10. Прогноз погоды. Элементы синоптической метеорологии

Прогноз погоды – научно обоснованное предвидение изменений погоды, являющихся результатом анализа крупномасштабных атмосферных процессов и применения известных науке закономерностей их развития.

Прогнозная деятельность включает три последовательных этапа:

- наблюдения за погодой;

- сбор информации и обработка результатов наблюдений;

- составление прогноза.

Прогнозы погоды делятся на три основных типа:

- краткосрочные (от нескольких часов до 1-2 сут.);

- долгосрочные малой заблаговременности (3-10 сут.);

- долгосрочные большой заблаговременности (на месяц и более).

Прогнозы погоды составляются для территорий (область, край, страна, акватории морей), а также для отдельных населённых пунктов, аэропортов, авиатрасс, автомобильных и железнодорожных магистралей.

Прогнозы погоды подразделяются на специализированные, предназначенные для различных отраслей народного хозяйства, и общего пользования - для населения. К первым относятся также предупреждения об опасных явлениях погоды (циклоны, грозы, туманы, метели, сильные ветры, пыльные бури, заморозки и др.), которые могут вызвать затруднения в работе отдельных отраслей народного хозяйства или причинить ущерб, а также угрожать безопасности населения.

В краткосрочных прогнозах погоды и предупреждениях ожидаемые условия погоды указываются более детально, чем в долгосрочных. Так, например, в прогнозе погоды для авиации сообщаются ожидаемые условия погоды на высоте полета самолета (вид и количество облачности, направление и скорость ветра, температура воздуха, наличие таких опасных явлений, как болтанка, обледенение, грозовые разряды) и в аэропорту посадки (высота облачности и видимость, направление и скорость ветра, температура воздуха).

В долгосрочных прогнозах погоды малой заблаговременности характер погоды на предстоящий период описывается в более общем виде:

- преобладание ясной или облачной погоды;

- возможность выпадения осадков;

- пределы дневных и ночных температур;

- резкие изменения погоды;

- преобладающее направление и скорость ветра.

Прогноз погоды на месяц содержит:

- знак и величину отклонения средней месячной температуры и осадков от нормы;

- указания периодов наиболее существенных изменений погоды: похолоданий и потеплений, переходов от сухой к ненастной погоде.

Кроме месячных прогнозов существуют прогнозы погоды на так называемые естественные синоптические сезоны со средней продолжительностью каждого – около 2 месяцев, в которых дается общая характеристика температуры и осадков.

Прогнозы погоды составляются методом синоптической метеорологии.

Синоптическая метеорология (от греч. synoptikós – способный всё обозреть), раздел метеорологии, изучающий атмосферные процессы, определяющие условия погоды и их изменения, с целью разработки методов прогноза погоды. Синоптическая метеорология опирается на использование синоптического метода – метода анализа и прогноза атмосферных макропроцессов и условий погоды с помощью синоптических карт и различных вспомогательных материалов (космических снимков, аэрологических диаграмм, вертикальных разрезов атмосферы и др.). Исследование синоптических процессов и условий погоды с помощью синоптических карт и вспомогательных средств называется синоптическим анализом.

Основными принципами синоптического анализа являются:

- комплексность анализа;

- трехмерность анализа;

- историческая последовательность анализа.

Важнейшее достоинство синоптического метода – наглядность и оперативность.

Общая схема синоптического анализа. По данным наблюдений метеорологических и аэрологических станций готовят синоптические карты погоды для разных уровней атмосферы от земной поверхности до высоты 30 км. Кроме того, используется информация, получаемая от метеорологических спутников. На основе этого материала на картах погоды выявляют крупные атмосферные образования: воздушные массы, разделяющие их атмосферные фронты, циклоны и антициклоны, с движением и эволюцией которых связаны основные изменения погоды.

Прогноз погоды структурно состоит из двух частей.

Первая – это прогноз синоптического положения и вторая – это на его основе прогноз собственно условий погоды, которые определяются данным синоптическим положением.

