Как формируется погода
Погода интересует всех. Нередко с обзором и прогнозом погоды выступают синоптики. Они рассказывают о теплых и холодных воздушных течениях, атмосферных фронтах, подвижных циклонах и антициклонах. Что это за атмосферные объекты, как они связаны с погодой и как помогают ее предсказывать?
Погода формируется в тропосфере
Тропосфера — это нижний, относительно тонкий слой атмосферы, простирающийся до высот 9—16 км. Он существенно отличается от вышележащих слоев. Во всей тропосфере содержится от 70 до 90% массы атмосферы, а в самой нижней 5-километровой толще воздуха сосредоточена ее половина. И хотя в стратосфере, расположенной выше, также возникают фронтальные зоны и крупнейшие атмосферные вихри, интенсивного облакообразования здесь не происходит, а, следовательно, не происходит и изменений погоды. Это связано с тем, что 90% массы водяного пара, играющего важную роль в формировании погоды, приходится на тот же самый 5-километровый слой тропосферы.
В отличие от других газов, входящих в состав атмосферы, количество атмосферного водяного пара в единичном объеме зависит от температуры. Чем выше температура воздуха, тем больше он может содержать влаги. При изменении температуры от +30 до —30° С содержание водяного пара в 1 кубическом метре воздуха изменяется от 30 до 0,3 г. Как только количество водяного пара при данной температуре достигнет максимума, воздух, первоначально не насыщенный водяным паром, становится насыщенным. При дальнейшем охлаждении воздуха водяной пар превращается в мельчайшие капельки воды. Так возникают облака и осадки.
Фронтальные зоны и фронты
Так как воздух в тропосфере нагревается от поверхности Земли, а притекающая к ней солнечная радиация распределяется на земном шаре неравномерно, то возникает разность температур между высокими и низкими широтами Земли и постоянное движение воздуха. В результате во внетропических зонах почти непрерывно встречаются неоднородные теплые и холодные массы воздуха. Когда они сближаются, горизонтальные градиенты температуры, давления и влажности воздуха возрастают и ветры усиливаются. При удалении воздушных масс друг от друга градиенты уменьшаются, ветры ослабевают. Зоны сближения теплых и холодных масс воздуха называются фронтальными зонами. В тропосфере, выше 2—3 км над поверхностью, ширина фронтальных зон составляет около тысячи километров, длина — 2—3 тыс. км.
Структура фронтальных зон может быть следующей: в левой части зоны воздушные течения сходятся, и потому в центральной части фронтальной зоны ветры усиливаются до максимума. В правой части, где течения расходятся, ветры ослабевают. При такой структуре течений с севера обычно приходят холодные массы воздуха, а с юга — теплые, и интенсивность фронтальной зоны возрастает. Если же приток разнородных воздушных масс ослабевает или прекращается, фронтальная зона также ослабевает или разрушается. Во фронтальных зонах сосредоточены большие запасы энергии. Здесь усилен не только горизонтальный перенос, но возникают и упорядоченные вертикальные движения воздуха со скоростью несколько сантиметров в секунду.
Вместе с формированием фронтальной зоны образуются и атмосферные фронты — поверхности раздела между холодными и теплыми массами воздуха. Так как холодный воздух плотнее теплого, то при встрече двух разнородных потоков первый узким клином входит под второй и в результате возникает наклонная поверхность раздела между теплым и холодным воздухом. Угол наклона фронта очень мал, менее 1°. Это означает, что в пункте, удаленном от линии фронта у поверхности Земли в сторону холодного воздуха на 300 км, фронтальная поверхность расположится на высоте всего 2—3 км.
Чтобы яснее представить вертикальные разрезы фронтов, принято увеличивать масштаб по вертикали в 100 раз. Это позволяет наглядно изобразить связанную с фронтами облачную систему. Хорошо развитый холодный фронт имеет примерно такую же структуру, как и теплый. Различие между ними заключается лишь в том, что в случае теплого фронта его движение направлено в сторону холодного воздуха, а в случае холодного фронта — в сторону теплого. Однако фронты не всегда бывают ярко выражены и часто не достигают верхней тропосферы. Нередко они имеют малую протяженность по вертикали, а, следовательно, и совершенно иную облачную систему. Она зависит от устойчивости теплого и холодного воздуха, которая определяется быстрым или медленным понижением температуры с высотой. В первом случае в зоне фронта возникают кучевые и кучево-дождевые облака, во втором — слоисто-дождевые.
