Навигационная метеорология и океанография

Эти облака могут появляться в холодном воздухе в тыловой части циклона и в передней части антициклона. Здесь они образуются в результате термической конвекции и дают, соответственно, внутримассовые, локальные ливневые осадки. Cumulonimbus и связанные с ними ливни над океанами чаще бывают в ночное время, когда над водной поверхностью воздух термически неустойчивый.

Особенно мощные сumulonimbus развиваются вр внутритропической зоне конвергенции (у экватора) и в тропических циклонах. С сumulonimbus связаны такие атмосферные явления как ливневый дождь, ливневый снег, снежная крупа, гроза, град, радуга. Именно с сumulonimbus связаны смерчи (торнадо), наиболее интенсивные и наиболее часто наблюдающиеся в тропических широтах.

Ливневый дождь (снег) характеризуется крупными каплями (хлопьями снега), внезапным началом, внезапным окончанием, значительной интенсивностью и небольшой продолжительностью (от 1-2 мин до 2 часов). Ливневый дождь летом часто сопровождается грозой.

Ледяная крупа представляет собой твердые непрозрачные льдинки размерами до 3 мм, сверху влажные. Ледяная крупа выпадает вместе с ливневым дождем весной и осенью.

Снежная крупа имеет вид непрозрачных мягких крупинок белого уветв от 2 до 5 мм в диаметре. Снежная крупа наблюдается при шквалистом усилении ветра. Часто снежная крупа наблюдается одновременно с ливневым снегом.

Град выпадает только в теплое время года исключительно при ливнях и грозах их наиболее мощных сumulonimbus и продолжается обычно не более 5-10 мин. Это кусочки льда слоистой структуры величиной с горошину, но бывают и много больших размеров.

Другие осадки.

Нередко наблюдаются осадки в виде капель, кристаллов или льда на поверхности Земли или предметов, не выпадающие из облаков, а осаждающиеся из воздуха при безоблачном небе. Это роса, иней, изморозь.

Роса капли, которые появляются на палубе летом в ночное время. При отрицательной температуре образуется иней. Изморозь - кристаллы льда на проводах, осноствке судна, стойках, реях, мачтах. Образуется изморозь ночью, чаще когда туман или дымка, при температурах воздуха ниже -11°С.

Гололед чрезвычайно опасное явление. Это ледяная корка, возникающая от замерзания переохлажденного тумана, мороси, капель дождя или капель на переохлажденных предметах, особенно на наветренных поверхностях. Подобное явление возникает и от забрызгивания или заливания палубы морской водой при отрицательных температурах воздуха.

Определение высоты облака.

В море высоты облаков часто определяются приблизительно. Это трудная задача, особенно ночью. Высота нижнего основания облаков вертикального развития (любая разновидность сumulus), если они образовались в результате термической конвекции, может быть определена по показаниям психрометра. Высота, на которую воздух должен подняться, прежде чем начнется конденсация, пропорциональна разности между температурой воздуха t и точкой росы t _d. В море, эта разность, умножается на 126,3 и получается высота нижней границы кучевых облаков Н в метрах. Эта эмпирическая формула выглядит:

H = 126,3 (t - t _d ). (4)

Высота основания слоистообразных облаков нижнего яруса (St, Sc, Ns) может быть определена по эмпирическим формулам:

H = 215 (t - t _d ) (5)

H = 25 (102 - f); (6)

где f - относительная влажность.

8. Видимость. Туманы

Видимостью называется то максимальное расстояние по горизонтали, на котором предмет может быть определенно виден и распознан при дневном свете. При отсутствии каких-либо примесей в воздухе она составляет до 50 км (27 морских миль).

Видимость снижается из-за наличия в воздухе жидких и твердых частиц. Видимость ухудшают дым, пыль, песок, вулканическ5ий пепел. Такое наблюдается, когда стоит туман, смог, мгла, при выпадении осадков. Дальность видимости убывает от брызг в море в штормовую погоду при силе ветра 9 и более баллов (40 узлов, около 20 м/с). Видимость становится хуже при низкой сплошной облачности и в сумерках.

Мгла

Мгла - это помутнение атмосферы из-за взвешенных в ней твердых частиц, таких как пыль, а также из-за дыма, гари и др. При сильной мгле видимость понижается до сотен, а иногда до десятков метров, как при густом тумане. Мгла, как правило, является следствием пыльных (песчаных) бурь. В воздух сильным ветром поднимаются даже сравнительно крупные частицы. Это типичное явление пустынь и распаханных степей. Крупные частицы распространяются в самом нижнем слое и оседают вблизи своего очага. Мелкие частицы разносятся течениями воздуха на большие расстояния, а вследствие турбулентности воздуха проникают вверх на значительную высоту. Мелкодисперсная пыль сохраняется в воздухе длительное время, часто при полном отсутствии ветра. Цвет Солнца становится коричневатым. Относительная влажность при этих явлениях низкая.

Пыль может переносится на большие расстояния. Она отмечалась на Больших и Малых Антильских островах. Пыль из Аравийских пустынь воздушными течениями выносится в Красное море и в Персидский залив.

Однако при мгле никогда не бывает столь плохой видимости, какая наблюдается при туманах.

Туманы. Общая характеристика.

Туманы представляют одну из наибольших опасностей для мореплавания. На их совести много аварий, человеческих жизней, затонувших судов.

О тумане говорят, когда горизонтальная видимость из-за содержания в воздухе капель или кристаллов воды становится менее 1 км. Если видимость более 1 км, но не более 10 км, то такое ухудшение видимости называется дымкой. Относительная влажность воздуха при тумане обычно более 90%. Сам по себе водяной пар видимости не уменьшает. Видимость снижают капли и кристаллы воды, т.е. продукты конденсации водяного пара.

