Анализ погоды на поверхности представляет собой особый тип карты погоды , которая обеспечивает обзор погодных элементов в географической области в указанное время на основе информации с наземных метеостанций. [1]
Карты погоды создаются путем нанесения или отслеживания значений соответствующих величин, таких как давление на уровне моря , температура и облачность, на географическую карту, чтобы помочь найти синоптические масштабные объекты, такие как погодные фронты .
Первые карты погоды в 19 веке были составлены значительно позже, чтобы помочь разработать теорию штормовых систем. [2] После появления телеграфа впервые стали возможны одновременные наблюдения за погодой на поверхности , и начиная с конца 1840-х годов Смитсоновский институт стал первой организацией, которая проводила анализы поверхности в реальном времени. Использование анализа поверхности впервые началось в Соединенных Штатах, распространившись по всему миру в 1870-х годах. Использование норвежской модели циклона для фронтального анализа началось в конце 1910-х годов по всей Европе, и ее использование окончательно распространилось в Соединенных Штатах во время Второй мировой войны .
Анализы погоды на поверхности имеют специальные символы, которые показывают фронтальные системы, облачный покров, осадки или другую важную информацию. Например, H может представлять высокое давление , подразумевая ясное небо и относительно теплую погоду. L , с другой стороны, может представлять низкое давление , которое часто сопровождает осадки. Различные символы используются не только для фронтальных зон и других границ поверхности на погодных картах, но и для изображения текущей погоды в различных местах на погодной карте. Области осадков помогают определить тип и местоположение фронта.
Использование погодных карт в современном смысле началось в середине 19 века с целью разработки теории штормовых систем. [3] Развитие телеграфной сети к 1845 году позволило собирать информацию о погоде из нескольких удаленных мест достаточно быстро, чтобы сохранить ее ценность для приложений в реальном времени. Смитсоновский институт разработал свою сеть наблюдателей на большей части центральной и восточной части Соединенных Штатов между 1840-ми и 1860-ми годами. Корпус связи армии США унаследовал эту сеть между 1870 и 1874 годами по акту Конгресса и вскоре расширил ее на западное побережье. [4]
Данные о погоде были сначала менее полезными из-за разного времени, в которое проводились наблюдения за погодой. Первые попытки стандартизации времени были предприняты в Великобритании к 1855 году. Все Соединенные Штаты окончательно не попали под влияние часовых поясов до 1905 года, когда Детройт наконец установил стандартное время. [5] Другие страны последовали примеру Соединенных Штатов, проводя одновременные наблюдения за погодой, начиная с 1873 года. [6] Затем другие страны начали готовить анализы поверхности. Использование фронтальных зон на картах погоды не появлялось до введения норвежской модели циклонов в конце 1910-х годов, несмотря на более раннюю попытку Лумиса ввести подобное понятие в 1841 году. [7] Поскольку передний край изменений воздушных масс имел сходство с военными фронтами Первой мировой войны , термин «фронт» стал использоваться для обозначения этих линий. [8]
Несмотря на введение норвежской модели циклона сразу после Первой мировой войны, Соединенные Штаты официально не анализировали фронты на поверхности до конца 1942 года, когда в центре Вашингтона, округ Колумбия , открылся аналитический центр WBAN [9]. Попытки автоматизировать построение карт начались в Соединенных Штатах в 1969 году [10] , а процесс был завершен в 1970-х годах. Гонконг завершил свой процесс автоматизированного построения поверхности к 1987 году [11]. К 1999 году компьютерные системы и программное обеспечение, наконец, стали достаточно сложными, чтобы обеспечить возможность наложения на одну и ту же рабочую станцию спутниковых изображений, радиолокационных изображений и полей, полученных с помощью моделей, таких как толщина атмосферы и фронтогенез , в сочетании с наблюдениями за поверхностью для обеспечения наилучшего возможного анализа поверхности. В Соединенных Штатах это развитие было достигнуто, когда рабочие станции Intergraph были заменены рабочими станциями n- AWIPS . [12] К 2001 году различные анализы поверхности, проводимые Национальной метеорологической службой, были объединены в Единый анализ поверхности, который выпускается каждые шесть часов и объединяет анализы четырех различных центров. [13] Недавние достижения в области метеорологии и географических информационных систем позволили разработать точно подобранные карты погоды. Информацию о погоде можно быстро сопоставить с соответствующими географическими данными. Например, условия обледенения можно нанести на карту дорожной сети. Это, вероятно, продолжит приводить к изменениям в способе создания и отображения анализов поверхности в течение следующих нескольких лет. [14]
