Ауа-райы карталарының тарихы мен маңызы

Кіріспе

Ауа райы элементтерінің тізімі

Ауа райы картасы, сондай-ақ синоптикалық ауа райы сызбасы деп те аталады, белгілі бір уақытта белгілі бір аймақтағы түрлі метеорологиялық ерекшеліктерді көрсетеді және олардың әрқайсысының нақты мағынасы бар әртүрлі белгілерді қамтиды. Мұндай карталар 19 ғасырдың ортасынан бері қолданылып келеді және зерттеулер мен ауа райын болжау үшін пайдаланылады. Изотермаларды қолданатын карталар температура градиенттерін көрсетеді, ал 300 немесе 250 гПа тұрақты қысым деңгейінде реактивті ағынның орналасқан жері көрсетіледі. 700 және 500 гПа деңгейіндегі тұрақты қысым карталарын пайдалану тропикалық циклонның қозғалысын анықтауға мүмкіндік береді. Түрлі деңгейдегі жел жылдамдықтарына негізделген екі өлшемді ағым сызықтары жел ағынындағы конвергенция және дивергенция аймақтарын көрсетеді, бұл жел үлгісіндегі ерекшеліктердің орналасқан жерін анықтауға көмектеседі. Жер бетіндегі ауа райы картасының кең таралған түрі – жер бетіндегі ауа райы талдауы болып табылады, ол жоғары және төмен қысым аймақтарын көрсету үшін изобарларды қолданады. Бұлт кодтары белгілерге айналдырылып, осы карталарда басқа метеорологиялық деректермен бірге көрсетіледі, бұл деректер кәсіби бақылаушылар жіберген синоптикалық хабарламаларда қамтылған.

Тарих

Қазіргі заманғы мағынада ауа райы карталарын пайдалану 19 ғасырдың ортасында дауыл жүйелері туралы теория жасау мақсатымен басталды. Қырым соғысы кезінде дауыл француз флотын Балаклавада қиратты, ал француз ғалымы Урбан Ле Верьер дауылдың уақыт бойынша құрастырылған картасы жарияланғанда, оның жолы болжалып, флот оны алдын ала оралып өтуі мүмкін екенін көрсетті. Англияда ғалым Фрэнсис Гальтон бұл жұмыс туралы естіді, сондай-ақ Роберт Фицройдың ауа райын болжау саласындағы алғашқы жұмыстары туралы да білді. Ол 1861 жылдың қазан айында елдің әртүрлі ауа райы станцияларынан мәліметтер жинап, өз әзірлеген символдар жүйесін қолданып, картаға түсірді, осылайша әлемдегі алғашқы ауа райы картасын жасады. Ол өзінің картасын ауаның жоғары қысым аймақтарында сағат тілімен айналатынын дәлелдеу үшін пайдаланды; ол осы құбылысты сипаттау үшін «антициклон» терминін енгізді. Сонымен қатар, ол газетте алғашқы ауа райы картасын жариялауға үлкен үлес қосты, ол үшін картаны баспа блоктарына көшіру үшін пантографты (суреттерді көшіруге арналған құрал) өзгертті. «Таймс» газеті метеорологиялық қызметтен алынған деректерді пайдаланып, осы әдіс арқылы ауа райы карталарын басыла бастады. Ел жүзінде ауа райы карталарын енгізу үшін ұлттық телеграф желілерінің болуы қажет болды, осылайша елдің барлық аймақтарынан деректерді нақты уақытта жинап, оларды барлық талдаулар үшін өзекті ұстауға болады. Телеграфты ауа райы туралы мәліметтерді жинау үшін алғаш рет 1847 жылы «Манчестер Экзаминер» газетінде қолданған: «Бізді электр телеграфының Манчестерден шығыс округтерінен ақпарат алуға жеткілікті деңгейде кеңейтілгені туралы сұрақ тудырды. Сұраулар келесі жерлерде жасалды; және алынған гипотезалар, оларды қосамыз». Картадағы ақпарат белгілі бір уақыттағы ауа райын дәл көрсетуі үшін уақыт белдеулерінде стандартталуы да маңызды болды. Стандартталған уақыт жүйесі алғаш рет 1847 жылы британдық теміржол желісін үйлестіру үшін қолданылды, осымен Гринвич орта уақытының ресми қолданылуы басталды. АҚШ-та Смитсондар институты 1840-1860 жылдар аралығында Джозеф Генри басшылыққа келгеннен кейін Орталық және Шығыс АҚШ-тың көп бөлігінде бақылаушылар желісін құрды. АҚШ Армиясының Сигнал корпусы Конгресс шешімімен 1870 және 1874 жылдар аралығында осы желіні мұрагерлік етті және көп ұзамай оны батыс жағалауға дейін кеңейтті. Бастапқыда картадағы барлық деректер уақыттың стандартталмауына байланысты толыққанды пайдаланбады. АҚШ уақыт белдеулерін 1905 жылы толық қабылдады, осы кезде Детройт қаласы стандартты уақытты орнатты.