Синоптическое положение – совокупность взаимно связанных синоптических объектов над некоторым районом Земного шара, определяющая здесь условия погоды.

Синоптические объекты – это воздушные массы, атмосферные фронты, циклоны, антициклоны, барические и термические ложбины и гребни, очаги тепла и холода, струйные течения, высотные фронтальные зоны и т.д.

Указанные синоптические объекты были рассмотрены нами в предыдущих разделах курса.

Определения основных синоптических объектов.

Воздушные массы – относительно однородные по условиям погоды массы воздуха в тропосфере, соизмеримые по площади с материками и океанами, перемещающиеся в системе Общей циркуляции атмосферы (т.е. в системе макромасштабных воздушных течений над Земным шаром). Общность свойств воздушных масс определяется их формированием в определенном очаге над однородной подстилающей поверхностью и в однородных радиационных условиях. Свойства воздушных масс в большой степени определяют режим погоды над занимаемой территорией. Со сменой воздушных масс связаны непериодические изменения погоды.

Атмосферные фронты. Фронт является наиболее сложным из синоптических объектов. При соприкосновении двух воздушных масс, обладающих различными свойствами (например, одна из них является теплой, другая – холодной), в атмосфере между ними возникает переходная зона, являющаяся довольно узкой по сравнению с масштабом воздушных масс, которые она разделяет. Эта переходная зона, которую в трехмерном пространстве условно можно рассматривать как поверхность раздела в атмосфере, называется фронтальной поверхностью и отличается сложным ходом метеорологических величин.

Давление по обе стороны фронтальной поверхности одинаково, но градиенты давления, как и другие метеорологические величины, испытывают разрыв. Непрерывность давления накладывает отпечаток на пространственную ориентацию фронтальной поверхности. Фронтальные поверхности располагаются под углом к линии горизонта, причем более холодный воздух подтекает клином под более теплый, который располагается над ним. Протяженность фронтальной поверхности по вертикали ограничивается, как правило, вертикальной протяженностью тропосферы, т.е. около 10 км. А горизонтальная протяженность – это тысячи километров, следовательно, наклон фронта очень мал.

Переход из одной воздушной массы в другую через фронтальную поверхность характеризуется здесь резким (скачкообразным) изменением метеорологических величин. В случае большого различия свойств воздушных масс атмосферные фронты между ними хорошо выражены (активные фронты), им соответствует широкая облачная полоса, состоящая из многослойной облачности, представляющей сочетание различных типов облаков.

Циклон – атмосферный вихрь с замкнутыми изобарами, кратными 5 гПа, с пониженным давлением, минимальным в центре, и вращением воздуха против часовой стрелки в северном полушарии (по часовой – в южном).

Антициклон – атмосферный вихрь с замкнутыми изобарами, кратными 5 гПа, с повышенным давлением, максимальным в центре, и вращением воздуха по часовой стрелки в северном полушарии (против часовой – в южном).

Барическая ложбина – система изобар, обычно на периферии циклона, направленная выпуклостью в сторону высокого давления.

Барический гребень – система изобар, обычно на периферии антициклона, направленная выпуклостью в сторону низкого давления.

Барические ложбины и гребни имеют горизонтальные оси, являющиеся для ложбины линией сходимости воздушных течений, для гребня – линией расходимости. Сходимость воздушных течений к оси барической ложбины приводит к развитию восходящих движений воздуха и образованию облачности и осадков. Расходимость воздушных течений на оси барического гребня вызывает нисходящие движения и размывание облачности.

Струйное течение – перенос воздуха в виде узкого течения с большими скоростями в верхней тропосфере и нижней стратосфере. Длина – тысячи километров, ширина – сотни километров, вертикальная мощность – несколько километров. Струйное течение имеет ось, где наблюдаются максимальные скорости ветра, превышающие 50-100 м/с. Зоны струйных течений – это зоны огромных запасов кинетической энергии атмосферы.

Информация, используемая для синоптического анализа, представляется в виде синоптических карт.