При анализе карты погоды в каждой точке наблюдения строится модель станции. В модели станции отображаются температура, точка росы, скорость и направление ветра , атмосферное давление, тенденция давления и текущая погода. [15] Круг в середине представляет облачный покров; заполненная часть представляет степень облачности . [16] За пределами Соединенных Штатов температура и точка росы отображаются в градусах Цельсия . Ветровой зубец указывает направление, откуда дует ветер. Каждый полный флаг на ветровом зубце представляет 10 узлов (19 км/ч) ветра, каждая половина флага представляет 5 узлов (9 км/ч). Когда ветер достигает 50 узлов (93 км/ч), заполненный треугольник используется для каждых 50 узлов (93 км/ч) ветра. [17] В Соединенных Штатах осадки, нанесенные в углу модели станции, указаны в дюймах . Международной стандартной единицей измерения осадков является миллиметр . После того, как на карте нанесено поле моделей станций, рисуются анализирующие изобары (линии равного давления), изаллобары (линии равного изменения давления), изотермы (линии равной температуры) и изотахи (линии равной скорости ветра). [18] Абстрактные погодные символы были разработаны так, чтобы занимать как можно меньше места на погодных картах. [ требуется ссылка ]
Синоптический масштабный объект — это объект, размеры которого велики по масштабу, более нескольких сотен километров в длину. [19] В этом масштабе существуют миграционные системы давления и фронтальные зоны. [ необходима ссылка ]
Центры поверхностных областей высокого и низкого давления, которые находятся внутри замкнутых изобар на поверхностном погодном анализе, являются абсолютными максимумами и минимумами в поле давления и могут с первого взгляда сказать пользователю, какая общая погода находится в их окрестностях. Карты погоды в англоговорящих странах будут отображать свои максимумы как Hs, а минимумы как Ls, [20] в то время как испаноговорящие страны будут отображать свои максимумы как As, а минимумы как Bs. [21]
Системы низкого давления, также известные как циклоны , находятся в минимумах в поле давления. Вращение происходит внутрь на поверхности и против часовой стрелки в северном полушарии, в отличие от вращения внутрь и по часовой стрелке в южном полушарии из-за силы Кориолиса . Погода обычно нестабильна вблизи циклона, с повышенной облачностью, усилением ветра, повышением температуры и восходящим движением в атмосфере, что приводит к увеличению вероятности осадков. Полярные циклоны могут образовываться над относительно мягкими водами океана, когда холодный воздух проникает из ледяной шапки. Относительно более теплая вода приводит к восходящей конвекции, вызывая образование циклона и выпадение осадков, как правило, в виде снега. Тропические циклоны и зимние штормы являются интенсивными разновидностями низкого давления. Над сушей термические циклоны указывают на жаркую погоду летом. [22]
Системы высокого давления, также известные как антициклоны , вращаются наружу на поверхности и по часовой стрелке в северном полушарии, в отличие от наружу и против часовой стрелки в южном полушарии. Под поверхностными максимумами опускание атмосферы слегка нагревает воздух за счет сжатия, что приводит к более ясному небу, более слабым ветрам и уменьшению вероятности осадков. [23] Нисходящий воздух сухой, поэтому требуется меньше энергии для повышения его температуры. Если высокое давление сохраняется, загрязнение воздуха будет накапливаться из-за загрязняющих веществ, захваченных вблизи поверхности, вызванных опускающимся движением, связанным с максимумом. [24]
Фронты в метеорологии — это границы между воздушными массами , имеющими различную плотность, температуру воздуха и влажность . Строго говоря, фронт отмечается на более теплом краю фронтальной зоны , где градиент очень большой. Когда фронт проходит через точку, он отмечается изменениями температуры, влажности, скорости и направления ветра, минимальным атмосферным давлением и изменением облачности, иногда с осадками. Холодные фронты развиваются там, где наступает холодная воздушная масса, теплые фронты — там, где наступает теплый воздух, а стационарный фронт не движется. Фронты классически огибают центры низкого давления, как показано на изображении , представленном здесь для северного полушария. В большем масштабе полярный фронт Земли представляет собой обострение общего температурного градиента от экватора до полюса, лежащее в основе высотного струйного течения по причинам термического ветрового баланса . Фронты обычно движутся с запада на восток, хотя они могут двигаться в направлении с севера на юг или даже с востока на запад ( фронт «заднего хода» ), когда воздушный поток огибает центр низкого давления. Фронтальные зоны могут быть искажены такими географическими особенностями, как горы и крупные водоемы. [13]