The use of weather charts in a modern sense began in the middle portion of the 19th century in order to devise a theory on storm systems. During the Crimean War a storm devastated the French fleet at Balaklava, and the French scientist Urbain Le Verrier was able to show that if a chronological map of the storm had been issued, the path it would take could have been predicted and avoided by the fleet. In England, the scientist Francis Galton heard of this work, as well as the pioneering weather forecasts of Robert FitzRoy. After gathering information from weather stations across the country for the month of October 1861, he plotted the data on a map using his own system of symbols, thereby creating the world's first weather map. He used his map to prove that air circulated clockwise around areas of high pressure; he coined the term 'anticyclone' to describe the phenomenon. He was also instrumental in publishing the first weather map in a newspaper, for which he modified the pantograph (an instrument for copying drawings) to inscribe the map onto printing blocks. The Times began printing weather maps using these methods with data from the Meteorological Office. The introduction of country wide weather maps required the existence of national telegraph networks so that data from across the country could be gathered in real time and remain relevant for all analysis. The first such use of the telegraph for gathering data on the weather was the Manchester Examiner newspaper in 1847:

led us to inquire if the electric telegraph was yet extended far enough from Manchester to obtain information from the eastern counties inquiries were made at the following places; and hypothesis were returned, which we append

It was also important for time to be standardized across time zones so that the information on the map should accurately represent the weather at a given time. A standardized time system was first used to coordinate the British railway network in 1847, with the inauguration of Greenwich Mean Time. In the US, The Smithsonian Institution developed its network of observers over much of the central and eastern United States between the 1840s and 1860s once Joseph Henry took the helm. The U. S. Army Signal Corps inherited this network between 1870 and 1874 by an act of Congress, and expanded it to the west coast soon afterwards. At first, not all the data on the map was used due to a lack of time standardization. The United States fully adopted time zones in 1905, when Detroit finally established standard time.

