В метеорологии осадки — это любой продукт конденсации атмосферного водяного пара , выпадающего из облаков под действием гравитации. [2] К основным формам осадков относятся морось , дождь , мокрый снег , снег , ледяная крупа , крупа и град . Осадки происходят, когда часть атмосферы насыщается водяным паром (достигая относительной влажности 100% ), в результате чего вода конденсируется и «выпадает в осадок» или выпадает. Таким образом, туман и туман представляют собой не осадки, а коллоиды , поскольку водяной пар не конденсируется в достаточной степени, чтобы выпадать в осадок. Два процесса, возможно, действующие вместе, могут привести к насыщению воздуха: охлаждение воздуха или добавление водяного пара в воздух. Осадки образуются, когда более мелкие капли сливаются в результате столкновения с другими каплями дождя или кристаллами льда внутри облака. Короткие, интенсивные периоды дождя в отдельных местах называются ливнями . [3]
Влага , которая поднимается или иным образом вынуждена подниматься над слоем ниже нуля воздуха на поверхности, может конденсироваться в облака и дождь. Этот процесс обычно активен во время ледяного дождя. Стационарный фронт часто присутствует вблизи области ледяного дождя и служит фокусом нагнетания и подъема воздуха. При наличии необходимой и достаточной влажности в атмосфере влага в восходящем воздухе будет конденсироваться в облака, а именно в слоисто-дождевые и кучево-дождевые облака , если выпадают значительные осадки. В конце концов, капельки облаков вырастут достаточно большими, чтобы образовать капли дождя, и опускаются к Земле, где они замерзают при контакте с открытыми объектами. Там, где присутствуют относительно теплые водоемы, например, из-за испарения воды из озер, снегопад с эффектом озера становится проблемой с подветренной стороны от теплых озер в пределах холодного циклонического потока вокруг задней стороны внетропических циклонов . Снегопад, вызванный озером, может быть локально сильным. Громовой снег возможен в пределах запятой циклона и в полосах осадков с эффектом озера. В горных районах возможны сильные осадки там, где поток вверх по склону максимален на наветренной стороне местности на высоте. На подветренной стороне гор может существовать пустынный климат из-за сухости воздуха, вызванной нагревом от сжатия. Большинство осадков выпадает в тропиках [4] и вызвано конвекцией . Движение муссонной впадины , или внутритропической зоны конвергенции , приносит сезоны дождей в регионы саванны .
Осадки являются основным компонентом круговорота воды и ответственны за накопление пресной воды на планете. Приблизительно 505 000 кубических километров (121 000 кубических миль) воды выпадает в виде осадков каждый год: 398 000 кубических километров (95 000 кубических миль) над океанами и 107 000 кубических километров (26 000 кубических миль) над сушей. [5] Учитывая площадь поверхности Земли, это означает, что среднегодовое количество осадков в мире составляет 990 миллиметров (39 дюймов), но над сушей оно составляет всего 715 миллиметров (28,1 дюйма). Системы классификации климата, такие как система классификации климата Кеппена, используют среднегодовое количество осадков, чтобы помочь различать различные климатические режимы. Глобальное потепление уже вызывает изменения в погоде, увеличивая количество осадков в некоторых регионах и уменьшая их в других, что приводит к дополнительным экстремальным погодным явлениям . [6]
Осадки могут выпадать и на других небесных телах. На крупнейшем спутнике Сатурна , Титане , выпадают метановые осадки в виде медленно падающего дождя , [7] который наблюдался в виде дождевых луж на его экваторе [8] и в полярных регионах. [9] [10]
Осадки являются основным компонентом круговорота воды и ответственны за отложение большей части пресной воды на планете. Ежегодно в виде осадков выпадает около 505 000 км 3 (121 000 кубических миль), из них 398 000 км 3 (95 000 кубических миль) приходится на океаны. [5] Учитывая площадь поверхности Земли, это означает, что среднегодовое количество осадков в мире составляет 990 миллиметров (39 дюймов).
