Анализ приземной погоды — это особый тип карты погоды , которая обеспечивает представление погодных элементов в географическом районе в определенное 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 облачный покров, на географической карте , чтобы помочь найти особенности синоптического масштаба , 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 стало возможным одновременное наблюдение за приземной погодой , и, начиная с конца 1840-х годов, Смитсоновский институт стал первой организацией, которая проводила приземный анализ в режиме реального времени. Использование поверхностного анализа началось сначала в Соединенных Штатах и распространилось по всему миру в 1870-х годах. Использование модели норвежского циклона для фронтального анализа началось в конце 1910-х годов по всей Европе, а во время Второй мировой войны ее использование наконец распространилось на Соединенные Штаты .
Анализы приземной погоды имеют специальные символы, которые показывают фронтальные системы, облачный покров, осадки или другую важную информацию. Например, буква H может обозначать высокое давление , подразумевая чистое небо и относительно теплую погоду. С другой стороны, L может обозначать низкое давление , которое часто сопровождает осадки. Различные символы используются не только для обозначения фронтальных зон и других границ поверхности на картах погоды, но также для изображения текущей погоды в различных местах на карте погоды. Области выпадения осадков помогают определить тип и расположение фронта.
Использование карт погоды в современном смысле началось в середине XIX века для разработки теории штормовых систем. [3] Развитие телеграфной сети к 1845 году позволило достаточно быстро собирать информацию о погоде из множества удаленных мест, чтобы сохранить ее ценность для приложений в реальном времени. Смитсоновский институт развил свою сеть наблюдателей на большей части центральной и восточной части Соединенных Штатов в период с 1840-х по 1860-е годы. Корпус связи армии США унаследовал эту сеть между 1870 и 1874 годами по акту Конгресса и вскоре после этого расширил ее до западного побережья. [4]
Данные о погоде поначалу были 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 поясное время. [5] Другие страны последовали примеру Соединенных Штатов в проведении одновременных наблюдений за погодой, начиная с 1873 года. [6] Затем другие страны начали подготовку приземных анализов. Использование фронтальных зон на картах погоды не появлялось до появления норвежской модели циклонов в конце 1910-х годов, несмотря на более раннюю попытку Лумиса создать аналогичную концепцию в 1841 году. [7] Поскольку передний край изменений воздушных масс напоминал На военных фронтах Первой мировой войны для обозначения этих линий стал использоваться термин «фронт». [8]
Несмотря на введение норвежской модели циклона сразу после Первой мировой войны, Соединенные Штаты официально не анализировали фронты при анализе поверхности до конца 1942 года, когда в центре Вашингтона, округ Колумбия, открылся Аналитический центр WBAN [9] . Начались попытки автоматизировать построение карт. в США в 1969 году [10] и процесс завершился в 1970-х годах. Гонконг завершил процесс автоматизированного построения рельефа к 1987 году. [11] К 1999 году компьютерные системы и программное обеспечение наконец стали достаточно сложными, чтобы обеспечить возможность накладывать на одну и ту же рабочую станцию спутниковые изображения, радиолокационные изображения и поля, полученные на основе моделей, такие как как толщина атмосферы и фронтогенез в сочетании с приземными наблюдениями, чтобы обеспечить наилучший анализ поверхности. В США такого развития удалось достичь, когда рабочие станции Intergraph были заменены рабочими станциями n- AWIPS . [12] К 2001 году различные анализы поверхности, проведенные Национальной метеорологической службой, были объединены в «Единый анализ поверхности», который выпускается каждые шесть часов и объединяет анализы четырех различных центров. [13] Последние достижения в области метеорологии и географических информационных систем позволили разработать точно адаптированные карты погоды. Информация о погоде может быть быстро сопоставлена с соответствующими географическими деталями. Например, условия обледенения можно нанести на карту дорожной сети. Вероятно, это будет продолжать приводить к изменениям в