Синоптическая карта (карта погоды) – это географическая карта, на которую цифрами и определенными символами нанесены данные одновременных наблюдений за погодой у поверхности Земли и на определенных уровнях атмосферы. Синоптическая карта может охватывать территорию от небольшого района до полушария или всего Земного шара. Такие карты регулярно составляются в подразделениях службы погоды по нескольку раз в день.

Карты погоды различают в зависимости от уровня в атмосфере, для которого составляется карта, а также от сроков их составления.

В зависимости от уровня в атмосфере, для которого составляется карта, различают приземные и высотные карты погоды:

- приземные карты погоды составляются по результатам метеорологических наблюдений, передаваемых наземными и морскими метеорологичес­кими станциями;

- высотные карты погоды, дающие представление о состоянии атмосферы на различных уровнях, составляются на основе данных аэрологических станций.

На приземные карты погоды наносится большой комплекс метеорологических величин и явлений погоды, поэтому они являются наиболее информативными.

По срокам составления информации различают:

- основные карты погоды, которые составляются по данным за основные сроки наблюдений: 00, 06, 12 и 18 часов Гринвичского времени в масштабах 1:15000000, 1:20000000 (проекция стереографическая, полярная, главный масштаб по параллели 60°);

- дополнительные карты погоды, или кольцевые, составляются на основе данных в промежуточные сроки (03, 09, 15 и 21 час по Гринвичу). Масштаб кольцевых карт меньше – 1:5 000 000, микрокольцевых карт – 1:2 500 000, проекция стереографическая, полярная. Кроме основных и кольцевых карт погоды составляются карты полушария масштаба 1:30 000 000 (проекция стереографическая, полярная, главный масштаб по параллели 60 °с.ш.), карты тропической зоны масштаба 1:30 000 000 (проекция Меркатора, главный масштаб по параллели 22°30’).

Большую помощь в работе синоптика оказывают вспомогательные карты особых явлений погоды (гроз, туманов, шквалов, гололёда и др.), осадков, снежного покрова, экстремальных температур воздуха, максимального ветра, тропопаузы, вертикальных движений, влажности и др.

Анализ карт погоды является основной операцией, дающей возможность для последующего прогноза погоды. Для анализа атмосферных процессов и прогноза погоды используют также аэрологические диаграммы, графики, радиолокационные карты, спутниковые снимки.

Приземные карты погоды. Синоптические карты дают возможность изучать макромасштабные атмосферные движения, пространственные размеры которых соизмеримы по площади с материками и океанами или их частями, и условия погоды над любым районом Земного шара, где собрана метеорологическая информация. Анализ макромасштабных атмосферных структур с помощью синоптических карт позволяет выделить общую синоптическую обстановку над регионом, что является основой для последующего прогноза условий погоды.

Кроме макромасштабных атмосферных движений, выделяют:

- мезомасштабные (среднемасштабные) движения, порядка 10-100 км, продолжительностью порядка суток, связанные, например, с бризами и фёнами, образованием облачных гряд и скоплений, облачными ячейками, грозовыми возмущениями;

- микромасштабные (мелкомасштабные), порядка до 10 км, продолжительностью менее суток, обусловленные местными орографическими воздействиями, мелкомасштабными вихрями.

Синоптические карты составляются на основе регулярных наблюдений за погодой на метеорологических станциях. Наблюдения передаются в центральные учреждения службы погоды в виде специальных метеорологических телеграмм. При составлении синоптических карт каждая телеграмма дешифрируется, и ее содержание наносится на карту в виде цифр и символов, отражающих условия погоды у поверхности Земли и сведения об облаках.

Высотные карты погоды – это карты топографические. На высотные карты погоды наносятся данные одновременных аэрологических наблюдений, переданных в виде телеграмм. В качестве основного элемента на карты наносят не величину давление на каком-либо уровне атмосферы, а высоту стандартной изобарической поверхности, т.е., к примеру, высоты поверхности атмосферы, где для всех точек зондирования давление воздуха составляет одну и ту же величину (допустим 850, или 700, либо 500 гПа и т.д). Поэтому высотные карты погоды называют картами барической топографии.