Механизмы образования осадков включают конвективные, стратиформные , [11] и орографические осадки. [12] Конвективные процессы включают сильные вертикальные движения, которые могут вызвать переворот атмосферы в этом месте в течение часа и вызвать обильные осадки, [13] в то время как слоистые процессы включают более слабые восходящие движения и менее интенсивные осадки. [14] Осадки можно разделить на три категории в зависимости от того, выпадают ли они в виде жидкой воды, жидкой воды, замерзающей при контакте с поверхностью, или льда. Смеси разных типов осадков, в том числе разных категорий, могут выпадать одновременно. К жидким формам осадков относятся дождь и изморось. Дождь или морось, которая замерзает при контакте с замерзающей воздушной массой , называется «ледяным дождем» или «ледяной моросью». Замороженные формы осадков включают снег, ледяные иглы , ледяную крупу , град и крупу . [15]
Точка росы — это температура, до которой необходимо охладить воздух, чтобы он стал насыщенным и (если не происходит перенасыщения) конденсируется в воду. [18] Водяной пар обычно начинает конденсироваться на ядрах конденсации , таких как пыль, лед и соль, с образованием облаков. Концентрация ядер конденсации облаков будет определять микрофизику облаков. [19] Приподнятая часть фронтальной зоны вызывает широкие области подъема, которые образуют облачные слои, такие как высокослоистые или перисто-слоистые . Слоистые облака — это устойчивая облачная палуба, которая имеет тенденцию образовываться, когда холодная, стабильная воздушная масса оказывается в ловушке под теплой воздушной массой. Он также может образовываться из-за подъема адвекционного тумана во время ветреной погоды. [20]
Существует четыре основных механизма охлаждения воздуха до точки росы: адиабатическое охлаждение, кондуктивное охлаждение, радиационное охлаждение и испарительное охлаждение. Адиабатическое охлаждение происходит, когда воздух поднимается и расширяется. [21] Воздух может подниматься из-за конвекции , крупномасштабных атмосферных движений или физического барьера, такого как гора ( орографический подъем ). Кондуктивное охлаждение происходит, когда воздух вступает в контакт с более холодной поверхностью [22] , обычно путем переноса с одной поверхности на другую, например, с поверхности жидкой воды на более холодную землю. Радиационное охлаждение происходит за счет испускания инфракрасного излучения либо воздухом, либо поверхностью под ним. [23] Испарительное охлаждение происходит, когда в воздух добавляется влага в результате испарения, что заставляет температуру воздуха понижаться до температуры по влажному термометру или до тех пор, пока она не достигнет насыщения. [24]
Основными способами добавления водяного пара в воздух являются: схождение ветра в области восходящего движения, [13] осадки или вирга, падающие сверху, [25] дневное нагревание, испаряющее воду с поверхности океанов, водоемов или влажных земель, [ 26] транспирация растений, [27] прохладный или сухой воздух, движущийся над более теплой водой, [28] и подъем воздуха над горами. [29]
Слияние происходит, когда капли воды сливаются, образуя более крупные капли воды, или когда капли воды замерзают на кристалле льда, что известно как процесс Бержерона . Скорость падения очень мелких капель незначительна, поэтому облака не падают с неба; осадки будут происходить только тогда, когда они объединятся в более крупные капли. Капли разного размера будут иметь разную конечную скорость, что приводит к столкновению капель и образованию более крупных капель. Турбулентность усиливает процесс столкновения. [30] По мере того, как эти более крупные капли воды опускаются, слияние продолжается, так что капли становятся достаточно тяжелыми, чтобы преодолеть сопротивление воздуха и выпасть в виде дождя. [31]
Капли дождя имеют размеры от 5,1 до 20 миллиметров (от 0,20 до 0,79 дюйма) в среднем диаметре, выше которого они имеют тенденцию распадаться. Капли меньшего размера называются облачными, и их форма сферическая. По мере того, как капля дождя увеличивается в размерах, ее форма становится более сплюснутой , причем ее наибольшее поперечное сечение обращено к набегающему потоку воздуха. В отличие от мультяшных изображений капель дождя, их форма не напоминает каплю. [32] Интенсивность и продолжительность осадков обычно обратно пропорциональны, т.е. штормы высокой интенсивности, вероятно, будут кратковременными, а штормы низкой интенсивности могут иметь большую продолжительность. [33] [34] Капли дождя, связанные с тающим градом, как правило, больше, чем другие капли дождя. [35] Код METAR для дождя — RA, а код для ливней — SHRA. [36]
Ледяная крупа или мокрый снег — это форма осадков, состоящая из маленьких полупрозрачных шариков льда. Ледяные крупинки обычно (но не всегда) меньше градины. [37] Они часто подпрыгивают при ударе о землю и, как правило, не замерзают в твердую массу, если только не смешаны с ледяным дождем . Код METAR для ледяных гранул — PL . [36]
Ледяные гранулы образуются, когда существует слой воздуха выше точки замерзания с воздухом ниже точки замерзания как сверху, так и снизу. Это вызывает частичное или полное таяние любых снежинок, попадающих сквозь теплый слой. Попадая обратно в нижезамерзающий слой ближе к поверхности, они повторно замерзают в ледяные гранулы. Однако если подмерзающий слой под теплым слоем слишком мал, осадки не успеют повторно замерзнуть, и в результате на поверхности образуется ледяной дождь. Профиль температуры, показывающий теплый слой над землей, скорее всего, будет обнаружен перед теплым фронтом в холодное время года [38] , но иногда его можно найти и за проходящим холодным фронтом .
