книги / Опасные природные процессы. Вводный курс

Гшва 4. Общие принципы прогноза опасных атмосферных процессов

ми. Затем результаты наблюдений (в виде цифр и условных знаков) наносят­ ся на контурную карту, на которой точками указаны метеорологические станции. Таким образом, синоптик получает представление о погодных усло­ виях в пределах крупного географического региона. Общая картина стано­ вится еще более наглядной после того, как точки, в которых зафиксировано одинаковое давление, соединить плавными, сплошными линиями — изоба­ рами и нанести границы между разными воздушными массами (атмосферные фронты). Выделяют также районы с высоким или низким давлением. Карта станет еще более выразительной, если закрасить или заштриховать терри­ тории, над которыми в момент наблюдений выпадали осадки.

Синоптические карты приземного слоя атмосферы являются одним из основных инструментов прогноза погоды. Специалист, разрабатывающий прогноз, сравнивает серии синоптических карт на разные моменты наблю­ дений. Таким образом он может изучить динамику барических систем, от­ мечая изменения температуры и влажности внутри воздушных масс по мере их перемещения над различными типами подстилающей поверхности.

Рис. 4.1. Система синоптических параметров, подлежащих анализу для прогно­ за погоды [Вайсберг Дж., 1980]

141

Раздел /. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем

Высотные синоптические карты. Облака перемещаются воздушными те­ чениями обычно на значительных высотах над земной поверхностью Поэ­ тому для метеоролога важно располагать надежными данными для многих уровней атмосферы. На основании данных, полученных при помощи метео­ зондов, самолетов и спутников, составляют карты погоды для 5 высотных уровней. Эти карты передаются в синоптические центры.

Под синоптическим положением понимается совокупность синоптиче­ ских объектов, распределенная в пространстве (рис. 4.1).

4.2

Виды метеорологических прогнозов опасных природных процессов

По времени прогностика делит все прогнозы на опе­ ративные (текущие — от десятков минут до нескольких часов), краткосрочные (в основном для количественных изменений — от полусуток до 36—48 ч), среднесрочные (для количественных и качественных изменений — 3—10 су­ ток), долгосрочные (количественные и главным образом качественные — ме­ сяц, сезон) и сверхдолгосрочные (качественные изменения — несколько лет).

По масштабу прогнозы делят на локальные, региональные и глобальные.

Кроме того, в последнее время строятся так называемые ситуационные про­ гнозы. Они даются не на конкретный промежуток времени, а на конкретную ситуацию, которая может возникнуть в будущем. Наиболее типичный ситуа­ ционный прогноз — это прогноз загрязнения воздушного бассейна города, района или региона в зависимости от различных синоптических факторов.

В оперативных подразделениях Госкомгидромета разрабатываются следу­ ющие виды краткосрочных прогнозов: с\точные (с 18.00 до 18.00 следующего дня), оперативные (на запросы потребителя с необходимой заблаговременно­ стью) и штормовые предупреждения (независимо от заказа). Существуют про­ гнозы общего пользования, специализированные и количественные.

Краткосрочные прогнозы возникновения стихийных атмосферных явле­ ний заключаются в прогнозе погоды, т.е. в заблаговременном предсказа­ нии состояния атмосферы (температура, давление, влажность, облачность, осадки, ветер) в конкретное время и в конкретном месте. Прогноз погоды основан на непрерывном круглосуточном наблюдении за динамикой воз­ душных атмосферных масс: их состоянием, взаимодействием, перемещени­ ями и т.п. Наблюдения проводятся с помощью сети наземных метеостанций.

142

Глава 4. Общие принципы прогноза опасных атмосферных процессов

радаров, самолетов, метеорологических спутников. Результаты наблюдений поступают в специальные метеоцентры, между которыми непрерывно осуществляется обмен информацией. Таким образом, имеется возможность следить за зарождением циклонов, их перемещениями и т.п. и заранее пре­ дупреждать население тех или иных регионов о надвигающейся метеоро­ логической опасности.

