в каком атмосферном слое формируются воздушные массы
Вертикальное строение атмосферы
Тропосфера
Её верхняя граница находится на высоте 8—10 км в полярных, 10—12 км в умеренных и 16—18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом. Нижний, основной слой атмосферы содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 м
Тропопауза
Переходный слой от тропосферы к стратосфере, слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры с высотой.
Стратосфера
Слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11—25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25—40 км от −56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой.
Стратопауза
Мезосфера
Мезопауза
Переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около —90 °C).
Линия Кармана
Высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом. Линия Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря.
Граница атмосферы Земли
Принято считать, что граница атмосферы Земли и ионосферы находится на высоте 118 километров. Это показывает анализ параметров движения высокоэнергетических частиц, перемещающихся в атмосфере и ионосфере.
Термосфера
Термопауза
Область атмосферы прилегающая сверху к термосфере. В этой области поглощение солнечного излучения незначительно и температура фактически не меняется с высотой.
Экзосфера (сфера рассеяния)
Экзосфера — зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация).
До высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0 °C в стратосфере до −110 °C в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200—250 км соответствует температуре
150 °C. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности газов во времени и пространстве.
На высоте около 2000—3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разреженных пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.
На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы — около 20 %; масса мезосферы — не более 0,3 %, термосферы — менее 0,05 % от общей массы атмосферы. На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу. В настоящее время считают, что атмосфера простирается до высоты 2000—3000 км.
В зависимости от состава газа в атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу. Гетеросфера — это область, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, так как их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже её лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы, называемая гомосфера. Граница между этими слоями называется турбопаузой, она лежит на высоте около 120 км.
Воздушные массы
На поверхности Земли тепло Солнца, получаемое атмосферой, распределяется неравномерно. Соответственно воздух в разных частях тропосферы тоже будет различным. Из-за неравномерности распределения температур и влагосодержания в атмосфере возникают движения огромных объёмов воздуха.
Понятие воздушных масс
Воздушные массы представляют собой внушительные объёмы воздуха тропосферы (околоземной атмосферный слой), сформированные над определённой территорией или как иначе её называют – подстилающей поверхностью, и имеющие похожие, почти однородные в горизонтальных плоскостях температурные значения и показатели влажности.
Эти объёмы в горизонтальном направлении измеряются несколькими сотнями (иногда тысячами) километров, а в вертикальной достигают 20-25 км (но в среднем их высота составляет около 5 км).
Над подстилающей поверхностью должен установиться температурный и радиационный баланс. Помимо этого, необходимо создание таких условий циркуляции воздуха, при которых было бы возможно длительное пребывание большого его объёма в конкретном месте. Тогда и достигается однородность системы воздушной массы.
Любая воздушная масса отделяется от другой четкими границами. Метеорологические величины в пределах массы практически не изменяются. Их резкое увеличение или уменьшение происходит на границе двух воздушных масс, в переходной зоне (зоне атмосферного фронта).
Формирование воздушных масс
Воздушная масса, сформировавшись в определённой области, приобретает свои постоянные свойства. Такая область называется очагом формирования. Он должен иметь конкретные свойства:
Обычно очаги формирования — это антициклоны (вихревые потоки с повышенным давлением в центре), которые являются менее подвижными в сравнении с циклонами (для них характерно низкое давление). Здесь воздух опускается вниз и начинает распространяться в горизонтальном направлении.
Над нагретыми областями суши возникают термические депрессии — области с низким атмосферным давлением. Такие условия также способствуют возникновению очага.
Атмосферные фронты
На границе различных соседствующих воздушных масс есть переходные области или зоны — фронты. Они наклонены относительно земной поверхности из-за того, что воздушные массы подвижны. Атмосферный фронт всегда предшествует идущей вслед за ним массе воздуха.
В зависимости от мест возникновения, связанных с климатическими поясами, различают такие фронты, как арктический, полярный, тропический. Первый является холодным, остальные считаются тёплыми.
Фронты оказывают непосредственное влияние на давление в атмосфере и определяют погоду в конкретном месте. Это выражается в возникновении и исчезновении облаков, ветров, осадков.
