Учебно-методический комплекс дисциплины «Климатология и метрология» для специальности 5М060800 «Экология» учебно-методические материалы

2. Прогноз погоды

Погоду можно предсказывать по местным признакам, синоптическим методом (на основе анализа синоптических карт погоды) и численными методами (путем предвычисления с использованием ЭВМ). Существуют еще и физико-статистические методы, отличительной особенностью которых является составление прогнозов в вероятной форме. У каждого из этих методов есть свои достоинства и недостатки, своя специфика использования и свои возможности применения на практике.

В настоящее время составляют прогнозы как общего пользования, так и специальные. Первые рассчитаны на всех и распространяются средствами массовой информации. Вторые предназначены для удовлетворения запросов отраслей народного хозяйства с учетом специфики деятельности людей тех или иных профессий (строителей, моряков, авиаторов, земледельцев, животноводов и пр.); они помещаются в специальные метеобюллетенях или передаются по ведомственным каналам связи; от прогнозов общего пользования отличаются большой детализацией и конкретностью характеристики состояния отдельных метеовеличин.
Прогнозирование погоды по местным признакам погоды

Зависимость людей от погоды заставляла их наблюдать за ее изменениями и находить приметы, по которым можно было бы предвидеть погоду. Некоторые из дошедших до нас народных примет о характере будущей погоды получили научное обоснование.

В настоящее время в связи с развитием средств массовой информации интерес к местным признакам погоды ослабел: мы несколько раз в день получаем прогноз погоды, составленный в метеослужбах. Но оправдываемость прогнозов далека от 100%, к тому же прогноз составляется для больших районов и регионов. Поэтому знание местных признаков, основанных на неинструментальных наблюдениях, во многих случаях может помочь уточнить прогноз погоды.

Об изменениях погоды можно судить по облакам, ветру, оптическим явлениям. Для определения ближайших изменений погоды необходимо стремиться учесть доступный комплекс признаков.

Для того, чтобы составить представление об ожидаемой погоде на ближайшие часы, необходимо верно оценить характер погоды в данную минуту. Для этого нужно хорошенько рассмотреть небо по возможности из точки с хорошим обзором горизонта, не закрытой ни строениями, ни деревьями. Состояние неба (наличие или отсутствие облаков) подскажет, является ли наблюдаемая погода внутримассовой или фронтальной. Направление и скорость ветра у земли и на высоте помогут уточнить, в какой части барической системы находится наблюдатель. Если есть барометр, то можно оценить изменения давления за последние часы. После оценки метеобстановки можно представить себе ее дальнейшее развитие и сделать прогноз. Для внутримассовой погоды определяющим будет ее суточный ход; для фронтальной – надо знать, с каким фронтом имеет дело и что несет с собой этот фронт.

Подтверждение своим выводам нужно искать в других известных признаках: состоянии светил на небе, окраске горизонта, типичных облаках, поведенческих реакциях животных, внешних реакций растений, световых явлениях и пр.

Можно выделить следующие местные признаки погоды: признак сохранения, малооблачная солнечная погода, ухудшение или улучшение погоды, заморозков в вегетативный период.

Признаки сохранения малооблачной солнечной погоды:

высокое атмосферное давление или его повышение в течение нескольких дней, резко выраженные суточные колебания показаний барометра, выраженный суточный ход скорости ветра с максимумом в полдень и минимумом ночью, утром небо безоблачно, к 11–12 часам – кучевые облака, максимум к 15–16 часам, вечером рассеивающие, дым из труб идет вверх, вечером или перед восходом солнца появляется роса, в понижениях – туман, ласточки летают высоко, пчелы рано вылетают из ульев, муравьи активны, зимой – гало, белые венцы.

резкое понижение атмосферного давления, постепенное понижение атмосферного давления, усиление ветра, увеличение облачности после длительного засушливого периода, жаркий и душный день, температура не понижается к вечеру, теплая ночь без росы, низко плывут облака, дым в тихую погоду стелется у земли, облака становятся плотнее, увеличивается и снижается, красный цвет облаков на рассвете или закате, ласточки летают низко, утром пчелы не вылетают из улья и гудят, ухудшение самочувствия (звон в ушах, ломота, сонливость).

повышение атмосферного давления в период плохой (ветреная с осадками) погоды, понижение температуры воздуха, усиление ветра, прояснение неба, переменная облачность, появление просветов, короткие сумерки, появление тумана вечером, облака «тают», рассеиваются, поднимаются выше.

утром ясная и малооблачная погода, цвет неба голубой или синий, днем кучевые облака, вечером исчезают, температура воздуха днем слабо повышенная или не изменяется, идет ливневый дождь, дует резкий северный холодный ветер, повышение атмосферного давления, дождь прекращается, облака рассеиваются, улучшается видимость.

Сущность синоптического метода прогноза погоды состоит в одновременном обзоре ее состояния на достаточно большой территории, позволяющем определить характер развития атмосферных процессов и дальнейшее наиболее вероятное изменение метеоусловий в интересующем нас районе. Такой обзор осуществляется с помощью карт погоды, на которые наносятся данные метеонаблюдений у поверхности земли и на всех доступных метеоприборами высотах, производимых единовременно по определенной программе на метеостанциях.

В основе предсказания погоды синоптическим методом лежит анализ карт погоды, называемых синоптическими. До начала систематического аэрологического зондирования, то есть до тридцатых годов XX века, исследование атмосферных процессов производилась на основе данных наземных метеонаблюдений. Поэтому до этого периода при анализе погодообразующих процессов, как и при прогнозе погоды, не использовались данные наблюдений на высотах. С изобретением радиозонда и других метеоприборов в методах исследования произошел резкий перелом. Систематические аэрологические наблюдения позволили усовершенствовать методы исследования и методы краткосрочных прогнозов. С 1937–1938 гг. начали составляться карты барической топографии. Это сказалось на качестве прогнозов. С внедрением численных методов прогноза полей давления, температуры, влажности, вертикальных движений ветра, оправдываемость прогнозов продолжала возрастать.

В зависимости от срока прогнозы делятся на краткосрочные, долгосрочные и сверхдолгосрочные.

Для составления краткосрочного прогноза выявляются причины, обусловившие предшествующее развитие атмосферных процессов. Затем на основании закономерностей, известных из теории и имеющихся данных, определяют наиболее вероятное направление из развития в ближайшее время. Средняя оправдываемость краткосрочных прогнозов не превышает 80%. Большей точностью отличаются специализированные прогнозы, менее точны – общие прогнозы. Чем больший срок прогноза, тем меньше его оправдываемость.

Методы 1–3 суточных прогнозов погоды непрерывно усовершенствуются, и можно ожидать, что в ближайшие годы оправдываемость их еще повысится. Несравненно труднее с долгосрочными прогнозами погоды. Это проблема – одна из самых сложных для человечества и ждет еще своего решения. Над разработкой методов надежных прогнозов малой и большой заблаговременности работают виднейшие метеорологи мира. Однако и до настоящего времени эти методы еще не разработаны, хотя в надежных долгосрочных прогнозах на месяц, сезон нуждаются несравненно больше, чем в прогнозах заблаговременностью 1–3 суток.

В долгосрочных прогнозах погоды заинтересованы не только планирующие органы. Хорошие метеорологические прогнозы необходимы гидрологам, агрометеорологам и океанологам. Лишь на основе высокооправдывающихся долгосрочных прогнозов погоды можно, например, составлять прогнозы вскрытия и замерзания рек, половодий, условий произрастания сельскохозяйственных культур, морской ледовой обстановки.

Надежные долгосрочные прогнозы могут помочь лучшему планированию крупных мероприятий в различных отраслях народного хозяйства, особенно сельского хозяйства и строительства. Прогнозы погоды малой заблаговременности (4–8 суток) также важны и используются многими организациями и ведомствами.

Основанием для составления прогнозов погоды малой заблаговременности служит положение о расчленении атмосферных процессов на периоды длительностью 4–8 суток называются синоптическими. Резкие преобразования процессов осуществляются на сравнительно большой территории.

Разработка метода долгосрочных прогнозов погоды – еще более трудная задача. Удлинение срока прогноза связано с возрастающими трудностями. Если для прогноза на сутки приходится учитывать большие и малые возмущения полей давления и температуры, то при прогнозах на несколько суток необходимо учитывать процессы более крупного масштаба, по крайней мере, в масштабах северного (южного) полушария. Это можно объяснить тем, что за 5–10 суток воздушные массы могут пройти расстояние порядка 5–10 тыс. км. При долгосрочных прогнозах необходимо учитывать возможное изменение притока солнечной радиации, рассчитывать поля давления, вычислять поля скорости вертикальных и горизонтальных движений воздуха, облачности, влажности и их взаимовлияние. Развитие методов долгосрочных прогнозов тесно связано с исследованиями общей циркуляции атмосферы.

