Основные положения долгосрочных прогнозов погоды и их практическое применение

В основе синоптических методов составле­ния долгосрочных прогнозов погоды лежит принцип аналогичности. Его можно сформулировать сле­дующим образам. Если на некотором участке земной по­верхности в течение некоторого промежутка времени наблюдается синоптический процесс, аналогичный (сход­ный) процессу, наблюдаемому в прошлом (на той же или большей территории и примерно в те же календар­ные сроки), то текущий процесс в течение некоторого времени будет развиваться сходным образом (аналогич­но) с процессом, наблюдаемым в прошлом. Однако принцип аналогичности в таком виде весьма неопределенен, так как неизвестно, какой критерий дол­жен быть положен в основу определения понятия ана­логичности; не совсем ясен вопрос о величине террито­рии, на которой должны быть отобраны синоптические процессы для применения аналогичности; не ясен так­же вопрос о сроках действия прогноза, составленного на основе применения принципа аналогичности. Использование принципа аналогичности сводится в настоящее время к использованию внешних морфологи­ческих характеристик атмосферных процессов, что нель­зя признать достаточным. Читатель вправе спросить: зачем же попользовать принцип аналогичности, если в практике его применения так много неясностей? Ответ на этот вопрос может быть только один: принцип аналогичности используется пото­му, что до настоящего времени еще неизвестен механизм образования крупных и длительных аномалий погоды, не решены уравнения, одновременно описывающие как общую циркуляцию атмосферы, так циркуляцию океани­ческих вод. Таким образом, использование принципа аналогичности является попыткой заменить результаты исследовании таких физических механизмов, как меха­низм обмена энергией между подстилающей поверхно­стью и атмосферой, механизм лучистого теплообмена в атмосфере, механизм влияния изменений солнечной ак­тивности на процессы в стратосфере и тропосфере, ме­ханизм выделения и поглощения тепла в связи с фазовыми переходами водяного пара в атмосфере, механизм образования и рассеяния крупных облачных систем и их влияния на изменение общей циркуляции атмосферы. Естественно, конечно, что принцип аналогичности не может заменить изучения всех этих проблем. Лишь на первом этапе развития науки о долгосрочных прогнозах погоды метеорологи обращаются к принципу аналогич­ности и пытаются с помощью этого принципа составлять долгосрочные прогнозы погоды, обходя основные физи­ческие законы, с которыми связаны как общая циркуля­ция атмосферы, так и общая циркуляция гидросферы на Земле. Универсальная проверка принципа аналогичности не предпринималась именно вследствие его неопределенно­сти, но ежедневный синоптический опыт убеждает нас, что этот принцип далеко не универсален, что за анало­гичным синоптическим процессом вовсе не обязательно следует сходный синоптический процесс, иначе говоря принцип аналогичности — совершенно недостаточная ос­нова для составления надежных прогнозов погоды. Прогностические зависимости, на основании которых составляются долгосрочные прогнозы погоды, можно разбить на несколько групп. В первую очередь это за­висимости, основывающиеся на учете прошлой циркуля­ции в тропосфере и в стратосфере, т. е. на непосредст­венном использовании принципа аналогичности. Здесь наблюдается множество оттенков в самих способах осу­ществления учета прошлой циркуляции. Некоторые ученые считают, что самое важное при учете «истории» атмосферных процессов — это выявле­ние последовательности смены процессов, происходящей во времени. Для того, чтобы проследить развитие круп­ных синоптических процессов во времени, их расчленя­ют на элементарные процессы и каждый такой элемен­тарный процесс типизируют, т. е. относят к определен­ному типу. Получается цепочка смен типичных синопти­ческих процессов во времени, которую можно сравнить с аналогичными цепочками в архиве синоптических карт за прошлые годы и выявить так называемые годы-ана­логи, или, как их иногда называют, годы-гомологи, т. г, годы, в которых наблюдается наилучшее совпаде­ние последовательности развития синоптических процес­сов в