Заблаговременный прогноз погоды в значительной степени снижает риск, связанный с неблагоприятным воздействием стихийных атмосферных явлений на жизнь человека и жизнедеятельность общества, но не может пол­ ностью устранить его. В настоящее время предупреждения о приближении тропических циклонов, как правило, даются заблаговременно, однако за­ щита от них остается весьма затруднительной. Так, в сентябре 1959 г. на­ селение Японии было заранее предупреждено о приближении тайфуна «Вера». Принимались все возможные меры предосторожности, и тем не менее погибли 5 тыс. человек, были ранены 32 тыс., остались без крова 1,5 млн.

Заблаговременные предупреждения не спасают от значительных матери­ альных потерь. В этой связи с целью сведения риска к минимуму в разных странах разрабатывают различные способы активного воздействия на погоду. В настоящее время уже имеются технические возможности вызвать дождь или снег, рассеять туман, прервать образование града.

Долгосрочные прогнозы различных атмосферных явлений, т.е. прогнозы, рассчитанные на достаточно длительные промежутки времени (100 лет и более), напрямую связаны с проблемой глобальных климатических изме­ нений и загрязнения атмосферы Земли.

Современная наука располагает данными о естественных колебаниях климата на протяжении геологической истории. Периоды таких колебаний составляют десятки и сотни лет. Ярко выраженные колебания климата осо­ бенно четко были установлены в связи с совершенствованием метеороло­ гических наблюдений в XIX и XX вв. Так, например, со второй половины XIX в. — начала XX в. климатологами отмечалось потепление, в частности в высокоширотных районах Земли.

Для прогнозирования будущих естественных климатических изменений изучают их периодичность и исследуют цикличность геологических, астро­ номических и космических факторов (тектонических процессов и связанных с ними изменений рельефа Земли и площади моря и суши, вулканических процессов, интенсивности солнечного излучения, наклона земной орбиты, солнечной активности и т.п.).

В настоящее время все виды климатических прогнозов, особенно долго­ срочных, в значительной степени усложнились в связи с активным техно­ генным (антропогенным) воздействием на окружающую среду, в том числе и на процессы, происходящие в атмосфере. По данным Всемирной метео­

143

Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем

рологической организации, на климат Земли оказывают заметное влияние следующие виды деятельности и их результаты:

выброс С02 и других газов, поглощающих инфракрасное излучение; изменения в характере поверхности суши:

военные действия; возросшее количество выбросов и рост концентраций аэрозолей в ат­

мосфере; разрушение озонового слоя стратосферы;

выбросы тепловых отходов; искусственное воздействие на погоду и климат.

Таким образом, при составлении долгосрочных прогнозов атмосферных явлений приходится сталкиваться как с естественными, так и с социальноэкономическими процессами. Их совместный учет, а тем более прогнози­ рование представляют чрезвычайно сложную методологическую задачу, так как при таких прогнозах в значительной степени возрастает случайная со­ ставляющая процессов. Требуется знать и предвидеть, каким образом быст­ ро развивающееся общество со сложной, динамичной технологией произ­ водства взаимодействует с непрерывно меняющейся природой. Поэтому большинство глобальных прогнозов — это прогнозы компонентные, учиты­ вающие влияние какого-то одного компонента на изменение окружающей среды.

Осуществляется прогноз глобального изменения климата (глобального потепления) в связи с возрастанием в атмосфере содержания СО2. Приз­ навая этот факт, различные исследователи тем не менее расходятся в оцен­ ках скорости и последствий этого процесса.

Составляется прогноз глобальных изменений в связи с разрушением озонового слоя стратосферы, с засорением атмосферы твердыми частицами аэрозолей и т.п. В недавнее время много дискуссий вызвал ряд проектов, связанных с «преобразованием природы», т.е. с вмешательством человека в естественный ход природных процессов.