20 ғасыр

Фронталды аймақтарды ауа райы карталарында қолдану 1910 жылдары Норвегияда басталды. Полярлық фронт теориясы Якоб Бьеркнеске еңбек етіп, Бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде Норвегиядағы бақылау станцияларының жағалаулық желісінен туындаған. Бұл теорияда циклонға негізгі ағын екі конвергенция сызығы арқылы шоғырланған деп болжанады, біреуі төмен қысымның алдында, екіншісі – артында. Төмен қысымның алдындағы конвергенция сызығы бағытталатын сызық немесе жылы фронт деп аталды. Артындағы конвергенция аймағы – дауылдық сызық немесе суық фронт деп танылды. Бұлттар мен жаңбырдың аймақтары осы конвергенция аймақтарында шоғырланған сияқты көрінді. Фронталды аймақтар туралы түсінік ауа массалары туралы түсінікке жол ашты. Циклонның үш өлшемді құрылымының мәні 1940 жылдары жоғарғы қабаттағы ауа желісінің дамуын күтті. Ауа массасының өзгеруінің бастапқы жиегі Бірінші дүниежүзілік соғыстағы әскери фронттарға ұқсас болғандықтан, осы сызықтарды білдіру үшін «фронт» термині қолданыла бастады. АҚШ 1942 жылдың соңында, WBAN талдау орталығы Вашингтон қаласының орталығында ашылғанда, беткі талдаудағы фронттарды ресми түрде талдауға кірісті. Жер бетіндегі ауа райы карталарынан өзге, ауа райы агенттіктері тұрақты қысым карталарын жасауды бастады. 1948 жылы АҚШ Daily Weather Map сериясын бастады, ол бастапқыда теңіз деңгейінен шамамен жоғары 700 гПа деңгейін талдады. 1954 жылдың 14 мамырында 500 гПа беті талдана бастады, бұл теңіз деңгейінен шамамен жоғары. Карталарды автоматтандыру жұмысы 1969 жылы АҚШ-та басталды және 1970 жылдары аяқталды. Үндістан метеорологиялық департаменті де 1969 жылы осыған ұқсас бастаманы қолға алды. Гонконг 1987 жылы автоматтандырылған жер бетінің сызу процесін аяқтады. 1999 жылға қарай компьютерлік жүйелер мен бағдарламалық қамтамасыздама бір жұмыс станциясында спутниктік суреттерді, радарлық суреттерді және атмосфералық қалыңдық пен фронтогенез сияқты модельдік өрістерді, сондай-ақ жер бетін бақылау деректерін біріктіріп, ең жақсы жер беті талдауын жасауға жеткілікті деңгейде жетілді. АҚШ-та бұл жетістік Intergraph жұмыс станциялары AWIPS жұмыс станцияларымен ауыстырылғанда қол жеткізілді. 2001 жылы Ұлттық метеорологиялық қызметте жасалған әртүрлі жер беті талдаулары әр алты сағат сайын жарияланатын Бірыңғай жер беті талдауына біріктірілді, ол төрт түрлі орталықтың талдауларын қамтиды. Метеорология және географиялық ақпараттық жүйелер саласындағы соңғы жетістіктер дәстүрлі ауа райы картасынан мүлдем жаңа салаға көшетін арнайы өнімдерді жасауға мүмкіндік берді. Ауа райы туралы ақпаратты тиісті географиялық ерекшеліктермен жылдам сәйкестендіруге болады. Мысалы, жол желісіне мұз жағдайларын бейнелеуге болады. Бұл жағдай алдағы бірнеше жылда жер беті талдауын жасау және көрсету әдістерінде өзгерістерге әкелуі мүмкін.

The use of frontal zones on weather maps began in the 1910s in Norway. Polar front theory is attributed to Jacob Bjerknes, derived from a coastal network of observation sites in Norway during World War I. This theory proposed that the main inflow into a cyclone was concentrated along two lines of convergence, one ahead of the low and another trailing behind the low. The convergence line ahead of the low became known as either the steering line or the warm front. The trailing convergence zone was referred to as the squall line or cold front. Areas of clouds and rainfall appeared to be focused along these convergence zones. The concept of frontal zones led to the concept of air masses. The nature of the three dimensional structure of the cyclone would wait for the development of the upper air network during the 1940s. Since the leading edge of air mass changes bore resemblance to the military fronts of World War I, the term "front" came into use to represent these lines. The United States began to formally analyze fronts on surface analyses in late 1942, when the WBAN Analysis Center opened in downtown Washington, D. C.

In addition to surface weather maps, weather agencies began to generate constant pressure charts. In 1948, the United States began the Daily Weather Map series, which at first analyzed the 700 hPa level, which is around above sea level. By May 14, 1954, the 500 hPa surface was being analyzed, which is about above sea level. The effort to automate map plotting began in the United States in 1969, with the process complete in the 1970s. A similar initiative was started in India by Indian Meteorological Department in 1969. Hong Kong completed their process of automated surface plotting by 1987. By 1999, computer systems and software had finally become sophisticated enough to allow for the ability to underlay on the same workstation satellite imagery, radar imagery, and model derived fields such as atmospheric thickness and frontogenesis in combination with surface observations to make for the best possible surface analysis. In the United States, this development was achieved when Intergraph workstations were replaced by n AWIPS workstations. By 2001, the various surface analyses done within the National Weather Service were combined into the Unified Surface Analysis, which is issued every six hours and combines the analyses of four different centers. Recent advances in both the fields of meteorology and geographic information systems have made it possible to devise finely tailored products that take us from the traditional weather map into an entirely new realm. Weather information can quickly be matched to relevant geographical detail. For instance, icing conditions can be mapped onto the road network. This will likely continue to lead to changes in the way surface analyses are created and displayed over the next several years.

