Як формується погода

погода

Погода цікавить всіх. Нерідко з оглядом і прогнозом погоди виступають синоптики. Вони розповідають про теплі і холодні повітряні течії, атмосферні фронти, рухливі циклони і антициклони. Що це за атмосферні об’єкти, як вони пов’язані з погодою і як допомагають її передбачати?

Погода формується в тропосфері

Тропосфера – це нижній, відносно тонкий шар атмосфери, що тягнеться до висот 9-16 км. Він істотно відрізняється від верхніх шарів. У всій тропосфері міститься від 70 до 90% маси атмосфери, а в самій нижній 5-кілометровій товщі повітря зосереджена її половина. І хоча в стратосфері, розташованій вище, також виникають фронтальні зони і найбільші атмосферні вихори, інтенсивного хмароутворення тут не відбувається, а, отже, не відбувається і змін погоди. Це пов’язано з тим, що 90% маси водяної пари, що грає важливу роль у формуванні погоди, припадає на той же самий 5-кілометровий шар тропосфери.

На відміну від інших газів, що входять до складу атмосфери, кількість атмосферної водяної пари в одиничному обсязі залежить від температури. Чим вище температура повітря, тим більше воно може містити вологи. При зміні температури від + 30 до -30° С вміст водяної пари в 1 кубічному метрі повітря змінюється від 30 до 0,3 г. Як тільки кількість водяної пари при даній температурі досягне максимуму, повітря, спочатку не насичене водяною парою, стає насиченим. При подальшому охолодженні повітря водяна пара перетворюється в найдрібніші крапельки води. Так виникають хмари і опади.

Фронтальні зони і фронти

Так як повітря в тропосфері нагрівається від поверхні Землі, а притікаюча до неї сонячна радіація розподіляється на земній кулі нерівномірно, то виникає різниця температур між високими і низькими широтами Землі і постійний рух повітря. В результаті у позатропічних зонах майже безперервно зустрічаються неоднорідні теплі і холодні маси повітря. Коли вони зближуються, горизонтальні градієнти температури, тиску і вологості повітря зростають і вітри посилюються. При видаленні повітряних мас один від одного градієнти зменшуються, вітри слабшають. Зони зближення теплих і холодних мас повітря називаються фронтальними зонами. У тропосфері, вище 2-3 км над поверхнею, ширина фронтальних зон становить близько тисячі кілометрів, довжина – 2-3 тис. км.

Структура фронтальних зон може бути наступною: в лівій частині зони повітряні течії сходяться, і тому в центральній частині фронтальної зони вітри посилюються до максимуму. У правій частині, де течії розходяться, вітри слабшають. При такій структурі течій з півночі зазвичай приходять холодні маси повітря, а з півдня — теплі, і інтенсивність фронтальної зони зростає. Якщо ж приплив різнорідних повітряних мас слабшає або припиняється, фронтальна зона також слабшає або руйнується. У фронтальних зонах зосереджені великі запаси енергії. Тут посилене не тільки горизонтальне перенесення, але виникають і впорядковані вертикальні рухи повітря зі швидкістю кілька сантиметрів в секунду.

Разом з формуванням фронтальної зони утворюються і атмосферні фронти – поверхні розділу між холодними і теплими масами повітря. Так як холодне повітря щільніше теплого, то при зустрічі двох різнорідних потоків перший вузьким клином входить під другий і в результаті виникає похила поверхня розділу між теплим і холодним повітрям. Кут нахилу фронту дуже малий, менше 1°. Це означає, що в пункті, віддаленому від лінії фронту біля поверхні Землі в бік холодного повітря на 300 км, фронтальна поверхня розташується на висоті всього 2-3 км.

Щоб ясніше уявити вертикальні розрізи фронтів, прийнято збільшувати масштаб по вертикалі в 100 разів. Це дозволяє наочно зобразити пов’язану з фронтами хмарну систему. Добре розвинений холодний фронт має приблизно таку ж структуру, як і теплий. Різниця між ними полягає лише в тому, що в разі теплого фронту його рух направлено в бік холодного повітря, а в разі холодного фронту — в сторону теплого. Однак фронти не завжди бувають яскраво виражені і часто не досягають верхньої тропосфери. Нерідко вони мають малу протяжність по вертикалі, а, отже, і зовсім іншу хмарну систему. Вона залежить від стійкості теплого і холодного повітря, яка визначається швидким або повільним зниженням температури з висотою. У першому випадку в зоні фронту виникають купчасті і купчасто-дощові хмари, у другому — шарувато-дощові.