Атмосферный фронт в Крыму
Движение и циркуляция. Смена воздушных масс
Воздушная масса не остаётся в той области, где сформировалась. Под влиянием непостоянства циркуляционных условий она начинает перемещаться и трансформироваться.
Течение воздушных масс носит глобальный характер, ведь их формирование и движение охватывает океаны, континенты, обширные участки планеты. Таким образом совокупность воздушных масс составляет атмосферную циркуляцию планеты.
На процессы циркуляции в атмосфере главным образом влияет солнечная энергия. Причём на все участки планеты эта энергия действует по-разному из-за неоднородности подстилающей поверхности. Отсюда и разница температур. Обладающий высокой плотностью холодный воздух создаёт повышенное давление и всегда стремится в более тёплую область с разреженным воздухом.
Во время перемещения из одной области в другую воздушная масса меняет свои свойства. Это зависит от того, над какой территорией она проходит, с какими воздушными массами граничит и от того, сколько времени прошло с момента её формирования. Причем скорость перемещения воздуха внутри массы непостоянна и разнится с высотой. Таким образом возникает турбулентное перемешивание.
Перемена свойств воздушной массы зовётся её трансформацией или сменой. Она длится от трёх до семи дней и считается завершённой при установлении постоянной среднесуточной температуры во всех слоях массы день за днём. Таким образом формируется новая воздушная масса.
Виды и типы воздушных масс
Воздушные массы зависят от места формирования, от температуры, от вида подстилающей поверхности.
Термодинамическая классификация
По термодинамическому признаку воздушные массы подразделяют на три вида.
Очаг формирования морских масс возникает над поверхностью океана, поэтому их воздух насыщен влагой. Возникновение континентальных воздушных масс происходит над сушей материков, в связи с чем их воздух сухой и запылённый.
Географическая классификация
Возникновение воздушных масс происходит в разных широтах планеты. Исходя из этого, их подразделяют географически на четыре типа:
Влияние на климат
Климатом называется циклично повторяющийся режим погоды, сформировавшийся в конкретной местности в течение многих лет.
Воздушные массы оказывают огромное влияние на климат. Именно по их типу выделили главные пояса: полярные (на северном и южном полюсах), умеренные, тропические и экваториальный. Между ними лежат переходные пояса: субполярные, субтропические, а также субэкваториальный. Все они различаются сменой воздушных масс в строгом соответствии с сезонностью. В зимний период климатические условия определяют воздушные массы такого пояса, который ближе расположен к экватору, а летом — к полюсу. Например, зимой в субтропический пояс приходят умеренные воздушные массы, а в летнее время — тропические.
В полярных поясах, к которым относятся территории Арктики и Антарктики, формируются холодные и сухие массы воздуха. Здесь преобладают низкие температуры, практически не выпадают осадки, и снежный покров сохраняется круглогодично.
Воздушные массы умеренных широт определяют климат умеренных поясов. В них преобладают положительные температуры летом и отрицательные температуры, и твёрдые осадки в зимний период.
В тропических поясах формируются воздушные массы тропиков. Воздух здесь в основном тёплый с низкой влажностью. Экваториальная воздушная масса возникает в экваториальном поясе и задаёт очень высокую температуру воздуха. Здесь выпадает большое количество осадков в течение всего года.
В областях переходных поясов погодные условия определяют те воздушные массы, которые главенствуют на этих территориях в данный сезон года.
Свойства и характеристика воздушных масс
Свойства воздушных масс зависят от теплового излучения Солнца, а также от подстилающей поверхности. К ним можно отнести такие величины, как температура, относительная влажность, прозрачность (видимость), давление воздуха.
В месте формирования воздушной массы её свойства сохраняются до момента её перемещения. Оказываясь над иной территорией, обладающей иными свойствами и характеристиками, изначальные признаки массы меняются. Она может прогреваться (стынуть), или увлажняться (высушиваться).
Чтобы охарактеризовать воздушные массы, нужно помнить, что образуются они в разных поясах нашей планеты: над морями и океанами и над материками.
