научная статья по теме Погода Науковедение

Лебедев В.В., кандидат технических наук, доцент Московского авиационного института (национальный исследовательский университет) Елисеев В.А., кандидат технических наук, начальник научно-исследовательской лаборатории испытательного центра ОАО «Центральный научно-исследовательский технологический институт «Техномаш»

Погоду на сегодня и завтра надо предсказывать с точностью 15 минут. Особенно изменение облачностив % и дождь. Температура менее важна. Нужно знать - ехать ли загорать рано утром или после обеда. Брать ли зонт? И на неделю - брать ли отпуск на 10 дней? А наши предсказатели - метереологи со званиями говорят: «Временами дождь». Одно и то же 20 лет, да и позорятся рекламой.

Вся погода определяется наличием влаги в атмосфере. Но нужна не влажность, а количе -ство воды в м3 на разных высотах. Далее ее состояние: пар, переохлаженный пар, (это все прозрачно) мелкие капельки, кристаллики льда, снежинки. Всю атмосферу в первом приближении можно разбить по слоям по 500м от земли до Н=5-10 т.м. Всего 10-20 штук. Светимость солнца известна, температура космоса то же. Несложно рассчитать поглощение радиации по слоям и предсказывать погоду. Для этого при сплошной облачности хватит домашнего РС. Далее усложнения типа отслеживания отдельных туч. Но мощности современных ЭВМ все равно хватает с избытком. И Космос не нужен: снизу видно то же, что и сверху. Разве что снизу Фото красивого нет, но фото сверху ничего не дают по сравнению с сотней пунктов наземного наблюдения. Пункты давно есть и без космоса. Для погоды в Москве нужно десять пунктов, 10 программистов, 10 РС и один - два года работы над программами. Получим точность 15 минут начала - конца дождя в 95% случаев. Обсудим?

Пособие по предсказанию погоды

По теле рассказывают о циклонах, они гуляют по просторам. Посмотрев из космоса на облака, метеорологи сообщают: «завтра временами будет дождь». Не густо. Циклоны действительно гуляют. Но какие то странные они. Утром ни ветерка, природа встречает восход солнца. Спят циклоны. В 11 утра просыпаются, в 13 идет дождь, порывистый ветер, а к заходу солнца опять все затихает. На отдых уходят циклоны. И так в большинстве случаев. Если обьявлен "антициклон", то солнышко светит до 12, потом небо заволакивается тучами. А с 16 снова солнце балует нас красотой заката и садится в распластанных, как крылья, красных облаках на горизонте. Раз в два месяца нам говорят, что проходит атмосферный фронт и действительно стоит просто плохая, ветряная погода с дождями. Но это не часто.

Нужно указывать время ясного неба в % с точностью до 15 минут, как и моменты начала/окончания дождя. Как удобно. Брать ли зонтик, собираясь на работу, ехать ли на дачу, что бы красить крышу, торопиться ли на пляж загорать. Нам же говорят «временами дождь». Спасибо.

Москвичи по воскресеньям просыпаются поздно. Увидев за окном солнышко, собираются и выезжают в лучшем случае в 11 часов. Но к 12 солнце уже прячется и с 14 начинается дождь. Отдых испорчен. Дождь продолжается 45 минут. А при точном предсказании выехали

бы из дома в 9 утра, три часа позагарали, потом сидели бы в кафе и наблюдали за дождиком. В Крым ездить не надо, такая прекрасная у нас природа.

Как же "всмотреться" в закономерности погоды? Мы выделим типовые, «суточные циклы». Погода это как вода в кастрюле без крышки на газу, только все разогревается сверху солнышком. Радиация солнца точно известна. Температуре звездного неба то же. Все процессы связаны с испарением воды, конденсацией, замерзанием и таянием. На пальцах пересчитали.

Суточные циклы. Циклы имеют одинаковый характер летом и зимой (только с заменой слова дождь на слово снег). И пока сплошную облачность не разбиваем на отдельные тучи.

Жара. Отсутствие циклов. Воздух настолько прогрет, что никакой конденсации влаги не происходит на всех высотах. А влага не поднимается в наших широтах выше пяти тысяч метров ( у экватора - 15). Температуры воздуха изменяется с высотой. В приземном слое температура уменьшается на 0.5-0.6 градусов на каждые 100 метров (в жаркую погоду до 1 градуса). На высоте 9 000 м температура -50 градусов. Летом на уровне 1-2х тысяч метров проходит граница нулевой температуры. Зимой вся температура отрицательная. Однако внутри облаков солнце поднимает температуру до положительных значений и зимой и летом.

Дневной цикл появлением облачности. После месяца жары то ли зенит солнца уменьшился с приближением осени, то ли влаги стало больше в атмосфере (за счет испарения с земли и притока влаги из Атлантики). Солнце утром прогрев землю и воздух, создает восходящие воздушные потоки и сильно ионизирует воздух. Теплый воздух поднимается, там холодно, прозрачный пар конденсируется в тучи. Ионизация активизирует эти процессы. Тучи возникают к 10 - 12 часам. Однако радиация солнца сильная, возникшие тучи перехватывают солнце и снова испаряются. С 13 снова ясно, солнечно, влага поднялась выше и стала прозрачной. Но там холоднее, снова конденсация, снова тучи по всему небу с 14 часов. Они снова перехватывают солнце и с 16 солнечно, вечер ясный и ночь ясная. За день прошло два цикла образования облачности.