Цель международного сотрудничества в области метеорологии — позна­ ние закономерностей и установление единых мировых стандартов. Это со­ трудничество осуществляется при помоши:

системы автоматической передачи изображений (АПИ). Она более всего распространена в США. Работает в 50 странах. Особенно большая польза от применения АПИ для развивающихся стран. Стоимость прием­ ных устройств АПИ составляет 6000 долл. Спутниковые фото представ­ ляют интерес для многих стран и организаций: для летчиков гражданской авиации они полезны в плане штормовых предупреждений; для тропиче­ ских стран они интересны в период тропических циклонов (например, для Индии, где 70% национального дохода приносят продукты сельского хозяйства);

144

Гшва 4. Общие принципы прогноза опасных атмосферных процессов

Всемирной метеорологической организации (ВМО). Она создана в 1853 г. при ООН. Собирает данные по наблюдениям на наземных метеостанциях, в верхних слоях атмосферы и об уровне радиации. ВМО издает указания по порядку сбора и записи метеоданных, издает Атлас облаков;

Всемирной службы погоды (ВСП). Разрабатывает обшие представления о мировой погоде и методы ее предсказания. Идея о создании ВСП возни­ кла в 1963 г. Основу ВСП составляют 3 глобальные системы: наблюдений, обработки данных и телесвязи. По проекту ВСП предусматривается созда­ ние 3 категорий метеорологических центров: национальных, региональных и мировых.

4.3

Индивидуальные предвестники непогоды

В практической деятельности часто возникают силации, когда по тем или иным причинам отсутствует необходимая инфор­ мация о ближайшем состоянии атмосферы. Чаще это касается малого мор­ ского флота, альпинистов, авиапилотов и др. В таких случаях используют исторический опыт ориентирования по индивидуальным предвестникам погоды. Чаще всего состояние погоды анализируют относительно возник­ новения циклонов, несущих, как правило, мошные ветровые, ливневые и грозовые воздействия.

Под циклонической деятельностью понимают процессы возникновения, эволюции и перемещения циклонов и антициклонов в атмосфере. Наиботее интенсивно циклоническая деятельность развита в умеренных широ­ тах. где ее можно рассматривать как форму общей циркуляции атмосферы. Ежегодно севернее 25 с.ш. возникает в среднем около тысячи циклонов. Ежедневно на картах северной части можно обнаружить 15—20 циклонов. Основные элементы циклонической деятельности — фронтальные под­ вижные циклоны и антициклоны.

В процессе развития циклоны и антициклоны проходят ряд стадий, которые по-разному выглядят на картах термобарических образований и неодинаково сказываются на характере облачной системы. Наиболее пока­ зательной характеристикой эволюции циклонов и антициклонов является изменение давления в их центрах.

При анализе термобарического поля для прогноза образования фрон­ тального циклона особое внимание уделяют участкам высокой фронтальной зоны, где структура термобарического поля обеспечивает значительное ло­

145

Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем

кальное увеличение во времени положительного вихря скорости. На карте определяют волновое возмущение и на нем — слабоградиентное барическое поле с отрицательными барическими градиентами. Существует основной признак возникновения циклона у точки окклюзии — это смешение облас­ ти локального падения давления в район с небольшими барическими гради­ ентами у поверхности Земли. Существует также ряд других признаков.

К этим признакам относятся облачные предвестники циклона умеренных широт: 1) облачная шапка фронтальной волны; 2) шапка-щит перистой об­ лачности; 3) шапка-веер перистой облачности; 4) массив развивающейся конвективной облачности; 5) вторичный облачный вихрь.

При прогнозе перемещения оценивается возможность образования ци­ клонов и антициклонов. В результате получают прогностические на 12, 24, 36 ч давления в центрах циклонов и антициклонов, а также в отдельных точках на осях ложбин и гребней и плюс в дополнительных точках. Для расчета ожидаемого значения давления за основу берут скорости воздуш­ ных течений в средней тропосфере и барические тенденции на этом же уровне.

