Осадки: формирование, виды и роль в круговороте воды.

Введение

Продукт конденсации атмосферного водяного пара, выпадающий под действием силы тяжести.

В метеорологии осадками называют любое явление, представляющее собой продукт конденсации атмосферного водяного пара, выпадающий из облаков под действием гравитации. Основные формы осадков включают морось, дождь, ледяной дождь, снег, ледяные крупинки, град и снежную крупу. Осадки образуются, когда определенная часть атмосферы насыщается водяным паром (достигает 100% относительной влажности), в результате чего водяной пар конденсируется и «выпадает» в виде осадков. Таким образом, туман и дымка не являются осадками, а представляют собой коллоиды, поскольку водяной пар недостаточно конденсируется для выпадения в осадки. Два процесса, действующие по отдельности или совместно, могут привести к насыщению воздуха: охлаждение воздуха или добавление водяного пара в воздух. Осадки формируются, когда мелкие капли сливаются, сталкиваясь с другими дождевыми каплями или кристаллами льда внутри облака. Кратковременные, интенсивные осадки, локализованные в отдельных местах, называются ливнями. Влага, поднимающаяся или иным образом вынужденная подниматься над слоем воздуха с температурой ниже нуля на поверхности, может конденсироваться в облака и дождь. Этот процесс обычно активизируется при образовании ледяного дождя. Стационарный фронт часто присутствует вблизи области ледяного дождя и служит центром для восходящих потоков воздуха. При наличии достаточного количества атмосферной влаги, влага в поднимающемся воздухе конденсируется в облака, в частности, слоисто-дождевые (nimbostratus) и кучево-дождевые (cumulonimbus), если осадки значительные. В конечном итоге облачные капли становятся достаточно большими, чтобы образовать дождевые капли и падать на Землю, где они замерзают при контакте с открытыми объектами. В районах, где присутствуют относительно теплые водоемы, например, из-за испарения воды из озер, с подветренной стороны теплых озер в холодных циклонических потоках, окружающих заднюю часть внетропических циклонов, может наблюдаться озерный эффект, вызывающий обильные снегопады. Озерный эффект может приводить к локально сильным снегопадам. Гроза со снегом возможна в области «хвоста» циклона и в полосах осадков, связанных с озерным эффектом. В горных районах обильные осадки возможны там, где восходящие потоки воздуха максимальны на наветренных склонах местности. На подветренных склонах гор могут существовать пустынные климаты из-за сухого воздуха, вызванного адиабатическим нагревом. Большая часть осадков выпадает в тропиках и обусловлена конвекцией. Перемещение муссонного желоба или межтропической зоны конвергенции приносит дождливые сезоны в саванны. Осадки являются важным компонентом круговорота воды в природе и обеспечивают поступление пресной воды на планету. Приблизительно воды выпадает в виде осадков каждый год: над океанами и над сушей. Учитывая площадь поверхности Земли, это означает, что среднегодовое количество осадков на планете составляет ,9%, но на суше – только . Системы классификации климата, такие как классификация климата Кёппена, используют среднегодовое количество осадков для дифференциации различных климатических режимов. Глобальное потепление уже вызывает изменения в погоде, увеличивая количество осадков в одних регионах и уменьшая в других, что приводит к увеличению числа экстремальных погодных явлений. Осадки могут наблюдаться и на других небесных телах. Самый большой спутник Сатурна, Титан, испытывает осадки в виде метана, выпадающего медленным дождем, который наблюдается в виде луж дождя на экваторе и в полярных регионах.

In meteorology, precipitation is any product of the condensation of atmospheric water vapor that falls from clouds due to gravitational pull. The main forms of precipitation include drizzle, rain, sleet, snow, ice pellets, graupel and hail. Precipitation occurs when a portion of the atmosphere becomes saturated with water vapor (reaching 100% relative humidity), so that the water condenses and "precipitates" or falls. Thus, fog and mist are not precipitation but colloids, because the water vapor does not condense sufficiently to precipitate. Two processes, possibly acting together, can lead to air becoming saturated: cooling the air or adding water vapor to the air. Precipitation forms as smaller droplets coalesce via collision with other rain drops or ice crystals within a cloud. Short, intense periods of rain in scattered locations are called showers. Moisture that is lifted or otherwise forced to rise over a layer of sub freezing air at the surface may be condensed into clouds and rain. This process is typically active when freezing rain occurs. A stationary front is often present near the area of freezing rain and serves as the focus for forcing and rising air. Provided there is necessary and sufficient atmospheric moisture content, the moisture within the rising air will condense into clouds, namely nimbostratus and cumulonimbus if significant precipitation is involved. Eventually, the cloud droplets will grow large enough to form raindrops and descend toward the Earth where they will freeze on contact with exposed objects. Where relatively warm water bodies are present, for example due to water evaporation from lakes, lake effect snowfall becomes a concern downwind of the warm lakes within the cold cyclonic flow around the backside of extratropical cyclones. Lake effect snowfall can be locally heavy. Thundersnow is possible within a cyclone's comma head and within lake effect precipitation bands. In mountainous areas, heavy precipitation is possible where upslope flow is maximized within windward sides of the terrain at elevation. On the leeward side of mountains, desert climates can exist due to the dry air caused by compressional heating. Most precipitation occurs within the tropics and is caused by convection. The movement of the monsoon trough, or intertropical convergence zone, brings rainy seasons to savannah regions. Precipitation is a major component of the water cycle, and is responsible for depositing fresh water on the planet. Approximately of water falls as precipitation each year: over oceans and over land. Given the Earth's surface area, that means the globally averaged annual precipitation is , but over land it is only Climate classification systems such as the Köppen climate classification system use average annual rainfall to help differentiate between differing climate regimes. Global warming is already causing changes to weather, increasing precipitation in some geographies, and reducing it in others, resulting in additional extreme weather. Precipitation may occur on other celestial bodies. Saturn's largest satellite, Titan, hosts methane precipitation as a slow falling drizzle, which has been observed as Rain puddles at its equator and polar regions.