Как и другие осадки, град образуется в грозовых облаках, когда переохлажденные капли воды замерзают при контакте с ядрами конденсации , такими как пыль или грязь. Восходящий поток урагана переносит градины в верхнюю часть облака. Восходящий поток рассеивается, градины падают обратно в восходящий поток и снова поднимаются. Град имеет диаметр 5 миллиметров (0,20 дюйма) и более. [39] В коде METAR GR используется для обозначения более крупного града диаметром не менее 6,4 миллиметра (0,25 дюйма). GR происходит от французского слова grêle. Град меньшего размера, а также снежная крупа имеют кодировку GS, которая является сокращением от французского слова grésil. [36] Камни размером чуть больше мяча для гольфа являются одним из наиболее часто встречающихся размеров града. [40] Грады могут вырасти до 15 сантиметров (6 дюймов) и весить более 500 граммов (1 фунт). [41] В крупных градинах скрытое тепло , выделяющееся при дальнейшем замерзании, может расплавить внешнюю оболочку градины. Затем градина может подвергнуться «влажному росту», когда жидкая внешняя оболочка собирает другие более мелкие градины. [42] Града покрывается слоем льда и становится все больше с каждым подъемом. Как только градина становится слишком тяжелой, чтобы ее мог поддерживать восходящий поток грозы, она падает из облака. [43]
Снежные кристаллы образуются, когда крошечные переохлажденные капельки облаков (диаметром около 10 мкм) замерзают. После замерзания капли она растет в перенасыщенной среде. Поскольку капель воды больше, чем кристаллов льда, кристаллы могут вырасти до сотен микрометров за счет капель воды. Этот процесс известен как процесс Вегенера-Бержерона-Финдейзена . Соответствующее истощение водяного пара приводит к испарению капель, а это означает, что кристаллы льда растут за счет капель. Эти крупные кристаллы являются эффективным источником осадков, поскольку из-за своей массы они падают в атмосферу, могут сталкиваться и слипаться в кластеры или агрегаты. Эти агрегаты представляют собой снежинки и обычно представляют собой частицы льда, падающие на землю. [44] В Книге рекордов Гиннеса самые большие в мире снежинки зарегистрированы как снежинки, появившиеся в январе 1887 года в Форт-Кио, штат Монтана; предположительно, ширина одного из них составляла 38 см (15 дюймов). [45] Точные детали механизма прилипания остаются предметом исследования.
Хотя лед прозрачный, рассеяние света гранями кристалла и впадинами/несовершенствами означает, что кристаллы часто кажутся белыми по цвету из-за диффузного отражения всего спектра света маленькими частицами льда. [46] Форма снежинки во многом определяется температурой и влажностью, при которых она формируется. [44] Редко, при температуре около -2 ° C (28 ° F), снежинки могут образовывать тройную симметрию - треугольные снежинки. [47] Наиболее распространенные частицы снега визуально имеют неправильную форму, хотя на фотографиях чаще встречаются почти идеальные снежинки, поскольку они более привлекательны визуально. Нет двух одинаковых снежинок, [48] поскольку они растут с разной скоростью и по разным закономерностям в зависимости от изменения температуры и влажности в атмосфере, через которую они падают на пути к земле. [49] Код снега в METAR — SN, а снегопадам — код SHSN. [36]
Алмазная пыль, также известная как ледяные иглы или кристаллы льда, образуется при температуре, приближающейся к -40 ° C (-40 ° F), из-за воздуха с немного более высокой влажностью в результате смешивания наверху с более холодным приземным воздухом. [50] Они состоят из простых кристаллов льда шестиугольной формы. [51] Идентификатор алмазной пыли в системе METAR в международных ежечасных сводках погоды — IC. [36]
Скрытые отложения происходят, когда туман или воздух, сильно насыщенный водяным паром, взаимодействуют с листьями деревьев или кустарников, над которыми он проходит. [52]
Стратиформные или динамические осадки возникают в результате медленного подъема воздуха в синоптических системах (порядка см/с), например, над приземными холодными фронтами , а также над теплыми фронтами и впереди них . Аналогичный подъем наблюдается вокруг тропических циклонов за пределами стены глаза , а также в схемах осадков в виде запятой вокруг циклонов средних широт . [53] Вдоль закрытого фронта можно встретить самые разнообразные погодные условия, возможны грозы, но обычно их прохождение связано с высыханием воздушной массы. Фронты окклюзии обычно формируются вокруг зрелых областей низкого давления. [54] Осадки могут выпадать и на других небесных телах, кроме Земли. Когда становится холодно, на Марсе выпадают осадки, которые, скорее всего, принимают форму ледяных игл, а не дождя или снега. [55]
Конвективный дождь или ливневые осадки возникают из конвективных облаков, например, кучево-дождевых или кучевых облаков . Он выпадает в виде ливней с быстро меняющейся интенсивностью. Конвективные осадки выпадают на определенной территории за относительно короткое время, так как конвективные облака имеют ограниченную горизонтальную протяженность. Большая часть осадков в тропиках имеет конвективный характер; однако было высказано предположение, что происходят также стратиформные осадки. [34] [53] Крупа и град указывают на конвекцию. [56] В средних широтах конвективные осадки носят прерывистый характер и часто связаны с бароклинными границами, такими как холодные фронты , линии шквалов и теплые фронты. [57] Конвективные осадки в основном состоят из мезомасштабных конвективных систем и вызывают проливные дожди с грозами, ветровыми разрушениями и другими формами суровых погодных явлений.
