СИНОПТИЧНА МЕТЕОРОЛОГІЯ

Прогнози погоди складаються методами синоптичної метеорології. Синоптична метеорологія (від грец. синоптикус - здатний усе оглянути), - це розділ метеорології, що вивчає атмосферні процеси, які визначають умови погоди і її зміни з метою розробки методів прогнозу погоди. Перші спроби передбачення погоди, засновані на місцевих ознаках, відносяться до глибокої стародавності. Звичайно, такою «вигідною» справою займалися чаклуни, шамани, знахарі, жерці, тобто люди у своєму оточенні талановиті і спостережливі. Передаючи знання і досвід своїм послідовникам, вони помічали які місцеві ознаки (вітер з боку дерева, вкритого мохом - до похолодання, не випала зранку роса на траву - до утворення туману, зміна вітру - перед сильним дощем і т.д.) означають той чи інший стан погоди. Були в їхніх пророкуваннях і помилки, але їх списували на волю богів, яким поклонявся даний народ. У 350 р. до н.е. давньогрецький філософ і вчений Аристотель одним з перших науково обґрунтував і написав логічний трактат «Метеорологіка». Після винаходу в XVII столітті барометра, робилися спроби передбачення погоди по зміні атмосферного тиску в даному пункті, але одиничні дані не давали загальної картини для аналізу процесів, що протікають в атмосфері. Першу спробу створення прогнозних карт почав у 1826 р. німецький учений Г.В. Брандес. Але тільки винахід телеграфу створив передумови для широкого розвитку синоптичного методу і дозволив створити службу погоди. Практичним поштовхом до цього послужила бура 14 лютого 1854 р., під час якої в Балаклавській бухті загинуло багато кораблів англо-французького флоту, що діяв на Чорному морі в період Кримської війни (1853-1856р.). Французький учений Урбен Жан Жозеф Левер’є астроном, член Паризької АН, який усе життя займався небесною механікою, питаннями стійкості Сонячної системи. Будучи до цього моменту директором Паризької обсерваторії, простежив переміщення цієї бурі в Європі за даними спостережень, що малися, і прийшов до висновку, що її можна було вчасно передбачити за умови обміну даними спостережень між різними країнами. У Головну фізичну обсерваторію в Петербурзі метеорологічні телеграми почали надходити в 1856 р., а в 1872 р. у Росії під керівництвом М.А. Рикачова почалось видання щоденного бюлетеня погоди. Перше штормове попередження по Балтійському морю було дано 10 жовтня 1874 р. Ще до організації служби погоди Г.В. Дове (1837) у Німеччині прийшов до висновку, що зміни погоди в помірних широтах пояснюються послідовною зміною полярних і екваторіальних потоків повітря і що усі атмосферні рухи мають вихровий характер. У 60-х рр. англійський учений віце-адмірал Р. Фіцрой, той самий що очолював океанографічну експедицію на кораблі «Бігль», у якій брав участь Ч. Дарвін; під час цієї експедиції були зроблені зйомки берегів Патагонії, Вогненної Землі і Магелланової протоки. Розвиваючи погляди Дове, Фіцрой довів, що, в атмосфері помірних широт завжди виявляються перемежовані течії полярного і тропічного повітря, на межах між який виникають циклони. У 20-і роки XX в. Норвезькі учені В. Беркнес, Т. Бержерон і ін. більш точно сформулювали уявлення про повітряні маси й атмосферні фронти, запропонували схеми еволюції циклонів і антициклонів і розвинули хвильову теорію циклогенезу. Циклогенез - це процес виникнення і розвитку циклона. Антициклогенез - це процес виникнення і розвитку антициклона. Подальший розвиток синоптичної метеорології відбувався під знаком впровадження в синоптику аналізу аерологічних спостережень, що стали можливими після винаходу радіозонда, перша конструкція якого була запропонована П.А. Мол чановим у 1930 р. Наприкінці 40 - початку 50-х рр. зростання аерологічної мережі і збільшення висоти підйому радіозондів дозволили збагатити синоптичну метеорологію новими уявленнями, зокрема про струменеві течії. З 50-х рр. також інтенсивно розвивалися методи опису і прогнозу атмосферних процесів за допомогою складання і чисельного рішення рівнянь атмосферної гідротермодинаміки. У 60-і рр. почався новий етап розвитку синоптичної метеорології - 28 лютого 1967 р. запущено першого метеорологічного супутника. На базі гідродинамічної теорії і чисельних методів аналізу, прогнозу полів тиску, температури і вітри виявилося можливим перейти до розгляду атмосферних процесів у цілому, у масштабі всієї планети (Дж. Смагоринський і ін., США) і чисельному короткостроковому а також довгостроковому прогнозу загального характеру погоди для великих територій. І нарешті 90-і рр. подарували синоптичній метеорології персональні комп'ютери з їхньою мобільністю і світовою метеорологічною мережею. Це дозволяє сучасним метеорологічним службам значно підвищити наочність, якість і оперативність прогнозів погоди.