способах создания и отображения поверхностного анализа 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 обозначает облачность; Заполненная дробь представляет степень облачности . [16] За пределами США температура и точка росы отображаются в градусах Цельсия . Зубец ветра указывает в направлении, откуда дует ветер. Каждый полный флаг на шипе ветра соответствует 10 узлам (19 км/ч) ветра, каждый полуфлаг соответствует 5 узлам (9 км/ч). Когда скорость ветра достигает 50 узлов (93 км/ч), закрашенный треугольник используется для каждых 50 узлов (93 км/ч) ветра. [17] В США количество осадков, нанесенное в углу модели станции, указано в дюймах . Международной стандартной единицей измерения количества 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 одинаковой температуры) и изотахи (линии равной скорости ветра). [18] Абстрактные символы погоды были разработаны для того, чтобы занимать как можно меньше места на картах погоды. [ нужна цитата ]
Объект синоптического масштаба – объект, размеры которого велики по масштабу, более нескольких сотен километров в длину. [19] В этом масштабе существуют системы миграционного давления и фронтальные зоны. [ нужна цитата ]
Центры приземных областей высокого и низкого давления, которые обнаруживаются внутри замкнутых изобар при анализе приземной погоды, представляют собой абсолютные максимумы и минимумы поля давления и могут с первого взгляда сказать пользователю, какая общая погода в их окрестностях. На картах погоды в англоязычных странах максимумы будут обозначены буквами Hs, а минимумы - буквами Ls, [20] в то время как в испаноязычных странах максимумы будут обозначены буквами A, а минимумы - буквами Bs. [21]
Системы низкого давления, также известные как циклоны , располагаются в минимумах поля 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 . Вблизи циклона погода обычно неустойчивая, с повышенной облачностью, усилением ветров, повышением температуры и восходящим движением атмосферы, что приводит к увеличению вероятности выпадения осадков. Полярные минимумы могут образовываться над относительно мягкими водами океана, когда холодный воздух приходит с ледяной шапки. Относительно более теплая вода приводит к восходящей конвекции, вызывающей образование понижений и осадков, обычно в виде снега. Тропические циклоны и зимние штормы представляют собой интенсивные разновидности низкого давления. Над сушей термические минимумы указывают на жаркую погоду летом. [22]
Системы высокого давления, также известные как антициклоны , вращаются наружу на поверхности и по часовой стрелке в северном полушарии, а не наружу и против часовой стрелки в южном полушарии. Под приземными высотами опускание атмосферы слегка нагревает воздух за счет сжатия, что приводит к более ясному небу, более слабым ветрам и уменьшению вероятности выпадения осадков. [23] Нисходящий воздух сухой, поэтому для повышения его температуры требуется меньше энергии. Если высокое давление сохранится, загрязнение воздуха будет увеличиваться из-за загрязняющих веществ, задерживающихся у поверхности, вызванных опускающимся движением, связанным с высоким давлением. [24]
Фронтами в метеорологии называют границы между воздушными массами , имеющими разную плотность, температуру воздуха и влажность . Строго говоря, фронт отмечается у более теплого края фронтальной зоны , где градиент очень велик. При прохождении фронта над точкой отмечаются изменения температуры, влажности, скорости и направления ветра, минимум атмосферного давления, изменение рисунка облачности, иногда с осадками. Холодные фронты возникают там, где наступает холодная воздушная масса, теплые фронты — там, где наступает тёплый воздух, а стационарный фронт не движется. Фронты классически охватывают центры низкого давления, как показано на изображении северного полушария. В более широком масштабе полярный фронт Земли представляет собой обострение общего температурного градиента от экватора к полюсу, лежащего в основе высотного реактивного течения по причинам баланса теплового ветра . Фронты обычно движутся с запада на восток, хотя они могут двигаться в направлении с севера на юг или даже с востока на запад ( «черный» фронт ), поскольку поток воздуха обтекает центр низкого давления. Фронтальные зоны могут быть искажены такими географическими объектами, как горы и крупные водоемы. [13]