Типы

Осадки являются основным компонентом водного цикла и отвечают за поступление большей части пресной воды на планету. Ежегодно выпадает примерно столько же воды в виде осадков, из которых около 78% – над океанами. Существуют различные типы осадков, включая орографические. Конвективные процессы включают в себя сильные вертикальные движения, которые могут вызвать перемешивание атмосферы в определенном месте в течение часа и привести к обильным осадкам. Осадки можно разделить на три категории в зависимости от того, выпадают ли они в виде жидкой воды, жидкой воды, замерзающей при контакте с поверхностью, или льда. Смеси различных типов осадков, включая типы из разных категорий, могут выпадать одновременно. К жидким формам осадков относятся дождь и морось. Дождь или морось, замерзающие при контакте с субзамерзающей воздушной массой, называются «гололед» или «замерзающая морось». К замороженным формам осадков относятся снег, ледяные иглы, ледяная крупа, град и снежная крупа.

Измерение

Жидкие осадки. Дождь (включая морось и ливень) обычно измеряется с помощью дождемера и выражается в миллиметрах (мм) высоты или глубины. Эквивалентно, его можно выразить как физическую величину, определяющую объем воды на единицу площади сбора, в единицах литров на квадратный метр (л/м²). Поскольку 1 л = 1 дм³ = 1 мм·м², единицы площади (м²) сокращаются, в результате чего получается просто "мм". Это также соответствует объемной плотности, выраженной в кг/м², если считать, что 1 литр воды имеет массу 1 кг (плотность воды), что допустимо для большинства практических целей. Соответствующая английская единица измерения – дюйм. В Австралии до перехода на метрическую систему осадки также измеряли в "пунктах", каждый из которых определялся как одна сотая дюйма. Твердые осадки. Для измерения количества твердых осадков обычно используется снегомер. Снегопад обычно измеряют в сантиметрах, позволяя снегу выпасть в контейнер, а затем измеряя высоту снежного покрова. Снег можно затем растопить, чтобы получить измерение водного эквивалента в миллиметрах, как и для жидких осадков. Зависимость между высотой снежного покрова и водным эквивалентом определяется содержанием воды в снеге; таким образом, водный эквивалент может дать лишь приблизительную оценку глубины снега. Другие формы твердых осадков, такие как снежная крупа и град или даже мокрый снег (смесь дождя и снега), также можно растопить и измерить как их соответствующие водные эквиваленты, обычно выраженные в миллиметрах, как и для жидких осадков.

Охлаждение воздуха до точки росы

Точка росы – это температура, до которой необходимо охладить воздушную массу, чтобы она стала насыщенной, и (если не происходит перенасыщения) конденсировалась в воду. Водяной пар обычно начинает конденсироваться на ядрах конденсации, таких как пыль, лёд и соль, для образования облаков. Концентрация ядер конденсации облаков определяет микрофизику облаков. Поднятая часть фронтальной зоны вызывает подъём воздуха на больших площадях, что приводит к образованию облачных слоёв, таких как альтостратус или цирростратус. Стратус – это устойчивый облачный слой, который обычно формируется, когда холодная, устойчивая воздушная масса оказывается зажатой под тёплой воздушной массой. Он также может образовываться в результате подъёма адвективного тумана при ветреной погоде. Существует четыре основных механизма охлаждения воздуха до точки росы: адиабатическое охлаждение, контактное охлаждение, радиационное охлаждение и испарительное охлаждение. Адиабатическое охлаждение происходит, когда воздух поднимается и расширяется. Воздух может подниматься из-за конвекции, крупномасштабных атмосферных движений или физического препятствия, такого как гора (орографический подъём). Контактное охлаждение происходит, когда воздух соприкасается с более холодной поверхностью, обычно при перемещении с одной поверхности на другую, например, с поверхности жидкой воды на более холодную сушу. Радиационное охлаждение происходит из-за излучения инфракрасного излучения либо самим воздухом, либо поверхностью под ним. Испарительное охлаждение происходит при добавлении влаги в воздух посредством испарения, что приводит к охлаждению температуры воздуха до температуры влажного термометра или до достижения насыщения.

Добавление влаги в воздух

Основными способами поступления водяного пара в воздух являются: схождение ветров в области восходящих потоков, осадки или вирга, выпадающие сверху, дневной нагрев, вызывающий испарение воды с поверхности океанов, водоемов или влажной земли, транспирация растений, перемещение холодного или сухого воздуха над более теплой водой и подъем воздуха над горами.

Капли дождя

Коалесценция происходит, когда капли воды сливаются, образуя более крупные капли, или когда капли воды замерзают на кристалле льда, что известно как процесс Бержерона. Скорость падения очень маленьких капель пренебрежимо мала, поэтому облака не выпадают из неба; осадки происходят только тогда, когда эти капли сливаются в более крупные. Капли разного размера имеют разную конечную скорость, что приводит к столкновениям и образованию более крупных капель. Турбулентность усиливает этот процесс столкновения. По мере опускания этих крупных капель воды коалесценция продолжается, пока капли не станут достаточно тяжелыми, чтобы преодолеть сопротивление воздуха и выпасть в виде дождя. Размеры дождевых капель варьируются от среднего диаметра, при превышении которого они, как правило, разрушаются. Более мелкие капли называются облачными каплями и имеют сферическую форму. С увеличением размера капли её форма становится более приплюснутой, с наибольшим поперечным сечением, обращенным навстречу воздушному потоку. Вопреки распространенному представлению, форма дождевых капель не похожа на форму слезы. Интенсивность и продолжительность осадков обычно обратно пропорциональны: ливни высокой интенсивности, как правило, короткие, а ливни низкой интенсивности могут быть продолжительными. Капли дождя, образующиеся при таянии града, обычно крупнее других дождевых капель. Код METAR для дождя – RA, а для ливней – SHRA. Они часто отскакивают от земли и обычно не замерзают в твердую массу, если не смешаны с моросящим дождем. Код METAR для ледяных гранул – PL, но они иногда встречаются за проходящим холодным фронтом.

- Привет.