Синоптична метеорологія вивчає ті атмосферні процеси, що розвиваються на великих територіях і по масштабах відносяться до ланок загальної циркуляції атмосфери. Дослідження цих процесів спираються на фізичні закони, що визначають зміни властивостей повітря і його рух; при цьому враховуються широта місця, з яким зв'язана кількість сонячної енергії, що притікає, а також характер і властивості поверхні, що підстилає (суша, характер її рельєфу, море) і реалізує цю енергію. Циркуляція атмосфери - це система великомасштабних повітряних течій над земною кулею. У тропосфері сюди відносяться пасати, мусони, повітряні течії, пов'язані з циклонами й антициклонами, у стратосфері - це переважно західні переноси повітря з накладеними на них довгими хвилями. Створюючи перенос повітря, а з ним тепла і вологи з одних широт і регіонів в інші, циркуляція атмосфери є найважливішим кліматотвірним процесом. Характер погоди і його зміни в будь-якім місці Землі визначаються не тільки місцевими умовами теплообміну між земною поверхнею й атмосферою, але і циркуляцією атмосфери. Існування циркуляції атмосфери обумовлено неоднорідним розподілом атмосферного тиску (наявністю баричного градієнта), викликаним насамперед неоднаковим припливом сонячної радіації в різних широтах Землі і різних фізичних властивостей земної поверхні, особливо в зв'язку з її поділом на сушу і море. Нерівномірний розподіл тепла на земній поверхні й обмін теплом між нею й атмосферою приводять у результаті до постійного існування циркуляції атмосфери, енергія якої постійно витрачається на тертя і безупинно поповнюється за рахунок сонячної радіації. Унаслідок сили Коріоліса рух повітря при загальній циркуляції атмосфери є квазігеострофічним, тобто він досить близький до геострофічного вітру, спрямованого по ізобарах, перпендикулярно баричному градієнту. А так як атмосферний тиск розподіляється над земною кулею в загальному зонально (ізобари близькі до широтних кіл), то і перенос повітря має зональний характер. Розподіл атмосферного тиску над земною поверхнею, а з ним і течії циркуляції атмосфери зональні лише загалом. У дійсності циркуляція атмосфери знаходитися в безупинній зміні як у зв'язку із сезонними змінами в розподілі джерел і стоків тепла на земній поверхні й в атмосфері, так і в зв'язку з циклонічною діяльністю, яка здійснює обмін повітря між низькими і високими широтами Землі. У низьких широтах Земля одержує більше тепла від Сонця, ніж утрачає його шляхом власного випромінювання, у високих широтах - навпаки. Міжширотний обмін повітрям приводить до переносу тепла з низьких широт у високі і холоду з високих широт у низькі, чим зберігається теплова рівновага на всіх широтах Землі. Оскільки температура повітря в тропосфері в середньому убуває від низьких широт до високих, атмосферне тиск у середньому також убуває в кожній півкулі від низьких широт до високого. Тому починаючи приблизно з висоти 5 км, де вплив материків, океанів і циклонічної діяльності на структуру полів тиску і рухи повітря стає малим, установлюється західний перенос повітря (звідси «погода до нас йде з заходу»), майже над усією земною кулею, за винятком приекваторіальної зони. Узимку в даній півкулі західний перенос захоплює не тільки верхню тропосферу, але і всю стратосферу і мезосферу. Однак улітку стратосфера над полюсом сильно нагрівається і стає значно тепліше, ніж над екватором, тому меридіональний градієнт тиску, починаючи приблизно з 20 км, змінює свій напрямок і зональний перенос повітря відповідно міняється з західного на східний. У земної поверхні й у нижній тропосфері зональний розподіл тиску складніше, оскільки він в більшому ступені визначається циклонічною діяльністю. У процесі останньої циклони, переміщаючись у загальному до сходу, у той же час відхиляються в більш високі широти, а антициклони - у більш низькі. Тому в нижній тропосфері (і біля земної поверхні) утворюються дві субтропічні зони підвищеного тиску по обидві сторони від екватора, уздовж якого тиск знижений (екваторіальна депресія); у субполярних широтах утворяться дві зони зниженого тиску (субполярні депресії); у найвищих широтах тиск підвищений. Цьому розподілу тиску відповідають західний перенос у середніх широтах кожного з півкуль і східний перенос у тропічних і високих широтах. Між поверхнею, що підстилає, і атмосферою існує безупинний обмін теплом, вологою і домішками різного роду. У різних областях Землі під впливом теплообміну з земною поверхнею формуються повітряні маси тропосфери з різними властивостями. Прикордонні зони між ними за певних умов перетворюються в різкі атмосферні фронти.