Орографические осадки выпадают на наветренной (наветренной) стороне гор и вызываются восходящим движением крупномасштабного потока влажного воздуха через горный хребет, что приводит к адиабатическому охлаждению и конденсации. В горных частях света, подверженных относительно постоянным ветрам (например, пассатам ) , на наветренной стороне горы обычно преобладает более влажный климат, чем на подветренной или подветренной стороне. Влага удаляется орографическим подъемом, оставляя более сухой воздух (см. стоковой ветер ) на нисходящей и, как правило, нагревающейся подветренной стороне, где наблюдается дождевая тень . [29]
На Гавайях гора Вайалеале на острове Кауаи отличается обильным количеством осадков, поскольку она занимает второе место по величине среднегодового количества осадков на Земле - 12 000 миллиметров (460 дюймов) . [58] Штормовые системы влияют на штат сильными дождями в период с октября по март. Местный климат значительно различается на каждом острове из-за его топографии, которую можно разделить на наветренную ( Коолау ) и подветренную ( Кона ) области в зависимости от местоположения относительно более высоких гор. Наветренные стороны обращены к пассатам с востока на северо-восток и получают гораздо больше осадков; подветренные стороны более сухие и солнечные, с меньшим количеством осадков и меньшей облачностью. [59]
В Южной Америке горный хребет Анд блокирует попадание тихоокеанской влаги на этот континент, в результате чего климат на западе Аргентины становится похожим на пустынный. [60] Диапазон Сьерра -Невада создает тот же эффект в Северной Америке, образуя Большой Бассейн и пустыни Мохаве . [61] [62] Точно так же в Азии Гималаи создают препятствие для муссонов, что приводит к чрезвычайно большому количеству осадков на южной стороне и более низким уровням осадков на северной стороне.
Внетропические циклоны могут приносить холод и опасные условия с проливным дождем и снегом, а скорость ветра превышает 119 км/ч (74 миль в час) [63] (в Европе их иногда называют ураганами ). Полоса осадков, связанная с их теплым фронтом , часто бывает обширной, вызванной слабым вертикальным движением воздуха вверх по границе фронта, который конденсируется по мере охлаждения и производит осадки в пределах удлиненной полосы, [64] которая является широкой и стратиформной , что означает выпадение из слоисто-дождевых облаков. [65] Когда влажный воздух пытается вытеснить арктическую воздушную массу, на полярной стороне удлиненной полосы осадков может образоваться снег . В Северном полушарии направление к полюсу — к Северному полюсу или северу. В Южном полушарии направление к полюсу — к Южному полюсу или югу.
К юго-западу от внетропических циклонов изогнутый циклонический поток, переносящий холодный воздух через относительно теплые водоемы, может привести к образованию узких снежных полос с эффектом озера . Эти полосы приносят сильный локальный снегопад, который можно понять следующим образом: крупные водоемы, такие как озера, эффективно аккумулируют тепло, что приводит к значительной разнице температур (более 13 °C или 23 °F) между поверхностью воды и воздухом над ней. [66] Из-за этой разницы температур тепло и влага переносятся вверх, конденсируясь в вертикально ориентированные облака (см. спутниковое изображение), которые вызывают снежные ливни. На снижение температуры с высотой и глубиной облаков напрямую влияют как температура воды, так и крупномасштабная окружающая среда. Чем сильнее снижается температура с высотой, тем глубже становятся облака и тем больше становится интенсивность осадков. [67]
В горных районах обильные снегопады накапливаются, когда воздух вынужден подниматься в горы и выдавливать по их наветренным склонам осадки, которые в холодные условия выпадают в виде снега. Из-за пересеченной местности прогнозирование места сильного снегопада остается серьезной проблемой. [68]
Влажный или дождливый сезон — это время года, охватывающее один или несколько месяцев, когда выпадает большая часть среднегодового количества осадков в регионе. [69] Термин «зеленый сезон» также иногда используется туристическими властями как эвфемизм. [70] Области с влажными сезонами разбросаны по частям тропиков и субтропиков. [71] Климат саванны и районы с муссонным режимом имеют влажное лето и сухую зиму. Технически в тропических лесах нет засушливых или влажных сезонов, поскольку осадки в них равномерно распределяются в течение года. [72] В некоторых районах с ярко выраженными сезонами дождей в середине сезона количество осадков прекратится, когда в середине теплого сезона внутритропическая зона конвергенции или муссонная впадина сместятся к полюсу от их местоположения. [33] Когда сезон дождей наступает в теплое время года или летом, дождь выпадает в основном во второй половине дня и в ранние вечерние часы. Сезон дождей — это время, когда качество воздуха улучшается, [73] улучшается качество пресной воды, [74] [75] и значительно растет растительность. Питательные вещества в почве уменьшаются, а эрозия увеличивается. [33] У животных есть стратегии адаптации и выживания к более влажному режиму. Предыдущий засушливый сезон привел к нехватке продовольствия в сезон дождей, поскольку урожай еще не созрел. Развивающиеся страны отмечают, что их население испытывает сезонные колебания веса из-за нехватки продовольствия, наблюдаемой перед первым сбором урожая, который происходит в конце сезона дождей. [76]
