Карты погоды: История и современные методы анализа

Введение

Таблица метеорологических элементов

Карта погоды, также известная как синоптическая карта, отображает различные метеорологические явления в определенной области в определенный момент времени и содержит различные символы, каждый из которых имеет конкретное значение. Такие карты используются с середины XIX века и применяются для исследований и прогнозирования погоды. Карты, использующие изотермы, показывают градиенты температуры, а на поверхностях постоянного давления 300 или 250 гПа отображается положение струйного течения. Использование карт постоянного давления на уровнях 700 и 500 гПа может указывать на траекторию движения тропического циклона. Двумерные линии тока, основанные на скорости ветра на различных уровнях, показывают области схождения и расхождения в ветровом поле, что помогает определить местоположение особенностей в структуре ветра. Популярным типом карты погоды является анализ поверхностной погоды, на которой наносятся изобары для отображения областей высокого и низкого давления. Коды облачности преобразуются в символы и наносятся на эти карты вместе с другими метеорологическими данными, содержащимися в синоптических отчетах, отправленных профессионально обученными наблюдателями.

История

Использование карт погоды в современном понимании началось в середине XIX века с целью разработки теории штормовых систем. Во время Крымской войны шторм нанес ущерб французскому флоту в Балаклаве, и французский ученый Урбан Ле Веррье смог показать, что если бы была выпущена хронологическая карта шторма, то можно было бы предсказать его траекторию и избежать столкновения с ним. В Англии ученый Фрэнсис Гальтон узнал об этих работах, а также о новаторских прогнозах погоды Роберта Фицроя. После сбора информации с метеостанций по всей стране за октябрь 1861 года он нанес данные на карту, используя собственную систему символов, тем самым создав первую в мире карту погоды. Он использовал эту карту, чтобы доказать, что воздух циркулирует по часовой стрелке вокруг областей высокого давления; он ввел термин «антициклон» для описания этого явления. Он также сыграл важную роль в публикации первой карты погоды в газете, для чего модифицировал пантограф (инструмент для копирования чертежей), чтобы перенести карту на печатные формы. Газета «Таймс» начала печатать карты погоды, используя эти методы и данные из Метеорологического управления. Введение общенациональных карт погоды потребовало существования общенациональных телеграфных сетей, чтобы данные со всей страны могли собираться в режиме реального времени и оставаться актуальными для анализа. Первым примером использования телеграфа для сбора данных о погоде стала газета Manchester Examiner в 1847 году:

это побудило нас выяснить, достаточно ли далеко от Манчестера была протянута электрическая телеграфная линия, чтобы получать информацию из восточных округов; запросы были отправлены в следующие места, и мы получили ответы, которые прилагаем.

Также было важно стандартизировать время в разных часовых поясах, чтобы информация на карте точно отражала погоду в определенный момент времени. Стандартизированная система времени впервые была использована для координации работы британской железнодорожной сети в 1847 году с введением среднего гринвичского времени. В США Смитсоновский институт развивал свою сеть наблюдателей на большей части центральной и восточной территории Соединенных Штатов в период с 1840-х по 1860-е годы, после того как руководство принял Джозеф Генри. Сигнальный корпус армии США унаследовал эту сеть между 1870 и 1874 годами по решению Конгресса и вскоре после этого расширил ее до западного побережья. Первоначально не все данные на карте использовались из-за отсутствия стандартизации времени. Соединенные Штаты полностью перешли на часовые пояса в 1905 году, когда Детройт наконец установил стандартное время.