Большинство фронтальных разделов лежат на осях хорошо выраженных ложбин. Поэтому на прогностической карте приземного давления, опреде­ лив положение оси ложбины, можно получить положение приземной ли­ нии фронта. Прогноз его перемещения сводится к прогнозу перемещения ложбин. Под эволюцией фронтов понимают процесс их обострения и раз­ мывания, проявляющийся в изменении погодных характеристик. Для ана­ лиза используют параметр фронтогенеза, который связан со сходимостью воздушных течений на фронте и распределением вертикальных движений, что определяет в значительной степени фронтальные облачные поля и зо­ ны осадков.

В краткосрочных прогнозах погоды общего пользования указывают усред­ ненную скорость и направление ветра на уровне флюгера. При опасном ве­ тре указывают, что он будет порывистым, и сообщают максимальную ско­ рость при порывах ветра. Прогноз средних скоростей и направления ветра

всуточном прогнозе погоды основан на результатах прогноза приземного барического поля. Действительный ветер на уровне флюгера по скорости обычно меньше градиентного ветра и отклоняется от направления изобар

всторону низкого давления: над морем — отклонение на 15е, над равни­ ной — на 30°, а над холмистой местностью — на 45°. Кроме того, при боль­ ших скоростях ветра отклонение меньше, чем при малых.

Прогноз ветра на высотах разрабатывается с помощью прогностиче­ ских карт абсолютной топографии, построенных по гидродинамическим методам заблаговременно.

Прогноз шквалов. Они связаны с мощными кучево-дождевыми облаками, ливнями и грозами. Перед шквалом давление сильно падает, при шквале оно

146

Гшва 4. Общие принципы прогноза опасных атмосферных процессов

резко растет в течение нескольких десятков минут, а после прекращения лив­ невого дождя — вновь падает. Температура при шквале резко понижается. После шквала идет некоторый подъем, но все же она остается ниже, чем до шквала. Вследствие сильных восходящих движений воздуха в передней час­ ти кучево-дождевого облака и нисходящих в его тыловой части возникает вихрь с горизонтальной осью, нижняя часть которого достигает поверхности Земли. Это шквальный ворот, обычно он идет впереди облака за 1—2 км до области выпадения ливневого дождя. Шквалы, как правило, случаются пос­ ле обеда. Выделяют внутримассовые (единичные образования) и фронталь­ ные (вдоль линии фронта) шквалы. Обычно их предсказывают по спутни­ ковым фото на базе экстраполяции движения и свойств эволюции облач­ ных образований. Наиболее благоприятной синоптической ситуацией воз­ никновения являются холодные фронты, ориентированные с юго-запада или юга на северо-восток или север при наличии на них волновых возму­ щений. Нередки также шквалы вблизи центра циклона, особенно вблизи вершины теплого сектора молодого циклона. Шквалы возникают при силь­ ной сходимости воздушных течений у поверхности Земли и их расходимо­ сти на высотах. Прогноз шквалов синоптическим способом сводится к прогнозу синоптического положения и термодинамического состояния атмосферы в районе. Для уточнения на 1—3 ч используют данные радио­ локационных наблюдений, для 9—12 ч — расчетные методы с использо­ ванием предикторов.

Прогноз метелей основан на типизации синоптических процессов с учетом состояния снежного покрова. Прогноз общей метели связан с про­ гнозом облачности, снегопада, ветра. Метелевая обстановка возникает обычно при прохождении атмосферных фронтов. Длительные затяжные метели возникают часто на теплых фронтах, короткие сильные метели — на холодных фронтах.

Пыльные бури. В основе бури лежит турбулентность в приземном слое, когда при некотором критическом значении скорости ветра происходит отрыв почвы. Обычно это происходит при скорости ветра более 10—12 м/с. Лёссовая пыль поднимается и при меньших скоростях ветра. Наиболее сильные бури — при устойчивой температурной стратификации, когда пыль не распространяется на весь пограничный слой атмосферы и выше, а сосредоточивается до высот 200—300 м. Обычно это бывает периферийная часть мощного устойчивого антициклона нал Азией в зимнее время года.