Карта топографии изобарической поверхности по отношению к уровню моря называется картой абсолютной топографии изобарической поверхности (850, 700, 500, 300 гПа и др.) и представляет собой проекцию данной изобарической поверхности на плоскость (карту погоды).

Карты абсолютной барической топографии содержат сведения о высоте стандартной изобарической поверхности над уровнем моря и некоторых характеристиках погоды на этой высоте. По распределению абсолютных высот той или иной изобарический поверхности можно судить о распределении давления на уровне, вблизи которого располагается данная изобарическая поверхность.

Карты относительной барической топографии содержат сведения о толщине слоя между заданными изобарическими поверхностями. Это очень информативные карты, потому что по распределению относительных высот (толщин слоев) можно судить о средней температуре воздуха данного слоя.

К вспомогательным картам погоды относятся:

- карты опасных и стихийных явлений погоды (туманов, гроз, ветра, метелей, гололеда, изморози, мокрого снега, града, гололедицы, заморозков и др.);

- карты экстремальных температур, осадков, снежного покрова, состояния почвы;

- карты максимальных температур и осадков за день;

- карты максимального ветра;

- карты тропопаузы;

- карты вертикальных движений;

- карты влажности на верхних уровнях;

- карты термобарического поля и некоторые другие.

На карты опасных явлений погоды наносятся следующие метеорологические явления:

- ветер скоростью от 10 до 29 м/с, для арктических и дальневосточных морей и их побережий – до 34 м/с;

- метель при скорости ветра 10-14 м/с при ухудшении видимости до 1 км и продолжительности от 3 до 12 ч (для арктических и дальневосточных морей и их побережий – при скорости ветра до 24 м/с и продолжительности менее 24 ч);

- пыльная (песчаная) буря при скорости ветра 10-14 м/с и (или) ухудшении видимости от 1000 до 50 м в течение 3-12 ч;

- гололед (отложение льда толщиной 19 мм и менее), отложение мокрого снега или сложное отложение льда (34 мм и менее);

- изморозь (отложение толщиной 30 мм и более);

- туман любой интенсивности;

- гроза любой интенсивности;

- град с диаметром градин до 19 мм;

- дождь (количество осадков 9-49 мм за 12 ч и менее), в селевых и ливнеопасных районах 9-29 мм за 12 ч и менее; снег (количество осадков 4-19 мм за 12 ч и менее);

- заморозки (понижение температуры поверхности почвы или воздуха до 0°С и ниже в вегетационный период менее чем на одной трети станций района, а в субтропиках до -6 °С);

- обледенение судов на морях и океанах (скорость нарастания льда до 0.6 см/ч).

На карты стихийных явлений погоды наносятся:

- ветер со средней скоростью 30м/с и более при порывах до 40 м/с и более, для арктических и дальневосточных морей и их побережий – ветер со средней скоростью 35 м/с и более при порывах до 40 м/с и более;

- метель (включая низовую) при скорости ветра 15 м/с и более в течение 12 ч и более (для арктических и дальневосточных морей и их побережий – при скорости ветра 25 м/с и более в течение 24 ч и более) и при ухудшении видимости менее 50 м в течение 3 ч и более;

- пыльная (песчаная) буря при скорости ветра 15 м/с и более в течение

12 ч и более или при ухудшении видимости менее 50 м в течение 3 ч и более;

- гололёд (отложение льда толщиной 20 мм и более), отложение мокрого снега или сложное отложение льда (35 мм и более);

- град с диаметром градин 20 мм и более;

- дождь (количество осадков 30 мм и более за 12 ч и менее в селевых и ливнеопасных районах, 50 мм и более за 12 ч и менее на остальной территории, ливень – 30 мм и более за 1 ч и менее;

- снег (количество осадков 20 мм и более за 12 ч и менее);

- заморозки (понижение температуры поверхности почвы или воздуха до 0°С и ниже в вегетационный период на одной трети станций района, а в субтропиках до -7 °С и ниже);

- быстрое обледенение судов на морях и океанах (скорость нарастания льда до 0,7 см/ч и более).