20 век

Использование фронтальных зон на картах погоды началось в 1910-х годах в Норвегии. Теория полярного фронта приписывается Якобу Бьеркнесу и была разработана на основе сети прибрежных наблюдательных пунктов в Норвегии во время Первой мировой войны. Эта теория предполагала, что основной приток в циклон концентрировался вдоль двух линий сходимости – одной впереди циклона и другой, тянущейся позади него. Линия сходимости, расположенная впереди циклона, стала известна как рулевая линия или тёплый фронт. Задняя зона сходимости называлась линией шквала или холодным фронтом. Области облачности и осадков, казалось, были сосредоточены вдоль этих зон сходимости. Концепция фронтальных зон привела к формированию концепции воздушных масс. Однако понимание трёхмерной структуры циклона потребовало развития сети наблюдений в верхних слоях атмосферы, что произошло в 1940-х годах. Поскольку передний край изменений воздушной массы напоминал военные фронты Первой мировой войны, термин «фронт» стал использоваться для обозначения этих линий. Соединённые Штаты начали официально анализировать фронты на поверхностных картах в конце 1942 года, когда в центре Вашингтона открылся Аналитический центр WBAN. Помимо поверхностных карт погоды, метеорологические службы начали создавать карты постоянного давления. В 1948 году Соединённые Штаты начали серию «Ежедневных карт погоды», которые изначально анализировали уровень 700 гПа, находящийся примерно над уровнем моря. К 14 мая 1954 года анализировалась поверхность 500 гПа, расположенная примерно над уровнем моря. Работы по автоматизации построения карт начались в Соединённых Штатах в 1969 году и были завершены в 1970-х годах. Аналогичная инициатива была начата в Индии Индийским метеорологическим департаментом в 1969 году. Гонконг завершил автоматизацию построения поверхностных карт к 1987 году. К 1999 году компьютерные системы и программное обеспечение достигли достаточной сложности, чтобы позволить совместное отображение на одном рабочем месте спутниковых и радиолокационных данных, а также полей, полученных из моделей, таких как атмосферная толщина и фронтогенез, в сочетании с поверхностными наблюдениями для создания наиболее точного анализа поверхности. В Соединённых Штатах это стало возможным, когда рабочие станции Intergraph были заменены на рабочие станции AWIPS. К 2001 году различные анализы поверхности, выполняемые Национальной метеорологической службой, были объединены в Единый анализ поверхности, который выпускается каждые шесть часов и объединяет данные из четырёх различных центров. Недавние достижения в области метеорологии и геоинформационных систем позволили создавать специализированные продукты, выводящие традиционную карту погоды на совершенно новый уровень. Погодная информация может быть быстро сопоставлена с соответствующими географическими деталями. Например, условия обледенения могут быть нанесены на дорожную сеть. Вероятно, это продолжит приводить к изменениям в способах создания и отображения анализа поверхности в ближайшие несколько лет.

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.

Графическое отображение данных

Модель станции – это схематическое изображение, показывающее погодные условия на конкретной метеорологической станции. Метеорологи разработали модель станции для компактного отображения множества метеоэлементов на картах погоды. Карты с плотным расположением моделей станций могут быть сложны для чтения, но они позволяют метеорологам, пилотам и морякам видеть важные погодные закономерности. Компьютер создает модель станции для каждой точки наблюдения. Модель станции в основном используется на картах погоды земной поверхности, но также может применяться для отображения погоды на высоте. Завершенная карта моделей станций позволяет пользователям анализировать распределение атмосферного давления, температуры, ветра, облачности и осадков. Модели станций используют международно согласованную систему кодирования, которая практически не изменилась с 1 августа 1941 года. Элементы на схеме отображают ключевые метеоэлементы, включая температуру, точку росы, ветер, облачность, атмосферное давление, изменение давления и количество осадков. Ветер имеет стандартное обозначение при нанесении на карты погоды. Более века назад ветер изображался стрелками, с перьями только с одной стороны, обозначающими силу ветра в пять узлов, а с перьями с обеих сторон – силу ветра. Обозначение изменилось на половину стрелки, где половина штриха обозначает пять узлов, полный штрих – десять узлов, а флаг – пятьдесят узлов. Благодаря структуре кода SYNOP, на схеме каждой станции, отображаемой на карте погоды, может быть нанесено не более трех символов облачности. Все типы облаков кодируются и передаются обученными наблюдателями, а затем наносятся на карты как облака нижнего, среднего или верхнего яруса с использованием специальных символов для каждого основного типа облаков. Любой тип облака со значительной вертикальной протяженностью, который может занимать более одного яруса, кодируется как облако нижнего яруса (кумулус и кумулонимбус) или среднего яруса (нимбостратус) в зависимости от высоты или яруса, на котором оно обычно формируется, без учета последующего вертикального развития. Символ, используемый на карте для каждого из этих ярусов в момент наблюдения, соответствует роду, виду, разновидности, форме или движению облаков, которые считаются наиболее важными в соответствии с критериями, установленными Всемирной метеорологической организацией (ВМО). Если эти элементы для любого яруса в момент наблюдения признаются равнозначными по важности, то тип, преобладающий по количеству, кодируется наблюдателем и наносится на карту погоды соответствующим символом. Специальные карты погоды для авиации показывают районы обледенения и турбулентности.