Арктический морской воздух, приходящий в Атлантику и Европу, прозрачен и несёт с собой похолодание, ветра. Характеризуется наличием кучевых облаков, осадков в виде грозовых дождей. Континентальный его подвид, накрывающая Азию и Северную Америку, летом помимо вышеперечисленного несёт низкую облачность и слабые ветры. Зимой устанавливает ясную погоду с хорошей видимостью.
Морской воздух в умеренных широтах летом проявляет себя схоже с арктическим морским, а в зимнее время умеренные массы способствуют образованию слоистых облаков, моросящих дождей и туманов. Континентальный в зимний период проявляет себя ясной погодой, плохой видимостью и пониженными температурами. Летом же зачастую грозовые дожди, кучевые облака, туман и дымка.
Тропические морские массы господствуют в Атлантическом и Тихом океанах, неся потепление и создавая слоистые облака, туманы. А образованные над сушей массы (Европа, Азия, океанические побережья) летом и зимой над водными поверхностями устанавливают ясную погоду с низкой прозрачностью, а зимой над сушей нередки туманы и слоистые облака.
Что касается экваториальных воздушных масс, “мигрирующих” вдоль экватора, то в любое время года они несут сильные и обильные осадки в виде ливневых дождей.
Воздушные массы России
На климатические особенности нашей страны оказывают влияние несколько разновидностей масс: арктические, умеренные, тропические, а также их морские и континентальные подвиды. Территория страны является очагом формирования умеренных континентальных масс. Они несут в себе воздух с пониженной влажностью, холодный зимой и тёплый в летнее время года. Морской воздух умеренных широт с запада движется из северной части Атлантики, а с востока из тихоокеанских вод. Он отличается низкой влажностью. В летние месяцы он несёт прохладу, а в зимние тепло. Двигаясь в восточном направлении МУВ претерпевает трансформацию и частично становится континентальным.
Воздушные массы тропических поясов планеты влияют на климат юга России. Сухие пыльные тропические массы осуществляют своё формирование над землями Казахстана и Средней Азии. Они характеризуются повышенными значениями температур. Увлажнённый и тёплый морской воздух тропиков вторгается в Кавказский регион и территорию России до Уральских гор со стороны Средиземного моря. А на Дальний Восток из центральных Тихоокеанских областей.
Очагом формирования сухих арктических масс являются воды Северного Ледовитого океана. Они формируют климат российского севера, в частности Сибири. Они несут низкотемпературный воздух, отличающийся хорошей видимостью.
Воздушные массы атмосферы Земли имеют внушительные размеры и масштабы воздействия. Они наряду с другими явлениями и процессами влияют на климат отдельно взятых областей и планеты в целом. Если бы не их движение, температуры в некоторых поясах были бы гораздо менее комфортными, а может, и вовсе не пригодными для существования живых организмов.
Воздушные массы и их циркуляция (видеоурок для 8 класса)
В каком атмосферном слое формируются воздушные массы
(состав, строение, общая циркуляция и прогноз погоды)
1. Атмосфера – безбрежный воздушный океан планеты Земля
Атмосфера – неотъемлемая часть природной среды планеты Земля. Она окружает весь земной шар и постоянно движется относительно Земли. Мы живем на дне этого воздушного океана, поэтому практическая деятельность людей требовала объяснения атмосферных явлений и их предсказания. Однако процесс познания был очень медленным. Книга Аристотеля (IV в. до н.э.) была большим достижением в изучении атмосферы и способствовала повороту от мифологии к реальности. Русские летописи также содержат немало сведений о чрезвычайных метеорологических явлениях. Многолетний опыт обобщался людьми в виде народных примет, позволяющих иногда «угадать» погоду. Но прогресс был очень медленным. Попытки научно обоснованного прогноза начались лишь в XVIII в. после изобретения измерительных приборов и открытия физических законов, определяющих поведение газов. Ведь атмосфера – газовая оболочка Земли и, пожалуй, самая важная для жизни. Достаточно затаить на некоторый момент дыхание, чтобы понять эту важность. Из-за постоянного движения воздух можно считать «международной собственностью»!