Как и другие осадки, град образуется в штормовых облаках, когда переохлажденные капли воды замерзают при контакте с ядрами конденсации, такими как пыль или грязь. Восходящий поток в шторме поднимает градины в верхнюю часть облака. Восходящий поток ослабевает, и градины падают обратно в него, а затем снова поднимаются вверх. Диаметр градин составляет 5 мм и более. В коде METAR для обозначения крупного града, диаметром не менее 5 мм, используется GR, что происходит от французского слова grêle. Для обозначения мелкого града, а также снежной крупы используется кодировка GS, сокращение от французского слова grésil. Градины размером чуть больше мяча для гольфа – один из наиболее часто регистрируемых размеров. Градины могут достигать в диаметре более 10 см и весить более 0,5 кг. В крупных градинах скрытая теплота, выделяющаяся при дальнейшем замерзании, может растопить внешнюю оболочку. Затем градина может подвергаться "влажному нарастанию", когда жидкая внешняя оболочка собирает другие, более мелкие градины. С каждым подъемом градина покрывается слоем льда и становится все больше. Когда градина становится слишком тяжелой для поддержания восходящим потоком, она выпадает из облака.

Снежинки

Снежные кристаллы образуются, когда крошечные переохлажденные облачные капли (около 10 мкм в диаметре) замерзают. После замерзания капли она растет в пересыщенной среде. Поскольку водяных капель больше, чем кристаллов льда, кристаллы способны вырасти до сотен микрометров за счет водяных капель. Этот процесс известен как процесс Вегенера — Бергерона — Финдезена. Соответствующее истощение водяного пара приводит к испарению капель, то есть кристаллы льда растут за счет капель. Эти крупные кристаллы являются эффективным источником осадков, поскольку они падают через атмосферу под действием своей массы и могут сталкиваться и слипаться в кластеры или агрегаты. Эти агрегаты и есть снежинки, и обычно именно такие частицы льда достигают земли. В Книге рекордов Гиннесса самые большие снежинки в мире зарегистрированы в январе 1887 года в Форт-Кеоге, штат Монтана; по сообщениям, одна из них имела ширину. Точные детали механизма слипания остаются предметом исследований. Хотя сам лёд прозрачен, рассеяние света кристаллическими гранями и углублениями/дефектами приводит к тому, что кристаллы часто кажутся белыми из-за диффузного отражения всего спектра света мелкими частицами льда. Форма снежинки в значительной степени определяется температурой и влажностью, при которых она формируется. Наиболее распространенные снежные частицы визуально нерегулярны, хотя почти идеальные снежинки чаще встречаются на фотографиях из-за их большей эстетической привлекательности. Не существует двух одинаковых снежинок, поскольку они растут с разной скоростью и по-разному, в зависимости от изменяющейся температуры и влажности в атмосфере, через которую они падают к земле. Код METAR для снега — SN, а для снежных осадков — SHSN. Они состоят из простых кристаллов льда шестиугольной формы. Идентификатор METAR для алмазной пыли в международных почасовых метеорологических сводках — IC.

Фронтальная активность

Стратиформные или динамические осадки возникают в результате медленного подъема воздуха в синоптических системах (порядка см/с), например, над поверхностными холодными фронтами, а также над и перед теплыми фронтами. Аналогичный подъем наблюдается вокруг тропических циклонов за пределами стенки глаза, и в структуре осадков в виде "хвоста запятой" вокруг циклонов средних широт. На окклюзионном фронте может наблюдаться широкий спектр погодных явлений, возможны грозы, но обычно его прохождение связано с осушением воздушной массы. Окклюзионные фронты обычно формируются в районах зрелых циклонов. Осадки могут выпадать и на других небесных телах, кроме Земли. Когда на Марсе становится холодно, там выпадают осадки, которые, вероятнее всего, представляют собой ледяные иглы, а не дождь или снег.

Конвекция

Конвективный дождь, или ливневые осадки, образуется из конвективных облаков, например, кумулонимбусов или кумулусов конгестус. Он выпадает в виде ливней с быстро меняющейся интенсивностью. Конвективные осадки выпадают на определенной территории в течение относительно короткого времени, так как конвективные облака имеют ограниченное горизонтальное распространение. Большая часть осадков в тропиках, по всей видимости, носит конвективный характер; однако, предполагается, что также наблюдаются стратиформные осадки. В умеренных широтах конвективные осадки носят прерывистый характер и часто связаны с бароклинными фронтами, такими как холодные фронты, линии шквалов и теплые фронты. Конвективные осадки в основном представлены мезомасштабными конвективными системами и вызывают проливные дожди, грозы, повреждения от ветра и другие опасные погодные явления.

Орографические эффекты

Орографические осадки возникают на наветренной (подветренной по направлению ветра) стороне гор и обусловлены восходящим движением воздуха в крупномасштабном потоке влажного воздуха, пересекающем горный хребет, что приводит к адиабатическому охлаждению и конденсации. В горных районах мира, подверженных относительно постоянным ветрам (например, пассатам), на наветренной стороне горы обычно преобладает более влажный климат, чем на подветренной или с наветренной стороны. Влажность удаляется орографическим подъемом, оставляя более сухой воздух (см. катабатический ветер) на нисходящей и, как правило, прогревающейся подветренной стороне, где наблюдается дождевая тень. Циклонические системы оказывают влияние на регион, вызывая сильные дожди в период с октября по март. Местный климат значительно различается на каждом острове из-за его топографии, разделяясь на наветренные (Koolau) и подветренные (Kona) районы в зависимости от их расположения относительно более высоких гор. Наветренные склоны обращены к восточным и северо-восточным пассатам и получают значительно больше осадков, тогда как подветренные склоны более сухие и солнечные, с меньшим количеством дождей и облачности. В Южной Америке горная цепь Анд блокирует влагу Тихого океана, поступающую на континент, что приводит к пустынному климату в западной части Аргентины по направлению ветра. Горный хребет Сьерра-Невада создает аналогичный эффект в Северной Америке, формируя пустыни Большого Бассейна и Мохаве. Аналогично, в Азии горы Гималаи создают препятствие для муссонов, что приводит к чрезвычайно высоким осадкам на южном склоне и более низкому уровню осадков на северном склоне.

