Калинин Н.А., Толмачёва Н.И. Космические методы исследований в метеорологии

Подождите немного. Документ загружается.

S=3

S=4

S=6

С=5 В=1С=4 В=1

С=4 В=0

Плотная дуга

Изогнутая широкая полоса

ом с полосами к

чевых облаков

С=2,5 В=0,5

С=4 В=0 С=5 В=0

С=6 В=0

С=5 В=1

С=4 В=1

С=3 В=1

Изгиб массива

Две изогн

тые широкие полосы

Цом с широкой полосой

С=2 В=1 С=3 В=1 С=4 В=1

С=4 В=2

С=4,5 В=1,5

С=5 В=0

С=4 В=0

С=2,5 В=0,5

видная сплошная полосаСерпо

Линии к

чевых облаков вблизи

сплошного массива

Плотная

Дуга

С=3 В=1

С=5 В=0

С=6 В=0

дня развития (значение S > 0 ранее не отмечалось):

если S = 0,5, то прогнозируется медленное развитие или отсут-

ствие ра

– если развитие.

последующих дней развития прогноз осуществляется в два

этапа:

Рис. 5.5. Типичные структуры облачности в тропических циклонах

и соответствующие им значения параметра S

Для первого

–

звития;

S = 1 или S = 1,5, то прогнозируется типичное

Для

1) по предыдущим значениям S производится экстраполяция на

срок прогноза (24 ч) (инерционный прогноз интенсивности), т.е. вы-

числяется S

;

222

2) определяются факторы, предшествующие усилению («плюс»)

и ослаблению ТЦ («минус»).

К факторам, предшествующим усилению, относятся следую-

щие: выход ослабленного над сушей ТЦ на океан, особенно с очень

теплой температурой поверхности воды; выход из области холодной

воды на область с существенно более теплой водой; усиление конвек-

ции в центре ТЦ, ослабленного после длительного нахождения в зоне

сильных высотных фоновых ветров.

К факторам, предшествующим ослаблению ТЦ, относятся сле-

дующие: выход ТЦ на сушу, попадание ТЦ в район слоисто-кучевых и

слоистых облаков (т.е. в область повышенной статической устойчиво-

сти); проход ТЦ через точку поворота раектории с последующим вы-

ходом на холод о по направле-

нию п ка с сильным вертикальным сдвигом; вытягивание облачной

ным в

ПО КОСМИЧЕСКИМ ИЗОБРАЖЕНИЯМ

ную воду; выход ТЦ в район однородног

ото

структуры перпендикулярно траектории ТЦ при одновременном ос-

лаблении конвекции и достижение ТЦ максимума интенсивности.

Окончательное определение S производится по следующим пра-

вилам:

– если отсутствуют факторы «плюс» или «минус», то оконча-

тельным прогностическим значением S

пр

считается значение, полу-

ченное экстраполяцией, т.е.S

пр

= S

;

– если имеются факторы «плюс», то S

пр

= S

+ 0,5 (если в пред-

шествующее время ТЦ усиливался или стационировал); S

пр

= S

+ 1,0

(если в предшествующее время ТЦ ослаблялся);

– если имеются факторы «минус», то S

пр

= S

– 0,5 (если в пред-

шествующее время ТЦ ослаблялся или находился в стационарной ста-

дии); S

пр

= S

– 1,0 (если в предшествующее время ТЦ усиливался).

По прогностическому значению S можно определить ук

пр

азан-

ыше способом прогностические значения максимальной скоро-

сти ветра. Описанный метод прогноза можно сочетать с методами про-

гноза, основанными на определении тенденции температуры верхней

границе облаков.

