Прогнозирование морской погоды — это процесс, с помощью которого моряки и метеорологические организации пытаются предсказать будущие погодные условия над океанами Земли . У мореплавателей уже много лет есть практические правила относительно навигации вокруг тропических циклонов , разделяющие шторм на две половины и проходящие через обычно более слабую и более судоходную половину их циркуляции. Прогнозы морской погоды , составленные различными метеорологическими организациями, можно проследить до затопления Royal Charter в 1859 году и RMS Titanic в 1912 году.
Ветер является движущей силой погоды на море, поскольку ветер создает локальные ветровые волны , длинные океанские зыби , а его течение вокруг субтропического хребта помогает поддерживать теплые течения, такие как Гольфстрим . Важность погоды над океаном во время Второй мировой войны привела к задержке или секретности прогнозов погоды, чтобы сохранить конкурентное преимущество. Во время Второй мировой войны различные страны строили метеорологические суда для целей прогнозирования и поддерживали их до 1985 года, чтобы помочь в трансокеанской навигации самолетов.
Добровольные наблюдения с судов , метеорологических буев , метеорологических спутников и численные прогнозы погоды использовались для диагностики и прогнозирования погоды в океанических районах Земли. С 1960-х годов роль численных прогнозов погоды в морях Земли стала играть большую роль в процессе прогнозирования. Такие элементы погоды, как состояние моря , поверхностные ветры, уровни приливов и температура поверхности моря , изучаются организациями, которым поручено прогнозировать погоду в открытых океанах и морях. В настоящее время Японское метеорологическое агентство , Национальная метеорологическая служба США и Метеобюро Соединенного Королевства создают морские прогнозы погоды для Северного полушария .
.jpg/1280px-StateLibQld_1_186783_Royal_Charter_(ship).jpg)
Государственные прогнозы погоды на море выпускаются по разным причинам, как правило, после морских катастроф.
В октябре 1859 года паровой клипер Royal Charter потерпел крушение в сильном шторме у острова Англси ; погибло 450 человек. В связи с этой потерей вице-адмирал Роберт Фицрой в феврале 1861 года ввел службу оповещения для судоходства, используя телеграфную связь. Это оставалось основной обязанностью Метеобюро Соединенного Королевства в течение некоторого времени после этого. В 1911 году Метеобюро начало выпускать морские прогнозы погоды, которые включали штормовые предупреждения по радио для районов вокруг Великобритании. Эта служба была прекращена во время и после Первой мировой войны , между 1914 и июнем 1921 года, и снова во время Второй мировой войны между 1939 и 1945 годами. [1]
Первая попытка морской метеорологической программы в Соединенных Штатах была инициирована в Новом Орлеане, штат Луизиана, армейским сигнальным корпусом Соединенных Штатов . Мемориальная записка от 23 января 1873 года предписывала наблюдателю за сигналами Нового Орлеана расшифровывать метеорологические данные из судовых журналов прибывающих в порт судов. [2] В 1904 году ответственность за морское прогнозирование была передана от ВМС США Бюро погоды, что позволило получать своевременные наблюдения с судов в море. [3] Крушение RMS Titanic в 1912 году сыграло ключевую роль в прогнозировании морской погоды во всем мире. В ответ на эту трагедию была сформирована международная комиссия для определения требований к более безопасным морским путешествиям. В 1914 году работа комиссии привела к принятию Международной конвенции по охране человеческой жизни на море . [4] В 1957 году для решения морских проблем Бюро погоды США начало издавать журнал Mariners Weather Log, который выходил два раза в месяц и содержал сведения о погодных условиях в прошлом, в первую очередь над океанами Северного полушария, информацию о сезонах тропических циклонов на земном шаре, ежемесячные климатологические сводки для использования на море и поощрял добровольные наблюдения за судами в море.