Снег

Внетропические циклоны могут вызывать холодные и опасные условия, сопровождающиеся сильными дождями и снегом, при ветрах, превышающих (иногда называемые ветряными бурями в Европе). Полоса осадков, связанная с их тёплым фронтом, часто обширна и формируется под воздействием слабого восходящего движения воздуха над фронтальной границей, где он охлаждается, конденсируется и выпадает в виде осадков в виде протяженной широкой слоистой полосы, то есть из облаков типа nimbostratus. Когда влажный воздух пытается вытеснить арктическую воздушную массу, на северной стороне протяженной полосы осадков может наблюдаться наслоение снега. В Северном полушарии направление к полюсу – это направление к Северному полюсу, или на север. В Южном полушарии направление к полюсу – это направление к Южному полюсу, или на юг. К юго-западу от внетропических циклонов изогнутый циклонический поток, приносящий холодный воздух над относительно тёплыми водными пространствами, может приводить к образованию узких снежных полос, вызванных эффектом от водоёмов. Эти полосы приносят интенсивные локальные снегопады, которые можно объяснить следующим образом: крупные водные объекты, такие как озера, эффективно аккумулируют тепло, что создаёт значительную разницу температур (более 13 °C или 23 °F) между поверхностью воды и воздухом над ней. Из-за этой разницы тепла и влага поднимаются вверх, конденсируются в вертикально развитые облака (см. спутниковое изображение) и вызывают снегопады. Снижение температуры с высотой и глубина облаков напрямую зависят как от температуры воды, так и от крупномасштабной окружающей среды. Чем сильнее снижение температуры с высотой, тем глубже облака и тем интенсивнее осадки. В гористой местности обильные снегопады накапливаются, когда воздух вынужден подниматься вверх по склонам гор, где он отдаёт влагу на наветренных склонах, которая в холодных условиях выпадает в виде снега. Из-за пересечённого рельефа прогнозирование местоположения сильных снегопадов остаётся сложной задачей.

В тропиках

Мокрый, или дождливый, сезон – это период года, охватывающий один или несколько месяцев, в течение которого в регионе выпадает большая часть среднегодовой нормы осадков. Термин "зеленый сезон" также иногда используется туристическими органами в качестве эвфемизма. Районы с влажными сезонами распространены в тропических и субтропических широтах. Климат саванн и регионы с муссонным режимом характеризуются влажным летом и сухой зимой. В тропических дождевых лесах технически нет сухого или влажного сезона, поскольку осадки распределены равномерно в течение года. В некоторых районах с ярко выраженными дождливыми сезонами наблюдается перерыв в осадках в середине сезона, когда межтропическая зона конвергенции или муссонный желоб перемещаются к полюсу от своего местоположения в середине теплого периода. Улучшается качество пресной воды и значительно увеличивается растительность. Содержание питательных веществ в почве снижается, а эрозия усиливается. Тропические циклоны, являющиеся источником очень сильных осадков, представляют собой обширные воздушные массы диаметром в несколько сотен миль с низким давлением в центре и ветрами, направленными к центру по часовой стрелке (в Южном полушарии) или против часовой стрелки (в Северном полушарии). Несмотря на то, что циклоны могут приводить к огромным человеческим жертвам и материальному ущербу, они могут играть важную роль в режиме осадков в регионах, на которые они обрушиваются, принося столь необходимые осадки в иные засушливые районы. В районах, через которые они проходят, может выпасть количество осадков, равное годовой норме, за время прохождения тропического циклона.

Широкое географическое распространение

В больших масштабах наибольшее количество осадков, не связанное с рельефом, наблюдается в тропиках, тесно связанное с межтропической зоной конвергенции, которая сама является восходящей ветвью ячейки Хэдли. Горные районы вблизи экватора в Колумбии – одни из самых влажных мест на Земле. К северу и югу от этой зоны расположены области нисходящих воздушных потоков, формирующие субтропические гребни, где количество осадков невелико; земная поверхность под этими гребнями обычно засушлива, и эти регионы составляют большую часть пустынь Земли. Исключением является Гавайи, где восходящие потоки, вызванные пассатами, приводят к образованию одного из самых влажных мест на Земле. В противном случае, приток западных ветров к Скалистым горам обуславливает самые влажные, а на больших высотах – самые снежные районы в Северной Америке. В Азии, в сезон дождей, приток влажного воздуха к Гималаям приводит к одним из самых высоких зарегистрированных на Земле объемов осадков в северо-восточной Индии.

Измерение

Стандартным способом измерения осадков или снегопада является стандартный дождемер, который можно найти в пластиковых и металлических вариантах. Внутренний цилиндр заполняется дождем, а перелив поступает во внешний цилиндр. Пластиковые дождемеры имеют градуировку на внутреннем цилиндре с точностью до определенного разрешения, в то время как для металлических дождемеров требуется использование мерной палочки с соответствующей градуировкой. После заполнения внутреннего цилиндра его содержимое сливают, затем заполняют остатком осадков из внешнего цилиндра, пока вся жидкость из внешнего цилиндра не будет удалена, добавляя к общему объему, пока внешний цилиндр не опустеет. Зимой эти дождемеры используют, удаляя воронку и внутренний цилиндр, чтобы снег и морозный дождь могли собираться во внешнем цилиндре. Некоторые добавляют антифриз в дождемер, чтобы не приходилось растапливать снег или лед, попавшие внутрь. После окончания снегопада/наледи или при приближении к его концу, можно либо занести дождемер в помещение для растапливания, либо использовать теплую воду для заполнения внутреннего цилиндра, чтобы растопить замерзшие осадки во внешнем цилиндре, при этом фиксируя объем добавленной теплой воды, который впоследствии вычитается из общего объема после полного таяния льда/снега. К другим типам дождемеров относятся популярный клиновидный дождемер (самый дешевый и хрупкий), дождемер с опрокидывающимся ведром и весовой дождемер. Клиновидные и дождемеры с опрокидывающимся ведром имеют проблемы с измерением снега. Попытки компенсировать снег/лед путем нагрева опрокидывающегося ведра дают ограниченный успех, поскольку снег может сублимироваться, если температура в дождемере поддерживается выше нуля. Весовые дождемеры с антифризом должны хорошо работать со снегом, но опять же, воронку необходимо снять перед началом снегопада. Для тех, кто хочет измерить количество осадков наиболее экономичным способом, подойдет цилиндрическая банка с прямыми стенками, которую можно оставить на открытом воздухе, но ее точность будет зависеть от используемой линейки для измерения уровня дождя. Любой из вышеперечисленных дождемеров можно изготовить самостоятельно, имея необходимые знания и навыки. После проведения измерения осадков, различные сети в Соединенных Штатах и других странах позволяют отправлять данные об осадках через Интернет, например, в CoCoRAHS или GLOBE. Если в вашем регионе нет такой сети, ближайшая местная метеорологическая служба, вероятно, будет заинтересована в ваших измерениях.