2. Состав атмосферы
Важную роль играют взвешенные частицы (пыль, капли воды, кристаллы льда и другие, называемые аэрозолями). Они попадают в атмосферу как естественным путем (выветривание), так и в результате деятельности человека.
В последние 100 лет под влиянием хозяйственной деятельности человека произошло изменение в химической составе атмосферы: увеличились выбросы парниковых газов – углекислого газа, метана, закиси азота и др. Особенно велики выбросы промышленно развитых стран. Дело в том, что установлена корреляционная связь между содержанием в атмосфере этих газов (особенно СО2) и увеличением температуры приземного воздуха. Поэтому в мировом сообществе делаются попытки принять соглашения об ограничении выбросов парниковых газов. Промышленные аэрозоли загрязняют атмосферный воздух вредными примесями, т.к. различные химические элементы интенсивно поглощаются при дыхании.
Газы, входящие в состав атмосферы имеют определенную плотность и поэтому оказывают на каждый кв.см земной поверхности давление, равное массе воздуха. Поэтому воздух постоянно движется, это давление часто изменяется, и человек физически (особенно метеочувствительный) ощущает на себе изменение давления (погоды). Благодаря сжижаемости воздуха, изменение (понижение) давления с высотой происходит неравномерно. Так, в слое до высоты 5 км находится примерно половина массы атмосферы, а до высоты 10 км – около ¾. Из-за уменьшения плотности воздуха с высотой у атмосферы нет четкой верхней границы, и она постоянно переходит в межпланетное пространство.
3. Строение атмосферы
Атмосфера термически расслоена как по вертикали, так и по горизонтали.
Основные слои атмосферы по вертикали общеизвестные (тропосфера, стратосфера, мезосфера и термосфера).
Тропосфера формируется благодаря нагреву солнечными лучами поверхности Земли, от которой и нагревается воздух, подобно нагреву воды в кастрюле от электрической плиты. В тех местах, где воздух нагревается больше, он расширяется, становится легче окружающего воздуха и поднимается вверх, и на его место опускается более холодный. Такое круговое (по вертикали) движение воздуха получило название конвекции. Именно благодаря конвекции, температура воздуха в тропосфере падает примерно на 0,65°С на каждые 100 м высоты. На экваторе Земля получает гораздо больше тепла, чем на полюсах, поэтому теплый воздух над экватором постоянно поднимается, а на его место приходит более холодный с севера и с юга. Поэтому над экватором тропосфера всегда более мощная, чем над полюсами.
Выше тропосферы, до высоты 50 км, расположена стратосфера. В ней имеется еще одна поверхность нагрева – слой озона. Озон концентрируется в слое 15-25 км и поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца, поэтому температура в стратосфере вначале остается почти постоянной, а затем даже повышается. Поглощая ультрафиолетовое излучение, озоновый слой не только нагревает стратосферу, но и защищает людей и животных от ее вредоносного воздействия (оно вызывает тяжелые заболевания). В стратосфере из-за отсутствия конвекции и сильных вертикальных движений нет облаков, и всегда светит солнце. Нет и опасных явлений погоды, поэтому самолеты предпочитают летать в стратосфере.
Выше стратосферы расположены мезосфера и термосфера – слои почти не оказывающие влияния на погоду из-за небольшой массы воздуха, содержащегося в них.
4. Глобальное, региональное и локальное расслоение тропосферы
Глобальное расслоение тропосферы по горизонтали связано с неравномерностью притока тепла по долготам. Различают тропический воздух, субтропический воздух и полярный (умеренных широт и арктический). Внутри этих глобальных воздушных масс приток тепла также неравномерен, поскольку суша (континенты) нагревается быстрее, чем океан. Морские воздушные массы летом холоднее, чем континентальные, а зимой, наоборот, теплее.
Вследствие различной отражательной способности подстилающей поверхности, пустыни, леса, горы, луга, степи, пастбища также нагреваются от солнца по разному, что приводит к формированию региональных воздушных масс и локальной погоды. Иначе говоря, нагрев нижнего слоя атмосферы происходит большим количеством «электрических плит» различных размеров и мощности.