Тропические циклоны, источник очень сильных осадков, состоят из больших воздушных масс в несколько сотен миль в поперечнике с низким давлением в центре и ветрами, дующими внутрь, к центру, либо по часовой стрелке (южное полушарие), либо против часовой стрелки (северное полушарие). [77] Хотя циклоны могут унести огромное количество жизней и личного имущества, они могут быть важными факторами в режиме осадков в местах, на которые они воздействуют, поскольку они могут принести столь необходимые осадки в засушливые регионы. [78] Районы на их пути могут получить годовое количество осадков от прохождения тропического циклона. [79]
В крупном масштабе наибольшее количество осадков за пределами топографии выпадает в тропиках, тесно связанных с зоной внутритропической конвергенции , которая сама является восходящей ветвью ячейки Хэдли . Горные районы вблизи экватора в Колумбии являются одними из самых влажных мест на Земле. [80] К северу и югу от этого находятся регионы нисходящего воздуха, которые образуют субтропические хребты , где осадков мало; [81] Поверхность суши под этими хребтами обычно засушливая, и эти регионы составляют большую часть пустынь Земли. [82] Исключением из этого правила являются Гавайи, где восходящий поток из-за пассатов приводит к одному из самых влажных мест на Земле. [83] В противном случае поток западных ветров в Скалистые горы приведет к самым влажным, а на высоте самым снежным, [84] местам в Северной Америке. В Азии во время сезона дождей поток влажного воздуха в Гималаи приводит к выпадению одного из самых больших количеств осадков, измеренных на Земле, на северо-востоке Индии.
Стандартным способом измерения количества осадков или снегопада является стандартный дождемер, который можно найти в пластиковом исполнении диаметром 100 мм (3,9 дюйма) и в металлическом исполнении диаметром 200 мм (7,9 дюйма). [85] Внутренний цилиндр наполняется дождевой водой толщиной 25 мм (0,98 дюйма), при этом излишки стекают во внешний цилиндр. Пластиковые манометры имеют маркировку на внутреннем цилиндре с разрешением до 0,25 мм (0,0098 дюйма), тогда как для металлических манометров требуется использование стержня с соответствующей маркировкой 0,25 мм (0,0098 дюйма). После того, как внутренний цилиндр заполнен, количество внутри выбрасывается, а затем заполняется оставшимися осадками во внешнем цилиндре до тех пор, пока вся жидкость во внешнем цилиндре не исчезнет, добавляя к общей сумме, пока внешний цилиндр не опустеет. Эти манометры используются зимой, когда снимают воронку и внутренний цилиндр и позволяют снегу и ледяному дождю собираться внутри внешнего цилиндра. Некоторые добавляют в манометр антифриз, чтобы не растапливать снег или лед, попадающий в манометр. [86] Как только снегопад/лед перестанет накапливаться или приблизится к высоте 300 мм (12 дюймов), можно либо внести его внутрь, чтобы растопить, либо использовать теплую воду для заполнения внутреннего цилиндра, чтобы растопить замерзшие осадки в внешний цилиндр, отслеживающий добавленную теплую жидкость, которая впоследствии вычитается из общего количества, как только весь лед/снег растает. [87]
Другие типы датчиков включают популярный клиновой датчик (самый дешевый и самый хрупкий дождемер), дождемер с опрокидывающимся ковшом и весовой дождемер . [88] Измерители клина и опрокидывающегося ковша имеют проблемы со снегом. Попытки компенсировать наличие снега/льда путем нагревания опрокидывающегося ковша имеют ограниченный успех, поскольку снег может сублимировать, если давление воздуха будет значительно выше нуля. Весы с антифризом вполне справляются со снегом, но опять же, перед началом мероприятия воронку необходимо снять. Для тех, кто хочет измерить количество осадков с наименьшими затратами, цилиндрическая банка с прямыми сторонами будет действовать как дождемер, если оставить ее на открытом воздухе, но ее точность будет зависеть от того, какой линейкой используется для измерения дождя. Любой из вышеперечисленных дождемеров можно изготовить в домашних условиях при наличии достаточных ноу-хау. [89]
При измерении количества осадков в Соединенных Штатах и других странах существуют различные сети, где измерения количества осадков могут быть отправлены через Интернет, например CoCoRAHS или GLOBE . [90] [91] Если сеть недоступна в районе проживания, ближайший местный метеорологический офис, скорее всего, будет заинтересован в измерениях. [92]
