Анализ погоды на поверхности Земли: история и современные методы

Анализ погоды на картах: что это такое, история создания и роль метеостанций. Изучение фронтов, давления и температуры для прогноза погоды.

10 мин чтения

100%

Источник: Surface weather analysis — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Тип карты погоды

Анализ погоды на поверхности – это специальный тип карты погоды, который предоставляет обзор погодных явлений на определенной географической территории в конкретный момент времени, основанный на данных с наземных метеостанций. Карты погоды создаются путем нанесения или прослеживания значений соответствующих параметров, таких как давление на уровне моря, температура и облачность, на географическую карту, чтобы выявлять крупномасштабные синоптические особенности, такие как погодные фронты. Первые карты погоды в XIX веке составлялись уже после событий, чтобы помочь в разработке теории штормовых систем. После изобретения телеграфа впервые стали возможны одновременные наблюдения за погодой на поверхности, и начиная с конца 1840-х годов Смитсоновский институт стал первой организацией, выполнявшей анализ погоды на поверхности в реальном времени. Использование анализа погоды на поверхности началось в США и распространилось по всему миру в 1870-х годах. Применение норвежской модели циклона для фронтального анализа началось в конце 1910-х годов в Европе, а его использование распространилось на Соединенные Штаты во время Второй мировой войны. Анализ погоды на поверхности использует специальные символы для обозначения фронтальных систем, облачности, осадков и другой важной информации. Например, буква «H» может обозначать область высокого давления, что подразумевает ясное небо и относительно теплую погоду. Буква «L», напротив, может обозначать область низкого давления, которая часто сопровождается осадками. Различные символы используются не только для обозначения фронтальных зон и других поверхностных границ на картах погоды, но и для отображения текущей погоды в различных точках на карте. Области осадков помогают определить тип и положение фронта.

История анализа поверхности

Использование карт погоды в современном понимании началось в середине XIX века с целью разработки теории штормовых систем. Развитие телеграфной сети к 1845 году позволило достаточно быстро собирать метеорологическую информацию из множества отдалённых пунктов, сохраняя её ценность для применения в реальном времени. Смитсоновский институт создал сеть наблюдателей на большей части центральных и восточных Соединённых Штатов в период с 1840-х по 1860-е годы. Сигнальный корпус армии США унаследовал эту сеть между 1870 и 1874 годами по решению Конгресса и вскоре после этого расширил её до западного побережья. Первоначально метеорологические данные были менее полезны из-за разного времени проведения наблюдений. Первые попытки стандартизации времени были предприняты в Великобритании к 1855 году. Все Соединённые Штаты окончательно перешли на часовые пояса только в 1905 году, когда в Детройте было установлено стандартное время. Другие страны последовали примеру Соединённых Штатов, начав проводить одновременные метеорологические наблюдения с 1873 года. Затем другие страны приступили к подготовке анализов поверхностных данных. Использование фронтальных зон на картах погоды появилось только после внедрения норвежской модели циклонов в конце 1910-х годов, несмотря на более раннюю попытку Лумиса в 1841 году предложить схожую концепцию. Поскольку передний край изменений воздушных масс напоминал военные фронты Первой мировой войны, термин «фронт» стал использоваться для обозначения этих линий. Несмотря на внедрение норвежской модели циклонов сразу после Первой мировой войны, Соединённые Штаты официально не стали анализировать фронты на анализах поверхности до конца 1942 года, когда в центре Вашингтона был открыт Аналитический центр WBAN. Работа по автоматизации построения карт началась в Соединённых Штатах в 1969 году и была завершена в 1970-х годах. Гонконг завершил процесс автоматизированного построения поверхностных карт к 1987 году. К 1999 году компьютерные системы и программное обеспечение стали достаточно сложными, чтобы позволить совместное отображение на одном рабочем месте спутниковых и радиолокационных изображений, а также полей, полученных на основе моделей, таких как атмосферная толщина и фронтогенез, в сочетании с поверхностными наблюдениями для получения наиболее точного анализа поверхности. В Соединённых Штатах это было достигнуто, когда рабочие станции Intergraph были заменены на рабочие станции AWIPS. К 2001 году различные анализы поверхности, проводимые в Национальной метеорологической службе, были объединены в Единый анализ поверхности, который выпускается каждые шесть часов и объединяет анализы четырёх различных центров. Недавние достижения в области метеорологии и географических информационных систем позволили создавать детально настроенные карты погоды. Метеорологическую информацию можно быстро сопоставлять с соответствующими географическими деталями. Например, условия обледенения можно нанести на дорожную сеть. Вероятно, это продолжит приводить к изменениям в способах создания и отображения анализов поверхности в ближайшие несколько лет.