Конденсация происходит, при перенасыщении воздуха водяным паром и наличии ядер конденсации. Над морем это, в основном, мелкие частицы морской соли. Перенасыщение воздуха водяным паром происходит при охлаждении воздуха или в случаях дополнительного поступления водяного пара, а иногда в результате смешения двух воздушных масс. В соответствии с этим, различают туманы охлаждения, испарения и смешения.

По интенсивности (по величине дальности видимости Д_n) туманы делятся на:

сильные Д _n 50 м;

умеренные 50 м<Д _n<500 м;

слабые 500 м<Д _n< 1000 м;

сильная дымка 1000 м<Д _n<2000 м;

слабая дымка 2000 м<Д _n<10 000 м.

По агрегатному состоянию туманы подразделяются на капельно-жидкие, ледяные (кристаллические) и смешанные. Условия видимости наихудшие в ледяных туманах.

Туманы охлаждения

Водяной пар конденсируется в результате охлаждения воздуха до точки росы. Так образуются туманы охлаждения - наибольшая группа туманов. Они могут быть радиационными, адвективными и орографическими.

Радиационные туманы. Поверхность Земли излучает длинноволновую радиацию. Днем потери энергии перекрываются приходом солнечной радиации. Ночью радиационное излучение приводит к понижению температуры поверхности Земли. В ясные ночи охлаждение подстилающей поверхности происходит интенсивнее, чем в пасмурную погоду. Охлаждается и прилегающий к поверхности воздух. Если охлаждение будет до точки росы и ниже, то в безветренную погоду образуется роса. Для образования тумана необходим слабый ветер. В этом случае, в результате турбулентного перемешивания, охлаждается некий объем (слой) воздуха и в этом слое образуется конденсат, т.е. туман. Сильный ветер приводит к перемешиванию больших объемов воздуха, рассеянию конденсата и его испарению, т.е. к исчезновению тумана.

Радиационный туман может простираться до высоты 150 м. Он достигает максимальной интенсивности перед, или вскоре после восхода Солнца, к моменту наступления минимальной температуры воздуха. Условия необходимые для образования радиационного тумана:

- большая влажность воздуха в нижних слоях атмосферы;

- устойчивая стратификация атмосферы;

- малооблачная или ясная погода;

- слабый ветер.

Исчезает туман с прогреванием земной поверхности после восхода Солнца. Температура воздуха растет и капли испаряются.

Над водной поверхностью радиационные туманы не образуются. Суточные колебания температуры поверхности воды, а соответственно и воздуха, очень малы. Температура ночью почти такая же, как и днем. Радиационного выхолаживания не происходит, нет и конденсации водяного пара. Тем не менее, радиационные туманы могут создавать проблемы в мореплавании. В прибрежных районах туман, как единое целое, стекает с холодным, а значит и тяжелым, воздухом на водную поверхность. Это может усиливаться еще и ночным бризом с суши. Даже облака, образовавшиеся ночью над возвышенными побережьями, могут переноситься ночным бризом на поверхность воды, что наблюдается на многих побережьях умеренных широт. Облачная шапка с холма часто стекает вниз, закрывая подходы к берегу. Не один раз это приводило к столкновению судов (порт Гибралтар).

Адвективные туманы. Адвективные туманы возникают в результате адвекции (горизонтального переноса) теплого влажного воздуха на холодную подстилающую поверхность.

Адвективные туманы могут одновременно охватывать огромные пространства по горизонтали (многие сотни километров), а по вертикали простираться до 2-х километров. Они не имеют суточного хода и могут существовать длительное время. Над сушей ночью они усиливаются за счет радиационных факторов. В таком случае их называют адвективно-радиационными. Адвективные туманы бывают и при значительных ветрах, при условии, что стратификация воздуха устойчивая.

Эти туманы наблюдаются над сушей в холодное время года при заходах на нее относительно теплого и влажного воздуха с водной поверхности. Такое явление происходит в Туманном Альбионе, Западной Европе, прибрежных районах. В последнем случае, если туманы охватывают сравнительно небольшие территории, они называются приморскими.

Адвективные туманы - наиболее частые туманы в океане, бывают у побережий и в глубине океанов. Они всегда стоят над холодными течениями. В открытом море их можно встретить также в теплых секторах циклонов, в которых наблюдается перенос воздуха из более теплых районов океана.

У берегов они могут встретиться в любое время года. Зимой они, образуясь над сушей, могут частично сползать на водную поверхность. Летом адвективные туманы бывают у берегов в тех случаях, когда теплый влажный воздух с континента в процессе циркуляции переходит на относительно холодную водную поверхность.

Признаки скорого исчезновения адвективного тумана:

- изменение направления ветра;

- исчезновение теплого сектора циклона;

- начавшийся дождь.

Орографические туманы. Орографические туманы или туманы склонов образуются в горной местности при малоградиентном барическом поле. Они связаны с долинным ветром и наблюдаются только днем. Воздух долинным ветром поднимается вверх по склону и адиабатически охлаждается. Как только температура достигнет точки росы, начинается конденсация и образуется облако. Для жителей склона это будет туман. Такие туманы мореплаватели могут встретить у гористых берегов островов и континентов. Туманы могут закрывать на склонах важные ориентиры.

Туманы испарения

Конденсация водяного пара может происходить не только в результате охлаждения, но и при перенасыщении воздуха водяным паром из-за испарения воды. Испаряющаяся вода должна быть теплой, а воздух холодным, разность температур - не менее 10 °С. Стратификация холодного воздуха устойчивой. При этом в самом нижнем приводном слое устанавливается неустойчивая стратификация. Это вызывает поток большого количества водяного пара в атмосферу. Он тут же будет конденсироваться в холодном воздухе. Возникает туман испарения. Часто он невелик по вертикали, но его плотность очень большая и соответственно видимость очень плохая. Иногда из тумана торчат только мачты судна. Такие туманы наблюдаются над теплыми течениями. Они свойственны району Ньюфаунленда, на стыке теплого течения Гольфстрим и холодного Лабрадорского течения. Это район интенсивного судоходства.

