© Владимир Каланов,
сайт "Знания-сила".

Наблюдение за погодой

История этого вопроса исключительно интересна. Человек всегда стремился понять явления природы. С глубокой древности сохранились сведения о погоде, смене ветров, о снежных и пыльных бурях, о штормах на море, а также о годовом цикле погоды. В греческих городах уже в четвёртом веке до нашей эры на всеобщее обозрение выставлялись своеобразные календари погоды, содержавшие результаты наблюдений за предшествующие годы. В них сообщалось о ветрах, бурях, дождях, грозах и туманах. Отдельные сведения, содержащиеся в этих календарях, например, время прилёта и отлёта ласточки или цветения персика, позволяют предположить, что в те времена климат в Европе был теплее, чем теперь.

Первой книгой об атмосферных явлениях была «Метеорология» Аристотеля. Этот труд великого учёного состоял из четырёх частей. В первой части описывались процессы, происходящие в верхних слоях атмосферы, во второй – моря, в третьей – бури и вихри, а в четвёртой излагалась «Теория четырёх стихий». Уже тогда были известны многие метеорологические явления и делались попытки выяснить взаимодействие океана и атмосферы. Впервые «Метеорология» была переведена с латинского на итальянский язык в 1474 году. До 1600 года вышло 135 её изданий с различными комментариями. Летописи, дошедшие до нас из средних веков, также содержали сведения о погоде и различных явлениях природы.

Аристотель ввёл ошибочное представление об «абсолютной лёгкости воздуха», которое долгое время использовалось в науке. Опыты Галилея и закон Паскаля избавили науку от этого заблуждения. Изучая давление воздуха, Галилей вычислил высоту медного столба, уравновешивающего давление воздуха, хотя сам ещё пользовался термином «сила пустоты». Паскаль доказал, что давление воздуха не зависит от ориентации поверхности, на которую оно воздействует, а определяется высотой поверхности над уровнем моря. Вскоре (1644 г.) ученики Галилея – Торичелли (1608-1647) и Вивиани изобрели ртутный барометр, который стал основным прибором для измерения атмосферного давления.

С середины ХVII века появились барометры с надписями «дождь», «сильный ветер», «буря» (со стороны низкого давления), «ясно», «очень ясно», «очень сухо» (со стороны высокого давления). Эти надписи наносят на барометры и в настоящее время.

Ещё один ученик и сподвижник Галилея – Кастелли изобрёл в 1639 году осадкомер. Но за несколько веков до этого в Китае, Индии, Корее и Палестине существовали дождемеры, которые, по-видимому, были самыми древними метеорологическими приборами.

Термометр для измерения температуры воздуха изобрёл около 1600 года Санторио (1561-1636). Но многие считают, что это сделал Галилей (1564-1642).

Появление синоптической метеорологии

В XIX веке появился самостоятельный раздел метеорологии – синоптическая метеорология, основной задачей которой является наблюдение за погодой и составление прогнозов погоды. В 1816-1820 годах учёный Брандео в Германии составил первые синоптические (то есть обзорные) карты для Европы. Для этих первых карт были использованы результаты наблюдений из 36 станций, три из которых находились в России. Для справки: в СССР в 1980-х годах было более 10 тысяч метеостанций.

Составление и анализ синоптических карт постоянно совершенствовались, становясь основой для подготовки научных прогнозов погоды на обширных географических районах. Изобретение телеграфа дало возможность немедленно передавать данные с отдалённых станций на центральные станции, в том числе предупреждения о приближении бурь или штормов.