The standard way of measuring rainfall or snowfall is the standard rain gauge, which can be found in plastic and metal varieties. The inner cylinder is filled by of rain, with overflow flowing into the outer cylinder. Plastic gauges have markings on the inner cylinder down to resolution, while metal gauges require use of a stick designed with the appropriate markings. After the inner cylinder is filled, the amount inside is discarded, then filled with the remaining rainfall in the outer cylinder until all the fluid in the outer cylinder is gone, adding to the overall total until the outer cylinder is empty. These gauges are used in the winter by removing the funnel and inner cylinder and allowing snow and freezing rain to collect inside the outer cylinder. Some add anti freeze to their gauge so they do not have to melt the snow or ice that falls into the gauge. Once the snowfall/ice is finished accumulating, or as is approached, one can either bring it inside to melt, or use lukewarm water to fill the inner cylinder with in order to melt the frozen precipitation in the outer cylinder, keeping track of the warm fluid added, which is subsequently subtracted from the overall total once all the ice/snow is melted. Other types of gauges include the popular wedge gauge (the cheapest rain gauge and most fragile), the tipping bucket rain gauge, and the weighing rain gauge. The wedge and tipping bucket gauges have problems with snow. Attempts to compensate for snow/ice by warming the tipping bucket meet with limited success, since snow may sublimate if the gauge is kept much above freezing. Weighing gauges with antifreeze should do fine with snow, but again, the funnel needs to be removed before the event begins. For those looking to measure rainfall the most inexpensively, a can that is cylindrical with straight sides will act as a rain gauge if left out in the open, but its accuracy will depend on what ruler is used to measure the rain with. Any of the above rain gauges can be made at home, with enough know how. When a precipitation measurement is made, various networks exist across the United States and elsewhere where rainfall measurements can be submitted through the Internet, such as CoCoRAHS or GLOBE. If a network is not available in the area where one lives, the nearest local weather office will likely be interested in the measurement.

Определение гидрометеора

Понятие, используемое в измерении осадков, – гидрометеор. Любые частицы жидкой или твердой воды в атмосфере известны как гидрометеоры. Образования, возникающие в результате конденсации, такие как облака, дымка, туман и морось, состоят из гидрометеоров. Все типы осадков по определению состоят из гидрометеоров, включая виргу – осадки, которые испаряются, не достигая земли. Частицы, поднимаемые ветром с поверхности Земли, такие как поземка и морская пена, также являются гидрометеорами, как и град и снег.

Спутниковые оценки

Хотя поверхностные осадкомеры считаются стандартом для измерения осадков, существует множество областей, где их использование не представляется возможным. Это включает в себя огромные акватории океанов и удалённые наземные территории. В других случаях социальные, технические или административные проблемы препятствуют распространению данных наблюдений с осадкомеров. В результате современный глобальный массив данных об осадках во многом опирается на спутниковые наблюдения. Спутниковые сенсоры работают, осуществляя дистанционное зондирование осадков, регистрируя различные части электромагнитного спектра, которые, как теория и практика показывают, связаны с наличием и интенсивностью осадков. Сенсоры почти исключительно пассивны, регистрируя то, что они «видят», подобно камере, в отличие от активных сенсоров (радар, лидар), которые излучают сигнал и фиксируют его воздействие на наблюдаемую область. Спутниковые сенсоры, используемые на практике для определения осадков, относятся к двум категориям. Тепловые инфракрасные (ИК) сенсоры регистрируют канал в диапазоне около 11 микрон и в основном предоставляют информацию о вершинах облаков. В силу типичной структуры атмосферы температура вершины облака приблизительно обратно пропорциональна высоте вершины облака, то есть более холодные облака почти всегда находятся на большей высоте. Кроме того, облачные вершины с большим количеством мелкомасштабных изменений, вероятно, более активны, чем облака с гладкой вершиной. Различные математические схемы, или алгоритмы, используют эти и другие характеристики для оценки осадков на основе данных ИК. Вторая категория сенсорных каналов находится в микроволновой части электромагнитного спектра. Используемые частоты варьируются от примерно 10 гигагерц до нескольких сотен ГГц. Каналы до 37 ГГц в основном предоставляют информацию о жидких гидрометеорах (дожде и мороси) в нижних частях облаков, при этом большее количество жидкости излучает большее количество микроволновой энергии. Каналы выше 37 ГГц отображают сигналы излучения, но на них доминирует рассеяние микроволновой энергии твёрдыми гидрометеорами (снег, град и т.д.). Спутники, такие как миссия по измерению тропических осадков (TRMM) и миссия по измерению глобальных осадков (GPM), используют микроволновые сенсоры для формирования оценок осадков. Дополнительные сенсорные каналы и продукты показали свою способность предоставлять дополнительную полезную информацию, включая видимые каналы, дополнительные ИК каналы, каналы водяного пара и продукты зондирования атмосферы. Однако большинство используемых в настоящее время наборов данных об осадках не применяют эти источники данных.