5.7. ОЦЕНКА ЛОКАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ПОГОДЫ

Облачность находится в тесной связи с процессами переноса те-

пла и влаги в атмосфере, поэтому космические изображения, получае-

мые с помощью аппаратуры МСЗ, можно использовать для оценки

погодных условий. В общепринятое понятие погоды входит совокуп-

223

ность значений метеорологических элементов (давление, температура

и влажность воздуха, ветер) и атмосферных явлений (видимость, ту-

маны, облака, осадки). Существенное воздействие на характер погоды

оказывает рельеф местности, который влияет на перемещение и эво-

люцию барических образований и атмосферных фронтов. При иссле-

довании погодообразующих процессов важно установить, какими фак-

торами они момент. В

процессе анализа локальных условий годы изображения облачности

могут

ния у поверхности Земли. В то же время понижение (повышение)

темпер

соответствуют поля сплошной облачности, а в их

центра

блачная или мало-

облачн

утствие облачности не всегда однозначно от-

ражает

были вызваны и чем обусловлены в данный

по

быть использованы для восполнения отсутствующих сведений,

соответствующих конкретным облачным структурам или для опти-

мальной интерполяции имеющихся данных приземных измерений.

5.7.1. Анализ атмосферного давления

Особенности локального распределения приземного давления

связаны с изменением высоты некоторой изобарической поверхности

и средней температуры воздуха в нижележащем слое исследуемого

района. Непериодические изменения давления обычно обусловлены

движением барических систем и их эволюцией. Уменьшение (увели-

чение) высоты изобарической поверхности ведет к падению (росту)

давле

атуры приземного слоя воздуха вызывает рост (падение) давле-

ния у земной поверхности. Эти взаимосвязанные процессы должны

воздействовать и на облачность. Однако часто бывают случаи, когда

структура облачности не отражает поле давления.

Циклонам

льных частях прослеживаются обширные облачные вихри. Из-

вестно, например, что размер облачной системы тропического циклона

имеет тесную связь с минимальным давлением в центре циклона.

В антициклонах обычно наблюдается безо

ая погода. В областях высокого давления облачные образования

существенно зависят от пространственной структуры антициклона, от

свойств воздушной массы, в которой он сформировался, и от вида

подстилающей поверхности. Более развитым по вертикали антицикло-

нам соответствуют менее облачные районы на космических изображе-

ниях.

Наличие или отс

особенности поля давления. Имеет место соответствие между

различными по знаку аномалиями давления и облачностью. Рост дав-

ления всегда сопровождается уменьшением облачности, а его падение

— увеличением количества облаков. Например, положительные ано-

малии облачности на изобарической поверхности 850 гПа примерно в

224

70 % случаев совпадают с отрицательными аномалиями давления у

земной поверхности и геопотенциала на уровне 850 гПа. Отметим, что

такое совпадение наблюдается в районах Гренландии, Атлантики и

Европы. Для диагноза распределения давления по космическим сним-

кам рекомендуется анализ аномалий облачности.

сед-

лачнос

конвективного происхождения наблю-

5.7.2. Анализ распределения температуры

Для холодной воздушной массы в основном характерны кучево-

образные облака, линии и гряды (зернистая текстура). Районам адвек-

ции холода соответствуют открытые конвективные ячейки, а районам

адвекции тепла — закрытые конвективные ячейки. Правильная форма

конвективных ячеек свидетельствует о сравнительно небольшой неус-

тойчивости атмосферы. Выше конвективного слоя, в котором образу-

ются ячейки, располагается, как правило, задерживающий слой с ин-

версионным распределением температуры. Вертикальная мощность

конвективного слоя примерно в 30 раз меньше диаметра открытых

облачных ячеек (в 20 раз меньше диаметра закрытых ячеек) и в 6 раз

меньше средней ширины облачных гряд (или расстояния между со

ними грядами), наблюдаемых на космическом изображении облачно-

сти.

В теплых воздушных массах чаще всего наблюдается слоисто-

образная облачность (матовая, волокнистая текстура) или туман, если

он адвективного происхождения. Радиационные туманы могут образо-

ваться и в холодном воздухе, если он устойчиво стратифицирован в

приземном слое.