Фронтальная облачность обычно хорошо развивается в молодых углубляющихся циклонах. Здесь горизонтальные контрасты температуры воздуха и скорости ветра, как правило, значительны, и приводят они к тому, что массы воздуха поднимаются вверх. Если же условия таковы, что массы воздуха опускаются, то облачность на фронте разрушается и осадки прекращаются. Однако, когда воздух достаточно сух, даже при подъеме его облака на фронте либо вовсе не возникают, либо возникают облака среднего и верхнего ярусов и из них осадки не выпадают.
Циклоны и антициклоны
Анализ воздушных масс и атмосферных фронтов стал проводиться с начала 30-х годов. В то время метеорологи, пользуясь данными наземных наблюдений, стремились определить физические свойства тех или иных масс воздуха и отыскать фронты на приземных синоптических картах погоды. Однако, чтобы правильно оценить ближайшую перестройку полей температуры и давления и успешно прогнозировать погоду, необходимо было исследовать условия возникновения и развития основных механизмов циркуляции— циклонов и антициклонов — и разработать теорию, которая хотя бы в общих чертах описывала их природу. Не будь этих гигантских атмосферных вихрей не было бы и резких изменений погоды; кроме того, в высоких широтах земного шара всегда были бы сильные морозы, а в низких — нестерпимая жара.
Поскольку в развивающихся циклонах зарождаются восходящие движения воздуха, а в антициклонах — нисходящие, то с циклонами обычно связана облачная погода с осадками, а с антициклонами — малооблачная и ясная. Движение холодных и теплых, сухих и влажных масс воздуха определяется, прежде всего, положением циклонов и антициклонов.
Например, если в холодное время года циклоны движутся над Северной Европой с запада на восток, а антициклоны — над Южной Европой в том же направлении, то в средних широтах преобладает перенос влажных и теплых масс воздуха со стороны Атлантики. При меридиональных же перемещениях циркуляции в тыл циклонов и в переднюю часть антициклонов вторгается холодный воздух с севера, а в переднюю часть циклонов и тыловую часть антициклонов поступает тепло с юга. В таких случаях в одних долготных районах устанавливаются сильные холода, а в других — аномально теплая погода.
Возникновение и развитие внетропических вихрей — одна из главных проблем физики атмосферы. Фронтологический анализ, внедренный в Службу погоды, включал и волновую теорию циклонов. Согласно этой теории, циклоны возникают, когда на атмосферных фронтах образуются динамические неустойчивые бароклинные волны. Но чтобы такие волны возникли, необходим разрыв температуры и ветра на фронте. Волновая теория циклонов осталась незавершенной, так как не смогла описать явления цикло- и антициклогенеза и последующее развитие их в мощные вихри.
Более успешное исследование атмосферных фронтов и вихрей началось в 1936—1937 годах, после организации сети аэрологических станций. С помощью радиозондов стали вести измерения температуры, давления и влажности воздуха, направления и скорости ветра на различных высотах. На основе этих данных, характеризующих физическое состояние атмосферы, во второй половине 30-х годов приступили к составлению высотных карт погоды — карт барической топографии. По ним определяют районы холодных и теплых масс воздуха, низкого и высокого атмосферного давления, оценивают скорость и направление ветра, интенсивность фронтальных зон в тропосфере на поверхностях различного давления.