Концепция, используемая при измерении осадков, - это гидрометеор. Любые частицы жидкой или твердой воды в атмосфере известны как гидрометеоры. Образования, возникающие в результате конденсации, такие как облака, дымка , туман и мгла, состоят из гидрометеоров. Все типы осадков по определению состоят из гидрометеоров, включая виргу , то есть осадки, которые испаряются, не достигая земли. Частицы, уносимые ветром с поверхности Земли, такие как метель и морские брызги, также являются гидрометеорами , как и град и снег . [93]
Хотя приземные осадкомеры считаются стандартом для измерения осадков, существует множество областей, в которых их использование невозможно. Сюда входят обширные просторы океана и отдаленные участки суши. В других случаях распространению данных измерений препятствуют социальные, технические или административные проблемы. В результате современные глобальные данные об осадках во многом зависят от спутниковых наблюдений. [94]
Спутниковые датчики работают путем дистанционного зондирования осадков — записи различных частей электромагнитного спектра , которые, как показывает теория и практика, связаны с возникновением и интенсивностью осадков. Датчики почти исключительно пассивны и записывают то, что видят, подобно камере, в отличие от активных датчиков ( радаров , лидаров ), которые посылают сигнал и обнаруживают его воздействие на наблюдаемую область.
В настоящее время практически используемые спутниковые датчики осадков делятся на две категории. Тепловые инфракрасные (ИК) датчики регистрируют канал с длиной волны около 11 микрон и в первую очередь предоставляют информацию о вершинах облаков. Из-за типичной структуры атмосферы температура верхней границы облаков примерно обратно пропорциональна высоте верхней границы облаков, а это означает, что более холодные облака почти всегда встречаются на больших высотах. Кроме того, вершины облаков с большим количеством мелкомасштабных вариаций, вероятно, будут более энергичными, чем облака с гладкими вершинами. Различные математические схемы или алгоритмы используют эти и другие свойства для оценки осадков по ИК-данным. [95]
Вторая категория каналов датчиков находится в микроволновой части электромагнитного спектра. Используемые частоты варьируются от 10 гигагерц до нескольких сотен ГГц. Каналы примерно до 37 ГГц в основном передают информацию о жидких гидрометеорах (дожде и мороси) в нижних частях облаков, при этом большие объемы жидкости излучают большее количество энергии микроволнового излучения . Каналы выше 37 ГГц отображают сигналы излучения, но в них преобладает действие твердых гидрометеоров (снег, крупа и т. д.), рассеивающих энергию микроволнового излучения. Такие спутники, как миссия по измерению тропических осадков (TRMM) и миссия по глобальному измерению осадков (GPM), используют микроволновые датчики для формирования оценок осадков.
Было продемонстрировано, что дополнительные сенсорные каналы и продукты предоставляют дополнительную полезную информацию, включая видимые каналы, дополнительные ИК-каналы, каналы водяного пара и данные зондирования атмосферы. Однако в большинстве используемых в настоящее время наборов данных об осадках эти источники данных не используются. [96]
ИК-оценки имеют довольно низкую точность в коротких временных и пространственных масштабах, но доступны очень часто (15 минут или чаще) со спутников на геостационарной околоземной орбите. ИК лучше всего работает в случаях глубокой и энергичной конвекции, например в тропиках, и становится все менее полезным в районах, где преобладают стратиформные (слоистые) осадки, особенно в регионах средних и высоких широт. Более прямая физическая связь между гидрометеорами и микроволновыми каналами дает микроволновым оценкам более высокую точность в коротких временных и пространственных масштабах, чем в ИК-диапазоне. Однако микроволновые датчики летают только на низкоорбитальных спутниках, и их настолько мало, что среднее время между наблюдениями превышает три часа. Этого интервала в несколько часов недостаточно для адекватного документирования осадков из-за временного характера большинства систем выпадения осадков, а также неспособности одного спутника должным образом зафиксировать типичный суточный цикл осадков в данном месте.
С конца 1990-х годов было разработано несколько алгоритмов для объединения данных об осадках, полученных от датчиков нескольких спутников, с целью подчеркнуть сильные стороны и минимизировать недостатки отдельных наборов входных данных. Цель состоит в том, чтобы предоставить «лучшие» оценки осадков в единой временной/пространственной сетке, обычно для как можно большей части земного шара. В некоторых случаях подчеркивается долгосрочная однородность набора данных, что является стандартом записи климатических данных .