В районах, занятых внутримассовой слоистообразной облач-

ностью, для оценки стратификации в нижней тропосфере можно поль-

зоваться нормами градиентов температуры в подоблачном, облачном и

надоблачном слоях в холодное, теплое полугодие.

Зимой над материками в умеренных широтах и теплая, и хо-

лодная воздушные массы устойчивы. Летом же над сушей любая воз-

душная масса может стать неустойчивой под влиянием суточного хода

температуры подстилающей поверхности. Поэтому особое внимание

следует обращать на сроки получения спутниковой информации. Над

океанами суточный ход температуры существенного влияния на об

ть не оказывает.

Мезоструктура облачности хорошо согласуется с локальными

особенностями распределения температуры. Волнистые слоисто-

кучевые облака образуются в однородной воздушной массе под инвер-

сионными слоями, мезовихри

225

дают , но

неусто

ий анализ распределения дефицита точки росы для

различ

ажений облачности и карт де-

фицит

ной об

0,3 площади облачного массива.

плотной (яркой) облачности.

ся в сравнительно однородных в температурном отношении

йчиво стратифицированных воздушных массах. Под влиянием

орогр фии в структуре облачности хорошо прослеживаются различ-

ные феновые эффекты.

5.7.3. Оценка относительной влажности и выпадения осадков

Статистическ

ных типов облачности показал, что на расстоянии 200–300 км в

пределах однородного облачного массива, особенно в слоистообраз-

ных облаках, дефицит точки росы изменяется незначительно. В то же

время при переходе от облачных массивов к безоблачным участкам

дефицит точки росы резко увеличивается. Это следует учитывать при

совместном анализе космических изобр

а точки росы. В пределах контура с однородным облачным по-

кровом сохраняются небольшие (близкие к нормам) градиенты точки

росы, сгущаясь при переходе от облачности к безоблачным зонам.

В 80 % случаев осадки выпадают из массивов сплошной облач-

ности. При этом из фронтальной облачности осадки выпадают в 100 %

случаев, из кучевообразной — в 97 %, а из слоистообразной облачно-

сти — в 91 %. Вероятность выпадения осадков из открытых облачных

ячеек составляет 23 %, причем осадки носят ливневой характер и вы-

падают, если диаметр облачной ячейки превышает 30 км. Вероятность

выпадения осадков из закрытых конвективных ячеек составляет 16 %,

причем в подавляющем числе случаев это облачные осадки малой ин-

тенсивности.

Зона осадков занимает центральную часть облачного массива.

Площадь, занятая осадками во фронтальной облачности в 50 % случа-

ев составляет 0,3–0,5 площади облачного массива. При кучевообраз-

лачности зона осадков (в 60 % случаев) занимает 0,2–0,5 площа-

ди облачного массива. При слоистообразной облачности в половине

случаев зона осадков занимает 0,1–

Достоверность диагноза и прогноза выпадения осадков увели-

чивается, если использовать космические изображения, полученные в

видимом и инфракрасном диапазонах спектра излучения. Зонам ин-

тенсивных осадков на этих изображениях соответствуют массивы

226

5.7.4. Определение характеристик воздушных движений

Для оценки направления и скорости ветра в тропосфере исполь-

зуют наблюдаемые на космических изображениях мезомасштабные

(конве

ений) об-

лачны

однородной подстилающей поверхностью (океана и суши,

напри

ия образуются

при воздушном потоке, квазиперпендикулярном основному горному

препя кти-

ческую пири-

ческим с Макси-

мальные ошиб ядам конвек-

тивных блаков и по ориентации волнистых облаков не превышают

30–40°

ктивные облачные гряды и ячейки, волнистые облака, мезових-

ри, выбросы перистых облаков) и макромасштабные (облачные поло-

сы атмосферных фронтов, облачные спирали в циклонах, облачную

систему тропического циклона, облачность струйных теч

е структуры.

Облачные конвективные ячейки относительно правильной поли-

гональной формы (открытые и закрытые) образуются над срав-

нительно

мер, изобилующей озерами, или после особенно сильных дож-

дей, или просто над равнинами) при слабых ветрах и небольших сдви-

гах ветра в нижнем слое тропосферы. Направление ветра в районах,

занятых ячейками, определить трудно.

