Вопросы о погоде
Шрифт:
Схема показана на рис. 88. Приводимый на том же рисунке пример дает представление об информации о погоде, даваемой таким способом (для упрощения данные о температуре воздуха и атмосферном давлении на рисунке даны целыми числами, без десятых долей, сообщаемых на современных картах погоды).
20.30. Почему из одних облаков выпадает дождь, а из других нет?
Дождь, как и другие осадки (снег, морось, крупа, град), выпадает из тех облаков, которые перестали быть устойчивыми, то есть не могут удерживать во взвешенном состоянии водяные капли или ледяные кристаллы, из которых состоят. Неустойчивым облако становится, когда перестает быть однородным по своей структуре и размерам формирующих его облачных элементов – тех же капелек
Облака целиком кристаллические, например перистые, которые находятся на значительной высоте, где температура постоянно ниже -40°C, или же состоящие только из капелек воды одинакового размера, например плоские кучевые (так называемые облака хорошей погоды) однородны и по структуре, и по размерам облачных элементов. Из них осадки не выпадают вообще.
Облака однородные только по своей структуре, состоящие либо их одних ледяных кристаллов, либо из одних водяных капель, но неоднородные по размерам облачных элементов, могут давать осадки, но незначительные: в виде отдельных небольших капель дождя или снежинок, слабой мороси.
Сильные осадки, как ливневые, так и обложные, выпадают из облаков смешанной микрофизической структуры, неоднородных и по размерам облачных элементов. Такими являются кучево-дождевые и слоисто-дождевые облака, состоящие из водяных капель всех размеров (от сотых долей миллиметра до нескольких миллиметров в диаметре) и из ледяных кристаллов. Из-за разной упругости насыщения водяного пара над водой и надо льдом, а также над поверхностью крупных и мелких водяных капель, в таких облаках происходит рост одних облачных элементов за счет испарения других и складываются благоприятные условия для слияния капелек воды, слипания кристалликов льда, сталкивающихся друг с другом и становящихся более крупными и тяжелыми. Увеличение массы облачных элементов способствует ускорению их выпадения из облака, преодолению силы вертикальных токов в облаке, удерживавшей их во взвешенном состоянии в облачном воздухе.
Выпадая из облака, капли и кристаллы устремляются к земной поверхности и достигают ее в виде осадков – дождя, снега, мороси и т. п.
О ПОГОДЕ ДЛЯ САМЫХ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ
В метеорологии есть много вопросов, представляющих интерес почти исключительно для метеорологов-профессионалов. Однако некоторые из этих вопросов оказались близкими к проблемам других наук; их нередко задают люди, хотя и далекие от метеорологии, но вникающие в те или иные разделы ее настолько глубоко, что возникает необходимость освещения деталей, лежащих за пределами обычной любознательности неспециалистов.
Попытаемся выделить из круга вопросов, касающихся отдельных деталей науки о погоде, те, которые можно объединить под условным названием «для самых любознательных». Самыми любознательными некоторые мои коллеги-метеорологи склонны считать тех, кто хотел бы знать о погоде больше того, что сегодня известно о ней науке… Такое желание нельзя осуждать, его скорее можно приветствовать, сколь бы ни было трудно его удовлетворить.
Итак, кое-что о погоде, может быть, не представляющее интереса для всех, но способное привлечь внимание самых любознательных
21.1. Кто заложил первый камень в здание науки о погоде?
Установить достаточно достоверно, кто первым пришел к мысли, что погоду следует рассматривать как предмет науки, а не порождение божьей воли, – сейчас не представляется возможным. Известно, что уже у Аристотеля, жившего в IV веке до нашей эры, автора первой книги под названием «Метеорологика», были не оставившие нам своих имен предшественники, давшие название этой науке. Однако великий грек был, пожалуй, первым, кто придал метеорологии значение самостоятельной науки, и первым, кто сформулировал идею о зависимости погоды от направления ветра и дал обоснование этому основополагающему камню фундамента науки о погоде.
21.2. Кто был первым ученым, заложившим фундамент научного предсказания погоды?