С применением радиозондирования начался новый этап исследования атмосферы. Появились сведения об атмосферных процессах на больших высотах, что дало возможность вернее судить о их физической природе. Была создана новая теория циклонов и антициклонов, названная адвективно-динамической. Сущность ее заключалась в следующем. Внетропические крупные вихри возникают и развиваются в районах сближения теплых и холодных масс воздуха (там, где формируются большие горизонтальные градиенты температуры и давления, возрастает скорость ветра в тропосфере), то есть под высотными фронтальными зонами. Здесь вдоль воздушных течений скорость ветра резко изменяется. В этих областях воздух накапливается или убывает. Вследствие увеличения массы воздуха под входом фронтальной зоны (сходимость воздушных течений) давление возрастает и образуется антициклон, под дельтой фронтальной зоны (расходимость воздушных течений) давление уменьшается и образуется циклон. Быстро превращаясь в мощные образования, циклоны и антициклоны достигают иногда в диаметре более 3 тыс. км. Развиваются они и по вертикали, распространяясь по всей тропосфере и нижним слоям стратосферы.
Развитие циклона сопровождается возникновением и усилением восходящих движений воздуха в центральной и передней его частях. Восходящий воздух охлаждается, содержащийся в нем водяной пар конденсируется и образуются облака. Одновременно в приземном слое воздуха, в области падения давления, ветры сходятся, а это способствует появлению атмосферных фронтов, облачности и осадков.
В антициклонах, по мере их усиления и роста давления, возникают нисходящие движения воздуха. Нисходящий воздух нагревается, и водяной пар постепенно становится менее насыщенным. Атмосферные фронты в расходящейся системе ветров у поверхности Земли размываются. Это приводит к постепенному рассеиванию облачности и прекращению осадков.
Когда развитие циклона заканчивается, он заполняется холодным воздухом. Охлаждение происходит при горизонтальном переносе воздуха в систему циклона и восходящем движении. В этой стадии облачная система циклона разрушается, осадки прекращаются, а фронты вытесняются на периферию циклона.
Система развитых антициклонов заполняется теплым воздухом, который проникает туда при горизонтальном переносе и дополнительно нагревается при нисходящих движениях. На этой стадии развития антициклонов атмосферное давление начинает понижаться и постепенно появляется облачность.
Однако адвективно-динамическая теория внетропических вихрей учитывает только главные факторы, участвующие в зарождении и развитии этих вихрей, а применение основных ее положений, да к тому же лишь в качественном виде, не всегда оказывается достаточным для составления достоверных прогнозов погоды.
Атмосферные объекты и прогноз погоды
В последнее время теория изменения атмосферного давления развилась настолько, что на ее основе были разработаны численные методы, успешно применяемые при составлении краткосрочных прогнозов погоды. Усовершенствуется теория климата, строятся теоретические модели общей циркуляции атмосферы для создания более совершенных методов долгосрочных прогнозов погоды. Одновременно ведутся также экспериментальные и теоретические исследования внетропических атмосферных фронтов и вихрей.
Однако попытки разработать строгую математическую теорию циклонов пока не увенчались успехом. А без такой теории трудно составлять точные краткосрочные прогнозы погоды, поскольку ошибки в прогнозах обычно связаны с тем, что невозможно учесть внезапно возникающие новые вихри и резкие преобразования атмосферной циркуляции.
Численными методами прогнозов погоды можно, опираясь на карты барической топографии, с помощью компьютеров предвычислить на ближайшие сутки или двое суток поля давления, температуры, скорости и направления ветра. На основе этих данных составляют прогностические карты давления, вертикальных движений воздуха и с учетом влажности примерно оценивают облачность и осадки.
Для прогноза погоды используются теперь и фотографии облачности, которые получают с метеорологических спутников Земли. По ним можно определять положение циклонов и антициклонов, атмосферных фронтов и направления их движения на акватории океанов — там, где проводится мало наблюдений. Особенно ценны фотографии, фиксирующие процесс образования и развития, а также пути движения тропических циклонов — этих грозных вихрей, опасных для кораблей и населения прибрежных районов.
Таким образом, благодаря аэрологическим данным и картам барической топографии, введенным в практику Службы погоды, качество суточных прогнозов погоды значительно повысилось.
Сейчас усилия ученых направлены главным образом на удлинение срока прогноза. Однако проблема прогнозов погоды более чем на 5—10 суток пока остается одной из труднейших научных проблем.
Автор: Х. П. Погосян, доктор географических наук.