Погода и ее предвидение

Степень нагрева земной поверхности лучами Солнца зависит от положения Земли относительно Солнца. В течение года наша планета совершает один оборот вокруг Солнца. При этом одну половину года к Солнцу наклонено северное полушарие Земли; в это время оно получает больше тепла, чем южное, и в северном полушарии стоит лето, а в южном зима (рис. 14). В следующие полгода к Солнцу наклонено южное полушарие, которое теперь получает больше тепла, чем северное; в этот период в северном полушарии стоит зима, а в южном лето (рис. 15).

Рис. 14. Положение Земли по отношению к солнечным лучам в день летнего солнцестояния.

Рис. 15. Положение Земли по отношению к солнечным лучам в день зимнего солнцестояния.

Из рисунков нетрудно видеть, что в период летнего солнцестояния (рис. 14) в Арктике Солнце не заходит за горизонт, стоит долгий полярный день, а на южном полюсе Антарктида погружается в полярную ночь. В период зимнего солнцестояния (рис. 15) в Арктике Солнце находится за горизонтом и здесь стоит полярная ночь. В это же время в Антарктиде господствует полярный день.

Земля шарообразна. Поэтому количество тепла, поступающее от Солнца, различно для разных мест на земном шаре. В зоне экватора солнечные лучи падают на земную поверхность почти отвесно, а ближе к полюсам под углом — они здесь как бы скользят по поверхности Земли. Ясно, что одно и то же количество солнечных лучей распределяется по большей поверхности, падая под углом, чем при отвесном падении.

Подсчеты показывают, что на полюс поступает солнечной энергии почти в три раза меньше, чем на экватор. Этим и объясняется жаркий климат в экваториальных областях Земли и холодный в полярных. Таким образом, на Земле есть постоянный очаг тепла (экваториальная зона) и два постоянных очага холода (районы полюсов).

Если бы Земля не вращалась и поверхность ее была совершенно однородной, циркуляция атмосферы была бы очень проста: в нижнем слое воздушные массы двигались бы от полюсов к экватору, а в верхних слоях — от экватора к полюсам. В действительности картина гораздо более сложна.

Во-первых, на движение воздуха оказывает влияние отклоняющая сила вращения Земли. Эта сила действует на всякое движущееся тело и всегда направлена перпендикулярно к направлению движения, причем в северном полушарии вправо, а в южном влево. Под ее влиянием реки в нашем полушарии подмывают больше правый берег и он поэтому обычно выше, чем левый. Известно также, что на двухпутных железнодорожных линиях правый рельс изнашивается быстрее, чем левый. Льды в арктических морях движутся не по направлению ветра, а отклоняясь от него вправо на 30–40 градусов. В силу этого же закона движение атмосферного воздуха также отклоняется в северном полушарии вправо, а в южном влево.

В результате схематично можно представить следующее распределение воздушных течений в атмосфере (рис. 16). Воздух, поднимающийся в экваториальной зоне и начавший в северном полушарии двигаться на некоторой высоте к северному полюсу, под влиянием отклоняющею действия вращения Земли будет постепенно отклоняться вправо (к востоку). На широте около 30 градусов это отклонение достигнет 90 градусов и воздух будет двигаться уже не с юга на север, а с запада на восток. Так как при этом поступление воздуха из экваториальной зоны не прекращается, то над широтой 30 градусов он накапливается и вызывает повышенное атмосферное давление в широкой полосе у земной поверхности. Аналогичная картина наблюдается и в южном полушарии при движении воздуха из экваториальной зоны к южному полюсу. Воздух из поясов высокого давления над 30 градусами широты оттекает к экватору и к полюсам.

Рис. 16. Упрощенная схема общей циркуляции атмосферы.

В результате в полосе между экватором и параллелями 30 градусов в обоих полушариях возникают постоянные ветры — пассаты. В северном полушарии они дуют с северо-востока, а в южном — с юго-востока.

Обратные им потоки на высоте называются антипассатами.