Although surface precipitation gauges are considered the standard for measuring precipitation, there are many areas in which their use is not feasible. This includes the vast expanses of ocean and remote land areas. In other cases, social, technical or administrative issues prevent the dissemination of gauge observations. As a result, the modern global record of precipitation largely depends on satellite observations. Satellite sensors work by remotely sensing precipitation—recording various parts of the electromagnetic spectrum that theory and practice show are related to the occurrence and intensity of precipitation. The sensors are almost exclusively passive, recording what they see, similar to a camera, in contrast to active sensors (radar, lidar) that send out a signal and detect its impact on the area being observed. Satellite sensors now in practical use for precipitation fall into two categories. Thermal infrared (IR) sensors record a channel around 11 micron wavelength and primarily give information about cloud tops. Due to the typical structure of the atmosphere, cloud top temperatures are approximately inversely related to cloud top heights, meaning colder clouds almost always occur at higher altitudes. Further, cloud tops with a lot of small scale variation are likely to be more vigorous than smooth topped clouds. Various mathematical schemes, or algorithms, use these and other properties to estimate precipitation from the IR data. The second category of sensor channels is in the microwave part of the electromagnetic spectrum. The frequencies in use range from about 10 gigahertz to a few hundred GHz. Channels up to about 37 GHz primarily provide information on the liquid hydrometeors (rain and drizzle) in the lower parts of clouds, with larger amounts of liquid emitting higher amounts of microwave radiant energy. Channels above 37 GHz display emission signals, but are dominated by the action of solid hydrometeors (snow, graupel, etc.) to scatter microwave radiant energy. Satellites such as the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) and the Global Precipitation Measurement (GPM) mission employ microwave sensors to form precipitation estimates. Additional sensor channels and products have been demonstrated to provide additional useful information including visible channels, additional IR channels, water vapor channels and atmospheric sounding retrievals. However, most precipitation data sets in current use do not employ these data sources.

Набор спутниковых данных

Оценки на основе инфракрасных данных обладают сравнительно низкой точностью в краткосрочной перспективе и на малых пространственных масштабах, но доступны с высокой частотой (15 минут или чаще) со спутников, находящихся на геосинхронной орбите Земли. Инфракрасные данные наиболее эффективны в условиях интенсивной и глубокой конвекции, например, в тропиках, и их полезность постепенно снижается в областях, где преобладают слоистые осадки, особенно в регионах средних и высоких широт. Более прямая физическая связь между гидрометеорами и микроволновыми каналами обеспечивает более высокую точность микроволновых оценок в краткосрочной перспективе и на малых пространственных масштабах по сравнению с инфракрасными данными. Однако микроволновые датчики устанавливаются только на спутниках, находящихся на низкой околоземной орбите, и их количество ограничено, что приводит к среднему интервалу между наблюдениями, превышающему три часа. Этот интервал в несколько часов недостаточен для адекватного мониторинга осадков из-за их непостоянного характера и невозможности для одного спутника адекватно зафиксировать типичный суточный цикл осадков в конкретной местности. С конца 1990-х годов было разработано несколько алгоритмов для объединения данных об осадках, полученных с датчиков различных спутников, с целью усиления сильных сторон и минимизации слабых сторон отдельных входных наборов данных. Цель состоит в том, чтобы предоставить наиболее точные оценки осадков на единой пространственно-временной сетке, охватывающей как можно большую часть земного шара. В некоторых случаях приоритет отдается долгосрочной однородности набора данных, что соответствует стандарту климатических данных. В других случаях целью является получение наиболее точной мгновенной спутниковой оценки, что соответствует подходу продуктов осадков высокого разрешения. В любом случае, менее приоритетная цель также считается желательной. Одним из ключевых результатов многоспутниковых исследований является то, что даже небольшое количество данных наземных измерительных приборов значительно повышает точность и позволяет контролировать систематические ошибки, свойственные спутниковым оценкам. Трудности использования данных наземных измерительных приборов заключаются в том, что 1) их доступность ограничена, как отмечалось выше, и 2) для проведения наиболее точного анализа данных наземных измерительных приборов требуется два месяца или более после времени наблюдения для осуществления необходимой передачи, сборки, обработки и контроля качества. Таким образом, оценки осадков, включающие данные наземных измерительных приборов, обычно формируются с большей задержкой по времени, чем оценки, основанные только на спутниковых данных. Следовательно, хотя оценки, включающие данные наземных измерительных приборов, могут обеспечить более точное представление о фактическом количестве осадков, они, как правило, не подходят для оперативных или околооперативных приложений. Проделанная работа привела к созданию множества наборов данных, отличающихся форматами, пространственно-временными сетками, периодами охвата, регионами покрытия, входными наборами данных и процедурами анализа, а также различными обозначениями версий наборов данных. Во многих случаях один из современных многоспутниковых наборов данных является оптимальным выбором для общего использования.

The IR estimates have rather low skill at short time and space scales, but are available very frequently (15 minutes or more often) from satellites in geosynchronous Earth orbit. IR works best in cases of deep, vigorous convection—such as the tropics—and becomes progressively less useful in areas where stratiform (layered) precipitation dominates, especially in mid and high latitude regions. The more direct physical connection between hydrometeors and microwave channels gives the microwave estimates greater skill on short time and space scales than is true for IR. However, microwave sensors fly only on low Earth orbit satellites, and there are few enough of them that the average time between observations exceeds three hours. This several hour interval is insufficient to adequately document precipitation because of the transient nature of most precipitation systems as well as the inability of a single satellite to appropriately capture the typical daily cycle of precipitation at a given location. Since the late 1990s, several algorithms have been developed to combine precipitation data from multiple satellites' sensors, seeking to emphasize the strengths and minimize the weaknesses of the individual input data sets. The goal is to provide "best" estimates of precipitation on a uniform time/space grid, usually for as much of the globe as possible. In some cases the long term homogeneity of the dataset is emphasized, which is the Climate Data Record standard. In other cases, the goal is producing the best instantaneous satellite estimate, which is the High Resolution Precipitation Product approach. In either case, of course, the less emphasized goal is also considered desirable. One key result of the multi satellite studies is that including even a small amount of surface gauge data is very useful for controlling the biases that are endemic to satellite estimates. The difficulties in using gauge data are that 1) their availability is limited, as noted above, and 2) the best analyses of gauge data take two months or more after the observation time to undergo the necessary transmission, assembly, processing and quality control. Thus, precipitation estimates that include gauge data tend to be produced further after the observation time than the no gauge estimates. As a result, while estimates that include gauge data may provide a more accurate depiction of the "true" precipitation, they are generally not suited for real or near real time applications. The work described has resulted in a variety of datasets possessing different formats, time/space grids, periods of record and regions of coverage, input datasets, and analysis procedures, as well as many different forms of dataset version designators. In many cases, one of the modern multi satellite data sets is the best choice for general use.