Дневной цикл с однократным появлением облачности. Влаги в атмосфере накопилось побольше. Предыдущий двукратный цикл подготовил распределение влаги по высоте в атмосфере. Первый утренний этап образования облачности происходит так же, но восходящие потоки попадают уже во влажные холодные слои (они были прозрачны, ибо влажность в них находится в виде переохлажденного пара или льдинок). Поисходит мощная конденсация, возникают тучи и солнце может их разогнать только часам к 17. При этом может пролиться дневной дождик. Но с 17 часов небо снова ясное, вечер и ночь ясные. Типичный дневной ход облачности: утром ясно, в полдень тучи с дождем, к вечеру снова ясно. Послеобеденному солнцу не хватает силы на новый цикл. Цикл однократный. Только конверсионные следы за самолетом видны в ясном небе.

Еще больше влаги в атмосфере или слабее греет солнышко. Утро ясно, но утренний разогрев приводит к конденсации туч только к середине дня, часам к 15. Т.к. сила солнца после 15 часов уже не велика, то разгона туч не происходит и они повисают на весь вечер и всю ночь. Ночью тучи могут пролиться дождем вымерзая за счет охлаждения холодным звездным небом, а утром снова ясно. Дальше все повторяется..

Однодневной цикл с переходом к ночной облачности. Тучи возникают только по заходу солнца при вечернем охлаждении. Если в прежних циклах конденсация происходила при подьеме воздушных потоков в более холодные слои, то здесь по ночам космический холод сам настигает влажные слои и рождает тучи. Другая причинность. Большую роль здесь играет степень ионизации верхних влажных слоев, оставшаяся от дневного солнца. И, если ночью дождь, то при сильной ионизации происходит сильная гроза.

В этом году я помню зимний день, когда солнце чуть пробивалось сквозь дымку облаков. Диск солнца смутно виден, толщина облачности не высокая, около 500м. День пасмурный, без ветерка. После захода солнца поднялся ветер, повалил снег, началась сильная метель. На всю ночь. Утром все стихло и днем солнце сияло. Вот ярко очерченный ночной цикл.

Вы можете заметить, что в рассуждениях не используется понятие «влажность воздуха», мы все время оперируем словами «количество влаги». Влажность меняется с высотой и температурой, тучи собираются и испаряются, а количество влаги не меняется. Небо ясное -влага находится в прозрачном состоянии.

Количество влаги в атмосфере увеличивается за счет испарения с поверхности земли и водоемов. После дождика сразу происходит возврат/испарение. Он зависит от типа подстилающей поверхности: лес - слабый возврат, скалистый или городской пейзаж - то же слабый возврат (ибо вода быстро собирается в речки), распаханное поле - сильный возврат, за одним дождем быстро следует второй. Европе надо восстанавливать вырубленные леса. Это важно и просто, но не бездельникам.

Ночью влага в атмосфере замерзает, она прозрачна и небо ясное. Видны звезды. Правда, вокруг луны ореол. Утро ясное, солнечное, но уже часов с 8-9 пасмурное небо. Часов с 10 моросящий дождь или снег. До 15 часов. Далее сплошная облачность, которая только вечером замерзает и снова становится прозрачной. Звездное небо. Цикл повторяется. Это типовой зимний цикл.

Весенние и осенние особенности

Воздушные массы привносят другое количество влаги. Весной и осенью на изменение дневных циклов влияет быстрое изменение радиации солнца (точнее угла, под которым оно светит). В апреле - мае радиация быстро прибавляется. Кроме того весной верхние слои атмосферы чище, они имеют меньшее количество перистых облаков, которые снижают радиацию солнца. Атмосфера как бы всасывает, накапливает влагу. Осенью все наоборот. Текущее снижение температуры ежедневно увеличивает облачность, создает стабильно дождливую погоду. Дождливые тучи затрудняют остывание земли, температура неизменна изо дня в день. Наконец верхняя часть облачности значительно остывает, а возврат влаги от дождей слабый. Холодно уже. Выглядывает солнце, но температура падает скачком. Несколько дней холодной ясной погоды с редкими свинцовыми тучами. День короток. Земля еще больше остывает при ясной погоде. Уменьшение температуры вновь улучшает условия конденсации влаги в облаках, даже при меньшем ее количестве, снова на неделю дожди до следующего скачка температуры вниз и нового появления ясного холодного дня. Происходит повторение осеннего цикла. Дневные циклы становятся недельными. Осенью влага выдавливается из атмосферы.

Длительная непогода. Стоит длительная непогода. Вдруг, без какого либо перехода, нас радует ясный день. Неделю дождило и сразу солнце. Не думайте, что наступила хорошая погода. Следующий день снова дождь и так на семь дней. Что это? Просто в кутерьме распределения влаги по высотам солнце наконец то смогло установить равновесие по всей толщине атмосферы. На один день. Ночью конденсация, снова непогода. В океанах в середине урагана есть окно спокойного штиля. Здесь некое подобие. И прим

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.