В северном полушарии та часть приземного воздуха, которая оттекает из пояса высокого давления к полюсу, образует в этой зоне юго-западные ветры. Навстречу этому потоку из района северного полюса движется холодный воздух, направляющийся в сторону экватора. При этом под действием отклоняющей силы вращения Земли он приходит в умеренные широты в виде северо-восточного потока.

Встреча потоков относительно теплого воздуха с юго-запада с холодным воздухом, текущим с северо-востока, приводит к тому, что в одних районах теплый воздух натекает на холодный, продвигаясь к северу, а в других, наоборот, холодный воздух прорывается далеко к югу. Как мы увидим дальше, это взаимодействие теплого и холодного потоков воздуха приводит к образованию циклонов.

Рассмотренная выше схема общей циркуляции атмосферы является весьма упрощенной. В действительности картина гораздо сложнее. Общую схему нарушают как сезонные изменения высоты Солнца над горизонтом (зима и лето), так и, в особенности, неоднородность подстилающей (земной) поверхности. В первую очередь сказывается неравномерность нагревания воздуха над сушей и над водой. Днем поверхность суши сильно нагревается Солнцем, а ночью быстро остывает. Вода же, которая обладает большей теплоемкостью, мало нагревается днем, но зато медленно охлаждается ночью. В результате на берегах морей возникают постоянные потоки воздуха, называемые бризами. Днем суша нагревается сильнее, чем море, и воздух над ней, как более теплый и относительно легкий, поднимается вверх. На его место с поверхности моря притекает более холодный воздух. Так возникает дневной бриз. Ночью воздух над сушей охлаждается быстрее, чем над морем, и начинает двигаться в сторону моря, на место поднимающегося над ним более теплого воздуха. Возникает ночной бриз.

В более крупном масштабе подобное явление происходит на берегах океанов. Из-за различного нагревания поверхности суши и океана возникают воздушные течения, имеющие сезонный характер. Эти течения (их называют муссонами) зимой направлены с охлажденной суши на более теплую поверхность океана, а летом, наоборот, с менее нагревающейся поверхности океана на более нагретую поверхность суши.

Особое значение в системе циркуляции атмосферы имеет возникновение на поверхностях разделов между различными по температуре массами воздуха атмосферных вихрей — циклонов. По наиболее разработанной и распространенной, так называемой «волновой» теории происхождения циклонов, возникают и развиваются они следующим образом. Огромные массы теплого и холодного воздуха, имеющие различную плотность и движущиеся в противоположных направлениях вдоль фронтальных поверхностей, вызывают образование волн на этих поверхностях. Начало образования такой волны схематически изображено на рис. 17. При появлении волны теплый воздух начинает натекать на более холодный, а холодный — вторгаться под теплый. В результате образуется циклоническая, т. е. круговая система ветров и связанная с нею замкнутая область пониженного давления — циклон. В области зарождающегося циклона появляются два различных участка фронта — теплый и холодный.

Рис. 17. Возникновение волны на стационарном атмосферном фронте и образование нового циклона.

На рис. 18 приведено последовательное развитие циклона. Рис. 18, а показывает начальную стадию движения теплого и холодного воздуха вдоль фронтальной поверхности. Рис. 18, б — начало развития волны с сопутствующим появлением осадков (заштрихованная зона). На рис. 18, в вы видите дальнейшее развитие волны (стадия молодого циклона). На рис. 18, г сектор, занимаемый теплым воздухом, сужается в связи с более быстрым движением холодного фронта и приближением холодного фронта к теплому. Циклон продолжает углубляться. На рис. 18, д показано начало затухания (окклюзии) циклона, возникающего вследствие подсекания холодным воздухом теплого и вытеснения теплого воздуха вверх. Наконец, на рис. 18, е изображена заключительная стадия жизни циклона — оставшийся после окклюзии вихрь холодного воздуха, который быстро теряет силу.

Рис. 18. Последовательное развитие циклона.