В других случаях целью является получение наилучшей мгновенной спутниковой оценки, что представляет собой подход, основанный на продукте осадков с высоким разрешением. В любом случае, конечно, менее выраженная цель также считается желательной. Одним из ключевых результатов многоспутниковых исследований является то, что включение даже небольшого количества данных наземных датчиков очень полезно для контроля систематических ошибок, свойственных спутниковым оценкам. Трудности в использовании данных датчиков заключаются в том, что 1) их доступность ограничена, как отмечалось выше, и 2) лучший анализ данных датчиков занимает два месяца или более после времени наблюдения для прохождения необходимой передачи, сборки, обработки и контроля качества. Таким образом, оценки осадков, включающие данные датчиков, как правило, производятся позже времени наблюдения, чем оценки без датчиков. В результате, хотя оценки, включающие данные датчиков, могут обеспечить более точное описание «истинных» осадков, они, как правило, не подходят для приложений, работающих в режиме реального или близкого к реальному времени.
Описанная работа привела к созданию множества наборов данных, имеющих разные форматы, временные/пространственные сетки, периоды записи и регионы охвата, входные наборы данных и процедуры анализа, а также множество различных форм обозначений версий наборов данных. [97] Во многих случаях один из современных многоспутниковых наборов данных является лучшим выбором для общего использования.
Вероятность или вероятность события с заданной интенсивностью и продолжительностью называется периодом или частотой повторяемости . [98] Интенсивность шторма можно предсказать для любого периода повторяемости и продолжительности шторма на основе графиков, основанных на исторических данных для данного места. [99] Термин «ураган 1 раз в 10 лет» описывает ливень, который является редким и может происходить только один раз в 10 лет, поэтому его вероятность в любой конкретный год составляет 10 процентов. Количество осадков будет больше, а наводнение будет сильнее, чем самый сильный шторм, ожидаемый за любой год. Термин «шторм 1 раз в 100 лет» описывает выпадение дождя, которое является чрезвычайно редким и которое произойдет с вероятностью только один раз в столетие, поэтому его вероятность составляет 1 процент в любой конкретный год. Дожди будут экстремальными, а наводнение будет сильнее, чем случается 1 раз в 10 лет. Как и в случае со всеми вероятностными событиями, возможно, хотя и маловероятно, что произойдет два «шторма 1 из 100 лет» в течение одного года. [100]
Значительная часть годового количества осадков в любом конкретном месте (метеостанции в Африке или Южной Америке не рассматривались) выпадает всего за несколько дней, обычно около 50% в течение 12 дней с наибольшим количеством осадков. [101]
Классификация Кеппена зависит от среднемесячных значений температуры и осадков. Наиболее часто используемая форма классификации Кеппена включает пять основных типов, обозначенных от A до E. В частности, основными типами являются A, тропический; Б – сухой; C — умеренная средняя широта; D — холодная средняя широта; и Е — полярный. Пять основных классификаций можно далее разделить на вторичные классификации, такие как тропический лес , муссоны , тропическая саванна , влажный субтропический , влажный континентальный , океанический климат , средиземноморский климат , степь , субарктический климат , тундра , полярная ледяная шапка и пустыня .
Тропические леса характеризуются большим количеством осадков: по определениям минимальное нормальное годовое количество осадков составляет от 1750 до 2000 мм (от 69 до 79 дюймов). [103] Тропическая саванна — это луговой биом , расположенный в регионах с полузасушливым и полувлажным климатом субтропических и тропических широт, с количеством осадков от 750 до 1270 мм (от 30 до 50 дюймов) в год. Они широко распространены в Африке, а также встречаются в Индии, северной части Южной Америки, Малайзии и Австралии. [104] В зоне влажного субтропического климата зимние дожди (а иногда и снегопады) связаны с сильными штормами, которые западные ветры направляют с запада на восток. Большая часть летних осадков выпадает во время гроз и периодических тропических циклонов. [105] Влажный субтропический климат лежит на восточной стороне континентов, примерно между 20° и 40° широты от экватора. [106]
Океанический (или морской) климат обычно встречается вдоль западных побережий в средних широтах всех континентов мира, граничащих с прохладными океанами, а также с юго-восточной Австралией, и сопровождается обильными осадками круглый год. [107] Средиземноморский климатический режим напоминает климат земель Средиземноморского бассейна, некоторых частей западной части Северной Америки, частей западной и южной Австралии, юго-западной части Южной Африки и некоторых частей центрального Чили. Климат характеризуется жарким сухим летом и прохладной влажной зимой. [108] Степь – это сухой луг. [109] Субарктический климат холодный, с постоянной вечной мерзлотой и небольшим количеством осадков. [110]
Осадки, особенно дождь, оказывают сильное влияние на сельское хозяйство. Всем растениям для выживания требуется хотя бы немного воды, поэтому дождь (будучи наиболее эффективным средством полива) важен для сельского хозяйства. Хотя регулярный режим дождя обычно жизненно важен для здоровья растений, слишком большое или слишком малое количество осадков может быть вредным и даже разрушительным для сельскохозяйственных культур. Засуха может привести к гибели сельскохозяйственных культур и усилению эрозии, [111] а слишком влажная погода может вызвать рост вредных грибков. [112] Чтобы выжить, растениям необходимо различное количество осадков. Например, некоторым кактусам требуется небольшое количество воды, [113] в то время как тропическим растениям для выживания может потребоваться до сотен дюймов дождя в год.