Холодный фронт расположен на переднем крае резкого градиента температуры при анализе изотерм , часто отмечен резкой впадиной приземного 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 положение холодного фронта на поверхности отмечено синей линией из треугольников (точек), указывающих в направлении движения, на передний край более прохладной воздушной массы. [13]
Теплые фронты отмечают положение на поверхности Земли, где относительно теплая масса воздуха переходит в более холодный воздух. Фронт отмечен на теплом краю градиента на изотермах и лежит внутри впадины низкого давления, которая имеет тенденцию быть шире и слабее, чем у холодного фронта. Теплые фронты движутся медленнее, чем холодные, потому что холодный воздух более плотный и только выталкивается (а не поднимается с) поверхности Земли. Теплая воздушная масса преобладает над холодной, поэтому изменения температуры и облаков происходят на больших высотах раньше, чем на поверхности. Облака перед теплым фронтом в основном слоистые , количество осадков постепенно увеличивается по мере приближения фронта. Перед теплым фронтом нисходящие основания облаков часто начинаются с перистых и перисто-слоистых облаков (высокого уровня), затем высокослоистых (среднего уровня) облаков и, в конечном итоге, опускаются в атмосферу по мере прохождения фронта. Туман может предшествовать теплому фронту, когда осадки выпадают в областях с более холодным воздухом, но повышение приземных температур и ветер имеют тенденцию рассеивать их после прохождения теплого фронта. Случаи нестабильности окружающей среды могут способствовать развитию грозы. На погодных картах местонахождение теплого фронта на поверхности отмечено красной линией из полукругов, указывающей направление движения.
Классический взгляд на фронт окклюзии состоит в том, что он образуется, когда холодный фронт догоняет теплый фронт. [25] Более современная точка зрения предполагает, что они формируются непосредственно во время обертывания бароклинной зоны во время циклогенеза , а удлиняются за счет деформации потока и вращения вокруг циклона. [26]
Окклюдированные фронты обозначаются 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. [27] При холодной окклюзии воздушная масса, обгоняющая теплый фронт, холоднее, чем холодный воздух перед теплым фронтом, и подступает под обе воздушные массы. При теплой окклюзии воздушная масса, обгоняющая теплый фронт, не такая холодная, как холодный воздух перед теплым фронтом, и движется над более холодной воздушной массой, поднимая теплый воздух. Фронты окклюзии обозначаются на карте погоды фиолетовой линией с чередующимися полукругами и треугольниками, указывающими направление движения. [13]
Фронты окклюзии обычно формируются вокруг систем низкого давления на зрелых или поздних стадиях их жизненного цикла, но некоторые продолжают углубляться после окклюзии, а некоторые вообще не образуют фронтов окклюзии. Погода, связанная с закрытым фронтом, включает в себя различные виды облаков и осадков, включая сухие участки и полосчатые осадки. Холодный, теплый и окклюзированный фронты часто встречаются в точке окклюзии или тройной точке. [28]
Неподвижный фронт — это неподвижная граница между двумя разными воздушными массами. Они имеют тенденцию оставаться в одной и той же области в течение длительного периода времени, иногда волнообразно колеблясь. [29] Часто менее крутой градиент температуры продолжается позади (на прохладной стороне) острой фронтальной зоны с более широко расположенными изотермами. Вдоль стационарного фронта можно встретить самые разнообразные погодные условия, характеризующиеся скорее продолжительным существованием, чем конкретным типом. Стационарные фронты могут рассеяться через несколько дней, но могут превратиться в холодный или теплый фронт, если условия наверху изменятся, толкая одну воздушную массу навстречу другой. Стационарные фронты обозначаются на картах погоды чередующимися красными полукругами и синими шипами, направленными в противоположные стороны, что указывает на отсутствие значительного движения. [ нужна цитата ]
По мере выравнивания температуры воздушных масс стационарные фронты могут уменьшаться в масштабе, превращаясь в узкую зону, где направление ветра меняется на небольшом расстоянии, известную как линия сдвига, [30] изображаемая в виде синей линии из одиночных чередующихся точек и штрихов. [13] [31]