Прогноз пыльной бури основан на анализе синоптического положе­ ния, при этом особое внимание уделяется скорости перемещения фронта. При прогнозе ее эволюции дается прогноз скорости ветра и интенсивно­ сти вертикальных движений в области фронта с учетом характера подсти­ лающей поверхности. Учитывают наличие суточного и годового хода их повторяемости и интенсивности при различных синоптических процессах.

147

Разде1 I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем

Установлено, что внутримассовые пыльные бури обычно возникают в зо­ нах больших барических градиентов, называемых штормовыми, поскольку в их пределах наблюдаются сильные ветры.

Прогноз заморозков. Чаще всего заморозки возникают в гребнях и ан­ тициклонах, сформированных в арктическом воздухе, а также в тыловых частях циклонов. Основой прогноза является оценка температуры воздуха и его влагосодержания. Есть ряд эмпирических правил: если в 21 ч точка росы ниже 0°С, то ночью заморозки, при 2°С и тихой погоде — возмож­ ны, при температуре более 2°С их не будет. Заморозки не возникают по­ сле ливневого дождя во 2-й половине дня, выпавшего на прогретую поч­ ву. Случаи сильных морозов связаны в средних широтах с вторжением масс очень холодного воздуха из арктических районов. В Сибири сильные морозы часто бывают вызваны длительной безоблачной антициклонической погодой.

Прогноз туманов и видимости. Туманы бывают фронтальные (от термо­ процессов в области фронтальных разделов) и внутримассовые, и еще по­ земные, а также низкие и высокие; слабые, умеренные, сильные и очень сильные. Возникают при приближении влажности воздуха к состоянию на­ сыщения. Это происходит на фоне понижения температуры до уровня кон­ денсации. Прогноз осуществляется по оценке прогностического синоптиче­ ского положения. Фронтальные туманы возникают при малых углах наклона фронтальной поверхности перед теплым фронтом или теплым фронтом окк­ люзии. Учитывают облачность, ветер.

Как предсказать облачность. На картах погоды видны облачные масси­ вы. Можно рассчитать скорость их перемещения. Также возникновение об­ лаков и их рассеивание можно определить, следя за развитием циклонов и антициклонов. Облака обычно располагаются на значительном удалении от центра циклона и на периферии антициклона.

Как предсказать шторм на море. Штормы на море вызываются цикло­ нами, в которых есть обширные зоны ненастной погоды с сильным ветром и связанным с ним волнением моря.

Как предсказать смерч. Можно лишь определить наличие условий, бла­ гоприятных для образования смерча. Это сильно развитые по вертикали кучево-дождевые облака. Такое облако должно иметь вертикальные и го­ ризонтальные размеры не менее 10 км. Однако не каждое такое облако по­ рождает смерч. Эти облака дают ливни, грозовые разряды, град, дождь со снегом и лишь некоторые могут вызвать смерч.

Народные приметы. Однако, невзирая на службу погоды, население, как правило, пользуется для прогноза приметами погоды. Они основаны на долголетнем опыте наблюдений. Люди, долго живущие в определенном районе, способны предчувствовать. Существует несколько групп примет: внешний вид неба; поведение животных; состояние погоды в дни, посвя-

148

Гтва 4. Общие принципы прогноза опасных атмосферных процессов

шенные святым. Считается, что некоторые явления обладают якобы сверхъ­ естественной силой (так. в штате Пенсильвания существует поверье: если на Сретение, т.е. 2 февраля, сурок увидит свою тень, то зима здесь будет про­ должаться еще 6 недель). Следует отметить, что птицы реагируют на изме­ нение давления перед штормом, смена окраски меха у грызунов происходит перед новым сезоном (кролики, зайцы, ласки и др.). У моряков существует поверье: небо красное с утра — моряку не ждать добра, если дело к вече­ ру. то бояться нечего (облака на западе, подсвечиваемые солнцем, пред­ вестники шторма). Когтевидные (тонкие перистые) облака предвещают осадки, но облака не всегда предшествуют циклону. Самые общие призна­ ки опубликованы в календарях погоды, но они представляют собой сред­ нестатистические данные прошлых периодов времени с учетом поведения животных. Поэтому и прогноз по ним приблизителен.