Гряды и цепочки конвективных облаков обычно ориентируются

по направлению ветра в слое от земной поверхности до уровня 500

гПа. Их образование связано с быстрым перемещением холодной воз-

душной массы над теплой подстилающей поверхностью, обусловли-

вающим сдвиг ветра в нижней и средней тропосфере.

Волнистые облака орографического происхожден

тствию, и скорости ветра на его вершине 10 м/с и более. Фа

скорость ветра на уровне облаков можно оценить по эм

оотношениям ее с длиной волны волнистых облаков.

ки определения направления ветра по гр

Цепочки мезовихрей облачности над океаном, наблюдаемые на

снимках МСЗ, выстраиваются с подветренной стороны островов в на-

правлении воздушного потока в нижней тропосфере. Оценить ско-

рость не представляется возможным.

Конвективные облачные мезовихри, характеризуя конвергенцию

воздушных потоков, указывают зоны, в которых порывы скорости вет-

ра могут достигать 10 м/с и более.

Шлейфы перистых облаков над ансамблями кучево-дождевой

облачности и массивами фронтальной облачности всегда вытянуты в

направлении ветра в верхних слоях атмосферы.

Облачные полосы атмосферных фронтов чаще всего распола-

гаются параллельно вектору ветра в слое между изобарическими по-

227

верхностями 500 и 300 гПа. На холодной (тыловой) стороне фронталь-

ной облачности скорость ветра достигает максимума, причем его абсо-

лютная величина тем больше, чем резче и ровнее выглядит граница

облачности.

Облачные спирали в циклонах ориентируются под некоторым

углом к направлению ветра на верхней границе облаков. Скорость вет-

ра и отклонение его направления от ориентации облачных спиралей

завися от расстояния от центра облачного вихря и азимута.

Для троп тропиче-

ского шторма и урагана (тайфуна), ществует тесная связь между

размер

оценка, это позволяет более на-

дежно

иоэхо

осадко

ических циклонов, находящихся на стадии

су

ом центрального облачного массива (диска) и скоростью ветра в

циклоне.

Граница облачности струйного течения со стороны холодного

воздуха с вероятностью более 70 % совпадает с его осью, на которой

скорость воздушного потока изменяется от 44 м/с (при узкой облачной

полосе) до 52 м/с (в широком массиве перистой облачности). Горизон-

тальный сдвиг скорости ветра с циклонической стороны струйного

течения в среднем составляет 7,6 м/с на 100 км, а с антициклонической

— 6,2 м/с на 100 км. Несовпадение направлений облачной полосы и

среднего ветра в слое 400–300 гПа обычно не превышает 40° и с уве-

личением скорости ветра уменьшается. Поперечные облачные полосы

возникают в областях интенсивного струйного течения.

5.8. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСНОГО

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДАННЫХ МСЗ И НАЗЕМНЫХ

МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ РАДИОЛОКАТОРОВ

ДЛЯ АНАЛИЗА УСЛОВИЙ ПОГОДЫ

Правильное дешифрирование космических изображений облач-

ности дает возможность определить расположение циклонов и анти-

циклонов, связанных с ними атмосферных фронтов и центров за-

вихренности, установить стадию развития барических образований и

основные свойства воздушных масс. В сочетании с традиционными

видами метеорологической информации, основным преимуществом

которых является их количественная

производить анализ атмосферных процессов, явлений. Наблю-

дения с помощью метеорологических радиолокаторов характеризуют

размеры и местоположение различных видов облаков и связанных с

ними явлений погоды (ливни, грозы, град); площади, занятые рад

в; верхнюю границу радиоэхо всех обнаруживаемых облаков,

нижнюю границу радиоэхо облаков среднего и верхнего ярусов, меж-

228

облачные прослойки; тенденцию изменения радиолокационных харак-

теристик отдельных облаков и облачных систем (в срок наблюдения);

эволюцию кучево-дождевых облаков; скорость и направление пере-

мещени

относительной влажности и к

пониж

небольшая облачность среднего и верхнего яруса.