Фронтальна хмарність зазвичай добре розвивається в молодих, що заглиблюються циклонах. Тут горизонтальні контрасти температури повітря і швидкості вітру, як правило, значні, і призводять вони до того, що маси повітря піднімаються вгору. Якщо ж умови такі, що маси повітря опускаються, то хмарність на фронті руйнується і опади припиняються. Однак, коли повітря досить сухе, навіть при підйомі його хмари на фронті або зовсім не виникають, або виникають хмари середнього і верхнього ярусів і з них опади не випадають.

Циклони і антициклони

Аналіз повітряних мас і атмосферних фронтів став проводитися з початку 30-х років. У той час метеорологи, користуючись даними наземних спостережень, прагнули визначити фізичні властивості тих чи інших мас повітря і відшукати фронти на приземних синоптичних картах погоди. Однак, щоб правильно оцінити найближчу перебудову полів температури і тиску і успішно прогнозувати погоду, необхідно було досліджувати умови виникнення і розвитку основних механізмів циркуляції — циклонів і антициклонів — і розробити теорію, яка хоча б в загальних рисах описувала їх природу. Не будь цих гігантських атмосферних вихорів не було б і різких змін погоди; крім того, у високих широтах земної кулі завжди були б
сильні морози, а в низьких — нестерпна спека.

Циклон

Оскільки в циклонах зароджуються висхідні рухи повітря, а в антициклонах – спадні, то з циклонами зазвичай пов’язана хмарна погода з опадами, а з антициклонами — малохмарна і ясна. Рух холодних і теплих, сухих і вологих мас повітря визначається, перш за все, положенням циклонів і антициклонів.

Наприклад, якщо в холодну пору року циклони рухаються над Північною Європою із заходу на схід, а антициклони — над Південною Європою в тому ж напрямку, то в середніх широтах переважає перенесення вологих і теплих мас повітря з боку Атлантики. При меридіональних ж переміщеннях циркуляції в тил циклонів і в передню частину антициклонів вторгається холодне повітря з півночі, а в передню частину циклонів і тилову частину антициклонів надходить тепло з півдня. У таких випадках в одних довготних районах встановлюються сильні холоди, а в інших — аномально тепла погода.

Виникнення і розвиток позатропічних вихорів — одна з головних проблем фізики атмосфери. Фронтологічний аналіз, впроваджений в службу погоди, включав і хвильову теорію циклонів. Відповідно до цієї теорії, циклони виникають, коли на атмосферних фронтах утворюються динамічні нестійкі бароклінні хвилі. Але щоб такі хвилі виникли, необхідний розрив температури і вітру на фронті. Хвильова теорія циклонів залишилася незавершеною, так як не змогла описати явища цикло – і антициклогенезу і подальший розвиток їх в потужні вихори.

Більш успішне дослідження атмосферних фронтів і вихорів почалося в 1936-1937 роках, після організації мережі аерологічних станцій. За допомогою радіозондів стали вести вимірювання температури, тиску і вологості повітря, напрямку і швидкості вітру на різних висотах. На основі цих даних, що характеризують фізичний стан атмосфери, у другій половині 30-х років приступили до складання висотних карт погоди — карт баричної топографії. За ним визначають райони холодних і теплих мас повітря, низького і високого атмосферного тиску, оцінюють швидкість і напрямок вітру, інтенсивність фронтальних зон в тропосфері на поверхнях різного тиску.