На границах воздушных масс с разными характеристиками возникают атмосферные фронты – поверхности раздела. Фронты между глобальными воздушными массами обычно называют главными фронтами или климатическими (тропический, полярный), а более мелкими – просто атмосферными фронтами. При больших контрастах метеовеличин, главным образом, температуры воздуха, на фронтах зарождаются вихри с вертикальной осью – циклоны и антициклоны, которые, в конце концов, сглаживают контрасты и приводят к однородному распределению температуры между воздушными массами.
5. Западно-восточный перекос
6. Общая циркуляция атмосферы
Совокупность основных воздушных течений в атмосфере называют общей циркуляцией. Важнейшими ее звеньями являются зональный и меридиональный перекосы в тропосфере, муссоны, пассаты, циклическая деятельность, струйные течения, центры действия атмосферы и др.
Схема простой двумерной циркуляции свое начало берет еще со времен Гадлея (1735 г.). Сам Гадлей знал о некоторых, связанных с нею, противоречиях. Так, например, известную засушливость субтропиков от постарался учесть, введя частичное опускание воздуха, направленного к полюсу в южных широтах. Затем единственная ячейка циркуляции – экватор-полюс была замечена тремя колесами. Феррель заметил, что в средних широтах северного полушария ветры в основном не северо-западные, а юго-западные. Таким образом, в средних широтах появилась обратная ячейка. Появилась классическая теоретическая модель глобальных механизмов самого крупного масштаба.
Современные наблюдения показывают, что воздушные движения осуществляются не в форме замкнутых между экватором и полюсам ячеек циркуляции, а в виде неупорядоченного, турбулентного перемещения крупных воздушных масс в направлении меридиана. Одни воздушные массы, сформировавшиеся в низких широтах, прорываются далеко к полюсу. Другие, возникшие в высоких широтах, приникают далеко в направлении к экватору. Микротурбулентное перемешивание порождает потоки всех физических величин, стремящихся выровнять их градиенты.
7. Погода и погодные системы
Погодой принято называть состояние атмосферы, оказывающее воздействие на жизнь и деятельность людей. Оценить это состояние в заданной точке можно путем измерения метеорологических величин (температуры воздуха, атмосферного давления, ветра и др.), а также наличием или отсутствием явлений погоды (дождь, снегопад, гроза и др.).
Причиной изменчивости погоды является перемещение воздушных масс, формирование атмосферных вихрей (циклонов, антициклонов), также перемещающихся под влиянием общей циркуляции атмосферы. Циклоны бывают фронтальные, формирующиеся на атмосферных фронтах в умеренных широтах, и нефронтальные или тропические. Явления погоды и погодные системы отличаются друг от друга своими масштабами, а также степенью опасности для человеческой деятельности. Некоторые явления (смерч, бора) по масштабу невелики, но разрушительная сила их огромна.
В настоящее время установлено, что возникновение любого опасного явления связано с глобальными, региональными и локальными атмосферными процессами, а также местными воздействиями (рельефом и особенностями подстилающей поверхности).
Еще в конце XVIII века были сформулированы основные законы движения воздуха, необходимые для описания атмосферных процессов. В конце XIX века была высказана идея предвычисления погоды с помощью уравнений гидротермодинамики на основе анализа первоначального состояния атмосферы. Эта идея впервые была осуществлена Л.Ричардсоном в 1922 году, но его расчеты доказали бесперспективность такого подхода, прежде всего, из-за необходимости огромного объема вычислений. По подсчетам Ричардсона даже для получения одного прогноза на сутки требовалось 64 000 человек!
Вследствие такой бесперспективности развитие прогностической метеорологии пошло по пути создания физических и статистических моделей, описывающих структуру и эволюцию погодных систем и определения закономерностей в общей циркуляции атмосферы. Развивать численные модели атмосферы стало возможным только после появления ЭВМ.
В настоящее время на основе гидродинамической теории такие модели созданы. Эти модели позволяют в глобальном масштабе предвычислять основные поля метеорологических величин на срок до 10 суток с точностью, приемлемой для многих потребителей. Есть и региональные и даже мезомасштабные модели или модели по ограниченной территории. Успехи в гидродинамическом моделировании атмосферы привели к созданию целой «прогностической индустрии» и изменению ранее существовавшей технологии подготовки прогнозов погоды.