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. The development of a telegraph network by 1845 made it possible to gather weather information from multiple distant locations quickly enough to preserve its value for real time applications. The Smithsonian Institution developed its network of observers over much of the central and eastern United States between the 1840s and 1860s. 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. The weather data was at first less useful as a result of the different times at which weather observations were made. The first attempts at time standardization took hold in Great Britain by 1855. The entire United States did not finally come under the influence of time zones until 1905, when Detroit finally established standard time. Other countries followed the lead of the United States in taking simultaneous weather observations, starting in 1873. Other countries then began preparing surface analyses. The use of frontal zones on weather maps did not appear until the introduction of the Norwegian cyclone model in the late 1910s, despite Loomis' earlier attempt at a similar notion in 1841. 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. Despite the introduction of the Norwegian cyclone model just after World War I, the United States did not formally analyze fronts on surface analyses until late 1942, when the WBAN Analysis Center opened in downtown Washington, D. C. The effort to automate map plotting began in the United States in 1969, with the process complete in the 1970s. 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 weather maps. 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.

Модель станции, используемая на картах погоды

При анализе карты погоды на каждой точке наблюдения наносится модель станции. В модели станции отображаются температура, точка росы, скорость и направление ветра, атмосферное давление, тенденция изменения давления и текущая погода. Круг в середине представляет собой облачность; степень его заполнения указывает на степень облачности. За пределами Соединенных Штатов температура и точка росы указываются в градусах Цельсия. Ветровой штиль указывает направление, откуда дует ветер. Каждый полный флаг на ветровом штиле обозначает 10 м/с скорости ветра, каждый полуфлаг – 5 м/с. При скорости ветра 50 м/с и более используется заполненный треугольник для каждой 10 м/с скорости ветра. В Соединенных Штатах количество осадков, указанное в углу модели станции, измеряется в дюймах. Международный стандарт измерения осадков – миллиметр. После нанесения на карту поля моделей станций анализируются и прорисовываются изобары (линии равного давления), изолобары (линии равного изменения давления), изотермы (линии равной температуры) и изотаксы (линии равной скорости ветра).

Синоптические характеристики шкалы

Синоптический масштабный элемент — это образование, размеры которого велики, превышают несколько сотен километров в длину.

Центр давления

Центры областей высокого и низкого давления, расположенные внутри замкнутых изобар на синоптической карте, являются абсолютными максимумами и минимумами в поле давления и позволяют пользователю с первого взгляда оценить общую погодную обстановку в данной местности. На картах погоды в англоязычных странах максимумы обозначаются буквами H, а минимумы – L, в то время как в испаноязычных странах максимумы обозначаются буквами A, а минимумы – B.

Низкое давление

Системы низкого давления, также известные как циклоны, располагаются в областях минимального давления. В северном полушарии вращение у поверхности происходит внутрь и против часовой стрелки, а в южном – внутрь и по часовой стрелке, что обусловлено силой Кориолиса. Вблизи циклона погода обычно неустойчивая, с повышенной облачностью, усилением ветра, повышением температуры и восходящими движениями в атмосфере, что увеличивает вероятность осадков. Полярные циклоны могут формироваться над относительно теплыми океанскими водами, когда холодный воздух надвигается от ледяного покрова. Относительно теплая вода вызывает конвекцию, приводящую к образованию области низкого давления и осадков, как правило, в виде снега. Тропические циклоны и зимние штормы – это интенсивные формы систем низкого давления. Над сушей термические минимумы свидетельствуют о жаркой погоде летом.