В Национальной метеорологической службе США (NWS) карты прогнозов погоды начали публиковаться офисами в Нью-Йорке, Сан-Франциско и Гонолулу для общественного пользования. Прогнозы по Северной Атлантике были переведены из закрытого проекта ВМС США в набор продуктов Национальной метеорологической службы по радиофаксу в 1971 году, в то время как прогнозы по северо-восточной части Тихого океана стали общедоступными тем же методом в 1972 году. [5] В период с 1986 по 1989 год [6] часть Национального метеорологического центра (NMC), известная как Центр океанических продуктов (OPC), отвечала за прогнозирование морской погоды в рамках NWS. [7] В период с августа 1989 по 1995 год подразделение, названное Отделением морских прогнозов, также занималось предоставлением объективного анализа и прогностических продуктов для морских и океанографических переменных. [8] [9] Центр морских прогнозов, позже переименованный в Центр океанических прогнозов , принял на себя обязательство США выпускать предупреждения и прогнозы для частей Северной Атлантики и Северной части Тихого океана с момента его создания в 1995 году. [4]
Пассаты дуют на запад в тропиках, [10] а западные ветры дуют на восток в средних широтах. [11] Эта схема ветра оказывает давление на поверхность субтропического океана с отрицательной завихренностью поперек северной части Атлантического океана . [12] Результирующий перенос Свердрупа направлен к экватору. [13] Из-за сохранения потенциальной завихренности, вызванной ветрами, движущимися к полюсам на западной периферии субтропического хребта, и увеличенной относительной завихренности движущейся на север воды, перенос уравновешивается узким, ускоряющимся течением к полюсу, которое течет вдоль западной границы океанического бассейна, перевешивая эффекты трения с западным пограничным течением, известным как течение Лабрадор . [14] Сохранение потенциальной завихренности также вызывает изгибы вдоль Гольфстрима, которые иногда прерываются из-за смещения положения Гольфстрима, образуя отдельные теплые и холодные вихри. [15] Этот общий процесс, известный как западная интенсификация, приводит к тому, что течения на западной границе океанического бассейна, такие как Гольфстрим, становятся сильнее, чем на восточной границе. [16]
Волны часто создаются штормами на большом расстоянии от пляжа, где они разбиваются, и распространение самых длинных волн ограничено только береговыми линиями. Например, волны, образующиеся в Индийском океане, были зарегистрированы в Калифорнии после более чем половины кругосветного путешествия. [17] Это расстояние позволяет волнам, составляющим волны, лучше сортироваться и не иметь сколов по мере их продвижения к побережью. Волны, образуемые штормовыми ветрами, имеют одинаковую скорость и будут группироваться и перемещаться друг с другом, в то время как другие, движущиеся даже на долю метра в секунду медленнее, будут отставать, в конечном итоге прибывая на много часов позже из-за пройденного расстояния. Время распространения от источника t пропорционально расстоянию X, деленному на период волны T . В глубокой воде это где g — ускорение свободного падения. [18] Например, для шторма, расположенного на расстоянии 10 000 километров (6200 миль), волны с периодом T = 15 с придут через 10 дней после шторма, а затем еще через 17 часов последуют волны длительностью 14 с.
Это рассеивающееся прибытие волн, сначала длительные периоды с сокращением пикового периода волны с течением времени, может быть использовано для определения расстояния, на котором были сформированы волны. В то время как состояние моря во время шторма имеет спектр частот с более или менее всегда одинаковой формой (т. е. четко определенный пик с доминирующими частотами в пределах плюс или минус 7% от пика), спектры волн становятся все более и более узкими, иногда до 2% или меньше, по мере того, как волны рассеиваются все дальше и дальше. Результатом является то, что группы волн (называемые серферами наборами) могут иметь большое количество волн. Примерно от семи волн на группу во время шторма это число возрастает до 20 и более в волнах от очень далеких штормов.