В районах с влажным и засушливым сезонами количество питательных веществ в почве уменьшается, а эрозия увеличивается во время сезона дождей. [33] У животных есть стратегии адаптации и выживания к более влажному режиму. Предыдущий засушливый сезон привел к нехватке продовольствия в сезон дождей, поскольку урожай еще не созрел. [114] Развивающиеся страны отмечают, что их население испытывает сезонные колебания веса из-за нехватки продовольствия, наблюдаемой перед первым сбором урожая, который происходит в конце сезона дождей. [76]
Повышение температуры приводит к увеличению испарения, что приводит к увеличению количества осадков. Количество осадков в целом увеличилось над сушей к северу от 30 ° с.ш. с 1900 по 2005 год, но уменьшилось в тропиках с 1970-х годов. В глобальном масштабе за последнее столетие не наблюдалось статистически значимой общей тенденции количества осадков, хотя тенденции сильно различались в зависимости от региона и времени. В 2018 году исследование, оценивающее изменения в количестве осадков в пространственных масштабах с использованием глобального набора данных об осадках с высоким разрешением за более чем 33 года, пришло к выводу, что «несмотря на наличие региональных тенденций, нет никаких свидетельств увеличения количества осадков в глобальном масштабе в ответ на наблюдаемое глобальное потепление». [116]
В каждом регионе мира будут наблюдаться изменения количества осадков из-за их уникальных условий. Восточные части Северной и Южной Америки, северной Европы, а также Северной и Центральной Азии стали более влажными. Сахель, Средиземноморье, юг Африки и некоторые районы южной Азии стали более засушливыми. За последнее столетие во многих районах увеличилось количество сильных осадков, а с 1970-х годов увеличилась распространенность засух, особенно в тропиках и субтропиках. Об изменениях количества осадков и испарения над океанами свидетельствует уменьшение солености вод средних и высоких широт (что подразумевает большее количество осадков), а также увеличение солености в более низких широтах (что подразумевает меньшее количество осадков, большее испарение или то и другое). На прилегающей территории Соединенных Штатов общее годовое количество осадков увеличивалось в среднем на 6,1% за столетие с 1900 года, при этом наибольший рост наблюдался в восточно-северно-центральном климатическом регионе (11,6% за столетие) и на юге (11,1%). Гавайи были единственным регионом, где наблюдалось снижение (-9,25%). [117]
Городской остров тепла нагревает города на 0,6–5,6 °C (от 1,1 до 10,1 °F) по сравнению с окружающими пригородами и сельскими районами. Это дополнительное тепло приводит к усилению движения вверх, что может вызвать дополнительную активность ливней и гроз. Количество осадков с подветренной стороны от городов увеличивается с 48% до 116%. Отчасти из-за этого потепления ежемесячное количество осадков увеличивается примерно на 28% на расстоянии от 32 до 64 километров (от 20 до 40 миль) с подветренной стороны от города по сравнению с подветренной стороной. [118] В некоторых городах общее количество осадков увеличивается на 51%. [119]
Количественный прогноз осадков (сокращенно QPF) — это ожидаемое количество жидких осадков, накопленных за определенный период времени на определенной территории. [120] QPF будет указываться, когда измеримый тип осадков, достигающий минимального порога, прогнозируется в течение любого часа в течение периода действия QPF. Прогнозы осадков, как правило, привязаны к синоптическим часам, таким как 00:00, 06:00, 12:00 и 18:00 по Гринвичу . Рельеф учитывается в QPF с использованием топографии или на основе климатологических моделей осадков, полученных в результате наблюдений с высокой детализацией. [121] Начиная с середины и конца 1990-х годов, QPF использовались в моделях гидрологического прогноза для моделирования воздействия на реки по всей территории Соединенных Штатов. [122] Модели прогнозов демонстрируют значительную чувствительность к уровню влажности в пограничном слое планеты или на самых нижних уровнях атмосферы, который уменьшается с высотой. [123] QPF может генерироваться на количественной основе прогнозирования сумм или на качественной основе прогнозирования вероятности конкретной суммы . [124] Методы прогнозирования по радиолокационным изображениям демонстрируют более высокую эффективность , чем модельные прогнозы, в течение шести-семи часов с момента получения радиолокационного изображения. Прогнозы можно проверить с помощью измерений дождемеров , оценок метеорологических радиолокаторов или их комбинации. Для измерения ценности прогноза осадков можно определить различные показатели навыков. [125]
{{cite web}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)Половина годового количества осадков выпадает в самые влажные 12 дней в году в среднем по станциям наблюдения по всему миру.