Деректерді сызу

Станция моделі – берілген бақылау станциясындағы ауа-райын көрсететін шартты белгі. Метеорологтар станция моделін ауа-райы карталарындағы аз ғана орынға ауа-райы элементтерін белгілеу үшін жасады. Карталарда тығыз орналасқан станция модельдерін оқу қиын болуы мүмкін, бірақ олар метеорологтарға, ұшқыштарға және теңізшілерге маңызды ауа-райы үлгілерін көруге мүмкіндік береді. Компьютер әрбір бақылау орны үшін станция моделін жасайды. Станция моделі негізінен жер бетіндегі ауа-райы карталарында қолданылады, бірақ биіктіктегі ауа-райын көрсету үшін де пайдаланылуы мүмкін. Толыққан станция моделі картасы пайдаланушыларға ауа қысымы, температура, жел, бұлт жабындысы және жауын-шашын үлгілерін талдауға мүмкіндік береді. Станция модельдері халықаралық деңгейде қабылданған кодтау жүйесін қолданады, ол 1941 жылдың 1 тамызынан бері көп өзгермеген. Модельдегі элементтер температура, шұғыла нүктесі, жел, бұлт жамылғысы, ауа қысымы, қысым өзгеруі және жауын-шашын сияқты ауа-райының негізгі элементтерін көрсетеді. Желдер ауа-райы карталарында белгіленгенде стандартты белгіге ие. Бір ғасырдан астам бұрын желдер жебелермен көрсетілген, бір жағындағы қанаттары бес түйіндік желді, ал екі жағындағы қанаттары желді бейнелеген. Белгілеу жүйесі жартылай жебе түріне өзгертілді, онда желдің жанындағы бір қанат бес түйінді, толық қанат он түйінді, ал туыстық белгісі – елу түйіндік желді көрсетеді. SYNOP кодексінің құрылымына байланысты, ауа-райы картасында көрсетілген әрбір бақылау станциясы үшін ең көп дегенде үш бұлт символын белгілеуге болады. Барлық бұлт түрлері кодталады және оқытылған бақылаушылар арқылы жіберіледі, содан кейін карталарда төменгі, орта немесе жоғары қабаттарда әрбір негізгі бұлт түрі үшін арнайы символдарды пайдалана отырып, белгіленеді. Көп қабатты кеңістік алатын бұлттар биіктік деңгейіне немесе қабатына байланысты төменгі (кумулус және кумулонимбус) немесе ортаңғы (нимбостратус) деп кодталады. Картадағы осы қабаттардың әрқайсысы үшін белгілі бір уақытта қолданылатын символ – Дүниежүзілік метеорологиялық ұйымның (ДМҰ) белгілеген критерийлеріне сәйкес, ең маңызды деп саналатын туыс, түр, сорт, мутация немесе бұлттың қозғалысы үшін қолданылады. Егер байқау кезінде кез келген қабат үшін осы элементтер бірдей маңызды деп есептелсе, онда бақылаушы басым түрін кодтайды және тиісті символды қолдана отырып, ауа-райы картасына белгілейді. Әуе шаруашылығындағы арнайы ауа-райы карталары мұз және турбуленттік аймақтарды көрсетеді.