Характерная для циклона погода наиболее ясно выражена в его второй стадии, стадии молодого циклона.

Рис. 19. Только что образовавшийся «молодой» циклон.

На рис. 19 отчетливо видно, к чему привел изгиб фронтальной поверхности, на которой образовалась волна, переходящая затем в циклон. Давление воздуха в центре циклона показано изобарой, соответствующей 990 миллибарам; к краям циклона это давление увеличивается до 1000 миллибар. От центра циклона расходятся теплый и холодный фронты. Температура воздуха в теплом секторе, заключенном между холодным и теплым фронтом, составляет 2–3 градуса выше нуля. В холодном воздухе, перед теплым фронтом, она понижается до 5–9 градусов ниже нуля. Заштрихованная полоса перед теплым фронтом обозначает широкую зону осадков в виде снега. Высота облачности при этом колеблется от 50 до 300 метров. В массе воздуха за холодным фронтом температура воздуха 2–3 градуса ниже нуля.

Направление ветра (указываемое на рис. 19 стрелками) свидетельствует о том, что воздух подтекает к центру циклона, образуя общий вихрь, вращающийся вокруг центра циклона против часовой стрелки. Как видно, на этой стадии развития циклона теплый воздух продвинулся далеко на север, а холодный воздух в тылу холодного фронта продвигается далеко на юг.

Нетрудно видеть, что в циклонической циркуляции участвуют массы воздуха с различными температурами, притекающие из разных географических районов.

Таким образом, нанесение изобар и выявление местоположения циклона на синоптической карте помогает определить направление движения воздушных масс. Как уже говорилось, воздушные массы в каждый данный момент перемещаются параллельно изобарам, оставляя изобары с более низким давлением слева. Изменение направления изобар свидетельствует об изменении направления перемещения воздушных масс. Если проследить за развитием и перемещением такого циклона по синоптическим картам, можно одновременно проследить и дальнейшее перемещение воздушных масс и фронтов.

В некоторых случаях циклоны следуют друг за другом сериями, до 4–5 циклонов один за другим, в виде нескольких волн на одной и той же фронтальной поверхности.

Кроме того, если в область циклона попадает новый фронт, располагавшийся ранее где-либо севернее, т. е. вторгается новый поток холодного воздуха, циклон может снова углубиться, ветры в нем усиливаются, он как бы «возрождается».

В умеренных широтах циклоническая циркуляция воздуха выражается, как мы видели, в вихревом движении больших масс воздуха вокруг центра циклона. Однако под этим не нужно понимать вихрь в обычном значении этого слова. Скорости ветра в циклонах, особенно на холодных фронтах, бывают велики, но все же они очень редко достигают разрушительной силы. Но в тропиках, в зоне тропического фронта над океанами, возникают особые формы циклонов — ураганы и тайфуны, при которых скорость ветра очень велика.

В начале своего образования такой циклон имеет совсем небольшой диаметр. В процессе развития циклона сильно падает давление в его центре (за счет подъема вверх теплого и влажного тропического воздуха), что и приводит к крайнему усилению ветра — до 50–70 метров в секунду, с отдельными порывами, доходящими до 100–110 метров в секунду. Захватывая берега материков и острова, такой тайфун нередко вызывает большие разрушения. Так, в 1934 г. тайфун, разразившийся над Японией, разрушил полностью или частично 700 000 домов, 1800 мостов, вызвал наводнение в прибрежных областях, вывел из строя более 11 000 судов.

Циклоны обычно разделяются областями повышенного давления, развивающимися часто в замкнутые барические системы с повышенным давлением в центре — антициклоны. Подобно циклонам они возникают, развиваются и разрушаются. Различие заключается в том, что в антициклоне в процессе его развития происходит накопление массы воздуха, которое вызывает рост атмосферного давления в его центре. В результате антициклон представляет собой громадный вихрь, в котором воздушные потоки направлены от центра к периферии.

Диаметр антициклонов может достигать 1500–2000 километров.