9. Международные метеорологические центры
Крупные метеорологические центры, оснащенные мощной вычислительной техникой, ежедневно на основе глобальных моделей общей циркуляции атмосферы производят расчет на 5-7 суток полей давления, высот изобарических поверхностей, полей ветра и температуры и другой продукции и автоматически, в кодированном виде, распространяют ее в оперативные прогностические организации.
Такие метеорологические центры, подобно промышленным, выпускают продукцию, используемую более мелкими организациями, так же как, к примеру, продукцию металлургического комбината используют для изготовления каких-либо изделий на заводах и фабриках. Поэтому выражение «прогностическая индустрия» вполне соответствует действительности. Конечно, такие центры существуют только в развитых странах (США, Австралия, Англия, Франция, Россия, Япония, Китай, Германия) или же финансируются совместными усилиями ряда стран на кооперативной основе, например, Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды в Рединге (Англия). В России функции такого центра выполняет Гидрометцентр России совместно с Главным радиометцентром Росгидромета и Вычислительным центром Росгидромета.
Естественно, что, как и промышленным комбинатам, метеорологическим центрам нужно «сырье» для выпуска продукции. Сырьем в данном случае являются данные круглосуточных метеорологических наблюдений за погодой и о вертикальном строении тропосферы и стратосферы. Численное прогнозирование доказало на практике, что для предвычисления погодообразующих процессов на срок более 2-3 дней необходимо иметь данные наблюдений со всего земного шара.
Благодаря международному сотрудничеству в прогностические «комбинаты» непрерывным потоком поступает метеорологическое «сырье», в результате переработки которого любая страна получает необходимую ей продукцию для составления прогнозов по всей территории. При этом обмен осуществляется бесплатно!
Центры «прогностической индустрии» обладают, как правило, также мощным научным потенциалом, что позволяет постоянно совершенствовать модели, разрабатывать новые методы прогнозирования и после проведения испытаний, быстро внедрять их в производственный процесс. Кроме того, эти центры одновременно могут выполнять функции региональной и национальной оперативной прогностической организации, осуществлять централизованное обеспечение информацией и прогнозами органы исполнительной власти и т.д.
Так, в ФГБУ «Гидрометцентр России», головной организации Росгидромета в сфере прогнозирования погоды, выполняются как научные исследования, так и весь оперативный цикл подготовки прогнозов.
10. Функции автоматизированной технологии численного прогноза
Оперативные технологические системы численного прогноза зависят от особенностей разработанных моделей, их сложности, информационного и программного обеспечения, а также конфигурации и мощности вычислительной техники. В связи с этим, в каждом метеорологическом центре имеются отличия в технологии выпуска прогнозов. Вместе с тем, в любой автоматизированной оперативной системе численного прогноза можно выделить функции, свойственные всем существующим системам.
К этим функциям относятся:
— сбор данных наблюдений с распознаванием метеорологических сводок и архивацией;
— подготовку базы данных, обеспечивающую декодирование сводок, контроль их качества, подготовку форматов данных для их анализа;
— усвоение данных, их объективный анализ и инициализацию;
— прогноз с помощью гидродинамической модели (решение уравнений, учет неадиабатических процессов);
— заключительную обработку выходных данных модели.
В численных моделях метеорологические величины для расчетов, как правило, представляются в точках регулярной сетки. При этом атмосфера подразделяется на серию слоев, число которых может быть различным, но обычно около 30.
Многие процессы, особенно в пограничном слое имеют мелкий масштаб, меньше шага сетки модели. Поэтому их необходимо определять на основе усредненных по территории величин, рассчитываемых по модели. Эта процедура получила название параметризации физических процессов. Современные численные модели, как правило, включают в себя параметризацию следующих характеристик и процессов:
— состояние планетарного пограничного слоя;
— основные характеристики подстилающей поверхности (орография, распределение температуры поверхности моря, распределение морского льда, альбедо и др.);
— разрушение гравитационных волн;
11. Глобальные системы наблюдения и телесвязи
В целях получения надежных данных о метеорологических величинах и явлениях погоды, которые можно использовать для обеспечения оперативной деятельности, а также для изучения атмосферы и подготовки прогнозов, существует государственная сеть гидрометеорологических станций, на которых проводятся инструментальные и визуальные наблюдения по стандартным практикам и процедурам, принятым Всемирной метеорологической организацией.
