч. kyklon – кружащийся, вращающийся), атмосферное  возмущение с пониженным давлением в центре и вихревым движением воздуха. На картах обозначается буквой Н. Различают Ц. внетропические и тропические. Последние обладают особыми свойствами и возникают гораздо реже. Минимальное атмосферное давление в Ц. приходится на центр Ц., к периферии оно растёт, т.е. горизонтальные барические градиенты направлены снаружи циклона внутрь. Замкнутые изобары (линии равного давления) неправильной, но в общем овальной формы ограничивают область пониженного давления (барическую депрессию) поперечником от нескольких сотен км. до 2-3 тысяч км. В этой области воздух находится в вихревом движении. В свободной атмосфере, выше пограничного слоя атмосферы (ок.1000 м ) он движется приблизительно по изобарам, отклоняясь от барического градиента на угол, близкий к прямому, вправо в Северном полушарии и влево в Южном (вследствие влияния отклоняющей силы Кориолиса и центробежной силы, возникающей при движении по криволинейным траекториям). У земной поверхности ветер образует с барическим градиентом угол порядка 60гр, т.е. к вращательному движению воздуха присоединяется течение воздуха вовнутрь Ц. Скорости ветра в Ц. сильнее, чем в смежных областях атмосферы ; иногда они достигают более 20 м/с (шторм) и даже более 30 м/с (ураган). В связи с восходящими составляющими движения воздуха, особенно вблизи фронтов, в циклонах преобладает облачная погода и выпадает основная часть осадков. Вследствие вихревого движения воздуха в область Ц. втягиваются различные по температуре воздушные массы из разных широт Земли. С этим связана температурная асимметрия Ц.; в различных его секторах температуры воздуха различны. С высотой изобары теряют замкнутую форму. Это происходит в зависимости от стадии развития Ц. и распределения температуры в нём. В начальной стадии развития подвижной (фронтальный) Ц. охватывает лишь нижнюю часть тропосферы. В стадии наибольшего развития Ц. может распространяться на всю высоту тропосферы и даже простираться в нижнюю стратосферу.

Подвижные циклоны перемещаются в атмосфере в общем с З. на В. В каждом отдельном случае направление перемещения определяется направлением общего переноса воздуха в верхней тропосфере. Средние скорости перемещения Ц. порядка 30-45 км/ч, но встречаются Ц., которые движутся быстрее (до 100км/ч). Перемещаясь, Ц. способствует переносу тёплого воздуха в передней (восточной) части к высоким широтам и холодного воздуха в тыловой части (западной) к низким широтам. В южной части Ц. в нижних слоях создаётся тёплый сектор, ограниченный тёплым и холодным фронтами (стадия молодого Ц.). В последующем, при смыкании холодного и тёплого фронтов (окклюзия Ц.) происходящего вследствие большей скорости холодного фронта нежели тёплого он всегда догоняет последний, смешиваясь, они образуют сложный фронт именуемый фронтом окклюзии. Тёплый воздух оттесняется холодным от земной поверхности в высокие слои. Тёплый сектор ликвидируется и в Ц. устанавливается более равномерное распределение температуры (стадия окклюдированного Ц.) (рис.6). Запас энергии, способной превратиться в кинетическую, в Ц. иссякает; Ц. затухает, размывается или объединяется с другим Ц.(стадия старого Ц.).

На главном фронт обычно развивается серия (семейство) циклонов, состоящая из нескольких Ц., перемещающихся один за другим. В конце развития серии отдельные ещё не затухшие Ц., объединяясь, образуют обширный, малоподвижный, глубокий и высокий центральный Ц., состоящий из холодного воздуха по всей своей толщине. Постепенно и он затухает. Одновременно с образованием Ц. возникают между ними промежуточные антициклоны с высоким давлением в центре. Весь процесс эволюции отдельного Ц. занимает несколько дней; серия циклонов и центральный Ц. могут существовать одну-две недели. В каждом полушарии в каждый момент можно обнаружить несколько главных фронтов и связанных с ними серий Ц.; общее число Ц. за год составляет много сотен над каждым полушарием. Ц. несёт нам пасмурную, дождливую (снежную) ветреную в передней и южной части тёплую погоду.

Антициклон А.– область в атмосфере, характеризующаяся повышенным давлением воздуха. Наивысшее давление – в центре А. и убывает к периферии. А. повседневно развиваются в тропосфере наряду с циклонами. Продолжительность существования отдельного А. – несколько суток, а иногда и недель. Как и циклоны, А. перемещаются в направлении общего переноса воздуха в тропосфере, т.е. с запада на восток, отклоняясь при этом к низким широтам. Средняя скорость перемещения А. – ок. 30км/ч в Сев. полушарии и ок. 40км/ч в Южном, но нередко А. надолго принимает малоподвижное состояние. Ветер в А. дует, огибая центр А, в Северном полушарии по часовой стрелке, в Южном – против часовой стрелки, образуя тем самым гигантский вихрь. Размер А. в поперечнике порядка тысяч км. А. несёт нам ясную, солнечную, (зимой морозную) безветренную погоду.