Высокое давление

Системы высокого давления, также известные как антициклоны, вращаются наружу у поверхности и по часовой стрелке в Северном полушарии, в отличие от вращения наружу против часовой стрелки в Южном полушарии. Под областями высокого давления опускание воздуха слегка нагревает его за счет сжатия, что приводит к прояснению погоды, ослаблению ветра и уменьшению вероятности осадков. Опускающийся воздух сухой, поэтому для его нагрева требуется меньше энергии. При длительном сохранении высокого давления происходит накопление загрязнений воздуха из-за того, что загрязняющие вещества задерживаются у поверхности земли под воздействием нисходящих потоков воздуха, связанных с антициклоном.

Фронты

Фронты в метеорологии – это границы между воздушными массами с разной плотностью, температурой и влажностью. В строгом смысле, фронт определяется по более теплому краю фронтальной зоны, где градиент очень велик. Прохождение фронта над определенной точкой характеризуется изменениями температуры, влажности, скорости и направления ветра, минимумом атмосферного давления и изменением облачности, иногда с осадками. Холодные фронты формируются при продвижении холодной воздушной массы, теплые – при продвижении теплой, а стационарный фронт не перемещается. Фронты классически огибают центры низкого давления, как показано на изображении для Северного полушария. В большем масштабе полярный фронт Земли представляет собой усиление общего градиента температуры от экватора к полюсу, лежащее в основе высотного струйного течения в силу баланса теплового ветра. Фронты обычно перемещаются с запада на восток, хотя могут двигаться с севера на юг или даже с востока на запад ("фронт-вторжение"), когда воздушные потоки огибают центр низкого давления. Фронтальные зоны могут искажаться географическими особенностями, такими как горы и крупные водоемы. Современные представления предполагают, что они формируются непосредственно в процессе завершения бароклинной зоны во время циклогенеза и удлиняются за счет деформации потока и вращения вокруг циклона. На карте погоды окклюзионные фронты обозначаются фиолетовой линией с чередующимися полукругами и треугольниками, указывающими направление движения – то есть сочетанием символов и цветов, характерных для теплых и холодных фронтов. Оклюзии делятся на теплые и холодные типы. При холодной окклюзии воздушная масса, настигающая теплый фронт, холоднее, чем холодный воздух впереди теплого фронта, и подтекает под обе воздушные массы. При теплой окклюзии воздушная масса, настигающая теплый фронт, не такая холодная, как холодный воздух впереди теплого фронта, и поднимается над более холодным воздухом, вытесняя теплый воздух вверх. На карте погоды окклюзионные фронты обозначаются фиолетовой линией с чередующимися полукругами и треугольниками, указывающими направление движения.

Fronts in meteorology are boundaries between air masses that have different density, air temperature, and humidity. Strictly speaking, the front is marked at the warmer edge of a frontal zone where the gradient is very large. When a front passes over a point, it is marked by changes in temperature, moisture, wind speed and direction, a minimum of atmospheric pressure, and a change in the cloud pattern, sometimes with precipitation. Cold fronts develop where the cold air mass is advancing, warm fronts where the warm air is advancing, and a stationary front is not moving. Fronts classically wrap around low pressure centers as indicated in the image here depicted for the northern hemisphere. On a larger scale, the Earth's polar front is a sharpening of the general equator to pole temperature gradient, underlying a high altitude jet stream for reasons of thermal wind balance. Fronts usually travel from west to east, although they can move in a north south direction or even east to west (a "backdoor" front) as airflow wraps around a low pressure center. Frontal zones can be distorted by such geographic features as mountains and large bodies of water. A more modern view suggests that they form directly during the wrap up of the baroclinic zone during cyclogenesis, and lengthen due to flow deformation and rotation around the cyclone. Occluded fronts are indicated on a weather map by a purple line with alternating half circles and triangles pointing in direction of travel: that is, with a mixture of warm and cold frontal colors and symbols. Occlusions can be divided into warm vs. cold types. In a cold occlusion, the air mass overtaking the warm front is cooler than the cool air ahead of the warm front, and plows under both air masses. In a warm occlusion, the air mass overtaking the warm front is not as cool as the cold air ahead of the warm front, and rides over the colder air mass while lifting the warm air. Occluded fronts are indicated on a weather map by a purple line with alternating half circles and triangles pointing in direction of travel.