Осенью 1854 года глубокий циклон принёс на Чёрное море сильнейшую бурю. Стоявший в это время в Балаклавской бухте (Крым) англо-французский флот был уничтожен. Это печальное для союзников событие навело директора парижской астрономической обсерватории У.Леверье на мысль проследить за перемещением бури, чтобы впредь при подобных случаях заранее предупреждать капитанов кораблей о приближающейся опасности. Имя Леверье нашим читателям хорошо знакомо. Да, это тот самый, знаменитый астроном и математик Урбан Жан Жозеф Леверье, который по небольшим отклонениям в движении планеты Уран установил, что ещё дальше от Солнца находится следующая планета Солнечной системы. Имея под руками всего лишь перо и лист бумаги и даже не поднимая головы к небу, Леверье рассчитал точное положение этой планеты на небосводе. Так был открыт Нептун. Собрав необходимые сведения, Леверье составил синоптическую карту на основе результатов наблюдений 13 французских метеорологических станций и убедился, что в Балаклавскую бухту шторм ворвался только через двое суток с того момента, когда он зародился в западной части Средиземного моря. Значит, при использовании телеграфа о приближении бури можно было предупредить заранее. По предложению У.Леверье французское правительство организовало систему предсказания погоды по телеграфу. Вскоре к Франции присоединились другие страны.

В 1872 году служба погоды была организована и в России. В Главную физическую обсерваторию в Петербурге по телеграфу передавались сведения с 60 русских и зарубежных станций. Штормовые предупреждения ограничивались только акваторией Балтийского моря и ближайших озёр.

В течение нескольких десятилетий синоптический прогноз сводился в основном к прогнозу изменений поля давления атмосферы, потому что горизонтальное распределение давления считали главным фактором, определяющим условия погоды. Такой подход был слишком упрощённым. Ведь температура воздуха, осадки, облачность зависят не только от давления. Требовалось более глубокое изучение процессов, определяющих метеорологические условия. Только на этой основе можно было совершенствовать методы и технику наблюдений для повышения эффективности синоптической метеорологии.

В 1915 году в России были созданы Военно-метеорологическое управление и Главная авиаметеорологическая станция.

Успехи динамической (то есть теоретической) метеорологии, особенно учение о циркуляции атмосферы и об энергии атмосферных движений, привели к тому, что атмосферные процессы стали изучаться в трёх измерениях. Благодаря радиосвязи был установлен международный обмен метеорологическими сводками. Синоптические карты стали составляться для всего Северного полушария, а затем и для Земного шара. Число метеостанций в мире к 40-м годам XX века достигло нескольких тысяч. Радио стало основным средством информации о будущей погоде. Передаваемые наблюдения стали более подробными. Технический прогресс в средствах связи привёл к быстрому развитию синоптической метеорологии.

В 1930 г. в СССР был организован Центральный институт погоды, а также были созданы республиканские и областные центры службы погоды. Во всех аэропортах начала работать синоптическая служба. С середины 30-х годов стали использовать радиозонды, что дало возможность составлять вертикальные разрезы и высотные карты погоды. С помощью этих карт были открыты и исследованы струйные течения – узкие и очень сильные воздушные потоки в верхней атмосфере и тропосфере. Позднее стали применять авиацию для исследования тропических циклонов.

Качественно новый уровень работы во всех отраслях метеорологии начался с момента применения электронно-вычислительной техники. С помощью компьютеров ведётся постоянный анализ метеорологических элементов и решаются системы уравнений динамики атмосферы, что значительно повышает надёжность как краткосрочных, так и долгосрочных прогнозов.

Родоначальником морской метеорологии был американский учёный, офицер военно-морского флота М.Мори. Он внёс большой вклад в изучение океанических течений. Мори обработал огромный материал, содержавшийся в записях десятков судовых журналов, и написал книгу «Физическая география моря». В этой книге была помещена впервые составленная автором карта течений. Он наметил пути совместного изучения океана и атмосферы для целей мореплавания. В 1853 г. в Брюсселе по инициативе М.Мори была проведена Международная конференция, на которой была установлена для флотов всего мира однообразная система производства судовых наблюдений и их записи.

На метеорологических станциях всех стран оптимальной периодичностью наблюдений за погодой признан промежуток времени продолжительностью в три часа. Это значит, что работники всех метеостанций мира снимают показания метеорологических величин (температура, давление, влажность воздуха, скорость и направление ветра, наличие и характер облачности, осадков и др.) в одно и то же время, а именно в 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18 и 21 час по Гринвичу.

Значения метеорологических величин, т.е. погода в данном месте и в данный момент определяется непрерывными процессами общей циркуляции атмосферы, сменой сезонов и времени суток, предшествовавшей погодой на данной территории или акватории, а также многими другими факторами. Три часа – это и означает «данный момент» для наблюдений за погодой.