Путешествие по океану на парусном судне может занять много месяцев, [19] и распространенной опасностью является штиль из-за отсутствия ветра, [20] или снос с курса сильными штормами или ветрами, которые не позволяют двигаться в желаемом направлении. [21] Сильный шторм может привести к кораблекрушению и потере всего экипажа. [22] Парусные суда могут перевозить только определенное количество припасов в своих трюмах , поэтому им приходится тщательно планировать длительные плавания , чтобы включить в них соответствующие запасы , включая пресную воду . [23]
У моряков есть способ безопасно обходить тропические циклоны. Они разделяют тропические циклоны на две части, основываясь на их направлении движения, и маневрируют, чтобы избежать правого сегмента циклона в Северном полушарии (левого в Южном полушарии). Моряки называют правую сторону опасным полукругом , поскольку самый сильный дождь и самые сильные ветры и волны были расположены в этой половине шторма, поскольку скорость перемещения циклона и его вращательный ветер являются аддитивными. Другая половина тропического циклона называется судоходным полукругом [24], поскольку погодные условия уменьшаются (вычитаются) в этой части шторма. Правила большого пальца для судоходства, когда тропический циклон находится в их непосредственной близости, заключаются в том, чтобы избегать их, если это возможно, и не пересекать их прогнозируемый путь (пересекая T). Тем, кто движется через опасный полукруг, рекомендуется придерживаться истинного ветра по правому борту и делать как можно большее продвижение вперед. Судам, движущимся по судоходному полукругу, рекомендуется держать истинный ветер по правому борту, стараясь при этом продвигаться как можно дальше. [25]
Правило 1-2-3 (правило моряков 1-2-3 или опасная зона) — это руководство, которому обычно учат моряков для отслеживания и прогнозирования сильных штормов (в частности, ураганов и тропических штормов). Оно относится к округленным долгосрочным ошибкам прогноза Национального центра ураганов в 100-200-300 морских миль за 24-48-72 часа соответственно. Однако эти ошибки уменьшились до почти 50-100-150, поскольку прогнозисты NHC стали точнее прогнозировать траекторию тропических циклонов . «Опасная зона», которую следует избегать, строится путем расширения пути прогноза на радиус, равный соответствующим сотням миль плюс радиусы прогнозируемого ветра (размер шторма в эти часы). [26]
Передача энергии между ветром, дующим над поверхностью океана, и верхним слоем океана является важным элементом в волновой динамике. [27] Уравнение спектрального переноса волн используется для описания изменения спектра волн при изменении топографии. Оно моделирует генерацию волн, движение волн (распространение в жидкости), обмеление волн , рефракцию , передачу энергии между волнами и рассеивание волн. [28] Поскольку поверхностные ветры являются основным механизмом воздействия в уравнении спектрального переноса волн, модели океанских волн используют информацию, полученную с помощью числовых моделей прогнозирования погоды, в качестве входных данных для определения того, сколько энергии передается из атмосферы в слой на поверхности океана. Наряду с рассеиванием энергии через белые барашки и резонансом между волнами, поверхностные ветры из числовых моделей погоды позволяют делать более точные прогнозы состояния морской поверхности. [29]
Первые модели океанских волн были разработаны в 1960-х и 1970-х годах. Эти модели имели тенденцию переоценивать роль ветра в развитии волн и недооценивать волновые взаимодействия. Отсутствие знаний о том, как волны взаимодействуют друг с другом, предположения относительно максимальной высоты волны и недостатки компьютерной мощности ограничивали производительность моделей. После проведения экспериментов в 1968, 1969 и 1973 годах в прогнозах более точно учитывался ветровой поток из атмосферы Земли. Второе поколение моделей было разработано в 1980-х годах, но они не могли реалистично моделировать зыбь или изображать ветровые волны (также известные как ветровые волны), вызванные быстро меняющимися полями ветра, такими как в тропических циклонах. Это привело к разработке третьего поколения волновых моделей с 1988 года. [30] [31]
В этом третьем поколении моделей спектральное волновое уравнение переноса используется для описания изменения волнового спектра при изменении топографии. Оно моделирует генерацию волн, движение волн (распространение в жидкости), обмеление волн , рефракцию , передачу энергии между волнами и рассеивание волн. [28] Поскольку поверхностные ветры являются основным механизмом воздействия в спектральном волновом уравнении переноса, модели океанских волн используют информацию, полученную с помощью числовых моделей прогнозирования погоды, в качестве входных данных для определения того, сколько энергии передается из атмосферы в слой на поверхности океана. Наряду с рассеиванием энергии через белые барашки и резонансом между волнами, поверхностные ветры из числовых моделей погоды позволяют делать более точные прогнозы состояния морской поверхности. [29]
Идея стационарного метеорологического судна была предложена еще в 1921 году компанией Météo-France для поддержки судоходства и появления трансатлантической авиации . Созданное во время Второй мировой войны метеорологическое судно или океанское метеорологическое судно было судном, размещенным в океане в качестве платформы для метеорологических наблюдений за поверхностью и верхними слоями воздуха для использования в прогнозировании погоды. Они использовались во время Второй мировой войны, но не имели средств защиты, что привело к потере нескольких кораблей и многим человеческим жизням. Они в основном располагались в северной части Атлантического и северной части Тихого океанов, передавая сообщения по радио. Помимо своей функции по предоставлению метеорологических сообщений, эти суда помогали в поисково-спасательных операциях, поддерживали трансатлантические перелеты , [32] [33] выступали в качестве исследовательских платформ для океанографов , [34] [35] [36] следили за загрязнением морской среды , [37] и помогали прогнозировать погоду как синоптикам, так и в компьютерных атмосферных моделях . Научно-исследовательские суда по-прежнему активно используются в океанографии, включая физическую океанографию и интеграцию метеорологических и климатологических данных в науку о системе Земли .