Холодный фронт расположен на переднем крае резкого градиента температуры на анализе изотермы , часто отмеченном острым ложбиной поверхностного давления . Холодные фронты могут двигаться в два раза быстрее, чем теплые фронты, и вызывать более резкие изменения погоды, поскольку холодный воздух плотнее теплого и быстро поднимает, а также выталкивает более теплый воздух. Холодные фронты обычно сопровождаются узкой полосой облаков, ливнями и грозами. На карте погоды поверхностное положение холодного фронта отмечено синей линией треугольников (точек), указывающих в направлении движения, на переднем крае более холодной воздушной массы. [13]
Теплые фронты отмечают положение на поверхности Земли, где относительно теплый объем воздуха продвигается в более холодный воздух. Фронт отмечен на теплом краю градиента на изотермах и лежит в ложбине низкого давления, которая, как правило, шире и слабее, чем у холодного фронта. Теплые фронты движутся медленнее холодных, потому что холодный воздух плотнее и только проталкивается вдоль (а не поднимается с) поверхности Земли. Теплая воздушная масса перекрывает холодную воздушную массу, поэтому изменения температуры и облачности происходят на больших высотах до тех, что происходят на поверхности. Облака перед теплым фронтом в основном слоистые с осадками, которые постепенно увеличиваются по мере приближения фронта. Перед теплым фронтом нисходящие основания облаков часто начинаются с перистых и перисто-слоистых (высокого уровня), затем с высокослоистых (среднего уровня) облаков и, в конечном итоге, ниже в атмосфере по мере прохождения фронта. Туман может предшествовать теплому фронту, когда осадки выпадают в областях с более холодным воздухом, но повышение температуры поверхности и ветер, как правило, рассеивают его после прохождения теплого фронта. Случаи с нестабильностью окружающей среды могут способствовать развитию грозы. На погодных картах поверхностное расположение теплого фронта отмечено красной линией из полукругов, указывающих направление движения.
Классический взгляд на окклюдированный фронт заключается в том, что они образуются, когда холодный фронт настигает теплый фронт. [25] Более современный взгляд предполагает, что они образуются непосредственно во время заворачивания бароклинной зоны во время циклогенеза и удлиняются из-за деформации потока и вращения вокруг циклона. [26]
Окклюдированные фронты обозначены на карте погоды фиолетовой линией с чередующимися полукругами и треугольниками, указывающими направление движения: то есть смесью теплых и холодных фронтальных цветов и символов. Окклюзии можно разделить на теплые и холодные типы. [27] При холодной окклюзии воздушная масса, обгоняющая теплый фронт, холоднее, чем холодный воздух перед теплым фронтом, и пробирается под обе воздушные массы. При теплой окклюзии воздушная масса, обгоняющая теплый фронт, не такая холодная, как холодный воздух перед теплым фронтом, и едет по более холодной воздушной массе, поднимая теплый воздух. Окклюдированные фронты обозначены на карте погоды фиолетовой линией с чередующимися полукругами и треугольниками, указывающими направление движения. [13]
Окклюдированные фронты обычно формируются вокруг систем низкого давления на зрелых или поздних стадиях их жизненного цикла, но некоторые продолжают углубляться после окклюзии, а некоторые вообще не формируют окклюдированные фронты. Погода, связанная с окклюдированным фронтом, включает в себя различные модели облаков и осадков, включая сухие щели и полосчатые осадки. Холодные, теплые и окклюдированные фронты часто встречаются в точке окклюзии или тройной точке. [28]
Стационарный фронт — это неподвижная граница между двумя различными воздушными массами. Они, как правило, остаются в одной и той же области в течение длительных периодов времени, иногда волнообразно двигаясь. [29] Часто менее крутой температурный градиент продолжается позади (на холодной стороне) резкой фронтальной зоны с более широко разнесенными изотермами. Вдоль стационарного фронта можно обнаружить большое разнообразие погоды, характеризующееся больше своим длительным присутствием, чем определенным типом. Стационарные фронты могут рассеяться через несколько дней, но могут превратиться в холодный или теплый фронт, если условия наверху изменятся, перемещая одну воздушную массу к другой. Стационарные фронты отмечены на погодных картах чередующимися красными полукругами и синими пиками, направленными в противоположных направлениях, что указывает на отсутствие значительного движения. [ необходима цитата ]