Государственная сеть любой страны входит в Глобальную систему наблюдений Всемирной метеорологической организации (ВМО), которая существует и развивается уже более 100 лет. Сейчас она стала не только глобальной, но и комплексной.
Метеорологические спутники, принадлежащие теперь уже многим странам, отслеживают явления погоды, изменения в растительном покрове, пространственное распределение льда и снега, водяного пара, измеряют температуру и ветер. Наземная подсистема наблюдений, кроме метеорологических станций, получила новые средства непрерывного слежения за погодой – метеорологические радиолокаторы, морские буи, автоматизированные устройства для измерения температуры и ветра на рейсовых самолетах, профилемеры и др. Современная технология, а также Интернет позволяют обеспечивать более быстрое распространение данных наблюдений, прогнозов и предупреждений по глобальной системе телесвязи.
12. Прогноз локальной погоды
Важно отметить, что прогресс в численном моделировании относится, главным образом, к крупномасштабным погодным системам. Прогнозы локальной погоды все еще связаны с некоторой неопределенностью в отношении конкретного местоположения, времени и интенсивности метеорологических явлений.
Поэтому локальные прогнозы составляются на основе результатов численного моделирования, но с использованием синоптического анализа карт погоды, различных физико-статистических методик прогноза, а также новых средств наблюдений за погодой.
Наиболее значимыми новыми средствами наблюдений являются искусственные спутники Земли (ИСЗ) и метеорологические радиолокаторы (МРЛ). Используются также местные признаки и климатические данные.
13. Анализ данных и ИСЗ
Со спутников поступает значительное количество информации, и ее анализ является неотъемлемой частью любых методик прогноза. Спутниковые данные позволяют следить за перемещением и развитием фронтальных систем, скоплений облаков, зон тумана, за подветренными волнами и другими опасными явлениями.
Полярно-орбитальные спутники совершают оборот вокруг земного шара примерно за 100 мин. на высоте около 800 км. Они проходят над одним и тем же пунктом у поверхности Земли лишь два раза в сутки, но охватывают экваториальные и полярные районы с одинаковым разрешением.
Геостационарные спутники висят над одной и той же точкой на высоте 36 000 км и каждые 30 мин. передают обновленные изображения. Недостаток их заключается в том, что они дают искаженное изображение районов, находящихся к северу и к югу от субтропиков. Эти спутники часто используются в качестве ретранслятора для сбора и передачи данных наблюдений.
Спутники обеспечивают получение изображений облачности в видимом (0,4-1,1 мкм) и инфракрасном диапазонах. Комплексное рассмотрение двух типов снимков позволяет получить трехмерную структуру облаков. По спутниковым снимкам удается воссоздать общую картину пространственного распределения облачности и по ее характерным структурным особенностям определить довольно большое количество возмущений различного масштаба.
14. Анализ данных с МРЛ
Информация, поступающая от МРЛ, является важным дополнением к наблюдениям, осуществляемым на метеорологических станциях. Она предоставляет метеорологу возможность «заглянуть» за видимый горизонт. Радиолокационные измерения облачности и определение осадков основаны на отражении электромагнитных волн частицами, находящимися в воздухе. Мощность обратного отражения зависит от размеров частиц и веществ, из которых они состоят. Степень отражательной способности частиц, из которых состоят облака и осадки, характеризуется коэффициентом отражения. По величине радиолокационного эхосигнала, которая пропорциональна диаметру водяных капель и кристаллов льда, определяется тип облачности. Так, грозовые облака, которые содержат большие водяные капли, дают более яркое радиоэхо, чем слоистые, состоящие из капель сравнительно небольшого размера. Дождь обычно дает более яркий сигнал, чем снег. Таким образом, по величине радиоэха идентифицируются осадки, их интенсивность, грозы и другие явления.