В центре антициклона происходит приток воздуха из верхних слоев, который, нагреваясь при опускании, препятствует возникновению облачности и осадков. В некоторых стадиях своего развития антициклоны способны долго задерживаться на одном месте и тогда здесь длительное время стоит устойчивая ясная погода. Наблюдающиеся на нашей территории летом засушливые периоды связаны обычно с такими устойчивыми антициклонами. Существование их поддерживается за счет вторжений холодного и сухого воздуха из Арктики.

Зимой в устойчивых антициклонах над материком температура воздуха часто значительно понижается. На Европейской территории СССР это понижение может достигать 30–40, а в Якутии и на Чукотке 50–55 градусов мороза и ниже.

Предвидение погоды на короткий срок

А теперь мы можем перейти к вопросу о том, как же научно предсказывается погода. Прежде всего надо сказать, что в основном прогнозы погоды делятся на два основных вида: краткосрочные — на срок от нескольких часов до суток, и долгосрочные — на месяц и более вперед. В основе того и другого лежит анализ синоптических карт. Посмотрим сначала, как это делается для краткосрочных прогнозов погоды.

Прежде всего специалист-синоптик[6] подробно изучает очередную синоптическую карту с нанесенными на ней данными. Он рассматривает распределение давления воздуха. Для этого он проводит на карте линии равных давлений воздуха — изобары. Это дает возможность выяснить, как размещаются на карте циклоны и антициклоны. Чтобы определить, как они будут в дальнейшем развиваться и куда перемещаться, помимо изобар на карте проводятся еще так называемые линии изотенденций. Эти линии соединяют на карте места с одинаковой величиной изменения давления воздуха за промежуток между очередными сроками наблюдений. Данные об этом передаются метеорологическими станциями и наносятся на карты. Изотенденции проводятся через каждый миллибар и позволяют видеть на картах очаги наибольшего роста или наибольшего падения давления воздуха.

Затем, для того чтобы определить характеристики воздушных масс и фронтов, на карте цветными карандашами выделяются районы, где наблюдаются осадки, туманы, грозы, метели, сильные ветры, гололед. Используя ряд дополнительных материалов (диаграммы распределения температуры и влажности по высотам и др.), на карте наносят линии фронтов. При этом устанавливают местоположение как ранее существовавших, так и вновь возникших фронтов. Одновременно определяются типы и характеристики фронтов.

В настоящее время, в связи с широким распространением метеорологических наблюдений на разных высотах, помимо приземных карт погоды составляются также высотные карты. В частности, большое значение приобрели так называемые карты барической топографии, отображающие распределение давления воздуха по высотам. На этих картах, на основе наблюдений, наносятся высоты (над уровнем моря) поверхностей одинакового давления воздуха или, как их называют, изобарических поверхностей.

Карты барической топографии позволяют судить о вертикальном строении атмосферных вихрей — циклонов и антициклонов. В совокупности с другими специальными графиками, показывающими распределение по высотам температуры, давления и влажности воздуха, карты барической топографии представляют синоптику дополнительные возможности для суждения о ходе развития процессов погоды, а следовательно, и для прогнозов погоды.

Карты барической топографии позволили перейти от обычного анализа атмосферных процессов на плоскости по приземным синоптическим картам к анализу изменения этих процессов в пространстве, в значительном слое нижней атмосферы.

Изучение каждой очередной карты проводится в сравнении с картой за предыдущий срок. Это облегчает задачу, поскольку на предыдущей карте уже было выявлено, как складывались атмосферные процессы, и анализ новой карты сводится к тому, чтобы установить, как идет развитие этих процессов.

На основе сравнения результатов анализа очередной карты с предыдущей (или с картами за несколько сроков) прежде всего составляется прогноз синоптического положения. Это означает, что синоптик должен определить общий характер развития атмосферных процессов, т. е. определить вероятное перемещение и развитие циклонов и антициклонов, воздушных масс и фронтов. Все это наносится на чистый бланк карты. Обычно прогноз дается на сутки вперед.