Создание метеорологических судов оказалось настолько полезным во время Второй мировой войны, что Международная организация гражданской авиации (ИКАО) к 1948 году создала глобальную сеть из 13 метеорологических судов, семь из которых эксплуатировались Соединенными Штатами, одно совместно эксплуатировалось Соединенными Штатами и Канадой, два поставлялись Соединенным Королевством, одно поддерживалось Францией, одно было совместным предприятием Нидерландов и Бельгии , и одно совместно использовалось Соединенным Королевством, Норвегией и Швецией . [32] В конечном итоге это число было сокращено до девяти. [38] Соглашение об использовании метеорологических судов международным сообществом закончилось в 1985 году. [37]
Метеорологические буи — это приборы, которые собирают данные о погоде и океане в мировых океанах, а также помогают во время экстренного реагирования на разливы химических веществ , судебных разбирательств и инженерного проектирования . Заякоренные буи используются с 1951 года, [39] в то время как дрейфующие буи используются с 1972 года. [40] Заякоренные буи соединены с океанским дном с помощью цепей , нейлона или плавучего полипропилена . [41] С упадком метеорологических судов они стали играть более важную роль в измерении условий в открытом море с 1970-х годов. [42] В 1980-х и 1990-х годах сеть буев в центральной и восточной тропической части Тихого океана помогла изучить Эль-Ниньо — Южное колебание . [43] Заякоренные погодные буи имеют диаметр от 1,5 метров (4,9 футов) до 12 метров (39 футов), [41] [44] в то время как дрейфующие буи меньше, с диаметром от 30 сантиметров (12 дюймов) до 40 сантиметров (16 дюймов). [45] Дрейфующие буи являются доминирующей формой погодных буев по количеству, их 1250 по всему миру. Данные о ветре с буев имеют меньшую погрешность, чем с кораблей. [46] Существуют также различия в значениях измерений температуры поверхности моря между двумя платформами, связанные с глубиной измерения и с тем, нагревается ли вода судном, которое измеряет ее количество. [47]
Метеорологический спутник, используемый с 1960 года, — это тип спутника , который в основном используется для мониторинга погоды и климата Земли. Спутники могут быть полярно-орбитальными , охватывающими всю Землю асинхронно, или геостационарными , зависающими над одной и той же точкой на экваторе. [48] Метеорологические спутники видят больше, чем облака и облачные системы. Начиная со спутника Nimbus 3 в 1969 году, информация о температуре через атмосферный столб начала извлекаться спутниками из восточной части Атлантического океана и большей части Тихого океана, что привело к значительному улучшению прогнозов. [49] Городские огни, пожары, последствия загрязнения, полярные сияния , песчаные и пыльные бури, снежный покров, ледовое картирование, границы океанских течений, потоки энергии и т. д., а также другие типы экологической информации собираются с помощью метеорологических спутников. Другие экологические спутники могут обнаруживать изменения в растительности Земли, состоянии моря, цвете океана и ледяных полях. Эль-Ниньо и его влияние на погоду ежедневно отслеживаются с помощью спутниковых снимков. Метеорологические спутники, запущенные США, Европой, Индией, Китаем, Россией и Японией, в совокупности обеспечивают практически непрерывные наблюдения для глобальной системы слежения за погодой.