С конца 70-х годов прошлого столетия для расширения зоны охвата используются сети радиолокаторов с автоматизированной обработкой данных на компьютерах. Такие системы позволяют создавать составные цветные изображения по результатам наблюдений, поступающим от нескольких радиолокаторов, а также объединять радиолокационные данные с информацией других типов, например, со спутниковой.
15. Автоматизированное рабочее место прогнозиста
Автоматизация прогноза погоды часто воспринимается как средство замены человека в деятельности ОПО. Однако опыт показывает, что машина и человек вместе могут достигнуть гораздо лучших результатов, чем каждый в отдельности. Роль человека в современных технологиях прогнозирования зависит от типа прогностического центра и объема выпускаемой им прогностической продукции. В крупном метеорологическом центре, каким, например, является Гидрометцентр России, выполняется весь технологический цикл оперативной подготовки прогнозов, начиная от численного прогноза на суперЭВМ и заканчивая подготовкой специализированных прогнозов с использованием автоматизированного рабочего места синоптика. В небольших ОПО, в которых основная часть информации приходит из более крупных метеорологических центров, основная задача сводится к мониторингу погоды, обработке и анализу данных и интерпретации имеющейся прогностической продукции, т.е. составлению прогнозов. При этом очень важно иметь автоматизированный доступ прогнозиста к информационной базе данных для более широкого его использования при составлении прогноза погоды.
Использование вычислительных возможностей персональных ЭВМ и доступ к информационной продукции и, в частности, выходных данных моделей, способствует:
— более правильному диагнозу физических процессов, определяющих развитие метеорологических явлений;
— пониманию сильных и слабых сторон численных прогнозов;
— концентрации внимания на более важных процессах;
— комплексному использованию данных наблюдений и численной продукции.
16. Специализированные прогнозы погоды
Из специализированных прогнозов погоды наиболее широко применяются прогнозы погоды для авиации и для морских отраслей. Метеорологи и авиаторы, как на национальном, так и на международном уровнях совместно разрабатывают регламентирующие документы, определяющие порядок и форму метеорологического обеспечения и оценки прогнозов.
Морское гидрометеорологическое обслуживание выполняет две основные функции:
— обеспечение различных видов деятельности в прибрежных районах;
— обеспечение международного мореплавания, рыбного промысла и прочих видов деятельности в открытых океанических районах.
В течение последних лет появилась необходимость в предоставлении специализированной гидрометеорологической информации для обеспечения разработки нефти и газа на континентальном шельфе, планировании и возведении инженерных конструкций и установок в прибрежной и удаленной от берега зонах; буксировки судов в сложных метеорологических условиях и т.д. Общие процедуры гидрометеорологического обеспечения морской деятельности приведены в соответствующих руководящих документах Росгидромета, а также в «Наставлении по морскому метеорологическому обслуживанию» ВМО.
Некоторые прогнозы не относятся напрямую к категории метеорологических, но используют в качестве основы метеорологические прогнозы. Так, прогноз перемещения и эволюции вредных выбросов в атмосферу базируется на прогнозе траекторий перемещения воздуха, предвычисленных по моделям общей циркуляции атмосферы. Рекомендованные курсы для морских судов определяются на основе прогноза поля давления у поверхности земли. Планирование полетов воздушных судов осуществляется по прогнозам ветра на высотах.
17. Долгосрочные прогнозы погоды и климата
Современное прогнозирование глобальной динамики климата осуществляется путем проведения численных экспериментов на климатических моделях общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО). Более сложные модели используют активные химические и биологические связи. Сравнение результатов моделирования с историческими данными показало, что они способны адекватно отображать крупномасштабную годовую цикличность. Благодаря этим моделям появилась уверенность, что глобальные изменения климата связаны с деятельностью человека (выбросами парниковых газов). Нужно иметь в виду, что сейчас предсказуемые результаты нельзя рассматривать как прогноз на каждый конкретный год. Тем не менее они дают физически согласованную картину будущих изменений климата и их роль в его предсказании будет возрастать!