рактически равны нулю.

чшается. Вертикальная мощность — от 500 до 1000 м.

я зон радиоэхо кучево-дождевых облаков и осадков обложного

характера; мгновенную максимальную интенсивность выпадающих

осадков в радиусе до 90 км от пункта наблюдения; высоту нулевой

изотермы при наличии слоисто-дождевых облаков.

5.8.1. Облачность воздушных масс

Устойчивые воздушные массы. В таких массах отсутствуют

условия для интенсивного развития конвективных движений. Теплая

устойчивая воздушная масса, перемещаясь над холодной подстилаю-

щей поверхностью, охлаждается, и в ее нижних слоях образуется изо-

термическое или инверсионное распределение температуры воздуха с

высотой. Это приводит к увеличению

ению уровня конденсации, что при достаточном количестве во-

дяного пара обусловливает образование низких подинверсионных

слоистых, слоисто-кучевых облаков, густых дымок и туманов. Над

слоистообразными облаками, из которых часто выпадают осадки в

виде мороси, других облаков не наблюдается. В отдельных случаях

может иметь место

На космических изображениях слоистообразные облака распо-

знаются по матовой или волокнистой, иногда крупнозернистой, тек-

стуре. Структура облачных образований на инфракрасных спутнико-

вых снимках хорошо согласуется с изолиниями карты высоты верхней

границы облачности, ошибки определения которой не превышают 0,5–

1 км до уровня 5–6 км, а выше —п

Метеорологическим радиолокатором (МРЛ) слоистые облака,

состоящие в теплое время года из жидких капель, а в холодное — из

переохлажденных, обнаруживаются плохо. Они видны лишь при вы-

падении мороси, даже при небольшой дальности обнаружения. Верти-

кальная мощность — от нескольких десятков до сотен метров. Нижняя

граница радиоэха не просматривается. Радиолокационная отражае-

мость с высотой слабо уменьшается.

Слоисто-кучевые облака также состоят из жидких капель, а при

низких температурах — из переохлажденных капель. Их наблю-

даемость с помощью МРЛ зависит от температуры, с понижением ко-

торой улу

Высокослоистые облака состоят из смеси переохлажденных ка-

пель и кристаллов льда, хорошо обнаруживаются при температуре от 3

229

до –35°С по неоднородной структуре радиоэхо. Высокослоистые обла-

ка являются одной из составных частей облачных систем большинства

атмосферных фронтов.

Слоисто-дождевая облачность формируется вследствие восхо-

дящих движений теплой воздушной массы над поверхностью фронта и

состоит преимущественно из капель (зимой из переохлажденных ка-

пель) в смеси со снежинками и ледяными кристаллами. Вертикальная

мощность составляет в среднем 6 км. По наблюдениям МРЛ эта об-

лачнос

к на высоте более 2 км. Верти-

кальна

дения, поскольку радиолокационная отражаемость в об-

лаках

ой, а при достаточном влагосодержа-

нии и

ть характеризуется большими горизонтальными площадями

радиоэхо, нередко имеющими очаговую структуру (особенно при вы-

падении обложных осадков). Слой таяния снежинок, кристаллов льда в

облаке обладает наибольшей радиолокационной отражаемостью и на

индикаторе «дальность–высота» радиолокатора отображается в виде

яркой полосы, по которой и определяется уровень нулевой изотермы.

Иногда в виде наклонных полос прослеживаются выпадающие (уме-

ренные и сильные) осадки.

Высококучевые облака состоят из переохлажденных капель, в

которых могут быть замешаны и ледяные кристаллы. С помощью МРЛ

наблюдаются в виде отдельных ячее

я протяженность облаков обычно около 300 м. Чем плотнее об-

лака, тем лучше выражено радиоэхо, особенно при отрицательной

температуре.