Коммерческое и рекреационное использование водных путей может быть существенно ограничено направлением и скоростью ветра, периодичностью и высотой волн , приливами и осадками. Каждый из этих факторов может влиять на безопасность морского транзита. Следовательно, были созданы различные коды для эффективной передачи подробных морских прогнозов погоды пилотам судов по радио, например MAFOR (морской прогноз). [50] Типичные прогнозы погоды можно получать в море с помощью RTTY , Navtex и Radiofax .
Предупреждения и прогнозы морской погоды в печатном виде и в виде прогностических карт выпускаются на пять дней вперед. Прогнозы в печатном виде включают прогнозы для открытого моря, морские прогнозы для открытого моря и прогнозы для прибрежных вод. Чтобы сократить длину прогнозных продуктов, для описания областей в море используются отдельные слова и фразы. Экспериментальные прогнозы высоты значительных волн с координатной привязкой начали выпускаться Центром прогнозирования океана в 2006 году, что стало первым шагом к цифровому морскому обслуживанию для открытого моря и прибрежных районов. Разрабатываются дополнительные продукты с координатной привязкой, такие как поверхностное давление и ветер. Недавно Национальная метеорологическая служба выпустила оперативную модель внетропических штормовых нагонов для предоставления экспериментальных рекомендаций по внетропическим штормовым нагонам для прибрежных бюро прогнозов погоды, чтобы помочь им в предупреждении и прогнозировании прибрежных наводнений . [4]
В Японском метеорологическом агентстве морские обсерватории находятся в Хакодате , Майдзуру , Кобе и Нагасаки . Эти станции наблюдают за океанскими волнами , уровнями приливов, температурой морской поверхности и океаническими течениями и т. д. в северо-западной части Тихого океана , а также в бассейнах Японского и Охотского морей и предоставляют морские метеорологические прогнозы, полученные на их основе, в сотрудничестве с Гидрографическим и океанографическим департаментом Береговой охраны Японии .
В Соединенном Королевстве Shipping Forecast — это радиопередача BBC Radio , содержащая сводки погоды и прогнозы для морей вокруг побережья Британских островов . Она производится Метеорологической службой и транслируется четыре раза в день BBC Radio 4 от имени Агентства морской и береговой охраны . Прогнозы, отправляемые по системе Navtex, используют аналогичный формат и те же морские районы. Воды вокруг Британских островов делятся на морские районы, также известные как погодные районы. [51]
В Национальной метеорологической службе США Центр прогнозирования океана (OPC), созданный в 1995 году, является одним из шести первоначальных сервисных центров Национальных центров прогнозирования окружающей среды (NCEP). [52] До 12 января 2003 года организация называлась Центром прогнозирования океана. [53] OPC выпускает прогнозы на пять дней вперед для океанских районов к северу от 31 градуса северной широты и к западу от 35 градуса западной долготы в Атлантике, а также по северо-восточной части Тихого океана к северу от 30 градуса северной широты и к востоку от 160 градуса восточной долготы . До недавнего времени OPC предоставлял прогнозные точки для тропических циклонов к северу от 20 градуса северной широты и к востоку от 60 градуса западной долготы Национальному центру ураганов . [54] OPC состоит из двух отделений: Отделения прогнозирования океана и Отделения приложений океана. Национальный центр ураганов охватывает морские районы к югу от 31-й параллели в Атлантике и 30-й параллели в Тихом океане между 35-м меридианом западной долготы и 140-м меридианом западной долготы. Прогнозное бюро метеорологической службы Гонолулу делает прогнозы в пределах области между 140-м меридианом западной долготы и 160-м меридианом восточной долготы , от 30-й параллели северной широты до экватора. [55]
Зона ответственности Национального центра по наблюдению за ураганами охватывает районы Южного полушария в Тихом океане до 18,5 градусов к юго-востоку от 120-го меридиана западной долготы . К югу от уравнения, NWS Honolulu Forecast Office прогнозирует на юг до 25-й параллели южной широты между 160-м меридианом восточной долготы и 120-м меридианом западной долготы. [55]
{{cite journal}}: |first1=имеет общее название ( помощь ){{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )