Принципи вивчення погоди
Синоптичні об'єкти
Смерч (торнадо)
Повітряні маси
Грози
Фронти
Струминні повітряні течії
Циклони і антициклони
Синоптичні карти (Карти погоди)
Тропічні циклони (урагани, тайфуни)
Приземні синоптичні карти
Висотні синоптичні карти
Озон
Прогноз погоди
Ель Ніньо
Проблеми сучасного стану погоди та клімату
Засухи в Африці
Забруднення
Глобальне потепління
 

Повітряні маси. Повітряна маса – величезний обсяг повітря, властивості якого (головним чином температура і вологість) сформувалися під впливом поверхні, що підстилає, у визначеному регіоні і поступово міняються в міру його переміщення з вогнища формування в горизонтальному напрямку. Повітряні маси виділяються насамперед по термічних характеристиках районів формування, наприклад тропічні і полярні. Переміщення з одних областей в інші повітряних мас, що зберігають багато первісних характеристик, можна простежити по синоптичних картах. Наприклад, холодне і сухе повітря з Канадської Арктики, переміщаючи над територією США, повільно прогрівається, але залишається сухим. Аналогічним образом теплі вологі тропічні повітряні маси, що формуються над Мексиканською затокою, залишаються вологими, але можуть нагріватися або прохолоджуватися в залежності від властивостей поверхні, що підстилає. Звичайно, така трансформація повітряних мас підсилюється в міру зміни умов, що зустрічаються на їхньому шляху.Коли із різними властивостями повітряні маси з вилучених вогнищ формування вступають у контакт, вони зберігають свої особливості. Більшу частина часу свого існування вони розділені більш-менш чітко вираженими перехідними зонами, де різко змінюються температура, вологість і швидкість вітру. Потім повітряні маси перемішуються, розсіюються і, зрештою, перестають існувати як відособлені тіла. Перехідні зони між повітряними масами, що рухаються, називаються «фронтами».

Фронти проходять по сідловинах баричного поля, тобто уздовж ізоліній низького тиску. При перетинанні фронту напрямок вітру звичайно різко міняється. У полярних повітряних масах вітер може бути північно-західним, тоді як у тропічних – південним. Найгірша погода встановлюється уздовж фронтів і в більш холодній області поблизу фронту, де тепле повітря сковзає нагору по клину щільного холодного повітря і охолоджується. У результаті утворюються хмари і випадають опади. Іноді уздовж фронту формуються позатропічні циклони. Фронти формуються також, коли стикаються холодні північні і теплі південні повітряні маси, що знаходяться в центральній частині циклона (області з низьким атмосферним тиском).

Існує чотири типи фронтів. Стаціонарний фронт формується на більш-менш стабільній границі між полярними і тропічними повітряними масами. Якщо в приземному шарі холодне повітря відступає, а тепле насувається, утвориться теплий фронт. Звичайно перед теплим фронтом, що наближається, небо закрите суцільною хмарністю, йдуть дощі або падає сніг, а температура поступово підвищується. Коли фронт проходить, дощ припиняється, а температура залишається високою. При проходженні холодного фронту холодне повітря насувається, а тепле відступає. Дощова, вітряна погода спостерігається у вузькій смузі уздовж холодного фронту. Навпроти, теплому фронтові передує широка зона хмарності і дощів. Фронт оклюзії поєднує у собі риси як теплого, так і холодного фронтів і звичайно зв'язаний зі старим циклоном.
  • Циклони й антициклони. Циклони – це великомасштабні атмосферні збурювання в області низького тиску. У Північній півкулі вітри дують з області високого в область низького тиску проти годинникової стрілки, а в Південній півкулі – по годинній стрілці. У циклонах помірних широт, називаних позатропічними, звичайно виражений холодний фронт, а теплий, якщо й існує, не завжди добре помітний. Позатропічні циклони часто формуються з подвітряної сторони гірських хребтів, наприклад над східними схилами Скелястих гір і уздовж східних берегів Північної Америки й Азії. У помірних широтах з циклонами зв'язана більша частина опадів.
  • Антициклон – це область підвищеного тиску повітря. Звичайно з ним зв'язана гарна погода при ясному або малохмарному небі. У Північній півкулі вітри, що дують з центра антициклона, відхиляються по годинній стрілці, а в Південній – проти годинникової стрілки. Розміри антициклонів звичайно більші, ніж циклонів, і переміщаються вони повільніше. Оскільки в антициклоні повітря розтікається від центра до периферії, більш високі шари повітря опускаються, компенсуючи його відтік. У циклоні, навпаки, повітря, що витісняється вітрами, що сходяться, піднімається нагору. Оскільки саме висхідні рухи повітря приводять до формування хмар, хмарність і опади належні більшою частиною до циклонів, тоді як в антициклонах переважає ясна або малохмарна погода.
  • Тропічні циклони (урагани, тайфуни) – це загальна назва для циклонів, що формуються над океанами в тропіках (за винятком холодних вод Південної Атлантики і південно-східної частини Тихого океану) і не містять контрастних повітряних мас.
Тропічні циклони виникають у різних районах світу, звичайно обрушуючись на східні і приекваторіальні райони материків. Вони зустрічаються в південній і південно-західній частині Північної Атлантики (включаючи Карибське море і Мексиканську затоку), у північній частині Тихого океану (на захід від мексиканського узбережжя, у районі Філіппінських о-вів і в Китайському морі), у Бенгальській затоці й Аравійському морі, у південній частині Індійського океану в берегів Мадагаскару, у північно-західного узбережжя Австралії й у південній частині Тихого океану – від узбережжя Австралії до 140° з.д. За міжнародною згодою, тропічні циклони класифікують у залежності від сили вітру. Виділяють тропічні депресії зі швидкістю вітру до 63 км/год, тропічні шторми (швидкість вітру від 64 до 119 км/год) і тропічні урагани, або тайфуни (швидкість вітру більш 120 км/год). У деяких районах земної кулі тропічні циклони мають місцеві назви: у Північній Атлантиці і Мексиканській затоці – урагани (на о.Гаїті – таємно); у Тихому океані в західного узбережжя Мексики – кордонасо, у західних і більшості південних районів – тайфуни, на Філіппінах – багуйо, або баруйо; в Австралії – віллі-віллі. Тропічний циклон – це величезний атмосферний вихор діаметром від 100 до 1600 км, що супроводжується сильними руйнівними вітрами, зливовими дощами і високими нагонами (підвищенням рівня моря під впливом вітру). Тропічні циклони звичайно рухаються на захід, трохи відхиляючись до півночі, зі зростаючою швидкістю переміщення і збільшуючись у розмірах. Після руху в напрямку полюса тропічний циклон може «розгорнутися», влитися в західний перенос помірних широт і почати рухатися на схід (однак така зміна напрямку руху відбувається не завжди). Обертаючись проти вартовий стрілки циклонічні вітри Північної півкулі мають максимальну силу в поясі діаметром 30–45 км і більше, починаючи від «ока бурі».Швидкість вітру поблизу земної поверхні може досягати 240 км/год. У центрі тропічного циклона звичайно знаходиться вільна від хмар ділянка діаметром від 8 до 30 км, що і називається «оком бурі», тому що небо тут часто буває ясним (або малохмарним), а вітер звичайно дуже слабкий. Зона руйнівних вітрів на шляху руху тайфуну має ширину 40–800 км. Розвиваючись і переміщаючись, циклони переборюють відстані в кілька тисяч кілометрів, наприклад, від вогнища формування в Карибському морі або в тропічній Атлантиці до внутріматерикових районів або Північної Атлантики.
Хоча ураганні вітри в центрі циклона досягають величезної швидкості, сам ураган може переміщатися дуже повільно і навіть зупинятися на якийсь час, що особливо характерно для циклонів тропічних широт, що звичайно рухаються зі швидкістю не більш 24 км/год. У міру віддалення циклона від тропіків швидкість його просування звичайно зростає і в окремих випадках досягає 80 км/год і більш. Ураганні вітри можуть завдати великої шкоди. Хоча вони слабкіші, ніж у смерчі, проте здатні валити дерева, перекидати будинку, обривати лінії електропередачі і навіть пускати під укіс потяга. Але до найбільших людських жертв приводять повені, зв'язані з ураганами. В міру просування шторми часто утворюються величезні хвилі, а рівень моря може за кілька хвилин піднятися більш ніж на 2 м. Невеликі судна виявляються викинутими на берег. Гігантські хвилі руйнують будинку, дороги, мости й інші розташовані на березі будівлі і здатні розмити навіть довгостроково існуючі піщані острови. Велика частина ураганів супроводжується заливними дощами, що заливають поля і псують посіви, розмивають дороги і зносять мости, затопляють низькорозташовані населені пункти. Удосконалювання прогнозів, супроводжуваних оперативними штормовими попередженнями, привело до значного скорочення числа людських жертв. Коли формується тропічний циклон, збільшується частота трансляції прогнозів. Найважливішим джерелом інформації є повідомлення з літаків, спеціально оснащених для спостережень за циклонами. Такі літаки патрулюють на відстані сотень кілометрів від узбережжя, часто проникаючи в центр циклона для одержання точних зведень про його положення і рух. Ділянки узбережжя, найбільш підданим ураганам, обладнані радіолокаційними установками для їхнього виявлення. У результаті шторм може бути зафіксований і простежений на відстані до 400 км від радіолокаційної станції.

Смерч (торнадо) – обертова воронкоподібна хмара, що протягається до землі від основи грозової хмари. Колір його міняється від сірого до чорного. Приблизно в 80% торнадо на території США максимальні швидкості вітру досягають 65–120 км/год і тільки в 1% – 320 км/год і вище. Наближення торнадо звичайно видає шум, подібний до гуркоту товарного потяга, що рухається. Незважаючи на порівняно невеликі розміри, смерчі відносяться до найбільш небезпечних штормових явищ. З 1961 по 1999 на території США від торнадо гинуло в середньому 82 чоловік у рік. Однак імовірність того, що смерч пройде в даному місці, украй низька, оскільки середня довжина його пробігу досить коротка (біля 25 км), а смуга охоплення невелика (шириною менш 400 м). Смерч зароджується на висотах до 1000 м над поверхнею. Деякі з них так і не досягають землі, інші можуть торкнутися її і знову піднятися. Смерчі звичайно зв'язані з грозовими хмарами, з яких на землю випадає град, і можуть виникати групами по двох і більш. У цьому випадку першим утвориться більш могутній смерч, а потім ще один або трохи більш слабких вихрів. Для формування смерчу в повітряних масах необхідний різкий контраст температури, вологості, щільності і параметрів повітряних потоків. Прохолодне і сухе повітря з заходу або північно-заходу насувається на тепле і вологе повітря, що знаходиться в приземному шарі. Це супроводжується сильними вітрами у вузькій перехідній зоні, де відбуваються складні перетворення енергії, що можуть викликати формування вихрячи. Імовірно, смерч утвориться тільки при строго визначеному сполученні декількох досить звичайних факторів, що змінюються в широких межах. Смерчі відзначаються по всій земній кулі, але найбільш сприятливої умови для їхнього формування є в центральних районах США. Частота виникнення торнадо звичайно підвищується в лютому у всіх східних штатах, що прилягають до Мексиканської затоки, і досягає максимуму в березні. На території Айови і Канзаса їхня найбільша частота приходиться на травень-червень. З липня по грудень число торнадо в цілому по країні швидко скорочується. Середня кількість смерчів на території США ок. 800 у рік, причому половина з них приходиться на квітень, травень і червень. Найбільших величин цей показник досягає в Техасі (120 у рік), а найменших – у північно-східних і західних штатах (1 у рік). Руйнування, викликані смерчами, жахливі. Вони відбуваються як через вітер величезної сили, так і через великі перепади тиску на обмеженій площі. Смерч здатний рознести на шматочки будинок і розметати його по повітрю. Можуть обрушуватися стіни. Різке зниження тиску приводить до того, що важкі предмети, що навіть знаходяться усередині будинків, піднімаються в повітря, як би усмоктувані гігантським насосом, і іноді переносяться на значні відстані. Неможливо пророчити, де саме утвориться смерч. Однак можна визначити район площею ок. 50 тис. кв. км, усередині якого імовірність появи смерчів досить висока.

Грози, або грозові бурі, являють собою локальні атмосферні збурювання, зв'язані з розвитком купчасто-дощових хмар. Такі бурі завжди супроводжуються громом і блискавками і звичайно сильними поривами вітру і зливових опадів. Іноді випадає град. Більша частина гроз закінчується швидко, і навіть самі тривалі з них рідко продовжуються більш однієї-двох годин. Грози виникають через атмосферну нестійкість і зв'язані в основному з перемішуванням шарів повітря, що прагнуть досягти більш стійкого розподілу по щільності. Могутні висхідні потоки повітря є відмінною рисою початкової стадії грози. Сильні спадні рухи повітря в зонах зливових опадів характерні для її заключної фази. Грозові хмари часто досягають висоти 12–15 км у помірних широтах і ще більшої – у тропіках. Їхній вертикальний ріст обмежений стійким станом нижніх шарів стратосфери. Унікальною властивістю гроз є їхня електрична активність. Блискавка може спостерігатися усередині купчастої хмари, між двома хмарами або між хмарою і землею. У дійсності розряд блискавки майже завжди складається з декількох розрядів, що проходять по тому самому каналу, причому вони проходять так швидко, що сприймаються неозброєним оком як той самий розряд. Поки ще не зовсім ясно, яким чином відбувається в атмосфері поділ великих зарядів протилежного знаку. Більшість дослідників думає, що цей процес зв'язаний з розходженнями в розмірах рідких і замерзлих крапель води, а також з вертикальними повітряними потоками.
Електричний заряд грозової хмари індукує заряд на земній поверхні під собою і заряди протилежного знаку навколо основи хмари. Між протилежно зарядженими ділянками хмари і земною поверхнею виникає величезна різниця потенціалів. Коли вона досягне достатньої величини, відбувається електричний розряд – спалах блискавки. Грім, що супроводжує розряд блискавки, викликаний миттєвим розширенням повітря на шляху розряду, що відбувається при раптовому його нагріванні блискавкою. Грім частіше чутний як тривалі розкати, а не як одиночний удар, тому що виникає уздовж усього каналу розряду блискавки, і тому звук переборює відстань від свого джерела до спостерігача в кілька етапів
Струминні повітряні плини – звивисті «ріки» сильних вітрів у помірних широтах на висотах 9–12 км (до яких звичайно присвячені далекі перельоти реактивних літаків), що дують зі швидкістю іноді до 320 км/ч. Літак, що летить по напрямку струминного плину, заощаджує багато пального і часу. Тому прогноз поширення і сили струминних плинів має істотне значення для планування польотів і повітряної навігації в цілому.
СИНОПТИЧНІ КАРТИ (КАРТИ ПОГОДИ). Для характеристики і вивчення багатьох атмосферних явищ, а також для прогнозу погоди необхідно одночасно проводити різні спостереження в безлічі пунктів і фіксувати отримані дані на картах. У метеорології звичайно застосовується т.зв. синоптичний метод
Приземні синоптичні карти. На території США щогодини (у деяких країнах – рідше) проводяться спостереження за погодою. Характеризується хмарність (щільність, висота і вид); знімаються показання барометрів, до яких уводяться виправлення для приведення отриманих величин до рівня моря; фіксуються напрямок і швидкість вітру; виміряються кількість рідких або твердих опадів і температура повітря і ґрунту (у термін спостереження, максимальна і мінімальна); визначається вологість повітря; ретельно фіксуються умови видимості і всі інші атмосферні явища (наприклад, гроза, туман, серпанок і т.п.). Кожен спостерігач потім кодує і передає інформацію з Міжнародному метеорологічному кодові. Оскільки ця процедура стандартизована Всесвітньою метеорологічною організацією, такі дані можуть бути легко розшифровані в будь-якому районі світу. Кодування займає біля 20 хвилин, після чого повідомлення передаються в центри збору інформації і відбувається міжнародний обмін даними. Потім результати спостережень (у виді цифр і умовних знаків) наносяться на контурну карту, на якій крапками зазначені метеорологічні станції. У такий спосіб синоптик одержує представлення про погодні умови в межах великого географічного регіону. Загальна картина стає ще більш наочної після з'єднання точок, у яких зафіксоване однаковий тиск, плавними суцільними лініями – ізобарами і нанесення границь між різними повітряними масами (атмосферних фронтів). Виділяються також райони з високим або низьким тиском. Карта стане ще більш виразною, якщо зафарбувати або заштрихувати території, над якими в момент спостережень випадали опади. Синоптичні карти приземного шару атмосфери є одним з основних інструментів прогнозу погоди. Фахівець, що розробляє прогноз, порівнює серії синоптичних карт на різні моменти спостережень і вивчає динамікові барических систем, відзначаючи зміни температури і вологості усередині повітряних мас у міру їхнього переміщення над різними типами поверхні, що підстилає.

Висотні синоптичні карти. Хмари переміщаються повітряними плинами звичайно на значних висотах над земною поверхнею. Тому для метеоролога важливо мати у своєму розпорядженні надійні дані для багатьох рівнів атмосфери. На підставі даних, отриманих за допомогою метеозондов, літаків і супутників, складаються карти погоди для п'яти висотних рівнів. Ці карти передаються в синоптичні центри.

ПРОГНОЗ ПОГОДИ

Прогноз погоди складається на основі людських знань і можливостей комп'ютера. Традиційною складовою частиною створення прогнозу є аналіз карт, що показують структуру атмосфери по горизонталі і по вертикалі. На їхній основі фахівець із прогнозу може оцінити розвиток і рух синоптичних об'єктів. Використання в метеорологічній мережі комп'ютерів істотно полегшує прогноз температури, тиску й інших метеорологічних елементів. Для прогнозу погоди, крім могутнього комп'ютера, необхідна широка мережа спостережень за погодою і надійний математичний апарат. Безпосередні спостереження забезпечують математичні моделі необхідними для їхнього калібрування даними. Ідеальний прогноз повинний виправдуватися по всіх параметрах. Установити причину помилок у прогнозі складно. Метеорологи вважають прогноз що виправдався, якщо його помилка менше, ніж пророкування погоди з застосуванням одного з двох методів, що не вимагають спеціальних пізнань в області метеорології.

  • Перший з них, що називається інерційним, допускає, що характер погоди не зміниться.
  • Другий метод виходить з того, що характеристики погоди будуть відповідати середнім місячним на дане число.

Тривалість терміну, протягом якого прогноз виправдується (тобто дає кращий результат, чим один із двох названих підходів), залежить не тільки від якості спостережень, математичного апарата, обчислювальної техніки, але також і від масштабу прогнозованого метеорологічного явища. Узагалі говорячи, чим крупніше явище погоди, тим на більш тривалий термін його можна прогнозувати. Наприклад, часто ступінь розвитку і шляхи руху циклонів можна прогнозувати на кілька днів уперед, але поводження конкретного кучевого хмари може бути передвіщено не більше ніж на найближчу годину. Ці обмеження, очевидно, обумовлені особливостями атмосфери і не можуть бути поки переборені за допомогою більш ретельних спостережень або більш точних рівнянь.

Атмосферні процеси розвиваються хаотично. Це означає, що для прогнозу різних явищ у різному просторово-часовому масштабі необхідні різні підходи, зокрема, для прогнозу поводження великих циклонів помірних широт і локальних сильних гроз, а також для довгострокових прогнозів. Наприклад, прогноз тиску повітря на добу в приземному шарі є майже такого ж точним, як виміру за допомогою метеозондів, по яких його перевіряли. І навпаки, важко дати детальний тригодинний прогноз переміщення лінії шквалів – смуги інтенсивних опадів перед холодним фронтом і в цілому паралельно йому, у межах якої можуть зароджуватися смерчі. Метеорологи поки можуть тільки попередньо виділяти великі райони можливого виникнення ліній шквалів. Коли вони зафіксовані на космічному знімку або за допомогою радіолокатора, їхнє просування можна екстраполювати тільки на один-два годин, і тому важливо вчасно довести зведення погоди до населення. Пророкування несприятливих короткочасних метеорологічних явищ (шквалів, граду, смерчів і ін.) називається терміновим прогнозом. Розробляються комп'ютерні методики прогнозування цих небезпечних явищ погоди. З іншого боку, існує проблема прогнозів довгострокових, тобто більш ніж на кілька днів уперед, для яких абсолютно необхідні спостереження за погодою в межах усієї земної кулі, але навіть і цього виявляється недостатньо. Оскільки турбулентна природа атмосфери обмежує можливості пророкування погоди на великій території зразковим терміном до двох тижнів, прогноз на більш тривалий час повинний ґрунтуватися на факторах, що передбачуваним образом впливають на атмосферу і при цьому самі будуть відомі більш ніж за двох тижнів. Одним з таких факторів є температура поверхні океану, що повільно міняється протягом тижнів і місяців, впливає на синоптичні процеси і може бути використана для виявлення районів з аномальними температурами і кількістю опадів.

ПРОБЛЕМИ СУЧАСНОГО СТАНУ ПОГОДИ І КЛІМАТУ

  • Забруднення повітря. Хоча законодавства найбільш розвитих країн регламентують обсяг викидів забруднюючих речовин автомобілями і промисловістю, забруднення повітря все-таки представляє серйозну проблему. Особливо це стосується «кислотних дощів». Продукти згоряння у формі різних оксидів сірки й азоту викидаються в атмосферу, де вступають у хімічні реакції, у результаті яких утворяться сірчана й азотна кислоти. Кислотним дощем називається випадання цих кислот на земну поверхню не тільки з атмосферними опадами, але й у результаті осадження їхніх часточок під впливом власної сили ваги.
  • Глобальне потеплення. Зміст вуглекислого газу в атмосфері Землі з 1850 виросло приблизно на 15% і, згідно з прогнозом, повинне збільшитися майже на стільки ж до 2015, цілком ймовірно, через спалювання викопного палива: вугілля, нафти і газу. Передбачається, що в результаті цього процесу середня річна температура на земній кулі підвищиться приблизно на 0,5° С, а пізніше, у 21 в., стане ще вище. Наслідки глобального потеплення пророчити важко, але навряд чи вони будуть сприятливими.
  • Озон, молекула якого складається з трьох атомів кисню, зустрічається головним чином в атмосфері. Спостереження, що проводилися із середини 1970-х до середини 1990-х років, показали, що концентрація озону над Антарктидою значно змінювалася: зменшувалася навесні (у жовтні), коли утворювалася т.зв. «озонова діра», а потім знову підвищувалася до нормальної величини влітку (у січні). За розглянутий період у цьому регіоні простежується виразна тенденція до зниження весняного мінімального змісту озону. Глобальні спостереження за допомогою супутників указують на трохи менше, але помітне зменшення концентрації озону, що відбуває повсюдно, за винятком приэкваториальной зони. Передбачається, що це відбулося через широке застосування фторхлорсодержащих хладонів (фреонів) у холодильних установках і для інших цілей.
  • Ель Ніньо. Один раз у кілька років на сході екваторіальної області Тихого океану відбувається надзвичайно сильне потеплення. Звичайно воно починається в грудні і продовжується кілька місяців. Через близькість за часом до Різдва це явище одержало назву «Ель Ніньо», що в перекладі з іспанського означає «дитя (Христос)». Супутні йому атмосферні явища були названі Південним коливанням, тому що вперше спостерігалися в Південній півкулі. Через теплу водну поверхню конвективний підйом повітря відзначається в східній частині Тихого океану, а не в західної, як звичайно. У результаті область сильних дощів зміщається з західних районів Тихого океану в східні.
  • Посухи в Африці. Згадування про посуху в Африці восходят до біблійної історії. У більш близьке нам час, наприкінці 1960-х – початку 1970-х років, посуха в Сахеле, на південній окраїні Сахари, привела до загибелі 100 тис. чоловік. Посуха 1980-х років нанесла аналогічну втрату Східній Африці. Несприятливі кліматичні умови цих регіонів підсилювалися перевипасом худоби, винищуванням лісів і воєнних дій (як, наприклад, у Сомалі в 1990-х роках).