Месячные прогнозы погоды составлялись в СССР с 1920-х годов (Б.П. Мультановский, 1922 г.). Хотя за прошедшие десятилетия методы прогнозирование непрерывно совершенствовались, однако они не имеют еще необходимой оправдываемости. Синоптические методы долгосрочных прогнозов погоды основывались на нахождении различных статистических связей между характером прошедшей и будущей циркуляции атмосферы. В частности, используются инерционные связи развития крупных атмосферных процессов исходя из того, что они преобладают на территории, составляющей если не все северное полушарие, то хотя бы половину или треть его. На этой основе подбираются карты-аналоги за прошлые годы, то есть годы, когда крупные черты развития атмосферных процессов в предшествующие месяцы и сезоны протекали аналогично текущему году. После анализа процессов и учета обеспеченности прогностических связей высказываются соображения об ожидаемом развитии процессов на ближайший месяц или сезон. Конечно, нередко разные прогностические указания противоречат друг другу.

При выборе года-аналога для прогноза погоды используется предположение, что атмосфере присуща ритмическая деятельность. Крупные процессы меридиональных преобразований полей температуры и давления повторяются через определенные промежутки времени. Так устанавливаются даты холодных вторжений на прогнозируемой территории.

Прогнозы погоды на месяц составляются по ходу погоды в течение выбранного месяца-аналога. При этом используются положение о ритмах и фазах развития крупных меридиональных процессов, сопровождающихся резкими изменениями погоды.

К сожалению, используемые при составлении месячных прогнозов погоды положения о развитии атмосферных процессов и погоды в течение прогнозируемого месяца не всегда оправдываются. Объясняется это тем, что они не лишены элементов субъективизма, да и установленные статистические, связи не надежными.

С помощью вычислительных машин пытаются найти более объективные способы выбора аналога и более строго использовать статистические методы, чтобы установить множественные связи между процессами во времени и пространстве.

Анализ синоптических карт состоит в определении, чем обуславливается погода в интересующем нас районе: откуда и какой приходит воздух, в какой барической системе он циркулирует, как взаимодействует с подстилающей поверхностью, существуют ли атмосферные фронты, способные оказывать влияние на погоду, куда и с какой скоростью перемещаются барические системы и атмосферные фронты, как они изменяются и т.п.

На основе такого анализа, который предполагает как качественную оценку атмосферных процессов, так и получение их количественных показателей, синоптику предстоит определить, как будут развиваться процессы в будущем и какими будут конкретные условия погоды – облачность, температура воздуха, ветер, осадки. Во всех случаях синоптик опирается на свое понимание развивающихся процессов, на свой опыт, знания, а также на известные современной науке положения, собранные в «Руководстве по краткосрочным прогнозам погоды».

Эти сведения в зашифрованном виде получают органы Службы погоды по телефону, телеграфу и радио. Телеграммы «метео» состоят из нескольких пятизначных групп цифр. В них содержатся сведения о погоде в определенный момент времени в пунктах, расположенных на материках и частично на океанах. Все они наносятся на карту особыми значками и анализируются. На приземных картах проводят изобары и определяют области высокого и низкого давления, местонахождение атмосферных вихрей, районы расположения холодного и теплого, сухого и влажного воздуха, устойчивых и неустойчивых воздушных масс, атмосферные фронты, зоны дождей. На высотных картах проводят изогипсы (линии одиночного потенциала), определяют положение фронтовых зон, направление и скорость ветра вдоль воздушных течений.

Карты погоды составляют несколько раз в сутки. Они делятся на основные и вспомогательные. Основные карты (М 1 : 10 000 000 или 1 : 15 000 000) содержат почти все сведения о погоде на площади равной по площади Евразии. На вспомогательные карты наносятся данные отдельных элементов (М 1 : 30 000 000, 1 : 40 000 000, 1 : 60 000 000). Вспомогательные карты: суточных или полусуточных сумм осадков, изаллобарические (изменение давления в течение суток или полусуток), максимальных или минимальных температур, вертикальных движений, карты облачности по данным спутника.

Частота составления карт погоды зависит от заблаговременности прогноза. Для суточных прогнозов основные карты (Европа, Северная Атлантика, Сибирь) составляют 4 раза в сутки. Необходим также ряд вспомогательных карт, а также высотные карты. Для прогноза погоды на 2–3 суток необходимы приземные и высотные карты Северного полушария. Размер территории определяется скоростью движения атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов.

Данные, получаемые с метеостанций, наносятся на приземные карты погоды по единой для всех стран схеме, принятой ВМО (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема расположения сведений о погоде в пункте наблюдений на приземной карте погоды (а) и примеры изображения на карте «плохой» (б)

и «хорошей» (в) погоды

Работа с синоптической картой начинается с анализа погоды, нанесенной на нее в закодированном виде (рисунок 2). Специалист анализирует все данные о погоде в пунктах наблюдений. Неспециалистам достаточно знать, что крайняя цифра слева – это значение температуры воздуха с десятыми долями, крайняя цифра справа – атмосферное давление в миллибарах: например, 995 означает, что давление составляет 999,5 мб, а 134 означает давление 1013,4мб. Чтобы получить значения давления в привычных мм рт. ст. нужно применять специальную таблицу перевода, где учитывается температура воздуха. Для более простого перевода можно пользоваться выведенным соотношением:

1мб=0,75мм рт. ст. или 1мм рт.ст.=1,33мб.