какой-то промежуток времени с текущим его раз­витием. При таком совпадении обычно считают, что бу­дущее развитие синоптических процессов и, следова­тельно, условия погоды будут такими же, как они были в отобранном годе-аналоге. В другом случае метеорологи опираются не на де­тальное развитие синоптических процессов от дня к дню, а на отыскание ключевых синоптических процессов, ха­рактеризующих будущие синоптические процессы. Несмотря «а то, что синоптические карты, как лица людей, не бывают совершенно схожими друг с другом, а синоптические процессы развиваются очень прихотли­во и разнообразно, все же в этом разнообразии есть свои закономерности, свои общие черты. Недаром быва­ют холодные «лютые» зимы, тогда в течение 2—3 меся­цев с очень небольшими перерывами стоят сильные мо­розы, или продолжительная холодная дождливая пого­да летом. Такие продолжительные и устойчивые анома­лии, т. е. отклонения от нормы, погоды связаны с преоб­ладанием определенных типов синоптических процессов, устойчиво повторяющихся друг за другом в течение дли­тельного времени. Однако в развитие синоптических процессов нередко вклиниваются совершенно инородные процессы, не ха­рактерные для данного сезона. Такие процессы называ­ют нарушениями. Эти нарушения часто бывают похожими на основные процессы последующих сезонов. Метеорологи пользуются указанным сходством для предсказания общего характера синоптических процес­сов и погоды на несколько месяцев вперед. Кроме нару­шений, на характер будущей погоды и циркуляции ука­зывают особые процессы, которые получили название реперных. Обычно метеорологи используют и те и другие прог­ностические возможности, т. е. выбирают аналоги путем детального изучения последовательности развития си­ноптических процессов и в то же время добиваются то­го, чтобы в отобранном годе-аналоге наблюдались все «опорные» процессы, которые предполагаются в буду­щем. Что же это за опорные синоптические процессы и как их можно использовать для составления долгосрочных прогнозов? Для того чтобы ответить на этот вопрос, не­обходимо ввести понятие об ультраполярных про­цессах. Обычный процесс смещения холодной воздуш­ной массы из Арктического бассейна в умеренные широ­ты происходит при перемещении антициклона с северо-запада на юго-восток. В некоторых случаях такое похо­лодание приходит к нам не с северо-запада, а с северо-востока. В последнем случае перемещающийся антицик­лон и воздушная масса, в которой он сформирован, сме­щаются как бы навстречу западному переносу, господ­ствующему в умеренных широтах, и тем самым на неко­торое время приостанавливают обычный западно-восточ­ный перенос воздушных масс в умеренных широтах. Та­кие вторжения называют ультраполярными. Примером ультраполярного процесса может служить процесс 11 — 14/1 1972 г. (рис. 17). Вместо обычной квазисинусоидальной волны высотной фронтальной зоны здесь наблюдаются участки высотной фронтальной зоны, нап­равленные с северо-востока на юго-запад, что в зимнее время приносит особенно холодную погоду в умеренных широтах. Приостановленный западно-восточный перенос в умеренных широтах уступает место переносу масс воз­духа вдоль меридиана. Раз возникнув, такой процесс может при определенных условиях повториться через 3 или 5 ‘месяцев. При этом, конечно, повторяющийся про­цесс не вполне точно копирует исходный процесс, он только в какой-то степени повторяет черты, присущие исходному процессу. Такое повторение ультраполярных процессов получило название ритмической деятельности атмосферы. Учет ритмов дает возможность определить в будущем течении атмосферы «репера», т. е. определен­ные синоптические положения, приходящиеся на оп­ределенные даты, к которым можно «привязать» все бу­дущее развитие атмосферных процессов. Естественно при этом, что сроки осуществления реперных синоптиче­ских процессов могут быть несколько сдвинуты и не рав­няться точно 90 или 150 дням, так же как и географи­ческое расположение тех или иных циклонов, антицикло­нов, атмосферных фронтов и тому подобных синоптиче­ских объектов может значительно отличаться от того местоположения, которое они занимали в исходном си­ноптическом процессе.