A station model is a symbolic illustration showing the weather occurring at a given reporting station. Meteorologists created the station model to plot a number of weather elements in a small space on weather maps. Maps filled with dense station model plots can be difficult to read, but they allow meteorologists, pilots, and mariners to see important weather patterns. A computer draws a station model for each observation location. The station model is primarily used on surface weather maps, but can also be used to show the weather aloft. A completed station model map allows users to analyze patterns in air pressure, temperature, wind, cloud cover, and precipitation. Station model plots use an internationally accepted coding convention that has changed little since August 1, 1941. Elements in the plot show the key weather elements, including temperature, dewpoint, wind, cloud cover, air pressure, pressure tendency, and precipitation. Winds have a standard notation when plotted on weather maps. More than a century ago, winds were plotted as arrows, with feathers on just one side depicting five knots of wind, while feathers on both sides depicted of wind. The notation changed to that of half of an arrow, with half of a wind barb indicating five knots, a full barb ten knots, and a pennant flag fifty knots. Because of the structure of the SYNOP code, a maximum of three cloud symbols can be plotted for each reporting station that appears on the weather map. All cloud types are coded and transmitted by trained observers then plotted on maps as low, middle, or high étage using special symbols for each major cloud type. Any cloud type with significant vertical extent that can occupy more than one étage is coded as low (cumulus and cumulonimbus) or middle (nimbostratus) depending on the altitude level or étage where it normally initially forms aside from any vertical growth that takes place. The symbol used on the map for each of these étages at a particular observation time is for the genus, species, variety, mutation, or cloud motion that is considered most important according to criteria set out by the World Meteorological Organization (WMO). If these elements for any étage at the time of observation are deemed to be of equal importance, then the type which is predominant in amount is coded by the observer and plotted on the weather map using the appropriate symbol. Special weather maps in aviation show areas of icing and turbulence.

Әуе карталары

Авиациялық қызығушылықтарға арналған ауа райы карталарының өзіндік жиынтығы бар. Картаның бір түрі VFR (көру арқылы ұшу ережелері) және IFR (аспаптар арқылы ұшу ережелері) қолданылатын аймақтарды көрсетеді. Ауа райы бейнелеу карталарында бұлттармен жабылған көктің кемінде жартысын көрсететін төбе биіктігі (жүздеген футпен), қазіргі ауа райы және бұлт жабыны көрсетіледі. Мұз жағу карталары ұшу үшін қауіпті болуы мүмкін мұз жағу аймақтарын көрсетеді. Авиациямен байланысты карталарда сондай-ақ турбуленттік аймақтар да көрсетілген.

Тұрақты қысым диаграммалары

Тұрақты қысым диаграммалары әдетте температура, ылғалдылық, жел және қысым бетінің теңіз деңгейінен вертикальдық биіктігінің мәндерін көрсетеді. Олардың түрлі қолданыстары бар. АҚШ-тың батыс таулы аймақтарында және Мексика жазығында 850 гПа қысым беті стандартты талдаудан гөрі ауа райының шынайы суретін бере алады. 850 және 700 гПа қысым беттерін пайдаланып, тропосфераның төменгі қабаттарында жылы адвекцияның (жоғары вертикальды қозғалысқа сәйкес) және суық адвекцияның (төмен вертикальды қозғалысқа сәйкес) қайда және қашан болатынын анықтауға болады. Кішкентай шөлдейтін айырмашылығы бар және нөлден төмен температуралы аймақтарда ұшақтардың мұздану қаупі бар. 500 гПа қысым беті көптеген тропикалық циклонның қозғалысын болжау үшін шамамен нұсқау ретінде қолданылуы мүмкін. Вертикальды желдің қиылысын сезінген, жақсы қалыптасқан тропикалық циклон 700 гПа деңгейіндегі жел бағытымен қозғалады. 300 және 200 гПа тұрақты қысым диаграммаларын пайдалану төменгі тропосферадағы жүйелердің күшін көрсетуге мүмкіндік береді, себебі Жер бетіндегі күшті жүйелер атмосфераның осы деңгейлерінде күшті белгілер ретінде көрінеді. Осы деңгейлерде желдің жылдамдығы тең болатын изотахтар сызылады. Олар жел ағынының максималды және минималды мәндерін анықтауға көмектеседі. Жоғары атмосферадағы желдің минималды мәндері тропикалық циклогенез үшін жағдай жасайды. Атмосфераның әртүрлі деңгейлеріндегі желдің максималды мәндері реактивті ағымдардың орналасқан жерін көрсетеді. 40°C-тан (40°F) төмен температуралы аймақтарда, активті дауыл болмаса, мұздану қаупі аз. Олар температура градиенттерін көрсетеді, олар үлкен температура градиенттерінің жылы жағында орналасқан фронттарды табуға көмектеседі. Мұздану сызығын салу арқылы изотермалар жауын-шашын түрін анықтау үшін пайдалы. Мезомасштабтық шекаралар, мысалы тропикалық циклон, шығу шекаралары және дауылдық фронттар да жер бетіндегі ауа райы талдауында қарастырылады. Осы карталарда изобарикалық талдау жүргізіледі, ол теңіз деңгейінің орташа қысымын көрсететін сызықтарды құруды қамтиды. Ішкі жабық сызықтар қысым өрісіндегі максимумдар мен минимумдардың орналасқан жерін көрсетеді. Минималды мәндер төмен қысымды аймақтар деп аталады, ал максималды мәндер жоғары қысымды аймақтар деп аталады. Жоғары қысымды аймақтар көбінесе "H" әрпімен, ал төмен қысымды аймақтар "L" әрпімен белгіленеді. Төмен қысымның созылған аймақтары немесе ойыстар кейде ойыс осі бойымен қалың қоңыр түсті сызықтармен көрсетіледі. Изобарлар көбінесе жылқы ендіктерінен полюске қарай жер беті шекараларын анықтау үшін қолданылады, ал ағын талдауы тропиктерде қолданылады. Ағын талдауы – желдің қозғалысын көрсететін, жел бағытына параллель бағытталған жебелердің жиынтығы. "C" әрпі циклондық ағынды немесе төмен қысымды аймақтарды, ал "A" әрпі антициклондық ағынды немесе жоғары қысымды аймақтардың ықтимал орналасқан жерін көрсетеді. Тропиктер мен субтропиктердегі қисайту сызықтарының орналасқан жерін ағын сызықтарының жиналысы көрсетеді.