АТМОСФЕРНІ ФРОНТИ І БАРИЧНІ УТВОРЕННЯ. Атмосферні фронти - це проміжні, перехідні зони між повітряними масами в тропосфері. Зона атмосферних фронтів дуже вузька в порівнянні з поділюваними нею повітряними масами, тому її приблизно розглядають, як поверхню розділу двох повітряних мас різної температури і називають фронтальною поверхнею. По тій же причині на синоптичних картах атмосферні фронти зображують у виді лінії (лінія фронту). Якби повітряні маси були нерухомі, поверхня атмосферного фронту була б горизонтальною, з холодним повітрям внизу і теплим над ним, але оскільки обидві маси рухаються, вона розташовується похило до земної поверхні, причому холодне повітря лежить у вигляді дуже положистого клина під теплим. Тангенс кута нахилу фронтальної поверхні (нахил фронту) - порядку 0,01. Розміри атмосферного фронту: по горизонталі - від 500 км до 5000 км і більш, по вертикалі - до висот 5000-7000 м. На картах погоди: теплий атмосферний фронт наносять лінією червоного, холодний атмосферний фронт - синього, а фронт оклюзії коричневого кольору. У земної поверхні атмосферні фронти характеризуються збільшеними горизонтальними градієнтами температури повітря - у вузькій зоні фронту температура різко переходить від значень, властивій одній повітряній масі, до значень, властивим іншій, причому зміна іноді перевищує 10°С. Змінюються у фронтальній зоні також вологість повітря і його прозорість. Хмарна система холодного фронту не така широка, як теплого і для неї характерно переважання або, в усякому разі, наявність купчасто-дощових хмар, що дають зливові опади; перед атмосферним фронтом нерідко виникають шквали і грози. При оклюзії циклона (рис. 3) теплий й холодний атмосферні фронти сполучаються і утворюють фронт оклюзії з відповідними змінами хмарних систем, опадів, вітру й т.д. Перед лінією фронту вітер підсилюється і трохи повертає вліво. За фронтом слабшає і повертає вправо. У баричному полі атмосферні фронти зв'язані з улоговинами пониженого тиску в циклонах; тому при проходженні атмосферного фронту відбуваються відповідні зміни атмосферного тиску і вітру. Над фронтальними поверхнями утворюються великі хмарні системи, що включають шарувато-дощові (Ns), купчасто-дощові (Сb) хмари, що дають опади. Атмосферні фронти переміщаються зі швидкістю, рівною нормальній складовій до фронту швидкості вітру, тому проходження атмосферного фронту через місце спостереження приводить до швидкої (протягом годин) і часом різкої зміни важливих метеорологічних елементів і до зміни всього режиму погоди. Атмосферні фронти характерні для позатропічних широт Землі, особливо для помірних широт, де між собою граничать основні повітряні маси тропосфери. Основна причина виникнення атмосферних фронтів - фронтогенез - наявність таких систем руху в тропосфері, що приводять до зближення (збіжності) мас повітря, що мають різною температурою. Спочатку широка перехідна зона між повітряними масами стає при цьому різким фронтом. У процесі загальної циркуляції атмосфери між повітряними масами різних широтних зон з досить великими контрастами температури виникають довгі (тис. км), витягнуті переважно по широті головні фронти - арктичні, антарктичні, полярні, на яких відбувається утворення циклонів і антициклонів.