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.

Авиационные карты

У авиации есть собственные комплекты карт погоды. Один из типов карт показывает районы, где действуют правила визуальных полетов (VFR), а где – правила полетов по приборам (IFR). Карты фактической погоды отображают высоту нижней границы облачности (уровень, на котором облаками покрыто не менее половины неба) в сотнях футов, текущие погодные условия и облачность. Карты обледенения показывают районы, где обледенение может быть опасным для полетов. Карты для авиации также отображают зоны турбулентности.

Графики постоянного давления

На диаграммах постоянного давления обычно наносятся значения температуры, влажности, ветра и вертикальной высоты над уровнем моря поверхности давления. Они используются для различных целей. В гористой местности западных Соединенных Штатов и Мексиканского нагорья поверхность давления 850 гПа может быть более реалистичным отображением погодной картины, чем стандартный анализ поверхности. Используя поверхности давления 850 и 700 гПа, можно определить, когда и где происходит теплый перенос (совпадающий с восходящим движением воздуха) и холодный перенос (совпадающий с нисходящим движением воздуха) в нижних слоях тропосферы. Области с небольшой разницей между температурой и точкой росы и ниже нуля указывают на наличие условий обледенения для воздушных судов. Поверхность давления 500 гПа может использоваться как приблизительное руководство для движения многих тропических циклонов. Неглубокие тропические циклоны, испытывающие вертикальный сдвиг ветра, как правило, направляются ветрами на уровне 700 гПа. Использование диаграмм постоянного давления 300 и 200 гПа может указывать на силу систем в нижней тропосфере, поскольку более мощные системы вблизи поверхности Земли отражаются как более выраженные образования на этих уровнях атмосферы. На этих уровнях проводятся изотахи – линии одинаковой скорости ветра. Они помогают выявлять максимумы и минимумы в ветровом поле. Минимумы ветра в верхних слоях атмосферы благоприятны для тропического циклогенеза. Максимумы в ветровом поле на различных уровнях атмосферы указывают на местоположение струйных течений. Области, где температура ниже -40 °C, указывают на отсутствие значительного обледенения, при условии отсутствия активной грозовой деятельности. Они показывают температурные градиенты, которые могут быть полезны для определения фронтов, расположенных на теплой стороне больших температурных градиентов. Прокладывание линии замерзания может быть полезно при определении типа осадков. Мезомасштабные границы, такие как тропические циклоны, линии оттока и линии шквала, также анализируются при анализе погоды на поверхности. На этих картах выполняется изобарический анализ, который включает в себя построение линий равного среднего давления на уровне моря. Замкнутые линии внутри указывают на положение относительных максимумов и минимумов в поле давления. Минимумы называются областями низкого давления, а максимумы – областями высокого давления. Области высокого давления часто обозначаются буквами H, а области низкого давления – буквами L. Удлиненные области низкого давления, или ложбины, иногда изображаются толстыми коричневыми штриховыми линиями вдоль оси ложбины. Изобары обычно используются для определения границ поверхности от конских широт к полюсам, в то время как анализ линий тока используется в тропиках. Анализ линий тока представляет собой серию стрелок, ориентированных параллельно ветру, показывающих движение ветра в определенной географической области. Буквы "C" обозначают циклонический поток или вероятные области низкого давления, а буквы "A" – антициклонический поток или вероятные области высокого давления. Область сходящихся линий тока указывает на расположение линий сдвига в тропиках и субтропиках.

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.