В последние годы исследованы многие синоптические процессы с целью выявить их повторяемость во времени. Так, оказалось, что стационарные высокие малоподвиж­ные образования, раз возникнув, повторяются приблизи­тельно через 120 дней, т. г. через 4 месяца. Оказалось далее, что можно уловить повторяемость многих видов синоптических процессов. Например, су­ществуют такие стравила. Если за 90 (150) дней до ис­ходного синоптического периода на пространстве от за­падного побережья Северной Америки до Енисея наблю­дается обратный исходному синоптический процесс, то через 90 (150) дней на территории того же района мож­но ожидать тоже обратный (исходному) процесс! Если отбросить не совсем удачную редакцию этого определе­ния, то его можно интерпретировать как утверждение, что синоптические процессы повторяются через 180—300 дней в том случае, если в середине этих промежутков времени осуществляется противоположный синоптиче­ский процесс. Выявлено также, что синоптические процессы в ат­мосфере повторяются в определенные периоды через оп­ределенные промежутки времени. Такие повторения наз­ваны климатическими реперами. Некоторые иссле­дователи утверждают, что повторяются и другие типы синоптических процессов. К сожалению, природа, т. е. физические причины та­ких повторений синоптических процессов совершенно неизвестны. Сами повторения происходят довольно ред­ко, часто бывает так, что ожидающиеся повторения ка­кого-либо синоптического процесса не осуществляются. Это обстоятельство, конечно, неблагоприятно сказывает­ся на оправдываемости долгосрочных прогнозов погоды. Основным вопросом долгосрочных предсказаний по­годы является объяснение механизма возникновения длительных аномалий погоды в конкретных районах земного шара. Читатель, наверное, уже понял, что исторически дело сложилось таким образом, что метеорологи стали со­ставлять долгосрочные прогнозы погоды, не представляя себе этого механизма. Наказанием за такие «забегания вперед» является низкая оправдываемость долгосрочных прогнозов погоды. В поисках надежной базы для составления долгосрочных прогнозов погоды метеорологи часто прибега­ли к использованию различного рода цикличностей в проявлении атмосферных явлений и явлений, происходя­щих на Солнце. В последние годы подверглось тщательному изуче­нию еще одно циклическое явление в атмосфере — ква­зидвухлетняя цикличность в е т р а в эквато­риальной стратосфере. Сущность явления заключается в том, что в слое 20—35 км вне зависимости от сезона года почти одновременно во всей экваториальной зоне западные ветры сменяются восточными, а затем опять западными с интервалом времени, близким к двум годам. Из многочисленных соображений по поводу природы квазидвухлетней цикличности горизонтальных составля­ющих ветра в экваториальной стратосфере, остановимся на двух гипотезах, в известной мере противоположных друг другу. Согласно первой гипотезе при восточной фа­зе квазидвухлетнего цикла субтропические антициклоны занимают южное положение. Внутритропическая зона конвергенции и скорости ветра в пассатах развиты бо­лее интенсивно, чем обычно. Все это вызывает интен­сивный нагон теплой воды экваториального происхожде­ния в умеренные широты и замена ее в экваториальной зоне более холодной. Такая смена океанических вод при­водит к понижению температуры воздуха в экваториаль­ных и тропических широтах и повышению ее в умерен­ных широтах и, следовательно, к перемещению субтро­пических антициклонов в более высокие широты и ос­лаблению циркуляции воды в океане. Эта стадия соот­ветствует западной фазе квазидвухлетнего цикла гори­зонтальной составляющей, ветра в экваториальной зоне. Затем следует потепление экваториальных масс воды и понижение температуры ее в умеренных широтах, и про­цесс повторяется. С другой точки зрения, квазидвухлетняя цикличность ветра в экваториальной стратосфере — явление, охва­тывающие весь земной шар. В основном в экваториаль­ной стратосфере наблюдаются восточные ветры, кото­рые иногда сменяются западными ветрами менее устой­чивыми во времени и более слабыми. Возникновение западных ветров происходит из-за ос­лабления обмена воздуха между Арктикой (высокими широтами) и тропиками. Есть основания считать, что именно этот процесс носит циклический характер и что, возможно, он обусловлен изменениями солнечной актив­ности. В результате ослабления переноса воздуха вдоль меридианов происходит охлаждение воздуха в северных районах и нагревание его в южных. Вспомним, что имен­но макротурбулентный обмен воздуха между северными и южными широтами ослабляет контраст температуры между экваториальной зоной и полярными районами. Ослабление контраста температуры приводит при не­большом нагревании воздуха в экваториальной зоне к возникновению здесь западных ветров. Весь процесс происходит одновременно в Северном и Южном полуша­риях, но определяющими процессами являются пооче­редно процессы холодного полугодия в Северном и Юж­ном полушариях. На примере этих двух гипотез мы видим, сколь слож­ны процессы, происходящие в атмосфере, и как много предстоит сделать, чтобы все теории, объясняющие по­году того или иного района, стали достоверными и коли­чественными. Остановимся еще на одной особенности общей цир­куляции атмосферы, широко используемой при состав­лении долгосрочных прогнозов погоды. Мы уже упоми­нали об источниках снабжения энергией атмосферных движений. Подчеркнем теперь различия в механизме передачи солнечной энергии в тропосфере и стратосфере. Основ­ная роль приемника солнечной энергии в тропосфере принадлежит подстилающей поверхности, которая погло­щает солнечную радиацию (главным образом в ее инф­ракрасной и видимой частях) и затем сложным путем передается в тропосферу, поддерживая различные дви­жения воздуха и процессы испарения. В средней и верхней стратосфере солнечная радиа­ция (главным образом в ее ультрафиолетовой части) поглощается озоном (О3), углекислым газом (СО2) и во­дяным паром. Особое значение и для энергетики атмос­феры и для многих других вопросов жизни на Земле имеет поглощение ультрафиолетовой радиации Солнца слоем озона, расположенным на высотах 20—60 км. Озон поглощает также длинноволновое излучение Земли. По­скольку главным источником нагревания стратосферы является поглощение энергии непосредственно в самих слоях атмосферы, то формирование поля температуры зависит от высоты Солнца и продолжительности дня, которые обусловливают суммарное количество приходя­щей радиации. Приток солнечной радиации вдоль одной и той же ши­роты одинаков, но резко колеблется от одного времени года к другому. Эти резкие изменения притока солнечного тепла от сезона к сезону приводят к радикальным пере­стройкам термического и, следовательно, барического полей в стратосфере. На рис. 18 представлены разрезы атмосферы в Се­верном полушарии вдоль меридианов с данными о температуре воздуха, определенными по кругам широты. В тропосфере температура возрастает от полюса к эквато­ру. Максимальная температура наблюдается над эква­ториальной зоной в зоне 0—20° широты. Минимальная — над полюсом. Таким образом, распределение температу­ры в тропосфере отличается определенной стройностью. Иное дело в стратосфере. Как видно из рисунка, в це­лом здесь температура мало изменяется с высотой. Наи­более холодные области наблюдаются в нижней стра­тосфере над экватором в течение всего года (на высо­те около 18 км) и над полюсом (на высоте около 25 км) в холодную половину года.

Меридиональный разрез распределения температуры воздуха

За последние годы открыты интересные особенности циркуляции в стратосфере. Оказывается, что в стратос­фере в приполярных районах весной и осенью происхо­дит резкая перестройка термического и барического по­лей. Сущность этой перестройки заключается в том, что весной в стратосфере полярных областей устанавлива­ется устойчивый антициклон с системой восточных вет­ров над умеренными широтами. Осенью, наоборот, наб­людается ликвидация летнего стратосферного антицик­лона и формирование обширного циклона с западно-во­сточными ветрами над умеренными широтами. Озон выполняет особую роль в радиационном балан­се (приходе-расходе лучистой энергии) атмосферы. Слой озона задерживает почти всю падающую на землю ультрафиолетовую, т. е. особенно энергичную часть сол­нечных лучей. Известно, что значительное ультрафиоле­товое излучение пагубно действует на животный и рас­тительный мир. Таким образом, сохранению на Земле животного и растительного мира мы обязаны главным образом слою озона. Весной в связи с увеличением содержания озона в атмосфере и в связи с увеличением высоты Солнца и продолжительности дня температура в полярной страто­сфере быстро увеличивается. Междумесячное увеличе­ние температуры достигает в весенние месяцы 10—15°. С апреля над полярным бассейном устанавливается об­ласть относительно высокой температуры воздуха с ее значениями от —40 до —50°. Однако циркуляция возду­ха в апреле в приполярных областях еще сохраняет зимний циклический характер. В мае обычно осуществ­ляется сезонная перестройка циркуляции в полярной стратосфере с циклонической на антициклоническую. В июне эта перестройка заканчивается, и стратосфер­ная область тепла в течение летних месяцев распространяется на все полушарие, а под полюсом формируется устойчивый антициклон. Осенью в связи с уменьшени­ем высоты Солнца и главным образом в связи с уменьше­нием содержания озона, а также с потерями тепла вслед­ствие излучения от водяного пара и углекислого газа в полярной стратосфере начинается быстрое понижение температуры, которое в конечном счете приводит к лик­видации полярного антициклона и возникновению, а за­тем и к углублению полярного стратосферного циклона, который в течение зимы распространяется на все Северное ‘полушарие. К концу октября перестройка страто­сферной циркуляции на зимний режим обычно заканчи­вается. Однако было бы неправильно считать, что ве­сенняя и осенняя перестройки термического и барическо­го режимов в стратосфере происходят монотонно без скачков и срывов. Ракетные и радиозондовые наблюдения показывают, что как внутри сезонов, особенно в холодное время го­да, так и в переходное время года, поля температуры, давления и ветра в стратосфере претерпевают резкие и внезапные изменения. В течение суток температура в стратосфере полярных областей может изменяться на «месячную норму», т. е. на 10—15°. Такие изменения не­возможно объяснить изменениями лучистого теплообме­на, тем более, что они часто происходят в условиях по­лярной ночи, когда радиационный нагрев воздуха не осу­ществляется. Таким образом, необходимо признать, что на процессы в стратосфере большое влияние оказывают и нерадиационные процессы, такие, как вертикальный турбулентный теплообмен, адвекция теплого и холод­ного воздуха, упорядоченные вертикальные движения воздуха, связанные с циклонической деятельностью как в стратосфере, так и в тропосфере и т. п. Следовательно, ликвидация зимнего стратосферного циклона каждый раз имеет свои индивидуальные осо­бенности, каждую весну происходит по-разному. Бывают ранние и дружные перестройки, бывают поздние и за­тяжные перестройки. Аналогичные замечания следует сделать и по поводу осенних перестроек терми­ческих и барических полей в стратосфере. Перечисленные особенности циркуляции в стратосфе­ре тесно связаны с одновременным развитием синопти­ческих процессов в тропосфере Северного полушария (синхронные связи). Таким образом, и режим погоды, характер ее изменения во времени определенным обра­зом связаны с изменениями в стратосфере. Более того, некоторые ученые доказывают, что существуют неодно­временные асинхронные связи подобного рода. Так, на­пример, сроки весенней перестройки в стратосфере свя­заны с общим характером летней погоды. Ранняя пере­стройка циркуляции в стратосфере сопровождается уве­личением междуширотного обмена воздуха в умеренных широтах и приводит к засушливой и теплой погоде в июне на европейской территории СССР. Следует иметь в виду, что асинхронные зависимости между характе­ром циркуляции в различных слоях атмосферы значи­тельно менее тесны, а главное — их физическая природа менее ясна, чем у синхронных зависимостей. Тем не менее их практическая значимость очень велика. Обна­ружены многие асинхронные зависимости подобного ро­да. Сроки весенней перестройки в стратосфере, о кото­рой мы упоминали выше, определенным образом связа­ны (как показано в некоторых исследованиях) с пред­шествующей циркуляцией как в тропосфере, так и в стратосфере, в частности, с метеорологическими усло­виями в феврале. Большую роль в переходе к летнему режиму в стратосфере играют выходы тихоокеанского антициклона в северные широты, а затем к полюсу. При этом существенную роль в сроках весенней перестрой­ки циркуляции в стратосфере играет величина макси­мальной температуры воздуха в системе тихоокеанско­го антициклона в первый день заключительного выхода. Мы уже упоминали, что атмосферные процессы в различных ее слоях тесно связаны между собой. Среди многочисленных связей подобного рода отметим только те, которые имеют непосредственное отношение к состав­лению долгосрочных прогнозов погоды. Как, например, связаны ультраполярные процессы у Земли и в средней тропосфере с процессами в стратосфере? Выяснение это­го вопроса оказало бы существенную помощь в понима­нии причин возникновения ультраполярных процессов и их роли в общей циркуляции атмосферы. Некоторые исследования, проведенные в последние годы, показали, что вихри в стратосфере перемещаются как с запада на восток, так и с востока на запад. Одна­ко из всего многообразия характера движений в стра­тосфере тропосферные ультраполярные процессы связа­ны, как правило, с перемещениями циклонических и антициклонических вихрей в стратосфере с востока на за­пад. Иначе говоря, ультраполярные процессы представ­ляют собой единую связанную систему движения возду­ха как в тропосфере, так и в стратосфере. Ультраполяр­ный процесс связан с перемещением стратосферного циклонического вихря с востока на запад. Остановка западно-восточного переноса может быть связана не только с ультраполярным процессом. Очень часто запад­но-восточный перенос приостанавливается не в связи с перемещающимся, а в связи со стоящим на одном ме­сте и распространяющимся на всю тропосферу блоки­рующим антициклоном. Название блокирующего этот тип антициклона получил именно за то, что он блокиру­ет, т. е. останавливает западно-восточный перенос. Ча­сто подобные антициклоны как бы «усаживаются» в умеренных широтах на обычных путях циклонических образований на длительный период времени. Возникает устойчивая во времени и интенсивная аномалия погоды, летом сухая и жаркая, зимой морозная и малоснежная. Возникновение блокирующих антициклонов также свя­зано с перемещением стратосферных вихрей, особенно если эти перемещения наблюдаются одновременно на всех уровнях стратосферы, но происходят в разных нап­равлениях— на каждом уровне в определенную сторо­ну. Таким образом, блокирование — единый атмосфер­ный процесс, охватывающий большие толщи воздуха. Очень интересной особенностью формирования бло­кирующих антициклонов является их связь с состоянием подстилающей поверхности. Как показывают некоторые авторы, в зимнее время блокирование часто возникает над северо-востоком Атлантического и Тихого океанов. Формирование блокирующей ситуации здесь способст­вует повышению температуры воды в северных районах океана и понижению ее в южных районах. Такое соче­тание полей температуры воды способствует проникно­вению теплого воздуха далеко к северу и холодного к югу, что и приводит к блокированию западно-восточно­го переноса в тропосфере умеренных широт. Установлено, что высокие стационарные (малопод­вижные) антициклоны имеют тенденцию повторяться через 120 дней — это свойство используется при состав­лении долгосрочных прогнозов погоды. Однако общие черты циркуляции атмосферы, с которыми мы познако­мились, представляют только небольшую часть изучен­ных к настоящему времени свойств общей циркуляции атмосферы. И несмотря на это, предстоит еще большая работа для того, чтобы познать закономерности общей циркуляции во всех ее деталях.