Унаслідок вихрового руху повітря в область циклону втягуються різні по температурі повітряні маси з різних широт Землі. З цим зв'язана температурна асиметрія циклону; у різних його секторах температури повітря різні. З висотою ізобари втрачають замкнуту форму. Це відбувається в залежності від стадії розвитку циклону і розподілу температури в ньому. У початковій стадії розвитку рухливий (фронтальний) циклон охоплює лише нижню частину тропосфери. У стадії найбільшого розвитку циклон може поширюватися на всю висоту тропосфери і навіть простиратися в нижню стратосферу. Рухливі циклони переміщаються в атмосфері в загальному з заходу на схід. У кожному окремому випадку напрямок переміщення визначається напрямком загального переносу повітря у верхній тропосфері. Середні швидкості переміщення циклону порядку 30-45 км/год., але зустрічаються циклони, що рухаються швидше (до 100 км/год.). Переміщуючись, циклон сприяє переносу теплого повітря в передній (східній) частині до високих широт і холодного повітря в тиловій частині (західній) до низьких широт. У південній частині циклону у нижніх шарах створюється теплий сектор, обмежений теплим і холодним фронтами (стадія молодого циклону). У наступному, при змиканні холодного і теплого фронтів (оклюзія циклону) холодного фронту, що відбувається внаслідок більшої швидкості ніж теплого, він завжди доганяє останній; змішуючись, вони утворюють складний фронт, іменований фронтом оклюзії. Тепле повітря відтісняється холодним від земної поверхні у високі шари. Теплий сектор ліквідується й у циклоні встановлюється більш рівномірний розподіл температури (стадія оклюдованого циклону). Запас потенційної енергії, здатної перетворитися в кінетичну, у циклоні виснажується; циклон загасає, розмивається або поєднується з іншим циклоном (стадія старого циклону). На головному фронт звичайно розвивається серія (сімейство) циклонів, що складає з декількох циклонів, що переміщаються один за одним. Наприкінці розвитку серії окремі ще не загаслі циклони, поєднуючись, утворюють великий, малорухомий, глибокий і високий центральний циклон, що складається з холодного повітря по усій своїй товщині. Поступово і він загасає. Одночасно з утворенням циклону виникають між ними проміжні антициклони з високим тиском у центрі. Весь процес еволюції окремого циклону займає кілька днів; серія циклонів і центральний циклон можуть існувати один-два тижня. У кожній півкулі в кожен момент можна знайти кілька головних фронтів і зв'язаних з ними серій циклонів; загальне число циклонів за рік складає багато сотень над кожною півкулею. Циклон несе похмуру, дощову (снігову) вітряну в передній і південній частині теплу погоду і холодну в тиловій частині.