Карта будущего положения указывает вероятное местоположение центров циклонов и антициклонов (буквами Н — для низкого и В — для высокого давления) и ожидаемых зон наибольшего изменения давления (буквами Р — для роста и П — для падения давления). Кроме того, для ряда географических пунктов производится расчет ожидаемого давления воздуха. Затем намечается предполагаемое расположение фронтов. В заключение на карте вокруг центров низкого и высокого давления проводятся изобары, ограничивающие циклоны и антициклоны.

В результате синоптик получает по существу ту же синоптическую карту, только без нанесенных данных.

Чем тщательнее будет составлен прогноз будущего синоптического положения, тем правильнее будет и прогноз погоды. Имея схему будущего расположения барических систем и фронтов и учитывая условия погоды, отображенные на предыдущих синоптических картах, можно судить и о вероятных изменениях погоды в том или ином районе. Так, например, если при анализе синоптического положения установлено, что через район, для которого нужно дать прогноз погоды, должен проходить теплый фронт, то, очевидно, можно будет рассчитывать на то, что погода в этом районе будет соответствовать характеристикам теплого фронта.

При этом, однако, всегда приходится учитывать местные условия, которые могут тем или иным образом влиять на погоду. Наблюдения показывают, что нередко в силу местных условий один и тот же атмосферный процесс может привести к существенно различным условиям погоды.

Приходится учитывать, например, усиление восходящих потоков воздуха при переходе их через горные хребты, возникновение облачности в связи с неравномерным нагреванием воздуха над различными участками земной поверхности и т. д. Нужно считаться также с тем, что вследствие понижения температуры воздуха ночью и повышения ее днем фронты в течение суток могут менять интенсивность, ослабевая ночью и обостряясь днем.

Краткосрочные прогнозы погоды даются на различные сроки. Прогнозы общего пользования составляются обычно на сутки вперед. К ним относятся, в частности, те, что передаются ежедневно по радио для Москвы и Московской области Центральным институтом прогнозов, а также республиканскими и областными Бюро погоды для соответствующих республик и областей. Кроме того, Служба погоды дает и специализированные прогнозы по запросам соответствующих потребителей. Например, для авиации прогнозы составляются на время от вылета самолета до его посадки и для маршрута полета.

Для рейсовых самолетов Гражданского воздушного флота прогнозы погоды выдаются летчикам одновременно с графическим изображением условий погоды по пути полета в разрезе (рис. 20). Это позволяет летчику выбирать наиболее выгодную высоту полета.

Рис. 20. Графическое изображение условий погоды по пути полета, в разрезе.

На основании составляемых прогнозов Служба погоды предупреждает о возможности возникновения опасных для той или иной отрасли хозяйства явлений. Сюда относятся предупреждения о заморозках для садоводов и огородников, предупреждения о штормах для морского и речного флота и для авиации и т. д.

Долгосрочные прогнозы погоды

С 1922 г. наша Служба погоды регулярно дает прогнозы погоды и на долгие сроки. При этом различают так называемые прогнозы малой заблаговременности, на период 3–10 дней, и большой заблаговременности — на месяц, на сезон.

Известны многочисленные попытки разрешения проблемы предвидения погоды на длительный срок, но одним из наиболее эффективных является метод советского ученого Б. П. Мультановского (1876–1936). Этот метод основан на исследовании процессов в атмосфере по синоптическим картам. Коротко говоря, он заключается в следующем. По исследованиям Б. П. Мультановского и его учеников, северное полушарие можно разделить на три района, в каждом из которых в силу их физико-географических особенностей развиваются своеобразные атмосферные процессы. Эти районы получили названия естественных синоптических районов.