Периодичность наблюдений в аэропортах, по понятным причинам, более частая. Там метеорологические условия фиксируются каждые 15 минут.

Процессы, формирующие погоду, имеют огромный пространственный размах. Поэтому для их изучения используются географические карты, на которые наносятся метеорологические величины, зафиксированные в один и тот же момент времени. Карта с нанесенными на ней метеоданными называется синоптической картой погоды. Синоптические карты составляются через каждые 12, 6 или 3 часа и дают возможность судить о развёртывании метеорологических процессов во времени.

Фото Земли в ИК-диапазоне с метеоспутников.
(Нажмите, чтобы посмотреть динамику изменения облачного слоя.)

Синоптические карты, составляемые для поверхности Земли, называются приземными картами погоды. Кроме приземных карт составляются высотные карты погоды для различных слоёв атмосферы, охватывающие высоты до 25 – 30 км.

Погода формируется в слое атмосферы до высоты 30 – 40 км. Поэтому по всей толщине этого слоя с помощью радиозондов измеряются температура, влажность, давление, скорость и направление ветра. Эти измерения обычно производятся два раза в сутки: в 00 и 12 часов по Гринвичскому времени. Результаты радиозондирования оформляются в виде графиков. С анализа этих графиков, вертикальных разрезов атмосферы и синоптических карт, на которых нанесены все полученные на данный момент метеорологические величины, проведены изобары и изотермы, и начинается работа по составлению прогнозов погоды. Анализ метеорологических материалов современные синоптики ведут с использованием компьютеров и информационной системы Meteo Map Maker, позволяющих анализировать атмосферную циркуляцию и погоду в пределах всего Земного шара за последние 3 часа.

Предшественниками радиозондов были воздушные шары́. Впервые воздушный шар для целей метеорологии использовал французский физик Ж. Шарль, который 1 декабря 1783 года поднялся до высоты 3400 м на воздушном шаре, изобретенном братьями Монгольфье. На указанной высоте Шарль измерил температуру, которая оказалась равной минус 8,8°С. В последующем измерения метеорологических величин с помощью аэростатов выполнялись в Англии, Германии, США, а также в России. В 1880 году в Русском техническом обществе был организован воздухоплавательный отдел. Великий русский учёный Д.И. Менделеев в 1887 году поднялся на воздушном шаре из подмосковного города Клина и на высоте 3350 м измерил температуру воздуха во время солнечного затмения. Менделеев изучал верхние слои атмосферы и называл их «лабораторией погоды».

В умеренных широтах, как уже отмечалось, основные изменения погоды определяются состоянием циклонической деятельности – возникновением, развитием, перемещением и разрушением циклонов и антициклонов. Именно этот сложный единый процесс, его эволюция является одним из главных объектов постоянного анализа синоптиков при подготовке прогнозов погоды для стран умеренного пояса.

Прогнозы погоды

Прогнозы делятся на краткосрочные (1 – 3 суток), среднесрочные (4 – 10 суток) и долгосрочные (на месяц и сезон). Составление краткосрочных и среднесрочных прогнозов происходит в два этапа: сначала составляется прогноз синоптического положения, а затем прогноз собственно погоды.

Прогноз синоптического положения готовится при помощи компьютеров путём решения уравнений динамики и термодинамики, описывающих состояние атмосферы на данный момент времени. По результатам решения этих уравнений и с учётом влияния на погоду местных факторов (характер подстилающей поверхности, наличие и размеры озёр, рек, возвышенностей, больших городов и др.) составляется прогноз погоды.

Наибольший срок, на который современные методы и схемы прогноза позволяют определить будущее состояние погоды, не превышает 6 – 7 суток. Наиболее надёжными получаются прогнозы на срок до 2 – 3 суток, а прогнозы на одни сутки оправдываются в среднем на 90% случаев.

Для повышения достоверности краткосрочных, а тем более среднесрочных и долгосрочных прогнозов нужен ряд условий, в том числе: совершенствование имеющейся технической базы метеослужбы, уточнение используемой математической модели атмосферы, получение более подробных данных о состоянии атмосферы, особенно над акваториями морей и океанов.