Различные виды перистых облаков, состоящих в основном из

ледяных кристаллов, но иногда включающих и переохлажденные кап-

ли воды, обнаруживаются метеорологическими радиолокаторами в

зависимости от их плотности и структуры на больших расстояниях от

пункта наблю

с высотой быстро убывает.

Неустойчивые воздушные массы. В них наблюдаются благо-

приятные условия для развития восходящих конвективных движений

воздуха, и к ним в первую очередь относят холодные воздушные мас-

сы. Летом над прогревшимся континентом в дневные часы характерно

развитие кучевой, мощной кучев

кучево-дождевой облачности с ливневыми осадками и грозами.

Над водной поверхностью открытых морей (крупных водохранилищ)

максимальное развитие конвективных явлений наблюдается ночью,

поскольку верхние слои воздуха охлаждаются за счет излучения, а ни-

жележащие слои, получая тепло от воды, охлаждаются значительно

меньше.

Кучевообразные облака на снимках, получаемых МСЗ в види-

мом и инфракрасном участках спектра излучения, отличаются боль-

230

шой яркостной неоднородностью и распознаются по зернистой и ку-

полообразной (в случае кучево-дождевых облаков) текстуре изображе-

ния. Волокнистая текстура характерна для перистообразной облачно-

сти над кучево-дождевыми облаками. Результаты дешифрирования

космических изображений облачности можно использовать, например,

для оценки по жений, скоро-

сти которых находятся в зависимости от количества и формы облаков,

а такж

то позволяет выявить в их эволюции три

стадии

количест-

ва оса

ением расстояния от МРЛ до них.

Так, в

лей крупномасштабных вертикальных дви

е от высоты их расположения.

Метеорологические радиолокаторы обнаруживают кучевые об-

лака хорошо, хотя радиоэхо имеет небольшие размеры, которые всегда

оказываются меньше размеров реально наблюдаемого облака. Отчет-

ливо распознаются мощные кучевые облака, особенно в облачной сис-

теме холодного фронта, а летом — и теплого фронта. Мощные куче-

вые облака по вертикали достигают 3–4 км. Развиваясь, они могут пе-

реходить в кучево-дождевые облака. Переход характеризуется появле-

нием в верхней части облаков ледяных кристаллов, вследствие чего

очертания вершины становятся расплывчатыми из-за появления пери-

стообразной облачности. Наиболее яркая часть радиоэха соответствует

отрицательной температуре воздуха.

Радиоэхо внутримассовых кучево-дождевых облаков прослежи-

вается в среднем 1–2,5 ч, ч

: зарождения (длится 10–15 мин после обнаружения, преобла-

дают восходящие потоки воздуха), зрелости (длится 15–30 мин, отме-

чается наличие восходящих и нисходящих потоков воздуха, выпадение

ливневых осадков) и разрушения (длится около 30 мин, наблюдаются

слабые нисходящие движения воздуха и резкое уменьшение

дков).

Характерной особенностью радиоэхо кучево-дождевых облаков

является их большая вертикальная протяженность до 14–15 км в уме-

ренных широтах и до 17–18 км в тропических. Горизонтальные разме-

ры меньше вертикальных. Наибольшие по площади радиоэхо наблю-

даются в слое 2–3 км. Радиоэхо фронтальных кучево-дождевых обла-

ков прослеживается от 3 до 6 ч.

Вероятность радиолокационного обнаружения облаков всех ви-

дов, как правило, убывает с увелич

ероятность обнаружения облаков нижнего яруса на расстоянии

100–150 км составляет 35–40 %. Облака вертикального развития и

слоисто-дождевая облачность на удалении 200 км обнаруживаются с

вероятностью 95–100 %, а на расстоянии 250–300 км — с вероятно-

стью 5–15 %. Ошибки в определении высоты верхней границы облаков

среднего и верхнего ярусов на расстоянии 30 км от пункта наблюдения

231