Constant pressure charts normally contain plotted values of temperature, humidity, wind, and the vertical height above sea level of the pressure surface. They have a variety of uses. In the mountainous terrain of the western United States and Mexican Plateau, the 850 hPa pressure surface can be a more realistic depiction of the weather pattern than a standard surface analysis. Using the 850 and 700 hPa pressure surfaces, one can determine when and where warm advection (coincident with upward vertical motion) and cold advection (coincident with downward vertical motion) is occurring within the lower portions of the troposphere. Areas with small dewpoint depressions and are below freezing indicate the presence of icing conditions for aircraft. The 500 hPa pressure surface can be used as a rough guide for the motion of many tropical cyclones. Shallower tropical cyclones, which have experienced vertical wind shear, tend to be steered by winds at the 700 hPa level. Use of the 300 and 200 hPa constant pressure charts can indicate the strength of systems in the lower troposphere, as stronger systems near the Earth's surface are reflected as stronger features at these levels of the atmosphere. Isotachs are drawn at these levels, which a lines of equal wind speed. They are helpful in finding maxima and minima in the wind pattern. Minima in the wind pattern aloft are favorable for tropical cyclogenesis. Maxima in the wind pattern at various levels of the atmosphere show locations of jet streams. Areas colder than 40 °C ( 40 °F) indicate a lack of significant icing, as long as there is no active thunderstorm activity. They show temperature gradients, which can be useful in finding fronts, which are on the warm side of large temperature gradients. By plotting the freezing line, isotherms can be useful in determination of precipitation type. Mesoscale boundaries such as tropical cyclones, outflow boundaries and squall lines also are analyzed on surface weather analyses. Isobaric analysis is performed on these maps, which involves the construction of lines of equal mean sea level pressure. The innermost closed lines indicate the positions of relative maxima and minima in the pressure field. The minima are called low pressure areas while the maxima are called high pressure areas. Highs are often shown as H's whereas lows are shown as L's. Elongated areas of low pressure, or troughs, are sometimes plotted as thick, brown dashed lines down the trough axis. Isobars are commonly used to place surface boundaries from the horse latitudes poleward, while streamline analyses are used in the tropics. A streamline analysis is a series of arrows oriented parallel to wind, showing wind motion within a certain geographic area. "C"s depict cyclonic flow or likely areas of low pressure, while "A"s depict anticyclonic flow or likely positions of high pressure areas. An area of confluent streamlines shows the location of shearlines within the tropics and subtropics.