4. ПРОГНОЗ ПОГОДИ. Тепер, коли ми маємо мінімальний запас знань про процеси, що протікають в атмосфері, спробуємо перейти нарешті до головного питання нашої теми. Так що таке прогноз погоди ? Прогноз погоди - це науково обґрунтоване передбачення змін погоди, що є результатом аналізу великомасштабних атмосферних процесів, і застосування відомих науці закономірностей їхнього розвитку. Прогнози погоди складаються метеорологічними підрозділами і службами практично всієї планети. Для збору і передачі метеоінформації між собою, використовується універсальний (міжнародний) метеорологічний код. Прогнози погоди поділяються на короткострокові (від декількох годин до 1-2 діб), довгострокові малої "завчасності" (3-10 діб), довгострокові великої "завчасності" (на місяць і більше). Прогнози погоди складаються для території (область, край, країна, акваторії морів і т.п.), а також віддалених населених пунктів, аеропортів, авіатрас, автомобільних і залізничних магістралей і т.п. Прогнози погоди підрозділяються на спеціалізовані, призначені для спеціальних користувачів (авіація, судноплавство, рибний промисел, сільське господарство і т.д., і загального користування - для населення.

Приклад № 1. Спеціальний прогноз для авіації :
Прогноз погоди з 09.00 до 18.00. обумовиться улоговиною з проходженням холодного фронту. Хмарність 7-10 балів, з 13.00 4-7 балів верхньої, середньої, купчастої, купчасто-дощової, розірвано-дощової. Н нижня - 500-800 м, початок - 200-300 м. Н верхня - 5-6 км, купчасто-дощова - 9-10 км. Серпанок о першій половині терміну. Дощ, гроза, бовтанка сильної інтенсивності, статична електрика. Видимість - 6-10 км, при дощі 3-4 км. Вітер у шарі 1,5-9 км 240-260° 50-70 км/год. Вітер у землі 120-140°, із 13-14 години перехід 190-210° 5-8 м/с пориви - 7-10 м/с. Температура +5+8°.

Приклад № 2. Прогноз погоди загального користування:
Завтра очікується : Хмарна погода, місцями Дощ, Гроза. Температура +5+8°.
Приклад №2 - це повсякденний прогноз, який ми чуємо щодня в засобах масової інформації і дається він по дуже великій площі, тобто не конкретно.

До першого відносяться також попередження про небезпечні явища погоди (НЯП), в авіації їх називають штормовими (гроза, смерч, шквал, град, сильне зледеніння, ожеледь, туман, заметіль, сильний вітер, пилова бура, заморозки й ін.), що можуть викликати утруднення в роботі окремих галузей життєдіяльності чи людині завдати шкоди, а також загрожувати безпеці населення. Метеорологічні підрозділи і служби, крім штормових оповіщень про НЯП, подають штормові оповіщення про спостереження особливо небезпечних метеорологічних, гідрологічних, геофізичних, а також аномальних атмосферних і космічних явищах. Особливо небезпечними явищами вважаються явища, що по своїй інтенсивності, часу виникнення, тривалості і площі поширення можуть нанести, чи вже завдали значної шкоди. До них відносяться:
- вітер зі швидкістю більш 30 м/с ;
- град діаметром більш 30 мм;
- сильний дощ і снігопад з інтенсивністю, що перевищує критичні значення, встановлені для даного району;
- підвищення рівня води в річках, водоймах до критичних значень, повені, затори, зажери, що загрожують затопленням районів життєдіяльності людей, промислових і стратегічних об'єктів;
- селеві потоки і снігові лавини;
- виверження вулканів;
- землетруси і цунамі.