В заливе святого Лаврентия туман иногда простирается по вертикали до 1500м. При этом температура воздуха может быть ниже 9°С мороза и ветер почти штормовой силы. Туман в таких условиях состоит из ледяных кристаллов, он плотный с очень плохой видимостью. Такие плотные морские туманы получили название морозный дым или арктический морозный дым и представляют серьезную опасность.

Вместе с тем при неустойчивой стратификации воздуха бывает небольшое локальное парение моря не представляющее опасности для навигации. Вода как бы кипит, над ней поднимаются струйки «пара» и тут же рассеиваются. Встречаются такие явления в Средиземном море, у Гонконга, в Мексиканском заливе (при относительно холодном северном ветре «Norther») и в других местах.

Туманы смешения

Образование тумана возможно еще при смешении двух воздушных масс, каждая из которых имеет высокую относительную влажность. Смеь может оказаться перенасыщенной водяным паром. Например, если холодный воздух встречается с теплым и влажным, то последний будет охлаждаться на границе смешения и там может возникнуть туман. Туман перед теплым фронтом или фронтом окклюзии обычен в умеренных и высоких широтах. Такой туман смешения известен как фронтальный. Впрочем, его можно рассматривать и как туман испарения, поскольку он возникает при испарении теплых капель в холодном воздухе.

Туманы смешения образуются у кромки льдов и над холодными течениями. Айсберг в океане может быть окружен туманом, если в воздухе достаточно много водяного пара.

География туманов

Вид и форма облаков находятся в зависимости от характера преобладающих процессов в атмосфере, от сезона года и времени суток. Поэтому наблюдениям за развитием облачности над морем уделяется большое внимание при плавании.

В экваториальных и тропических районах океанов туманов не бывает. Там тепло, нет различий в температуре и влажности воздуха днем и ночью, т.е. почти нет суточного хода этих метеорологических величин.

Исключения составляют несколько мест. Это обширные районы у берегов Перу (Южная Америка), Намибия (Южная Африка) и у мыса Гвардафуй в Сомали. Во всех этих местах наблюдается апвеллинг (подъем холодных глубинных вод). Теплый влажный воздух тропиков, натекая на холодную воду, образует адвективные туманы.

Туманы в тропиках могут встречаться у континентов. Так, порт Гибралтар уже упоминался, в порту Сингапур не исключен туман (8 дней в году), в Абиджане до 48 дней с туманами. Наибольшее их количество в заливе Рио-де-Жанейро - 164 дня в году.

В умеренных широтах туманы очень распространенное явление. Здесь они наблюдаются у берегов и в глубине океанов. Они занимают огромные территории, бывают все сезоны года, но особенно часты зимой.

Они характерны и для полярных районов у границ ледяных полей. В Северной Атлантике и в Северном Ледовитом океане, куда проникают теплые воды Гольфстрима, в холодное время года стоят постоянно туманы. Часты они у кромки льда и летом.

Наиболее часто туманы возникают на стыке теплых и холодных течений и в местах, где поднимаются глубинные воды. Велика повторяемость туманов и у побережий. В зимнее время они возникают при адвекции теплого влажного воздуха с океана на сушу, или когда холодный континентальный воздух стекает вниз на относительно теплую воду. В летнее время воздух с континента попадая на относительно холодную водную поверхность, тоже дает туман.

8. Связь облачных структур с типом погоды

С точки зрения синоптического положения, кучевообразные облака интенсивно развиваются при неустойчивой стратификации атмосферы, т. е. когда вертикальные градиенты температуры в ней до уровня конденсации выше сухоадиабатических, а над уровнем конденсации - выше влажноадиабатических. Особенно интенсивно развиваются кучевообразные облака в холодных воздушных массах над теплой морской поверхностью как летом, так и зимой. В тропических широтах кучевообразные конвективные облака являются преобладающими. Более подробно турбулентные движения и ветер в грозовом облаке представлены на рис.2.

Слоистообразная облачность наиболее типична для теплого атмосферного фронта. Самая мощная часть этой облачной системы располагается вблизи линии фронта (т. е. вблизи линии пересечения фронтальной поверхности с подстилающей поверхностью) и представляет собой слоисто-дождевые облака в несколько километров толщиной. По мере удаления от линии фронта облака переходят в менее мощные высокослоистые и перисто-слоистые облака. Летом осадки из высокослоистых облаков не достигают земной поверхности. Слоисто-дождевые облака дают обложные и моросящие осадки полосой, ширина которой 200-300 км и более.

Появление на западной и южной частях горизонта вытянутых (сходящихся в перспективе) полос перистых (особенно когтевидных) облаков часто может служить признаком приближения теплого фронта с последующей более или менее мощной облачностью и осадками.

В слоях высотных инверсий и по обеим сторонам от них нередко возникают воздушные волны длиной 50-2000 м, обусловленные разрывом скорости ветра и плотности воздуха. Вследствие этого облачный слой может расчленяться на отдельные валы, характерные для внешнего вида слоисто-кучевых или высококучевых облаков.

9. Действия судоводителя при плохой видимости

Районы, охваченные туманом, следует избегать насколько это возможно. Обширные районы туманов в летний период можно обойти, выбрав путь в более низких широтах. Из-за этого переход станет длиннее, но время перехода может оказаться меньшим, благодаря тому, что не нужно будет снижать скорость. Более того, уменьшится усталость экипажа, возникающая вследствие повышенных требований к бдительности при несении вахты.

Все действия необходимо принимать в соответствии с Резолюцией А.893(21) «Руководство по планированию рейса», принятой Комитетом по безопасности на море Международной морской организации (IMO) на Ассамблее 25 ноября 1999 г.