Хотя эти задачи в определенной мере могут быть решены современной наукой, всё же ожидать безошибочных синоптических прогнозов нельзя. Ошибки в синоптических прогнозах неизбежны, потому что невозможно с достаточной точностью учесть изменения метеоусловий, которые происходят непрерывно и «не признают» трёхчасовых перерывов в наблюдениях синоптиков. При этом надо иметь ввиду, что долгосрочные прогнозы совсем не означают предсказание погоды на ближайший месяц или сезон чуть ли не по дням и часам. Такое предсказание невозможно в настоящее время и вряд ли будет возможным когда-либо в будущем. Долгосрочный прогноз означает не более чем ожидаемые в предстоящем месяце или сезоне погодные аномалии, отклонения от средних значений температуры, давления, характера и количества осадков, других метеорологических величин.

Циркуляция атмосферы имеет глобальный характер, она не знает никаких национальных и прочих границ. Надо сказать, что в деле наблюдения за погодой, в анализе результатов наблюдений и подготовке прогнозов погоды, как ни в какой другой сфере человеческой деятельности, международное сообщество достигло чёткой координации работ и эффективного взаимодействия.

Координацию деятельности национальных метеорологических служб осуществляет Всемирная метеорологическая организация (ВМО). Она контролирует и обеспечивает работу Всемирной службы погоды (ВСП), которая состоит из национальных метеорологических или гидрометеорологических служб.

Всемирная служба погоды в своём составе имеет три глобальных системы: глобальную систему наблюдений, глобальную систему телесвязи и глобальную систему обработки данных.

Глобальная система наблюдений – это наземные и космические наблюдения, осуществляемые с поверхности Земли или в слоях атмосферы. Синоптические станции передают результаты измерений в каналы связи сразу же по окончании наблюдений. В настоящее время на Земном шаре работают около десяти тысяч синоптических станций. В океанах метеорологические наблюдения проводятся на научно-исследовательских судах и на заякоренных или дрейфующих буях. Современное количество научно-исследовательских «кораблей погоды» в Мировом океане достигает семи тысяч.

В атмосфере метеорологические величины измеряются с помощью радиозондов, приборов, устанавливаемых на самолётах, а также с помощью метеорологических радиолокаторов. Со второй половины XX века метеорологическую информацию, получаемую из наземных и атмосферных наблюдений, дополняют сведения, поступающие из космоса от искусственных спутников Земли. Метеорологические спутники движутся по околополярным и экваториальным орбитам. Полярно-орбитальные спутники обычно находятся на высоте 1000 км, а угол наклона их орбит к плоскости экватора подбирается так, чтобы над каждой точкой Земного шара измерения проводились не менее двух раз в сутки. Экваториальная орбита имеет высоту около 36000 км. По такой орбите спутник движется со скоростью, равной угловой скорости вращения Земли, и становится геостациона́рным, т.е. как бы зависает над одной заранее выбранной точкой, расположенной на экваторе. Такой спутник примерно за 20 минут производит обзор очень большой территории: 120° по долготе и 120° по широте. Пять-шесть геостационарных спутников обеспечивают синхронные измерения каждые 30 минут над всей поверхностью Земли в полосе от 60° с.ш. до 60° ю.ш. Метеорологические спутники принадлежат разным странам и составляют космическую подсистему наблюдений.

Глобальная система телесвязи служит для передачи результатов измерений в национальные, региональные и мировые метеорологические центры. После анализа в этих центрах результатов измерений и составления прогнозов глобальная система телесвязи передаёт эти глобальные и региональные анализы и прогнозы по всему миру. Эту информацию используют в своей работе небольшие метеорологические центры и бюро погоды.

Глобальная система обработки данных объединяет в системе Всемирной службы погоды (ВСП) национальные, региональные (для группы стран) и мировые метеорологические центры. Составляемые в мировых метеоцентрах глобальные анализы и прогнозы погоды передаются глобальной системой телесвязи во все страны мира. Основные метеорологические центры мира находятся в городах: Москва, Новосибирск, Вашингтон, Брекнелл, Оффенбах и Рединг.