Стационарные фронты и линии отсечения

Стационарный фронт — это неподвижная граница между двумя различными воздушными массами. Они, как правило, остаются в одном и том же районе в течение длительного времени, иногда изгибаясь в виде волн. По мере выравнивания температур воздушных масс стационарные фронты могут уменьшаться в масштабе, деградируя до узкой зоны, где направление ветра меняется на небольшом расстоянии, известной как линия сдвига ветра, которая изображается синей линией из чередующихся точек и тире.

Мезомасштабные особенности

Мезомасштабные образования меньше, чем синоптические системы, такие как фронты, но больше, чем системы масштаба отдельных гроз. Их горизонтальные размеры обычно составляют от более чем десяти километров до нескольких сотен километров.

Сухая линия

Сухая линия – это граница между сухими и влажными воздушными массами к востоку от горных хребтов, ориентированных аналогично Скалистым горам, отображаемая на переднем крае градиента точки росы или влажности. Вблизи поверхности теплый влажный воздух, который плотнее более теплого сухого воздуха, подтекает под сухой воздух подобно тому, как холодный фронт подтекает под теплый воздух. Когда теплый влажный воздух, подтекающий под сухую массу, нагревается, он становится менее плотным и поднимается, иногда формируя грозы. В течение дня сухой воздух с высоты опускается к поверхности, вызывая видимое смещение сухой линии на восток. Ночью граница возвращается к западу, так как больше нет солнечного нагрева, способствующего перемешиванию нижних слоев атмосферы. Если достаточное количество влаги сосредотачивается вдоль сухой линии, она может стать очагом развития дневных и вечерних гроз. На поверхностных анализах в США сухая линия изображается коричневой линией с зазубринами или выступами, обращенными в сторону влажного сектора. Сухие линии – один из немногих поверхностных фронтов, где особые формы вдоль линии не обязательно отражают направление ее движения.

Границы оттока и линии шквала

Организованные области грозовой активности не только усиливают существующие фронтальные зоны, но и могут опережать холодные фронты. Такое опережение происходит в условиях, когда струйное течение верхнего уровня разделяется на два потока. В результате формируется мезомасштабная конвективная система (MCS) в точке разделения струйного течения, в области максимального притока воздуха у земной поверхности. Затем конвекция перемещается на восток и к экватору в теплый сектор, параллельно линиям изобар постоянной толщины. Если конвекция сильная и имеет линейную или изогнутую форму, MCS называется линией шквала, при этом характерная особенность этой линии располагается на ее переднем крае, где наблюдаются резкие изменения направления ветра и повышение давления.

Морские и наземные ветровые фронты

Морской бриз возникает в солнечные дни, когда суша нагревает воздух над собой до температуры выше температуры воды. Подобные фронты формируются с подветренной стороны озер и рек в течение дня, а также над прибрежными сушами ночью. Благодаря высокой теплоемкости воды, температура водоемов меняется незначительно в течение суток, даже в самые солнечные дни. Температура воды изменяется меньше, чем температура суши, которая, обладая меньшей теплоемкостью, может колебаться на несколько градусов всего за несколько часов.

Снижающаяся рефлексивность ядра

Снижающееся отражающее ядро (DRC) – это метеорологическое явление, наблюдаемое в грозах сверхъячеек, характеризующееся локализованной областью повышенной радиолокационной отражательной способности небольшого масштаба, которая опускается от нависающей части эха в нижние слои грозы.