Если же судно оказывается в тумане, то надо действовать в соответствии с Международными положениями:

- уменьшить скорость хода судна;

- подавать звуковой сигнал;

- идти с включенными огнями;

- бдительно вести визуальные (выставить впередсмотрящих) и радарные наблюдения;

- отойти по возможности от берегов.

При этом следует помнить об особенности прохождения звуковых сигналов и электромагнитных колебаний в тумане.

Слышимость звуковых сигналов в тумане.

Известно, что звук передается через атмосферу с искажениями. Это важно помнить при рассмотрении расстояния, на котором можно ожидать слышимость звукового сигнала. В тумане плохо проходят высокие звуки. Лучше проходят низкие звуковые сигналы. Так как плотность тумана меняется в пространстве и во времени, прохождение звука оказывается сложным и изменчивым. Кроме того, от стены тумана может идти отраженный сигнал. Свидетельство этому - эхо, которое часто слышно от гудка судна.

Даже при безветрии, звуки с разных сторон идут с неодинаковой скоростью. При ветре звуковые сигналы лучше слышны с той стороны, откуда дует ветер и плохо слышны с той стороны, куда он дует. Чем больше скорость ветра, тем больше этот эффект. Расстояние от источника звука трудно правильно оценить и в том, и в другом случае. Иногда в тумане могут быть области, в которых звук вообще не слышен. Это связано с приподнятыми инверсиями. Кроме того, часто плохо слышны звуки из-за шума ветра и моря. Моряк должен быть постоянно начеку, оценивая расстояние до объекта и его азимут по силе звукового сигнала.

Использование радара в тумане.

Сигналы радара проникают в тумане на сравнительно большие расстояния, чем звуковые. Однако помехи, о которых говорилось для звуковых сигналов (инверсии температур, флуктуации плотности в тумане), сохраняются и для сигналов радара. От стены тумана (дождя, града, снега и пыли) может идти сильный отраженный сигнал. Его можно принять за встречное судно. Гораздо опаснее сделать обратную ошибку, например, принять судно за стену тумана.

Влияние осадков на дальность видимости и работу судовых РЛС.

Атмосферные осадки существенно уменьшают дальность видимости предметов и огней (ночью) в море, особенно сильные ливни и снегопады (снежные заряды). Кроме того, атмосферные осадки значительно влияют на дальность радиолокационного обнаружения. Происходит ослабление сигналов РЛС осадками (дождем, снегом, градом) за счет поглощения ими энергии электромагнитных волн. Уменьшение дальности радиолокационного обнаружения при осадках больше, чем при тумане. Кроме того, степень ослабления радиолокационной наблюдаемости зависит от интенсивности выпадающих осадков и длины волны судовой РЛС. Радиолокационная наблюдаемость уменьшается тем больше, чем меньше длина волны судовой РЛС и чем больше интенсивность атмосферных осадков.

Кроме уменьшения дальности обнаружения цели, выпадающие осадки маскируют ее на экране РЛС отраженными от зоны сильных осадков (ливни, снегопады, град) эхо-сигналами. В этом случае нелегко, а в некоторых случаях и невозможно различить сигнал от цели, находящейся в зоне осадков, от эхо-сигналов области сильных осадков.

Вопросы для самоконтроля

1. В чем особенности процесса испарения?

2. Назовите характеристики влажности воздуха, имеющие размерность давления. Каково соотношение между ними?

3. Дайте определение относительной влажности. Как изменяется относительная влажность с изменением температуры, с изменением упругости е, с изменением точки росы t_d?

4. Каково соотношение между упругостью е и упругостью насыщения Е?

5. В чем состоят особенности процесса конденсации?

6. Каковы суточные и годовые характеристики влажности?

7. В чем заключаются особенности образования облаков и туманов?

8. Дайте характеристику облаков верхнего яруса.

9. Дайте характеристику облаков среднего яруса

10. Дайте характеристику облаков нижнего яруса.

11. Что такое конвекция, устойчивая и неустойчивая стратификация?.

12. Перечислите виды облаков, дающие осадки.

13. Какие облака дают морось?

14. Какие облака дают ливневые осадки?

15. С какими облаками связаны град и гроза?

16. Влияние осадков на дальность видимости и работу судовых РЛС.

Лекция 3 Атмосферное давление и плотность воздуха

1. Понятие атмосферного давления

2. Изменчивость атмосферного давления

3. Суточные и годовые колебания давления

4. Формы барического рельефа

5. Зональность в распределении атмосферного давления

1. Понятие атмосферного давления

Среди всех метеорологических величин основной величиной, определяющей погодный режим и состояние водной поверхности, является давление воздуха. Давление измеряется весом (пропорционально массе) вышележащего столба воздуха на единицу горизонтальной поверхности

В метеорологии давление измеряют в гектопаскалях (гПа), иногда в миллибарах (мб), иногда в миллиметрах ртутного столба (мм.рт.ст.). Соотношения между этими единицами следующие:

1 гПа = 100 Па = 10І Н/мІ, (7)

1 мб = 1 гПа, (8)

1 мм.рт.ст. = 1,333224 гПа. (9)

Распределение давления атмосферы по поверхности Земли неравномерно. Это обусловлено тем, что вес и, следовательно, давление воздуха зависят от его плотности и от широты места, так как с широтой изменяется сила тяжести.

Плотность воздуха, т. е. его количество в единице объема, зависит от температуры, влажности и давления. Эта зависимость определяется известными из физики газовыми законами Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, основным уравнением газового состояния Клапейрона и состоит в следующем:

чем выше температура воздуха, тем меньше его плотность, так как с повышением температуры воздух, как и все тела, расширяется и в единице объеме его весовое количество уменьшается;

чем больше влажность воздуха, тем меньше его плотность, так как молекулярная масса водяного пара составляет всего 0,622 молекулярной массы воздуха;

чем больше давление, под которым находится тот или иной объем воздуха, тем больше его плотность, что вполне понятно, так как под давлением все газы легко сжимаются, а при уменьшении давления быстро расширяются.

2. Изменчивость атмосферного давления. Изменение давления с высотой и по горизонтали

Атмосферное давление равно весу вышележащих слоев воздуха в данном месте (рис.1).

Следовательно, атмосферное давление с высотой уменьшается. Падение давления dp с высотой dz описывается основным уравнением статики:

dp = -gсdz или ?p = - сg?z или = -сg

где g - ускорение свободного падения или ускорение силы тяжести, зависящее от широты места и высоты; на экваторе сила тяжести меньше, на полюсах больше; на уровне моря на широте 45° g = 980,616 см/с².

с - плотность воздуха

- изменение давления ?p в элементарном слое ?z, равное весу столбика воздуха высотой ?z и площадью 1 см².

Изменчивость барического поля во времени для практических целей характеризуют величиной барической тенденции - величиной изменения давления АР за последние 3 ч перед сроком наблюдения, т. е.

?P = Ph - Ph,

где Рh и Рhо - значения атмосферного давления в 3 и 0 часов соответственно. Барическая тенденция имеет знак, величину и характеристику. Последняя показывает скорость и характер изменения давления.

Пространственную изменчивость барического поля наиболее удобно характеризовать барическими градиентами.

Барические градиенты. Изменчивость барического поля в трехмерном пространстве характеризуется пространственным барическим градиентом - вектором, показывающим степень изменения атмосферного давления в этом пространстве. По числовой величине барический градиент равен производной от давления по нормали к изобарической поверхности, т. е. изменению давления на единицу расстояния в том направлении, в котором давление убывает наиболее быстро, т. е. -.

На практике имеют дело не с пространственным барическим градиентом , а с его проекциями на вертикальную ось - вертикальным барическим градиентом G_z=- и горизонтальную (уровенную) поверхность - горизонтальным барическим градиентом G_r=-- (10)

Давление меняется с высотой гораздо сильнее, чем в горизонтальном направлении, и вертикальный барический градиент G_z в десятки тысяч раз больше горизонтального G_r. Единицами измерения вертикального градиента являются гПа/100 м, а горизонтального - гПа/град (иногда вместо одного градуса меридиана-111 км - берут 100 км).

Величина, обратная барическому градиенту. Называется барической ступенью. Это высота, на которую достаточно подняться (опуститься) для того, чтобы давление уменьшилось (увеличилось) на 1 гПа. Барической ступенью пользуются для приведения давления к уровню моря в случае небольших высот и вычисляют по формуле

n = (1 + Ьt) (11)

3. Суточные и годовые колебания давления

Изменение давления во времени.

На поверхности Земли происходят очень небольшие синусоидальные суточные колебания атмосферного давления. Их размах (от максимума до минимума) составляет менее 3 гПа, так что полное изменение давления составляет примерно 0,26%. Выявляются два максимума, около 10 часов утра и те же самые часы вечером. Суточные колебания атмосферного давления обусловлены суточными колебаниями температуры и атмосферными приливами. Поскольку колебания очень невелики, они могут быть заметны только в тропических районах, где обычно отсутствует циклоническая деятельность. Тропики составляют значительную часть нашей планеты. Ровный временной ход давления там говорит о стабильности погоды. Нарушение суточного хода давления в тропиках является признаком близости тропического циклона, редкого, но очень опасного атмосферного явления.

Суточные и годовые колебания давления.

Изменения атмосферного давления частично имеют периодический характер суточного хода за счет приливных волн в атмосфере, усиливаемых резонансом с ее собственными колебаниями.

Суточный ход давления хорошо выражен в тропиках, где его амплитуда может достигать в среднем 3-4 гПа (рис. 4). От тропиков к полюсам амплитуда суточных колебаний убывает. На широте 60 °, например, амплитуда будет измеряться только десятыми долями гПа и суточные колебания здесь перекрываются и маскируются несравненно более значительными непериодическими колебаниями, вызванными изменившимися условиями погоды.

В связи с сезонными изменениями в общей циркуляции атмосферы, обусловленными в основном циклонической деятельностью, атмосферное давление в каждом месте обнаруживает годовой ход, который в разных районах различный. Типы годового хода давления весьма разнообразны. Наиболее простой он над материками, где наблюдаются и максимальные амплитуды. Хорошо выражен годовой ход давления над побережьями с муссонной циркуляцией. Например, во Владивостоке максимум давления наблюдается в январе, а минимум - в июле. Годовая амплитуда достигает почти 14 гПа.

Над океанами в высоких широтах максимум давления наблюдается ранним летом (май, июнь), а минимум зимой (январь, февраль). Амплитуды здесь могут достигать 15- 20 гПа и более.

4. Формы барического рельефа

Изолинии равного атмосферного давления на приземных синоптических картах - изобары - имеют весьма разнообразную конфигурацию: от прямолинейных и параллельных одна по отношению к другой на отдельных участках до замкнутых концентрических систем округлой или овальной форм с низким или высоким давлением в центре. Эти барические системы основных типов называют циклонами и антициклонами.

Под влиянием асимметрического распределения температуры барические системы с замкнутыми изобарами, как правило, с высотой превращаются в системы с разомкнутыми изобарами. В зависимости от высоты, на которой происходит это превращение, различают высокие, средние и низкие барические системы.

Изобары на синоптических картах в подавляющем большинстве стран мира проводят через 5 гПа.

5. Зональность в распределении атмосферного давления

Анализ синоптических карт за отдельные сроки показывает, что распределение атмосферного давления все время меняется. Эти изменения обусловливаются в основном изменением температуры и циркуляционными факторами - перемещением и эволюцией циклонов и антициклонов. Даже на среднемесячных или сезонных картах барическое поле Земли может значительно отличаться от аналогичного распределения в другие годы. Тем не менее, построение средних многолетних месячных, сезонных или годовых карт обнаруживает определенные закономерности, типичные для каждого месяца или сезона. Одной из самых устойчивых особенностей многолетних барических карт является зональность в распределении давления, хотя и несколько замаскированная различием влияний суши и моря.

Причиной образования зон высокого давления в субтропиках и зон низкого давления в субполярных широтах являются особенности циклонической деятельности. Антициклоны, возникающие в умеренных широтах, при своем движении с запада на восток смещаются к более низким широтам и там усиливаются, образуя в обоих полушариях субтропические зоны высокого давления с осью около 35-й параллели. Циклоны, зарождающиеся на полярном фронте умеренных широт, при своем движении к востоку отклоняются к более высоким широтам и сосредоточиваются там, образуя субполярные зоны низкого давления. Такая сепарация циклонов от антициклонов объясняется зависимостью изменения отклоняющейся силы вращения Земли с широтой.

С высотой влияние распределения суши и моря на температуру, а следовательно, и на атмосферное давление ослабевает и в структуре высотного барического поля все отчетливее видна зональность в распределении давления.

Анализ карт средних многолетних значений атмосферного давления указывает на зональность в его распределении. Однако влияние неравномерного распределения суши и моря приводит к тому, что в отдельных зонах барическое поле распадается на отдельные ячейки, на отдельные области повышенного или пониженного давления с замкнутыми изобарами. Эти области низкого или высокого давления на многолетних средних картах, являющиеся статическим результатом преобладания в данных районах циклонической или антициклонической деятельности, называются центрами действия атмосферы (ЦДА) либо климатологическими центрами. Одни из этих ЦДА прослеживаются на климатических картах всех месяцев года, другие обнаруживаются на картах только зимних или только летних месяцев. Первые называются перманентными (постоянными), а вторые - сезонными ЦДА.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое плотность воздуха и какие причины влияют на изменение плотности воздуха?

2. В чем суть основного уравнения статики?

3. Какие Вы знаете единицы измерения атмосферного давления?

4. В чем особенности изменения атмосферного давления? Что такое барический градиент?

5. Что такое барические исстемы? Какие видризменения происходят в барических системах (циклон, антициклон, ложбина, гребень, седловина)?

6. В чем особенности распределения атмосферного давления на земном шаре?

Лекция 4 Методы краткосрочного прогноза погоды

1. Всемирная служба погоды и ее значение для морского транспорта

2. Штатные приборы и регламент гидрометеорологических наблюдений

3. Суть методов краткосрочного прогноза

4. Классификация синоптических карт

5. Характеристика синоптических карт

6. Суть составления прогноза погоды

7. Местные признаки погоды

1. Всемирная служба погоды и ее значение для морского транспорта

Во Всемирной службе погоды существует три глобальные системы: наблюдений, обработки данных и телесвязи. Первая предусматривает поступление обычной метеорологической информации с сухопутных станций, торговых судов и кораблей погоды, а также получение метеорологической информации с помощью метеорологических искусственных спутников Земли. Вторая готовит и представляет в распоряжение стран - членов ВMO обработанную метеорологическую информацию через систему мировых, региональных и национальных метеорологических центров. Задача третьей системы заключается в сборе гидрометеорологических данных со всего земного шара и быстрой их передачи в соответствующие центры и подразделения Служб погоды, а также в распространении всевозможных карт с анализами и прогнозами и предупреждений о надвигающихся опасных явлениях погоды.

С целью своевременного сбора и распространения метеорологической информации земной шар поделен на зоны ответственности между тремя мировыми метеорологическими центрами (ММЦ), а также региональными (РМЦ) и национальными (НМЦ).

ММЦ находятся в Москве, Вашингтоне и в Мельбурне. Основные его функции заключаются в получении разнообразной метеорологической информации со всех частей земного шара и в передаче соответствующей информации другим мировым, региональным и национальным центрам. MMЦ передают факсимильные карты фактического состояния атмосферы и состояния водной поверхности (карты погоды, карты барической топографии, карты волнения и ледовой обстановки и т. д.), а также прогностические карты, охватывающие значительную часть полушария или все полушарие.

Метеорологические станции, информация которых используется в Службе погоды, подразделяются на сухопутные и морские. В свою очередь сухопутные делятся на основные, которые входят в международную синоптическую сеть, и дополнительные, сведения с которых используются внутри страны.

2. Штатные приборы и регламент гидрометеорологических наблюдений

Судовая гидрометеорологическая станция укомплектовывается необходимыми приборами, пособиями и журналами для записи судовых наблюдений.

На судах могут устанавливаться дистанционные гидрометеорологические станции, которые позволяют непосредственно с ходового мостика измерять направление и скорость кажущегося ветра, температуру и относительную влажность воздуха и температуру воды.

Обязательными приборами для судовой гидрометеорологической станции являются барометр-анероид, барограф, термометр в оправе или психрометр для измерения температуры воздуха, термометр в оправе для измерения температуры воды, анемометр для измерения скорости ветра. Помимо перечисленных приборов, для организации наблюдений за погодой на судах должны быть ветрочет (круг СМО для определения истинного ветра по ходу судна), атлас облаков, альбом морских льдов, журнал для записи метеотелеграмм.

Гидрометеорологические наблюдения на судах производятся четыре раза в сутки - в 0, 6, 12 и 18 ч по среднему гринвичскому времени (СГВ). В случае исключительных обстоятельств, не позволяющих провести наблюдения в указанные сроки, и когда есть возможность провести их с отклонением от срока не более чем на 1 час, наблюдения следует произвести обычным порядком с указанием в книжке точного времени измерения температуры воздуха.

Гидрометеорологические срочные наблюдения производит вахтенный штурман, но если по условиям навигационной обстановки он не сможет сделать этого в срок, то их осуществляет другой свободный от вахты штурман.

Закончив наблюдения и занеся их в соответствующие графы КГМ-15, вводят поправки к показаниям всех приборов, определяют и записывают в КГМ-15 координаты и элементы движения судна. Затем вичисляют по кругу СМО направление и скорость истинного ветра.

3. Суть методов краткосрочного прогноза

В настоящее время существуют два метода научного предсказания погоды на короткие сроки (1-3 сут): синоптический и численный (гидродинамический).

Синоптический метод составления прогнозов погоды базируется на построении и анализе синоптических карт, на которых выделяются отдельные объекты, каждому из которых свойственны определенные типы погодных условий.

4. Классификация синоптических карт

Наиболее наглядная и эффективная гидрометеорологическая информация поступает на судно в виде факсимильных карт, передаваемых по радио метеослужбами различных стран в пределах своей зоны ответственности.

Факсимильной называется система радиосвязи, предназначенная для передачи неподвижных изображений (например, гидрометеорологических карт или навигационных передач) и их воспроизведения на принимающей аппаратуре. Сведения о работе радиостанций, ведущих факсимильные гидрометеорологические передачи для мореплавателей, охватывающие весь Мировой океан, представлены в английском издании Admiralty List of Radio Signals.

Из всех видов гидрометеорологической информации синоптические карты или их фотокопии, получаемые на судах с помощью фототелеграфного аппарата, являются наиболее информативными. Они характеризуются большим разнообразием, оперативностью и наглядностью.

Географические карты, на которые цифрами и условными обозначениями наносятся результаты одновременных наблюдений на сети метеорологических станций, в том числе и судовые наблюдения, называются синоптическими. Карты позволяют одновременно обозревать погодные условия над обширными географическими районами, проводить, так называемый, синоптический анализ. Слово «синоптический» в переводе с греческого обозначает «одновременно обозреваемый». Эти карты являются двумерными (плоскими) полями метеорологических величин.

Синоптическая карта может охватывать территорию от полушария или всего земного шара до небольшого района. Применяются коническая, меркаторская, стенографическая проекции.

Все синоптические карты подразделяются на два класса: карты фактической погоды (анализ) и прогностические (прогноз). Первые дают данные о погоде, которая была в действительности на какой-то срок, указанный на трафарете карты, вторые - об ожидаемой по мнению специалистов погоде (срок действия прогноза указывается на трафарете карты).

В свою очередь карты обоих классов делятся на два больших подкласса: карты приземные и высотные (карты барической топографии).

Приземные карты подразделяются на три подкласса: основные, дополнительные и вспомогательные. Основные приземные карты составляются по данным наблюдений гидрометеорологических станций (в том числе и судовых) для основных сроков наблюдений- (00, 06, 12 и 18 ч) по среднему гринвичскому времени (СГВ) в масштабе 1:150 000 000 и охватывают территорию, простирающуюся на 4000-5000 км в меридианальном и зональном направлениях.

Дополнительные (кольцевые) приземные карты составляются в промежуточные сроки (03, 09, 15 и 21 ч по СГВ) чаще всего в масштабе 1:50 000 000 и охватывают территорию 1000X1000 км. Они служат для уточнения информации и прогнозов погоды.

Вспомогательные карты разномасштабные и разновидностей их большое количество: карты снежного покрова, карты особоопасных явлений погоды, гидрологические (карты температуры поверхности воды, ледовой разведки, волнения и пр.), карты облачности по данным спутников (карты нефелометрического анализа) и др. Сведения о режиме передачи их различными гидрометеорологическими центрами приводятся в расписании факсимильных передач.

Высотные карты подразделяются на карты абсолютной топографии (AT) и относительной топографии (ОТ).

5. Характеристика синоптических карт

Источниками метеорологической информации для составления приземных синоптических карт являются стационарные гидрометеорологические станции, создаваемые на суше; корабли погоды, плавающие и специально устанавливаемые в характерных точках Мирового океана на длительный период времени; попутные наблюдения на транспортных и промысловых судах; метеорографы, устанавливаемые на самолетах; метеорологические спутники Земли.

В настоящее время можно выделить следующие системы получения метеоинформации:

- наземная сеть синоптических и аэрологических станций;

- судовые, стационарные и дрейфующие автоматические буйковые морские гидрометеорологические станции;

- метеорологические радиолокационные станции;

- метеорологические космические спутники;

- авиационная разведка погоды.

Роль каждой из этих систем различна. Она может отвечать общим требованиям, но при этом должна способствовать системе наземных наблюдений выполнять предъявляемые требования, т.е.:

- точное определение географических координат станции, а также ее высоты над уровнем моря;

- обслуживание станции квалифицированным персоналом, способным выполнять весь комплекс визуальных наблюдений и инструментальных измерений;

- оснащение станции согласно метеорологическим требованиям и стандартам;

- проведение на станции комплекса метеорологических наблюдений по однотипной программе, согласованной с международными метеорологическими организациями;

- оснащение станции средствами связи для немедленной передачи результатов наблюдений в установленные адреса;

- репрезентативность станции.

На синоптических станциях проводят наблюдения через каждые три часа Всемирного координированного времени - СГВ или UTC (Universal Time Greenwich).

Сеть метеорологических радиолокационных станций имеет самостоятельное значение как система получения дополнительной метеорологической информации. Радиус обнаружения современных метеорологических радиолокационных станций составляет не менее 150 км.

Наблюдения производятся в стандартные сроки наблюдений: 0, 6, 12, 18 ч по СГВ (основные) и в 03, 09, 15 и 21 ч (дополнительные). Результаты наблюдений кодируются международным метеорологическим кодом КН-01 и передаются в национальные и региональные центры погоды.

Приземные синоптические карты составляются по данным метеотелеграмм обратным раскодированием кода КН-01. При нанесении метеоданных на бланк карты ставится задача нанести как можно больше сведений о погоде по наибольшему количеству пунктов с сохранением наглядности карты и возможности правильного и незатруднительного ее чтения. Нанесение метеоданных на бланк карты (рис. 2) производится с помощью цифр и условных символов (рис. 1) с обязательным сохранением стандартного расположения их вокруг знака станции.

Ориентиром при нанесении данных на карту являются параллели и меридианы. Бланки синоптических карт выполняются в конической проекции, поэтому при расшифровке (чтении) их необходимо разворачивать, особенно если станции расположены близко к линии обреза карты.

После нанесения всех данных на синоптическую карту на ней проводят линии равных значений метеоэлементов. В первую очередь изобары - линии равных значений атмосферного давления на уровне моря. На отечественных картах изобары проводятся через 5 гПа, а в некоторых странах - через 4 гПа. Изобары на синоптических картах проводятся плавно, на их концах или при замкнутых изобарах в разрыве линий указывается давление.

Высотные барические карты составляются по результатам температурно-ветрового зондирования атмосферы с помощью шаров-пилотов, радиозондов, метеорологических ракет и искусственных спутников Земли. Высотные карты. строятся для определенных стандартных изобарических поверхностей-850, 700, 500, 300, 200, 100, 50, 30, 20 и 10 гПа. Вместо величины атмосферного давления на них указываются высоты стандартных изобарических поверхностей (на картах абсолютной топографии AT) или превышения одной стандартной изобарической поверхности над другой (на картах относительной топографии ОТ.

Практический интерес для судоводителей транспортных судов представляют карты АТ ₅₀₀ и OT ¹⁰⁰⁰ _500.

6. Суть составления прогноза погоды

Задача составления прогноза погоды синоптическим методом сводится к решению двух основных вопросов: прогноза синоптического положения и непосредственного предсказания погодных условий, так как синоптический метод базируется на выделении в атмосфере отдельных объектов, каждому из которых свойственны определенные типы погодных характеристик.

Прогноз синоптического положения - это прогноз перемещения, эволюции и трансформации основных синоптических объектов: воздушных масс, атмосферных фронтов и барических систем (циклонов, антициклонов, ложбин, гребней и седловин). Каждый синоптический объект характеризуется строго определенными погодными характеристиками, поэтому в каждый отдельный момент времени погода в районе плавания соответствует погоде синоптического объекта, который установился над районом плавания. Характер ожидаемой в ближайшее время погоды будет зависеть от того, сохранится ли данный объект над районом или же заменится другим синоптическим объектом.

Прогнозы погоды для флота должны иметь следующее содержание:

- дата и время составления прогноза по СГВ;

-период действия прогноза;

- название и обозначение района(ов) прогноза;

- описание следующих количественных характеристик:

- скорости или силы ветра и направления ветра;

- видимости, когда прогноз распространяется менее чем на 6 морских миль (10 км);

- обледенение, в случае необходимости;

Волнения моря и зыби.

Таким образом, предупреждение, краткие обзоры и прогнозы должны содержать все элементы, необходимые для обеспечения безопасной навигации судов через трудные зоны конвергенции и на подходе к гаваням.

7. Местные признаки погоды

Многолетний опыт наблюдения за элементами погоды и характером их смены позволяет судоводителю сделать верное заключение не только о физических процессах, происходящих в данный момент в атмосфере, но и достаточно надежно предсказать погоду на ближайшее время. Местные признаки погоды основаны на продолжительном опыте в изучении воздушных масс, атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов. Постоянные наблюдения за метеорологической обстановкой на море позволяют судоводителям не только уточнить получаемые прогнозы, но и достаточно надежно самостоятельно определить ожидаемые изменения погоды тогда, когда по тем или иным причинам на судне не принимаются прогнозы.

Прогнозирование погодных условий по местным признакам или уточнение полученных прогнозов с учетом собственных наблюдений за элементами погоды включает следующие основные операции:

- выполнение полного комплекса гидрометеорологических наблюдений;

- анализ наблюдаемых явлений погоды, а также их связь с развивающимися в настоящее время процессами в океане и атмосфере;

- выявление характерных признаков (чередование форм облаков, оптических и других явлений и т. д.) приближения атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов;

- определение по выявленным признакам, какая погода придет на смену существующей.

При этом руководствуются следующими правилами:

1. надежность прогноза тем выше, чем больше количество признаков указывает на изменение или сохранение данного типа погоды;

2. не может являться безусловным предвестником того или иного явления только один, пусть даже характерный признак;

3. в случае когда несколько признаков противоречат друг другу, следует ожидать неустойчивую погоду;

4. чем медленнее происходит изменение явления, избранного в качестве местного признака, тем медленнее будет происходить изменение характера погоды.

Вопросы для самоконтроля

1. Что собой представляет всемирная служба погоды и каково ее значение для морского транспорта?

2. В чем заключаются особенности требований к гидрометеонаблюдениям на судах?.

3. Какие Вы знаете методы краткосрочного прогноза?

4. Что собой представляют синоптические карты?

5. В чем суть характеристики синоптических карт?

6. Какова основная задача составления прогноза?

7. Ориентируясь на местные признаки погоды, расскажите об особенностях ухудшения погоды.

8. Ориентируясь на местные признаки погоды, расскажите об особенностях улучшения погоды.

Лекция5 Ветровые течения в атмосфере

1. Ветер и его характеристики

2. Причины возникновения ветра

3. Градиентный и геострофический ветер

4. Сила трения. Реальный ветер

5. Изменчивость ветра

6. Периодические и местные ветры

1. Ветер и его характеристики

Влияние ветра на поведение судна велико и неоднозначно. Ветер вызывает волны, которые могут представлять значительную опасность для судна. Волнение усиливается с увеличением скорости ветра и продолжительности его воздействия.

При встречном слабом ветре (менее 10 м/с) суда теряют скорость, при попутном - набирают. При большой силе ветра происходит снос судна, и его скорость всегда снижается. Это происходит как при встречном, так и при попутном ветре. Ветром создается давление на перпендикулярную поверхность, пропорциональную квадрату скорости.

...