4.4

Мониторинг и математическое моделирование как основа повышения эффективности прогноза опасных природных процессов. Основные задачи геоэкологических исследований для России

Понятие мониторинга окружающей среды впервые было введено в употребление Р. Мэнном в 1972 г. на стокгольмской конфе­ ренции ООН. Мониторингом было предложено называть систему повторных наблюдений одного и более элементов окружающей природной среды в про­ странстве и во времени с определенными целями в соответствии с заранее подготовленной программой.

Внашей стране одним из первых теорию мониторинга стал разрабаты­ вать Ю.А. Израэль (1984 г.), который определил мониторинг как систему на­ блюдений, позволяющую выделить изменения биосферы под влиянием чело­ веческой деятельности.

Внастоящее время этот термин широко используется для обозначения длительно проводимых наблюдений за изменением природных и природ-

149

Раздел /. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем

но-техногенных процессов, влияющих на состояние природных и природ­ но-техногенных систем.

Таким образом, мониторинг представляет собой систему сбора, обра­ ботки и хранения информации, необходимой для решения определенных задач. Одной из таких задач, которую можно отнести к категории главных, является выявление тенденций изменения состояния окружающей среды, отдельных ее компонентов, природных и природно-техногенных систем и объектов, находяшихся под влиянием природных или техногенных процес­ сов. Затем следует составление долгосрочных и краткосрочных прогнозов.

Эти данные используются для принятия управленческих решений, цель которых — предотвращение или снижение до минимума ущерба от негатив­ ных проявлений природных и техногенных процессов.

Задачи, для решения которых осуществляется мониторинг, определяют уровень, степень сложности, а также межгосударственную, государственную или ведомственную принадлежность организуемой системы наблюдений. Наиболее сложным является мониторинг окружающей среды.

Типы мониторинга. Различают мониторинг глобальный, государствен­ ный, региональный, локальный и детальный. Каждый из этих уровней, на­ чиная с детального, предполагает организацию собственной системы наблю­ дений, сбора, обработки и передачи информации (мониторинга), которая в качестве подсистемы входит в систему более высокого уровня.

Общий мониторинг — это система контроля, охватывающая всю исследу­ емую территорию со всеми находящимися в ее пределах объектами. Прово­ дятся наблюдения за возможно большим числом параметров.

Специальный мониторинг — изучение характера изменений сравнитель­ но небольшого числа параметров или факторов на ограниченных участках либо на отдельных объектах, а также наблюдение за изменениями некото­ рых компонентов окружающей среды.

Структура мониторинга индивидуальна, подлежит разработке в каждом конкретном случае и пока не поддается жесткой регламентации, за исклю­ чением отдельных моментов. Создание мониторинга — это творческая раз­ работка. В общем виде для осуществления мониторинга должна быть со­ ставлена схема организации геолого-геофизического мониторинга, иногда называемая «рисунок». Для этого необходимы следующие мероприятия:

организовать сеть наблюдательных станций; разработать временной режим проведения измерений параметров; создать центр обработки и хранения информации.

Такая схема позволяет осуществлять мониторинг на всех уровнях — от отдельного объекта до территории государства в целом и имеет выход в си­ стему международного глобального мониторинга.

Классификацию систем мониторинга разных типов составляли многие ученые (Ю.А. Израэль, В.Д. Минченко). На кафедре инженерной геологии МГУ предложена следующая классификация.

150