Срок возврата

Вероятность или возможность наступления события с определенной интенсивностью и продолжительностью называется периодом возврата или частотой. Интенсивность шторма может быть спрогнозирована для любого периода возврата и продолжительности шторма на основе графиков, построенных по историческим данным для данной местности. Термин "шторм, повторяющийся раз в 10 лет" описывает редкое явление, которое, вероятно, произойдет только один раз за 10 лет, следовательно, вероятность его возникновения в любой конкретный год составляет 10%. Количество осадков будет больше, а наводнения – серьезнее, чем от самого сильного шторма, ожидаемого в течение одного года. Термин "шторм, повторяющийся раз в 100 лет" описывает крайне редкое явление, которое произойдет с вероятностью лишь один раз за столетие, то есть вероятность его возникновения в любой конкретный год составляет 1%. Количество осадков будет экстремальным, а наводнения – более масштабными, чем при шторме, повторяющемся раз в 10 лет. Как и в случае любых вероятностных событий, теоретически возможно, хотя и маловероятно, возникновение двух "штормов, повторяющихся раз в 100 лет" в течение одного года.

Неравномерная форма осадков

Значительная часть годового количества осадков в любом конкретном месте (при этом метеостанции Африки и Южной Америки не рассматривались) выпадает всего за несколько дней, как правило, около 50% – в течение 12 дней с максимальным количеством осадков.

Роль в климатической классификации Кёппена

Классификация Кёппена зависит от среднемесячных значений температуры и осадков. Наиболее часто используемая форма классификации Кёппена имеет пять основных типов, обозначенных буквами от A до E. В частности, основными типами являются A – тропический, B – сухой, C – умеренный, D – холодный умеренный и E – полярный. Пять основных классификаций могут быть далее разделены на вторичные классификации, такие как влажные тропические леса, муссонный, тропическая саванна, влажный субтропический, влажный континентальный, океанический климат, средиземноморский климат, степь, субарктический климат, тундра, полярная ледяная шапка и пустыня. Влажные тропические леса характеризуются обильными осадками, при этом минимальное нормальное годовое количество осадков определяется как… Тропическая саванна – это биом лугов, расположенный в полузасушливых и полувлажных климатических регионах субтропических и тропических широт, с количеством осадков от… до… в год. Они широко распространены в Африке, а также встречаются в Индии, северных частях Южной Америки, Малайзии и Австралии. Влажный субтропический климатический пояс характеризуется тем, что зимние дожди (иногда и снегопады) связаны с крупными штормами, которые западные ветры несут с запада на восток. Большая часть летних осадков выпадает во время гроз и от случайных тропических циклонов. Влажный субтропический климат расположен на восточной стороне континентов, примерно между 20° и 40° широты от экватора. Океанический (или морской) климат обычно встречается вдоль западных побережий умеренных широт всех континентов мира, граничащих с прохладными океанами, а также в юго-восточной Австралии, и сопровождается обильными осадками в течение всего года. Средиземноморский климат похож на климат земель в Средиземноморском бассейне, частей западной Северной Америки, частей западной и южной Австралии, юго-западной Африки и некоторых частей центрального Чили. Климат характеризуется жарким, сухим летом и прохладной, влажной зимой. Степь – это сухой луг. Субарктический климат холодный, с наличием сплошной вечной мерзлоты и небольшим количеством осадков.

The Köppen classification depends on average monthly values of temperature and precipitation. The most commonly used form of the Köppen classification has five primary types labeled A through E. Specifically, the primary types are A, tropical; B, dry; C, mild mid latitude; D, cold mid latitude; and E, polar. The five primary classifications can be further divided into secondary classifications such as rain forest, monsoon, tropical savanna, humid subtropical, humid continental, oceanic climate, Mediterranean climate, steppe, subarctic climate, tundra, polar ice cap, and desert. Rain forests are characterized by high rainfall, with definitions setting minimum normal annual rainfall between A tropical savanna is a grassland biome located in semi arid to semi humid climate regions of subtropical and tropical latitudes, with rainfall between a year. They are widespread on Africa, and are also found in India, the northern parts of South America, Malaysia, and Australia. The humid subtropical climate zone is where winter rainfall (and sometimes snowfall) is associated with large storms that the westerlies steer from west to east. Most summer rainfall occurs during thunderstorms and from occasional tropical cyclones. Humid subtropical climates lie on the east side continents, roughly between latitudes 20° and 40° degrees from the equator. An oceanic (or maritime) climate is typically found along the west coasts at the middle latitudes of all the world's continents, bordering cool oceans, as well as southeastern Australia, and is accompanied by plentiful precipitation year round. The Mediterranean climate regime resembles the climate of the lands in the Mediterranean Basin, parts of western North America, parts of western and southern Australia, in southwestern South Africa and in parts of central Chile. The climate is characterized by hot, dry summers and cool, wet winters. A steppe is a dry grassland. Subarctic climates are cold with continuous permafrost and little precipitation.