Перечень и содержание вспомогательных карт погоды могут быть различными в разных подразделениях службы погоды в зависимости от условий и характера их работы.

Схематические карты облачности, или нефанализа, составляются по данным информации, получаемой с искусственных спутников Земли. Нефанализ (нефоскопический анализ) есть расшифрованный, трансформированный снимок, все детали изображения которого с помощью условных обозначений перенесены с учетом масштаба на бланк географической карты (или непосредственно обозначены на фотоснимке или фотомонтаже).

Построение карты нефанализа производится в центрах по обработке данных метеорологических спутников, затем карты облачности передаются потребителям по каналам связи. Каждая карта снабжается легендой, включающей название спутника, вид информации (телевизионная, инфракрасная), число, месяц, год, масштаб. На снимке указывают среднее время фотографирования, относящееся к середине снимка.

На карте нефанализа (фотоснимке или фотомонтаже) указывают:

- границы облачности, снега и льда;

- количество облачности для каждого выделенного облачного поля;

- типы облачности и данные о высоте верхней границы облачности;

- структуру облачных полей;

- размеры облаков и открытых пространств;

- характеристику ледяных полей.

Анализ карт погоды. После дешифрирования метеорологической информации и нанесения данных на карту производится анализ карт погоды. Под анализом подразумевается выполнение определенных операций (например, проведение изобар, изотерм и т.д.).

Обработанная синоптическая карта показывает совокупность различных синоптических объектов (объектов погоды).

Ряд последовательных карт погоды показывает синоптический процесс.

Анализ карт предполагает использование приемов сопоставления характеристик погоды, нанесенных на картах погоды.

Сопоставляются значения одной и той же величины в различных пунктах на разных высотах за один и тот же момент времени; различных метеорологических величин в одном и том же пункте, в разных пунктах, на разных высотах за один и тот же момент времени; метеорологических величин в последовательные моменты времени.

Состояние атмосферы в текущий момент времени находится в тесной связи с её предыдущим состоянием. При обработке карт следует соблюдать историческую последовательность анализа.

Перед обработкой карт погоды следует ознакомиться с историей развития синоптических процессов над данным районом по картам за предыдущие сроки, в частности с положением циклонов и антициклонов, барических ложбин и гребней, атмосферных фронтов. Эта операция проводится с целью составить представление о наиболее вероятном положении барических образований и атмосферных фронтов на карте, анализ которой осуществляют.

Информация, полученная метеорологическими и аэрологическими станциями и обобщенная в синоптических картах, дает представление об общем фоне погоды, который детализируется прогнозистом для местных условий. В долгосрочных прогнозах погоды используются различного рода статистические связи между прошедшим и будущим развитием атмосферных процессов и состоянием погоды.

Точность всех прогнозов погоды в пределах периода, на который они составляются, убывает со временем. Основой для оценки практической пригодности какого-либо метода составления прогноза погоды служит сравнение их удачности с удачностью инерционных прогнозов, предполагающих сохранение существующего характера погоды на период прогноза. В среднем из 100 краткосрочных прогнозов погоды или долгосрочных прогнозов малой заблаговременности оправдываются более 80 прогнозов. Основная причина наиболее крупных ошибок - неточности в расчетах барического поля, направления и скорости перемещения циклонов и атмосферных фронтов, а также их эволюции; эти ошибки обусловлены несовершенством применяемых методов, отсутствием достаточной информации с океанов и малонаселенных территорий, в особенности же из высоких слоев атмосферы. Методы долгосрочных прогнозов погоды большой заблаговременности находятся ещё в состоянии разработки, а сами прогнозы не обладают нужным качеством. Достаточно точный долговременный прогноз погоды – одна из труднейших задач современной науки.