На карту также наносятся атмосферные явления, направление ветра, скорость ветра (одно перо означает 5 м/с).

По равным значениям атмосферного давления проводятся изобары, с помощью которых определяется положение циклонов (Н) и антициклонов (В). Также на карте обязательно обозначаются линии раздела воздушных масс, то есть атмосферные фронты: красным цветом – теплый фронт, синим цветом – холодный фронт, коричневым – фронт окклюзии. Стрелками обозначено предполагаемое смещение циклонов и антициклонов.

Рисунок 2 – Синоптическая карта (06.12.2010; 12:00 ч.)

http://www.kolgimet.ru/maps/map.htm
Высотные карты погоды (карты барической топографии) ежедневно строятся по материалам радиозондирования атмосферы. Они содержат сведения о температуре, влажности воздуха, направления и скорости ветра, геопотенциале. Карты атмосферного давления строятся для поверхностей 850,700, 500, 300, 200, 100, 50, 30, 20 и 10 гПа, которые приблизительно соответствуют высотам 1,5; 3; 5–5,5; 9; 12; 16; 20; 24; 27; и 29–30 км. В отдельных случаях для исследовательских целей по ракетным данным создаются карты для поверхностей 5 и 1 гПа (35–37 и 50 км).

Анализ высотных карт погоды состоит в проведении изогипс и получении рельефа давления на данной изобарической поверхности. На картах абсолютной барической топографии вырисовываются барические возвышенности и впадины, которым соответствуют антициклоны и циклоны, гребни и ложбины. Здесь же определены зоны сильных и слабых ветров, струйные течения. Кроме карт абсолютной барической топографии строят карты относительной барической топографии или . На таких картах легко выделить области тепла или холода, фронтальные зоны.

Для определения состояния атмосферы и прогноза ливней и гроз по данным аэрологических наблюдений чертят аэрологические диаграммы. Строятся вертикальные разрезы атмосферы по наиболее интересным направлениям или трассам полетов самолетов (направление и скорость ветра, струйные течения, зоны возможного обледенения, «болтанки» самолетов) и прочие. Огромное количество данных за короткий срок обработать под силу учреждению с большим штатом. Поэтому прогнозы составляются в Гидрометцентрах. При составлении прогноза велико влияние субъективного фактора. Поэтому внимание метеорологов было обращено к математике и численным методам прогноза.
Численные методы прогноза погоды

Предвычисление будущего состояния погоды осуществляется с помощью ЭВМ, в память которых поступает непрерывный поток информации о фактическом состоянии погоды, зафиксированный на метеостанциях. Эта информация опознается, сортируется, подвергаются контролю машиной и специальной обработке, позволяющей осуществить ее дальнейший анализ. Данные отдельных станции, расположенных на различных расстояниях одна от другой, пересчитываются в значениях основных метеовеличин для так называемых регулярной сети точек (равномерно расположенных). Обработанная таким образом информация становится исходной для выполнения расчетов на ЭВМ. Она вводится в уравнения гидродинамики, описывающее состояние погоды в исходный момент времени. Решение этих уравнений согласно подготовленной ранее и апробированной программе и является будущим состоянием атмосферного давления, ветра, температуры и осадков на сроки 12, 24, 36 часов вперед. В основу этих программ заложен шаговый принцип, то есть будущее поле метеоэлемента рассчитывается последовательно для малых отрезков времени (2–3 часа). Этот принцип был предложен английским математиком Ричардсоном в 1922 г. Он помогает исключить грубые ошибки при расчетах.

Результаты предвычисления подаются на графопостроители. Таким образом, получаются прогностические карты основных метеовеличин, по которым специалисты уже составляют все остальные, более детальные прогнозы погоды, включающие данные о стихийных явлениях (грозы, гололед, метель) для отдельных пунктов.

К системам получения данных обычно предъявляются следующие требования:

• точность измерений;

• пространственное и временное разрешение;

• репрезентативность измерений;

• время сбора данных;

• полнота;

• достоверность измерений;

• стабильность (однородность измерений);

• надежность функционирования;

• экономичность функционирования.

Системы сбора гидрометеорологических данных делятся на оперативные, неоперативные и системы сбора данных специальных экспериментов.

Глобальной и беспрецедентной по объему сбора гидрометеорологических данных является Всемирная служба погоды (ВСП).