Влияние на сельское хозяйство

Осадки, особенно дожди, оказывают значительное влияние на сельское хозяйство. Всем растениям необходимо хотя бы некоторое количество воды для выживания, поэтому дождь (как наиболее эффективное средство орошения) имеет важное значение для сельского хозяйства. Хотя регулярный режим дождей обычно жизненно важен для здоровых растений, избыток или недостаток осадков могут быть вредными и даже губительными для урожая. Засуха может погубить посевы и усилить эрозию, а слишком влажная погода может вызвать рост вредных грибков. Разным растениям для выживания требуется разное количество осадков. Например, некоторые кактусы нуждаются в небольшом количестве воды, в то время как тропическим растениям может потребоваться до нескольких сотен дюймов дождя в год. В районах с влажным и сухим сезонами питательные вещества в почве истощаются, а эрозия усиливается в течение влажного сезона. Развивающиеся страны отмечают, что у их населения наблюдаются сезонные колебания веса из-за нехватки продовольствия, возникающей перед первым урожаем, который собирают в конце влажного сезона. Повышение температуры обычно увеличивает испарение, что приводит к увеличению количества осадков. В целом, количество осадков на суше к северу от 30° с.ш. увеличилось с 1900 по 2005 год, но в тропиках оно сократилось с 1970-х годов. В глобальном масштабе за последнее столетие не наблюдалось статистически значимой общей тенденции в количестве осадков, хотя тенденции значительно различались в зависимости от региона и времени. В 2018 году исследование, оценивающее изменения осадков в различных пространственных масштабах с использованием глобального набора данных о осадках с высоким разрешением за более чем 33 года, пришло к выводу, что "хотя региональные тенденции существуют, нет доказательств увеличения осадков в глобальном масштабе в ответ на наблюдаемое глобальное потепление". В каждом регионе мира произойдут изменения в количестве осадков из-за его уникальных условий. Восточные части Северной и Южной Америки, Северной Европы, Северной и Центральной Азии стали более влажными. Сахель, Средиземноморье, южная Африка и части южной Азии стали более сухими. За последнее столетие во многих регионах наблюдалось увеличение числа сильных осадков, а также с 1970-х годов – увеличение частоты засух, особенно в тропиках и субтропиках. Изменения в осадках и испарении над океанами подтверждаются снижением солености вод средних и высоких широт (что указывает на увеличение осадков) и повышением солености в низких широтах (что указывает на уменьшение осадков, увеличение испарения или и то, и другое). В континентальной части Соединенных Штатов общий годовой объем осадков увеличился в среднем на 6,1% в столетие с 1900 года, причем наибольший рост наблюдался в Восточно-Центральном климатическом регионе (11,6% в столетие) и на Юге (11,1%). Гавайи были единственным регионом, где наблюдалось снижение (−9,25%).

Precipitation, especially rain, has a dramatic effect on agriculture. All plants need at least some water to survive, therefore rain (being the most effective means of watering) is important to agriculture. While a regular rain pattern is usually vital to healthy plants, too much or too little rainfall can be harmful, even devastating to crops. Drought can kill crops and increase erosion, while overly wet weather can cause harmful fungus growth. Plants need varying amounts of rainfall to survive. For example, certain cacti require small amounts of water, while tropical plants may need up to hundreds of inches of rain per year to survive. In areas with wet and dry seasons, soil nutrients diminish and erosion increases during the wet season. Developing countries have noted that their populations show seasonal weight fluctuations due to food shortages seen before the first harvest, which occurs late in the wet season.]] Increasing temperatures tend to increase evaporation which leads to more precipitation. Precipitation has generally increased over land north of 30°N from 1900 to 2005 but has declined over the tropics since the 1970s. Globally there has been no statistically significant overall trend in precipitation over the past century, although trends have varied widely by region and over time. In 2018, a study assessing changes in precipitation across spatial scales using a high resolution global precipitation dataset of over 33+ years, concluded that "While there are regional trends, there is no evidence of increase in precipitation at the global scale in response to the observed global warming." Each region of the world is going to have changes in precipitation due to their unique conditions. Eastern portions of North and South America, northern Europe, and northern and central Asia have become wetter. The Sahel, the Mediterranean, southern Africa and parts of southern Asia have become drier. There has been an increase in the number of heavy precipitation events over many areas during the past century, as well as an increase since the 1970s in the prevalence of droughts—especially in the tropics and subtropics. Changes in precipitation and evaporation over the oceans are suggested by the decreased salinity of mid and high latitude waters (implying more precipitation), along with increased salinity in lower latitudes (implying less precipitation, more evaporation, or both). Over the contiguous United States, total annual precipitation increased at an average rate of 6.1% per century since 1900, with the greatest increases within the East North Central climate region (11.6% per century) and the South (11.1%). Hawaii was the only region to show a decrease (−9.25%).

Изменения, вызванные городским тепловым островом

Городской тепловой остров нагревает города сильнее, чем окружающие пригороды и сельскую местность. Этот избыточный нагрев приводит к усилению восходящих потоков воздуха, что может способствовать увеличению количества ливней и гроз. Интенсивность осадков с наветренной стороны городов возрастает на 48–116%. Частично из-за этого потепления, ежемесячное количество осадков с наветренной стороны городов примерно на 28% превышает количество осадков с подветренной стороны. В некоторых городах наблюдается общее увеличение количества осадков на 51%.

Прогнозирование

Количественный прогноз осадков (сокращенно QPF) – ожидаемое количество жидких осадков, накопленных за определенный период времени на определенной площади. QPF выдается, когда в течение периода действия прогноза ожидается измеримый тип осадков, достигающий минимального порогового значения, хотя бы в один час. Прогнозы осадков обычно привязаны к синоптическим часам, таким как 0000, 0600, 1200 и 1800 GMT. Учет рельефа в QPF осуществляется с использованием топографических данных или на основе климатологических закономерностей осадков, полученных из детальных наблюдений. Начиная с середины и конца 1990-х годов, QPF стали использоваться в гидрологических моделях прогнозирования для моделирования влияния на реки по всей территории Соединенных Штатов. Прогностические модели демонстрируют значительную чувствительность к уровням влажности в пределах планетарного пограничного слоя, или в нижних слоях атмосферы, которая уменьшается с высотой. QPF может составляться как в количественном виде, прогнозируя конкретные суммы осадков, так и в качественном, прогнозируя вероятность определенной суммы. Методы прогнозирования на основе радиолокационных данных показывают более высокую точность, чем прогнозы моделей, в течение шести-семи часов после получения радиолокационного изображения. Верификация прогнозов может осуществляться с использованием данных дождемеров, оценок погодных радаров или их комбинации. Для оценки качества прогноза осадков могут быть рассчитаны различные показатели эффективности.