14.2 Принципы изучения погоды
Температура, атмосферное давление, плотность и влажность воздуха, скорость и направление ветра – основные показатели состояния атмосферы, а к дополнительным параметрам относятся данные о содержании таких газов, как озон, углекислый газ и т.п.
Характеристикой внутренней энергии физического тела является температура, которая повышается с увеличением внутренней энергии среды (например, воздуха, облаков и т.д.), если баланс энергии положителен. Основными составляющими энергетического баланса являются нагревание при поглощении ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения; остывание за счет излучения инфракрасной радиации; теплообмен с земной поверхностью; приобретение или потеря энергии при конденсации или испарении воды, а также при сжатии или расширении воздуха. Температура может измеряться в градусах по шкалам Фаренгейта (F), Цельсия (С) или Кельвина (К). Минимальная возможная температура, 0° по шкале Кельвина, называется «абсолютным нулем». Разные температурные шкалы связаны между собой соотношениями:
F = 9/5 С + 32; С = 5/9 (F – 32) и К = С + 273,16,
где F, С и К соответственно обозначают температуру в градусах по шкалам Фаренгейта, Цельсия и Кельвина. Шкалы Фаренгейта и Цельсия совпадают в точке –40°, т.е. –40° F = –40° C, что можно проверить по приведенным выше формулам. Во всех прочих случаях значения температур в градусах по шкалам Фаренгейта и Цельсия будут различаться. В научных исследованиях обычно используются шкалы Цельсия и Кельвина.
Атмосферное давление в каждой точке обусловлено массой вышележащего столба воздуха. Оно изменяется, если меняется высота столба воздуха над данной точкой. Давление воздуха на уровне моря составляет ок. 10,3 т/м2. Это означает, что вес столба воздуха с горизонтальным основанием площадью 1 кв.м на уровне моря составляет 10,3 т.
Плотность воздуха – это отношение массы воздуха к занимаемому им объему. Плотность воздуха возрастает при его сжатии и уменьшается при расширении.
Температура, давление и плотность воздуха связаны между собой уравнением состояния. Воздух в значительной степени подобен «идеальному газу», для которого, согласно уравнению состояния, температура (выраженная в шкале Кельвина), умноженная на плотность и разделенная на давление, есть величина постоянная.
Согласно второму закону Ньютона (закону движения), изменения скорости и направления ветра обусловлены действующими в атмосфере силами. Это сила тяжести, которая удерживает слой воздуха у земной поверхности, градиент давления (сила, направленная из области высокого давления в область низкого) и сила Кориолиса. Сила Кориолиса оказывает влияние на ураганы и другие крупномасштабные погодные явления. Чем меньше их масштабы, тем менее существенна для них эта сила. Например, от нее не зависит направление вращения смерча (торнадо).
14.2 Синоптические карты (карты погоды)
Синоптическая карта необходима метеорологам – прогнозистам для составления прогнозов погоды. Синоптик должен иметь возможность одновременно обозревать состояние погоды на достаточно большой территории, чтобы определить характер развития атмосферных процессов и дальнейшее наиболее вероятное изменение метеорологических условий в интересующем районе. Осуществляется такой обзор с помощью карт погоды, на которые наносятся данные метеорологических наблюдений, производимых единовременно по определенной программе метеорологическими станциями.
Работа с синоптической картой начинается с анализа погоды, нанесенной на нее в закодированном виде (рис. 14.3). Специалист анализирует все данные о погоде в пунктах наблюдений. Неспециалистам достаточно знать, что крайняя цифра слева – это значение температуры воздуха с десятыми долями, крайняя цифра справа – атмосферное давление в миллибарах: например, 995 означает, что давление составляет 999,5мб, а 134 означает давление 1013,4мб. Чтобы получить значения давления в привычных мм рт. ст. нужно применять специальную таблицу перевода, где учитывается температура воздуха. Для более простого перевода можно пользоваться выведенным соотношением:
1мб=0,75мм рт. ст. или 1мм рт.ст.=1,33мб.
На карту также наносятся атмосферные явления, направление ветра, скорость ветра (одно перо означает 5 м/с).
По равным значениям атмосферного давления проводятся изобары, с помощью которых определяется положение циклонов (Н) и антициклонов (В). Также на карте обязательно обозначаются линии раздела воздушных масс, то есть атмосферные фронты: красным цветом – теплый фронт, синим цветом – холодный фронт, коричневым – фронт окклюзии. Стрелками обозначено предполагаемое смещение циклонов и антициклонов.
Для характеристики и изучения многих атмосферных явлений, а также для прогноза погоды необходимо одновременно проводить различные наблюдения во множестве пунктов и фиксировать полученные данные на картах. В метеорологии обычно применяется т.н. синоптический метод.
Приземные синоптические карты. Проводятся наблюдения за погодой, характеризуется облачность (плотность, высота и вид); снимаются показания барометров, к которым вводятся поправки для приведения полученных величин к уровню моря; фиксируются направление и скорость ветра; измеряются количество жидких или твердых осадков и температура воздуха и почвы (в срок наблюдения, максимальная и минимальная); определяется влажность воздуха; тщательно фиксируются условия видимости и все прочие атмосферные явления (например, гроза, туман, дымка и т.п.).
Рис. 14.3 Синоптическая карта
Высотные синоптические карты. Облака перемещаются воздушными течениями обычно на значительных высотах над земной поверхностью. Поэтому для метеоролога важно располагать надежными данными для многих уровней атмосферы. На основании данных, полученных при помощи метеозондов, самолетов и спутников, составляются карты погоды для пяти высотных уровней. Эти карты передаются в синоптические центры.