На погоду Европейской части СССР влияют процессы, которые развиваются в районе от Гренландии на западе до Енисея на востоке и от побережья Северного Ледовитого океана до 30 градусов северной широты. Для этого района Б. П. Мультановский установил закономерности в смене циклонов и антициклонов. Промежуток времени, в течение которого на пространстве естественного синоптического района сохраняется географическое расположение циклонических и антициклонических образований, был назван Б. П. Мультановским естественным синоптическим периодом. При этом сохраняется направленность перемещения циклонов и антициклонов. В результате по первым двум дням естественного синоптического периода можно судить о вероятном расположении и перемещении циклонов и антициклонов в течение остальных дней периода. Соответственно можно судить и о вероятных изменениях условий погоды на путях перемещения циклонов и антициклонов.

Исследования показали, что продолжительность естественного синоптического периода сохраняется в пределах от 5 до 8 дней. Именно это и позволяет использовать синоптические периоды для прогноза погоды.

По первым дням периода устанавливается вероятная направленность перемещения циклонов и антициклонов. Для определения хода развития атмосферных процессов в течение естественного синоптического периода Б. П. Мультановский предложил составлять специальные карты, на которых на основе ежедневных синоптических карт обозначались изо дня в день положения центров циклонов и антициклонов. Центры циклонов обозначались черными кружками, а антициклонов — светлыми. Такие сборные карты (рис. 21 и 22) позволяют наглядно представить себе размещение циклонов и антициклонов в исследуемом районе за весь период. Как видно из рис. 21, на карте могут быть отчетливо выделены зоны преобладания циклонов и антициклонов. Рисунок показывает, что определенное соотношение этих зон сохраняется в течение всего периода с 20 по 26 января 1935 г. Затем наступает перелом и в период с 27 января по 4 февраля 1935 г., т. е. в следующий естественный синоптический период, указанные зоны меняются местами (рис. 22). Нетрудно представить, что при этой смене меняются и условия погоды в соответствующих районах.

Рис. 21. Сборная карта естественного синоптического периода с 20 по 26 января 1935 г.

Рис. 22. Сборная карта естественного синоптического периода с 27 января по 4 февраля 1935 г.

Наступление перелома от одного синоптического периода к другому обнаруживается в самом начале нового периода, что и дает возможность определить вероятное развитие процессов на этот новый период.

Что касается чисто погодных характеристик, то они определяются в первую очередь по заранее известным связям между атмосферными процессами и условиями погоды. Большую помощь в этом оказывает и подбор так называемых аналогов. Для этого используется архив синоптических карт за прошлые годы. Из него выбираются те карты, положение на которых наиболее соответствует процессу, ожидаемому для данного синоптического периода.

Для удобства подбора аналогов архив карт обрабатывается так, что отражаемые каждой картой положения выражаются цифровыми характеристиками и наносятся на отдельные карточки. Подбор аналога по таким карточкам может производиться с помощью электронных счетных машин, что избавляет от необходимости затрачивать большой труд на перелистывание многочисленных карт в архиве.

Для предсказания погоды на срок, превышающий естественный синоптический период, на месяц или на сезон, Б. П. Мультановский использовал исследование путей движения антициклонов. Проследив это движение по синоптическим картам за длительный период времени, он обнаружил, что оно совершается по некоторым определенным путям или «осям». Имеются две группы этих путей: одна направлена с запада на восток, другая — с севера на юг. К первой группе относятся пути движения антициклонов, зарождающихся над Атлантическим океаном в районе Азорских островов, к другой — пути перемещения антициклонов, возникающих в арктических районах. Оказалось, что, раз начавшись, движение антициклонов по определенным осям сохраняется в течение продолжительного времени, порядка месяца и иногда даже сезона. Составляя сборные карты для тех периодов, в которые антициклоны движутся по какой-либо определенной оси, возможно определить и общий характер погоды в различных районах при движении антициклонов.

При каких условиях антициклоны начинают двигаться по той или иной оси? Исследование этого вопроса привело к выводу, что направление движения антициклонов зависит от распределения давления в тех районах, откуда они берут свое начало. Эти области Б. П. Мультановский назвал центрами действия атмосферы.

Один из таких центров расположен в Атлантическом океане, в районе Азорских островов. В полярном районе имеется три центра действия атмосферы.