Мезомасштабные объекты меньше, чем системы синоптического масштаба , такие как фронты, но больше, чем системы штормового масштаба, такие 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 ориентацией, аналогичной Скалистым горам , изображенной на переднем крае градиента точки росы или влажности. У поверхности теплый влажный воздух, который плотнее, чем более теплый и сухой воздух, вклинивается под более сухой воздух, подобно тому, как холодный фронт вклинивается под более теплый воздух. [33] Когда теплый влажный воздух, зажатый под более сухой массой, нагревается, он становится менее плотным и поднимается вверх, а иногда образует грозы. [34] На больших высотах теплый влажный воздух менее плотный, чем более холодный и сухой воздух, и наклон границы меняется на противоположный. В районе разворота наверху возможна суровая погода, особенно когда образуется тройная точка с холодным фронтом. [ нужна цитата ]
В дневное время более сухой воздух сверху опускается к поверхности, вызывая видимое движение сухой линии на восток. Ночью граница возвращается на запад, поскольку больше нет солнечного нагрева, помогающего перемешивать нижние слои атмосферы. [35] Если на сухой линии собирается достаточно влаги, это может стать центром дневных и вечерних гроз. [36] Сухая линия изображается при анализе поверхности в США как коричневая линия с гребешками или выступами, обращенная во влажный сектор. Сухие линии — один из немногих фронтов поверхности, где особые формы вдоль нарисованной границы не обязательно отражают направление движения границы. [37]
Организованные зоны грозовой активности не только усиливают уже существующие фронтальные зоны, но и могут обогнать холодные фронты. Это обгон происходит по схеме, при которой струя верхнего уровня разделяется на два потока. Результирующая мезомасштабная конвективная система (MCS) формируется в точке разделения верхнего уровня в схеме ветра в области наилучшего притока на нижнем уровне . Затем конвекция движется на восток и к экватору в теплый сектор, параллельно линиям толщины низкого уровня. Когда конвекция сильная, линейная или изогнутая, MCS называется линией шквала, причем эта особенность располагается на передней кромке, где происходит значительный сдвиг ветра и повышение давления. [38] Даже более слабые и менее организованные области гроз приведут к локальному более прохладному воздуху и более высокому давлению, а границы оттока существуют перед этим типом активности, «SQLN» или «ЛИНИЯ ШКВА», в то время как границы оттока изображаются в виде впадин с значком метка «ВЫХОДНАЯ ГРАНИЦА» или «ВЫХОДНАЯ ГРАНИЦА». [ нужна цитата ]
Фронты морского бриза возникают в солнечные дни, когда суша нагревает воздух над собой до температуры, превышающей температуру воды. Подобные границы образуются с подветренной стороны на озерах и реках в течение дня, а также на прибрежных участках суши ночью. Поскольку удельная теплоемкость воды настолько высока, суточные изменения температуры в водоемах незначительны даже в самые солнечные дни. Температура воды колеблется менее чем на 1 ° C (1,8 ° F). Напротив, земля с более низкой удельной теплоемкостью может измениться на несколько градусов за считанные часы. [39]
Во второй половине дня давление воздуха над сушей снижается по мере подъема более теплого воздуха. На смену ему устремляется относительно более прохладный воздух над морем. В результате получается относительно прохладный береговой ветер. Этот процесс обычно меняется на противоположный ночью, когда температура воды выше по сравнению с сушей, что приводит к прибрежному бризу. Однако если температура воды ночью холоднее, чем на суше, морской бриз может продолжаться, лишь несколько утихнув. Обычно это происходит , например, на побережье Калифорнии . [ нужна цитата ]
Если существует достаточно влаги, вдоль фронтов морского бриза могут образовываться грозы, которые затем могут привести к выходу границ оттока. Это вызывает хаотические режимы ветра/давления, если направляющий поток слабый. Как и все другие элементы поверхности, фронты морского бриза лежат внутри впадин низкого давления. [ нужна цитата ]
Ядро нисходящей отражательной способности (DRC) — это метеорологическое явление, наблюдаемое во время суперячеечных гроз , характеризующееся локализованной небольшой областью повышенной радиолокационной отражательной способности , которая спускается от нависания эха на нижние уровни грозы.