До аномальних атмосферних і космічних явищ оптичного, електричного й іншого походження, відносяться:
- незвичайні частки, що випадають з атмосфери;
- кольорові опади, чи опади іншого незвичайного виду і властивості;
- незвичайні світлові, акустичні, електромагнітні й інші явища в атмосфері і космічному просторі.

У короткострокових прогнозах погоди і попередженнях очікувані умови погоди вказуються більш детально, чим у довгострокових. Так, наприклад, у прогнозах погоди для авіації повідомляються очікувані умови погоди на висоті польоту літака (вид і кількість хмарності, напрямок і швидкість вітру, зондування атмосфери, наявність таких НЯП як бовтанка, зледеніння, грозові розряди). В аеропорту посадки (висота нижньої межі хмар, видимість, напрямок і швидкість вітру, температура повітря, наявність опадів).

У довгострокових прогнозах погоди малої "завчасності" характер погоди на майбутній період описується в більш загальному виді:
перевага ясної чи хмарної погоди, можливість випадання опадів, межі денних і нічних температур, різкі зміни погоди, переважаючий напрямок і швидкість вітру. Прогноз погоди на місяць містить знак і величину відхилення середньої місячної температури й опадів від норми, а також указівки періодів найбільш істотних змін погоди: похолодань і потеплень, переходів від сухої до непогожої погоди і т.п.

Прогнози погоди складаються методами синоптичної метеорології. Для цієї мети за даними спостережень метеорологічних і аерологічних станцій готують синоптичні карти погоди для різних рівнів атмосфери, від земної поверхні до висоти 30 км. Метеорологічні спостереження - це спостереження за погодою біля поверхні землі: хмарність, явища погоди (сніг, дощ і т.п.), напрямок і швидкість вітру, видимість, температуру, вологість, тиск і т.д. Аерологічні спостереження - це зондування атмосфери. Аерологічний радіолокатор приймає сигнали з радіозонда, який піднімається в атмосферу, що дозволяє вимірити напрямок і швидкість вітру, температуру, тиск і вологість до 30-40 км. Повсюдно використовується інформація, одержувана від метеорологічних супутників. Аналіз цього матеріалу дозволяє виявити на картах погоди великі атмосферні утворення: повітряні маси, їхні фронти розділу, циклони й антициклони й ін., з рухом і еволюцією яких пов'язані основні зміни погоди. На сьогоднішній день великими зональними центрами вся метеорологічна і аерологічна інформація збирається й обробляється на потужних комп'ютерах. За допомогою відповідних програм машина складає всілякі синоптичні, аерологічні, супутникові карти погоди. Крім того, за допомогою комп'ютера створюються прогностичні карти погоди, на яких нанесене майбутнє положення баричних систем, фронтів, опадів, небезпечних явищ погоди, ймовірних температур і т.д. на добу, двоє - до тижня. Ці методи дають уявлення про загальне тло погоди, що деталізується синоптиком для місцевих умов (близькість морів, великих річок, промислових об'єктів з їх димами і теплом і т.д.). Аналізуючи реальне і майбутнє положення синоптичних процесів на цікавлячій його території, синоптик складає прогноз погоди на цікавлячий споживача термін. Точність усіх прогнозів у межах періоду, на який вони складаються, убуває з часом. У середньому з 100 короткострокових прогнозів погоди чи довгострокових прогнозів малої "завчасності" виправдуються більш 80 прогнозів. Основна причина найбільш великих помилок - неточності в розрахунках баричного поля, напрямків і швидкості переміщення циклонів і атмосферних фронтів, а також їхньої еволюції; ці помилки обумовлені недосконалістю застосовуваних методів (мінлива екологія, постійне забруднення атмосфери, загальне потеплення на планеті й ін.), відсутністю достатньої інформації з океанів і малонаселених територій, особливо ж з високих шарів атмосфери. Методи довгострокових прогнозів погоди великої "завчасності" знаходяться в постійній розробці, а самі прогнози ще не мають потрібної якості. Досить точний довгостроковий прогноз погоди - одна з найскладніших задач людства.