По мере выравнивания температур воздушных масс стационарные фронты могут уменьшаться в масштабе, превращаясь в узкую зону, где направление ветра меняется на коротком расстоянии, известную как линия сдвига [30] , изображенную в виде синей линии из отдельных чередующихся точек и тире. [13] [31]
Мезомасштабные особенности меньше синоптических масштабных систем, таких как фронты, но больше штормовых масштабных систем, таких как грозы. Горизонтальные размеры обычно варьируются от более десяти километров до нескольких сотен километров. [32]
Сухая линия — это граница между сухими и влажными воздушными массами к востоку от горных хребтов с похожей ориентацией на Скалистую гору , изображенная на переднем крае градиента точки росы или влажности. Вблизи поверхности теплый влажный воздух, который плотнее, чем теплый, сухой воздух, вклинивается под более сухой воздух таким же образом, как холодный фронт вклинивается под более теплый воздух. [33] Когда теплый влажный воздух, вклинившийся под более сухой массой, нагревается, он становится менее плотным и поднимается, иногда образуя грозы. [34] На больших высотах теплый влажный воздух менее плотный, чем холодный, сухой воздух, и наклон границы меняется на противоположный. Вблизи инверсии наверху возможна суровая погода, особенно когда образуется тройная точка с холодным фронтом. [ требуется ссылка ]
В дневные часы более сухой воздух спускается к поверхности, вызывая видимое движение сухой линии на восток. Ночью граница возвращается на запад, поскольку больше нет солнечного нагрева, который помогал бы перемешивать нижнюю часть атмосферы. [35] Если на сухой линии скапливается достаточно влаги, она может стать центром дневных и вечерних гроз. [36] Сухая линия изображается на анализах поверхности США как коричневая линия с гребешками или выпуклостями, обращенными во влажный сектор. Сухие линии являются одними из немногих поверхностных фронтов, где особые формы вдоль нарисованной границы не обязательно отражают направление движения границы. [37]
Организованные области грозовой активности не только усиливают уже существующие фронтальные зоны, но и могут опережать холодные фронты. Это опережение происходит по схеме, где струя верхнего уровня разделяется на два потока. Результирующая мезомасштабная конвективная система (МКС) формируется в точке разделения верхнего уровня ветровой картины в области наилучшего притока на низком уровне . Затем конвекция перемещается на восток и к экватору в теплый сектор, параллельно линиям толщины на низком уровне. Когда конвекция сильная и линейная или изогнутая, МКС называется линией шквала, с особенностью, размещенной на переднем крае, где существенно смещается ветер и повышается давление. [38] Даже более слабые и менее организованные области гроз приведут к локально более прохладному воздуху и более высокому давлению, а границы оттока существуют впереди этого типа активности, «SQLN» или «SQUALL LINE», в то время как границы оттока изображаются в виде ложбин с меткой «OUTFLOW BOUNDARY» или «OUTFLOW BNDRY». [ необходима ссылка ]
Фронты морского бриза возникают в солнечные дни, когда суша нагревает воздух над собой до температуры выше температуры воды. Аналогичные границы образуются по ветру на озерах и реках в течение дня, а также на прибрежных сушах ночью. Поскольку удельная теплоемкость воды настолько высока, в водоемах наблюдается небольшое суточное изменение температуры, даже в самые солнечные дни. Температура воды колеблется менее чем на 1 °C (1,8 °F). Напротив, суша, с более низкой удельной теплоемкостью, может измениться на несколько градусов в течение нескольких часов. [39]
Днем давление воздуха над сушей уменьшается, так как более теплый воздух поднимается. Относительно более холодный воздух над морем устремляется, чтобы заменить его. Результатом является относительно прохладный ветер с суши. Этот процесс обычно меняется на противоположный ночью, когда температура воды выше относительно суши, что приводит к морскому бризу с суши. Однако, если температура воды ночью холоднее, чем на суше, морской бриз может продолжаться, только несколько ослабев. Это обычно происходит вдоль побережья Калифорнии , например. [ необходима цитата ]
Если влаги достаточно, грозы могут формироваться вдоль фронтов морского бриза, которые затем могут выводить границы оттока. Это вызывает хаотичные режимы ветра/давления, если управляющий поток слабый. Как и все другие особенности поверхности, фронты морского бриза лежат внутри ложбин низкого давления. [ необходима цитата ]
Нисходящее ядро отражательной способности (DRC) — метеорологическое явление, наблюдаемое во время сверхъячеечных гроз , характеризующееся локализованной мелкомасштабной областью повышенной радиолокационной отражательной способности , которая спускается от эхо-выступа в нижние уровни грозы.