Им следует считать директора Парижской астрономической обсерватории Урбана Леверье, который, выполняя поручение французского правительства после катастрофической бури 14 ноября 1854 года в Балаклаве, составил 19 февраля 1855 года первую карту погоды. На заложенном Леверье фундаменте трудами многих сотен ученых на протяжении 125 лет возводилось здание современных методов научного прогнозирования погоды. Возведение здания заключалось в поисках все более точного решения физической задачи, называемой прогнозом погоды.
21.3. Какие идеи лежат в основе современной теории прогноза погоды?
Через 50 лет после реализации идеи Леверье о составлении карт погоды, дающих возможность одновременно рассматривать погоду на большом пространстве, норвежские метеорологи отец и сын Вильгельм и Якоб Бьеркнес стали рассматривать задачу предсказания погоды с точки зрения математики и механики, то есть решая уравнения гидромеханики, которые описывают состояние атмосферы. Ими и их последователями из так называемой Бергенской школы были разработаны важнейшие вопросы синоптических методов прогноза погоды, опирающиеся на теорию развития циклонов на атмосферных фронтах как поверхностях раздела между различными воздушными массами. В начале 20-х годов нашего столетия был сделан очередной важный шаг для решения проблемы предсказания погоды на основе численного решения уравнений гидромеханики, то есть путем прямого предвычисления будущего состояния погоды. Сделал этот шаг английский ученый Льюис Ричардсон, и хотя его постигла неудача – первая попытка предвычисления не увенчалась успехом, сама идея оказалась жизненной. Она нашла продолжателей в лице советского гидродинамика А. И. Кибеля, предложившего в 1940 году принципиальные упрощения для решения системы уравнений и обосновавшего возможность введения этих упрощений без ущерба для точности решений задачи на срок до 72 ч, то есть в пределах трех суток. Последующие решающие шаги в разработке гидродинамической теории прогнозов погоды были сделаны в конце 40-х годов советским ученым академиком А. М. Обуховым и американским ученым Дж. Чарни, которые довели решение задачи предвычисления погоды до практической реализации, ставшей возможной с появлением ЭВМ. Сегодня во всем мире метод предвычисления давления ветра и температуры с помощью ЭВМ используется очень широко, он лежит в основе всех методов составления краткосрочных прогнозов погоды.
Предвычисление погоды на длительные сроки, превышающие неделю, остается пока задачей, ожидающей своего решения. Последнее нуждается в разработке отдельной теории, которая бы учитывала развитие принципиально иных процессов в атмосфере, которые определяют состояние погоды на более длительные промежутки времени.
21.4. Какова предсказуемость погоды и чем она определяется?
Пределы возможности предвидеть будущее состояние погоды различны как для отдельных метеорологических величин и явлений, так и для атмосферных процессов, определяющих изменения погоды. Поэтому дать общую оценку предсказуемости погоды практически невозможно. К тому же следует различать возможности прогнозирования в качественной форме и возможности предвычисления, когда дается количественный прогноз. В самом общем виде предсказуемость зависит от заблаговременности составления прогноза, уменьшаясь с увеличением последней. Она также зависит от точности и полноты исходных данных, по которым составляется прогноз или которые используются для предвычисления погоды. Наконец, предсказуемость зависит и от масштабов процессов, развитие которых должно быть определено при составлении конкретного прогноза.
Таким образом, можно сделать вывод, что предсказуемость погоды в принципе ограничена: во-первых, заблаговременностью составления и продолжительностью действия прогнозов, во-вторых, полнотой и точностью информации об исходном состоянии погоды и, в-третьих, размерами пространства, для которого составляется прогноз, то есть масштабами процессов, какие определяют изменения погоды в интересующем нас пространстве. Во всех трех случаях можно определить предсказуемость с помощью ЭВМ: задавая последовательно сроки действия прогноза, полноту исходной информации и масштабов процессов, можно получить искомые показатели предсказуемости. Очевидно, это будут какие-то осредненные показатели с пределами возможных отклонений для процессов различной интенсивности и характера.