Із застосуванням радіозондування почався новий етап дослідження атмосфери. З’явилися відомості про атмосферні процеси на великих висотах, що дало можливість вірніше судити про їх фізичну природу. Була створена нова теорія циклонів і антициклонів, названа адвективно-динамічною. Сутність її полягала в наступному. Позатропічні великі вихори виникають і розвиваються в районах зближення теплих і холодних мас повітря (там, де формуються великі горизонтальні градієнти температури і тиску, зростає швидкість вітру в тропосфері), тобто під висотними фронтальними зонами. Тут уздовж повітряних течій швидкість вітру різко змінюється. У цих областях повітря накопичується або убуває. Внаслідок збільшення маси повітря під входом фронтальної зони (збіжність повітряних течій) тиск зростає і утворюється антициклон, під дельтою фронтальної зони (розходимість повітряних течій) тиск зменшується і утворюється циклон. Швидко перетворюючись в потужні утворення, циклони і антициклони досягають іноді в діаметрі більше 3 тис. км. Розвиваються вони і по вертикалі, поширюючись по всій тропосфері і нижнім верствам стратосфери.

Розвиток циклону супроводжується виникненням і посиленням висхідних рухів повітря в центральній і передній його частинах. Висхідне повітря охолоджується, водяна пара, що міститься в ньому конденсується і утворюються хмари. Одночасно в приземному шарі повітря, в області падіння тиску, вітри сходяться, а це сприяє появі атмосферних фронтів, хмарності і опадів.

В антициклонах, у міру їх посилення і зростання тиску, виникають низхідні рухи повітря. Низхідне повітря нагрівається, і водяна пара поступово стає менш насиченою. Атмосферні фронти в системі вітрів біля поверхні Землі розмиваються. Це призводить до поступового розсіювання хмарності і припинення опадів.

Коли розвиток циклону закінчується, він заповнюється холодним повітрям. Охолодження відбувається при горизонтальному перенесенні повітря в систему циклону і висхідному русі. У цій стадії хмарна система циклону руйнується, опади припиняються, а фронти витісняються на периферію циклону.

Система розвинених антициклонів заповнюється теплим повітрям, яке проникає туди при горизонтальному перенесенні і додатково нагрівається при низхідних рухах. На цій стадії розвитку антициклонів атмосферний тиск починає знижуватися і поступово з’являється хмарність.

Однак адвективно-динамічна теорія позатропічних вихорів враховує тільки головні фактори, що беруть участь в зародженні і розвитку цих вихорів, а застосування основних її положень, та до того ж лише в якісному вигляді, не завжди виявляється достатнім для складання достовірних прогнозів погоди.

Атмосферні об’єкти і прогноз погоди

В останній час теорія зміни атмосферного тиску розвинулася настільки, що на її основі були розроблені чисельні методи, що успішно застосовуються при складанні короткострокових прогнозів погоди. Удосконалюється теорія клімату, будуються теоретичні моделі загальної циркуляції атмосфери для створення більш досконалих методів довгострокових прогнозів погоди. Одночасно ведуться також експериментальні і теоретичні дослідження позатропічних атмосферних фронтів і вихорів.

Прогноз погоди

Однак спроби розробити сувору математичну теорію циклонів поки не увінчалися успіхом. А без такої теорії важко складати точні короткострокові прогнози погоди, оскільки помилки в прогнозах зазвичай пов’язані з тим, що неможливо врахувати раптово виникаючі нові вихори і різкі перетворення атмосферної циркуляції.

Чисельними методами прогнозів погоди можна, спираючись на карти баричної топографії, за допомогою комп’ютерів передбачити на найближчу добу або дві доби поля тиску, температури, швидкості і напрямку вітру. На основі цих даних складають прогностичні карти тиску, вертикальних рухів повітря і з урахуванням вологості приблизно оцінюють хмарність і опади.

Для прогнозу погоди використовуються тепер і фотографії хмарності, які отримують з метеорологічних супутників Землі. За ними можна визначати положення циклонів і антициклонів, атмосферних фронтів і напрямки їх руху на акваторії океанів — там, де проводиться мало спостережень. Особливо цінні фотографії, що фіксують процес утворення і розвитку, а також шляхи руху тропічних циклонів — цих грізних вихорів, небезпечних для кораблів і населення прибережних районів.

Таким чином, завдяки аерологічним даним і картам баричної топографії, введеним в практику служби погоди, якість добових прогнозів погоди значно підвищилася.

Зараз зусилля вчених спрямовані головним чином на подовження терміну прогнозу. Однак проблема прогнозів погоди більш ніж на 5-10 діб поки залишається однією з найважчих наукових проблем.

Автор: Х. П. Погосян, доктор географічних наук.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *