книги / Опасные природные процессы. Вводный курс

Разде i /. Принципы звочюции и взаимодействия сложных систем

Таким образом возникли Тихоокеанское огненное кольцо и вулканы Средиземного моря. В случае столкновения континентальных плит поддвиг прекращается, и в зоне столкновения начинаются процессы смятия, горообразования и растрескивания, сопровождаемые только землетрясени­ ями, распределенными воль различных разломов. Ярким примером может служить весь Альпийско-Гималайский пояс. Здесь максимально развиты го­ рообразовательные процессы. Наличие резких контрастов рельефа является предпосылкой активного развития склоновых процессов. Здесь возникают обвалы, оползни, лавины, сели, пульсирующие ледники и др. Кроме того, горные цепи, фиксирующие зоны столкновения континентальных участков плит, являются значительной преградой на пути движения воздушных масс, поэтому именно в предгорьях происходит разгрузка циклонических потоков в виде ливней. Горные цепи на Земле как бы определяют коридоры движе­ ния воздушных основных потоков. Рельеф гор обусловливает высотную зо­ нальность распределения температур и давления и, таким образом, распреде­ ляет процессы выветривания. Расчлененность рельефа усиливает воздушную и водную эрозионную деятельность.

Третий тип границ — трансформный — обеспечивает скольжение ли­ тосферных плит различной толщины друг относительно друга, поэтому здесь развиты сейсмические и вулканические процессы (рис. 3.21).

Таким образом, все выделенные на Земле плиты оконтуриваются эпи­ центрами землетрясений, а зоны рифтов, поддвига и трансформных разло­ мов маркированы еще и вулканами. Иными словами, динамика литосферных плит отражена в опасных процессах сейсмичности, вулканизма, склоновых и эрозионных процессах.

3.6

Взаимодействие систем космоса и Земли — основной источник ОПП

Наиболее динамичными, а следовательно, отклика­ ющимися на внешние воздействия, зонами являются верхние оболочки Зе­ мли: магнитосфера, атмосфера, гидросфера и литосфера. Но самой измен­ чивой является биосфера, так как она проникает в три последние указанные оболочки. Действительно, мы наблюдаем, как ежедневно меняется погода, которая обусловлена взаимодействием океана, атмосферы и космоса, так как

132

Глава 3. Строение и динамика сфер Земли

Рис. 3.25. Схема взаимодействия систем Земли и космоса [Иванов О.П., 1991]

133

Разде J I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем

он одновременно влияет на климат и погоду. Это достаточно хорошо замет­ но во время солнечных вспышек. Землетрясения и вулканы также являют­ ся дирижерами погоды и климата и, в свою очередь, подчинены гравита­ ционным влияниям Луны и Солнца. Состояние поверхности моря целиком зависит от атмосферной деятельности. Обвалы, сели, лавины зависят от обилия атмосферных осадков, состояния и характера грунта, наличия спу­ сковых толчков (землетрясений, промышленных взрывов и др.). Наводне­ ния зависят от обилия осадков, инфильтрационных возможностей грунта и уровня грунтовых вод. Можно и дальше продолжать список различных ситуаций. Суть состоит в том, что именно в пограничных зонах происхо­ дит наложение ритмов и влияний различных систем. Поэтому здесь быст­ рее достигается состояние сильной неравновесное™, возникают ситуации параметрического нелинейного резонанса в локальных подсистемах или просто осуществляются экстремальные воздействия на них. Следствием, как правило, являются ситуации возникновения ОПП. Верхние части ли­ тосферы и биосфера как раз и являются такой пограничной зоной — по­ лигоном совместных воздействий различных подсистем Земли и систем кос­ моса. На рис. 3.25 представлена схема взаимодействия космоса и различных сфер Земли. Из нее видно, что зоны биосферы и верхней части земной ко­ ры являются наиболее динамичными, так как здесь происходит суммирова­ ние многих процессов.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Вопросы для самощюверки

1.Каковы функции магнитосферы, ионосферы, атмосферы, гидросферы

илитосферы?

2.За счет каких процессов существует ионосфера?

3.По каким признакам атмосфера делится на слои?

4.Какова роль гидросферы в системе Земля?

5.В чем структурное различие земной и океанической коры?

6.Каков движущий механизм тектоники плит?

7.Особенности границ литосферных плит с позиций ОПП.

8.В чем причины линейной полосатости магнитного поля океана?

134

г л а в а

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ

ПРОГНОЗА ОПАСНЫХ АТМОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ

Мировой опыт показывает, что затраты на прогнозирование и обеспечение готов­ ности к природным событиям чрезвычайного характера в 15 раз меньше по срав­ нению с затратами на предотвращение ущерба. Более того, современное эконо­ мическое планирование немыслимо без учета природных опасностей, без учета степени риска, целиком базирующегося на принципах прогноза. Прогноз и пре­ дупреждение кризисов различного рода, а также оценка стратегических рисков непосредственно связаны с концепцией устойчивого развития всех стран.

Предпосылкой успешной защиты от природных катастроф различного характе­ ра является познание причин их возникновения и механизма действия. Зная сущность процессов, их можно предсказывать. Спектр взаимодействия слож­ ных глобальных эволюционирующих систем с возникающими опасными при­ родными процессами весьма широк. Прогноз любого экстремального явления имеет свою специфику. Однако наиболее разработанным с методических и тео­ ретических позиций и даже с позиций мониторинга наиболее обеспеченным яв­ ляется метеорологическое прогнозирование.

В связи с тем, что по числу жертв и объему ущерба атмосферные явления за­ нимают первое место среди катастрофических явлений, мы посчитали целе­ сообразным в основу данной главы положить рассмотрение принципов про­ гноза именно метеорологических явлений, а все остальные виды прогнозов будем рассматривать попутно с изложением соответствующего специального материала.

Будущая погода — на следующий день, месяц, сезон или год — интересовала людей всегда. Начиная с Аристотеля ученые занимались этой проблемой более двух тысячелетий. Первый ученый, который заложил фундамент научного изу­ чения погоды, был директор Парижской астрономической обсерватории Урбан Леверье. В 1855 г. он составил первую карту погоды. Отечественная служба по­ годы существует с 1 января 1872 г.

136

4.1

Научные принципы прогноза ОПП (на примере метеоусловий)

Прогнозом погоды называется описание ожидаемых погодных условий. Форма представления прогнозов

может быть различной: т ек ст уа л ь н о й , т абли ч н ой , гр а ф и ч еск о й или ан али т и ческой . Для населения ис­

пользуется чаще табличная форма. В графическом виде прогнозы оформляются в виде карт и графи­ ков. Все результаты наблюдений, характеризующие исходное состояние погоды, называются исходными данными.

Метеорологическое прогнозирование является частью прогностики — науки о закономерностях раз­ работки прогнозов. Одной из составляющих частей прогностики является предвидение. В основе прогно­ стики лежат п редсказание (описание возможных со­ стояний, перспектив развития в будущем) и п р ед ук а ­ зания (использование информации о будущем для це­ ленаправленной деятельности человека и общества). Предсказание представляется в форме предчувствия, предугадывания и прогнозирования. П редчувст вие — уровень интуиции, п редугады вание — информация на основе опыта, прогнозирование — научное исследова­ ние по перспективам развития явления или процесса.

В основе прогнозов лежит экстраполяция зако­ номерностей настоящего и прошлого в будущее.

Прогресс в области прогнозирования природных атмосферных явлений сдерживается рядом обстоя­ тельств. Прежде всего следует учитывать, что в лю­ бых реальных природных процессах присутствуют 3 составляющие:

дет ерм и ни рован н ая , которая поддается точному расчету на период, достаточный для целей прогно­ зирования:

вероят ност ная , которая выявляется в процессе изучения прогнозируемого явления; при этом точ­ ность предсказания зависит от успешного выявления закономерностей развития процесса;

137

Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем

случайная, которая на современном уровне знаний не поддается пред­ сказанию.

Основой прогнозирования являются 3 взаимодополняющих источника информации о будущем поведении объекта исследования: 1) оценка буду­ щего состояния прогнозируемого объекта на основе опыта или аналогий; 2) распространение на будущее известных сейчас тенденций; 3) моделиро­ вание будущего состояния объекта исследования. Из этого следует 3 спосо­ ба разработки прогнозов: 1) экспертное оценивание для получения объек­ тивных оценок прогнозного'характера; 2) экстраполирование — построение динамических рядов эволюции исследуемого процесса с распространением на будущее известных закономерностей; 3) моделирование, чаще с помо­ щью системы уравнений гидротермодинамики атмосферы.

Атмосферные процессы разномасштабны. Крупномасштабные процессы могут быть описаны индивидуально, а мелкомасштабные — только статисти­ чески, по производимым им эффектам, так как мы никогда не знаем точно начальных условий. Это прежде всего связано с тем, что диагностирование начальных условий идет на синоптических и аэрологических станциях, рас­ стояние между которыми в десятки раз больше линейного масштаба турбу­ лентности. плюс случайные ошибки измерений, интерполяции, округления.

В результате наблюдений за погодой выявить и предсказать надвигаю­ щуюся катастрофу можно лишь непосредственно перед самой катастро­ фой. Однако для успешного планирования профилактических и защитных мероприятий по борьбе со стихийными атмосферными явлениями жела­ тельно иметь представления о подверженности тех или иных регионов раз­ личным атмосферным явлениям, о частоте и размерах катастроф, которые могут произойти в конкретном районе. Получить такую информацию мож­ но только благодаря применению статистических методов.

Прямая оценка данных наблюдений за погодой может дать представ­ ление о частоте произошедших катастроф. Допуская, что вероятность этих событий остается постоянной во времени, на будущее предсказывают ту же частоту событий, которая наблюдалась в прошлом. Таким образом, прогноз заключается в экстраполяции имеющихся данных на будущее. Как прави­ ло, имеющиеся надежные данные относятся к ограниченному интервалу времени (50—100 лет), и если за этот период на изучаемой территории не наблюдалось катастроф (например, ураганов определенной силы), то это не означает, что в будущем за более длительный промежуток времени они не возникнут. Поэтому методы статистики применяются, как правило, при среднесрочных прогнозах. Они основываются на принятии каких-либо статистических моделей, которые всегда являются приближенными.

Получаемые методом статистического анализа оценки степени риска для конкретных регионов в отношении конкретных атмосферных явлений наряду с учетом их географического положения используются для целей районирования. На основании данных районирования определяют терри­ тории, наиболее подверженные тому или иному неблагоприятному атмо­

138

Гюва 4. Общие принципы прогноза опасных атмосферных процессов

сферному явлению. Затем планируют и проводят мероприятия предупре­ дительного и защитного характера, снижающие степень риска: определяют места строительства тех или иных объектов (жилья, промышленных пред­ приятий, электростанций и др.), разрабатывают нормы строительства, пре­ дусматривают различные защитные устройства (например, громоотводы), отводят площади под посевы сельскохозяйственных культур и т.п.

Прогнозы погоды чаще составляются на основе синоптического мето­ да и путем предвычисления погоды. Современная наиболее полная синоп­ тическая карта была создана во Вторую мировую войну (хотя в сокращен­ ном варианте она использовалась и раньше), ибо успех многих операций, в том числе вторжение на побережье Нормандии, полностью зависел от поддержки морскими и воздушными силами.

Нанесенные на синоптическую карту метеорологические элементы по­ зволяют одновременно обозревать состояние погоды на достаточно боль­ шой территории, выявить характер развития атмосферных процессов и на этой основе рассчитать вероятное изменение погодных условий.

На карты погоды наносятся данные метеорологических наблюдений у поверхности Земли и на всех доступных для наблюдения высотах, эти на­ блюдения должны быть проведены едиными метеорологическими прибо­ рами и по определенной программе. Полученные данные стекаются к ис­ следователям с метеостанций. Составленные по ним синоптические карты тщательно анализируются, чтобы выяснить, откуда в район приходит при­ земный воздух, в какой барической системе он циркулирует, как взаимо­ действует с земной поверхностью, существуют ли атмосферные фронты, способные оказать действенное влияние на погоду, с какой скоростью и как дуют ветры, куда и с какой скоростью перемещаются барические системы и атмосферные фронты, как они изменяются, каков суточный ход погоды. Помимо качественной оценки, вычисляется целый ряд конкретных количе­ ственных показателей. По полученным данным синоптик определяет состо­ яние облачности, температуры воздуха дня и ночи, направление и скорость ветра, количество атмосферных осадков и характер их выпадения. Для это­ го рассчитывают значение этих метеорологических элементов на основе за­ кономерностей, выявленных синоптической метеорологией.

Предвычисление погоды осуществляется с помощью ЭВМ, куда посту­ пает вся имеющаяся информация с сотен метеостанций и постов, располо­ женных на суше и в океане. Информация опознается, проходит сортировку и подвергается специальной обработке, далее снова анализируется, равно­ мерно распределяется по карте. Затем информация вводится в термодинами­ ческие уравнения, которые описывают состояние погоды в данный момент времени с учетом всех возможных явлений и факторов, в той или иной сте­ пени влияющих на состояние погоды.

По уравнениям рассчитывают величины атмосферного давления, напра­ вление и скорость ветра, температуру приземной части воздуха, количество осадков на 12, 24 и 36 ч вперед. Эти результаты передают на автоматические

139

Раздел / Принципы эволюции и взаимодействия с южных систем

графопостроители, которые вычерчивают карты будущего состояния погоды. Прогностические карты уточняют по снимкам, полученным со спутников. На космоснимках отражены характер и подвижность облачности, места за­ рождения и направления циклонов и антициклонов.

Для начальных данных всегда исследуется комплекс метеорологических параметров. Например, рассмотрим изменение средней температуры воздуха посуточно. Напомним: максимальная температура воздуха — между 14—17 ч, минимальная — перед восходом Солнца (из-за запаздывания). Разность рав­ на амплитуде суточного хода. Аналогично определяется амплитуда годового хода (между 17—25 июля и 15—25 января).

Влаж ност ь воздуха: максимальное и минимальное значения упругости водяного пара, точки росы, максимальная относительная влажность в самую холодную часть суток. Сейчас сообщают индекс температуры и влажности.

К райние значения вет ра (наиболее сильный в 13—15 ч, самый слабый — перед восходом). Далее измеряется толщина слоя выпавших осадков. Исс­ ледуют движение атмосферных фронтов на ближайшие 12—24 ч и особен­ ности их циркуляции, а также вертикальные разрезы воздуха.

На длительные сроки при прогнозировании используют несколько мето­ дов. Главным является синоптический, который дополняется гидродина­ мическим и статистическим анализами.

Синоптические карты (карты погоды)

Для характеристики и изучения многих атмосферных явлений, а также для прогноза погоды необходимо одновременно проводить различные наблюдения во многих пунктах и фиксировать полученные дан­ ные на картах. В метеорологии обычно применяется так называемый си­ ноптический метод.

На территории США каждый час (в некоторых странах — реже) про­ водятся наблюдения за погодой. Характеризуется облачность (плотность, высота и вид); снимаются показания барометров, к которым вводятся по­ правки для приведения полученных величин к уровню моря; фиксируются направление и скорость ветра; измеряются количество жидких или твердых осадков и температура воздуха и почвы (в срок наблюдения, максимальная и минимальная); определяется влажность воздуха; тщательно фиксируются условия видимости и все прочие атмосферные явления (например, гроза, туман, дымка и т.п.).

Наземные синоптические карты. Каждый наблюдатель кодирует и пере­ дает информацию по международному метеорологическому коду. Посколь­ ку эта процедура стандартизирована Всемирной метеорологической орга­ низацией, такие данные могут быть легко расшифрованы в любом районе мира. Кодирование занимает около 20 мин, после чего сообщения передают­ ся в центры сбора информации, происходит международный обмен данны­

140