Погода и климат

Термины «погода» и «климат» весьма часто употребляются и хорошо всем известны. Под погодой понимается физическое состояние атмосферы у поверхности Земли в данный момент вре­мени. Физическое состояние атмосферы характеризуется метео­рологическими величинами (температура, давление, влажность, ветер, облачность, осадки) и атмосферными явлениями (гроза, туман, пыльная буря, метель и т.п.). Понятие климата связано с режимом температуры и осадков (совокупности атмосферных условий) на данной территории за длительный период времени. Можно сказать, что климат — это «синтез погод». Однако нет общепринятого определения масштаба времени, разделяющего синоптические процессы, формирующие погоду, и процессы фор­мирования климата, поэтому при обсуждении проблем измене­ний климата следует уточнять о каком масштабе времени (и каких атмосферных условиях) идет речь. Проблемы различий и изменений климата привлекали к себе внимание с незапамят­ных времен. Еще древним грекам было понятно, что климат в

282 Гл. Ц. Основы динамики атмосферы. Погода и климат

интерес для физики атмосферы. Отметим, что цифры, опреде­ляющие баланс энергии и представленные на рис. 14.5, могут отличаться в различных источниках на 10-20%, что отражает несовершенство современных знаний об энергетическом режиме Земли.

На рис. 14.5 условно изображены два сорта излучения, од­но — приходящее от Солнца, с максимумом по интенсивности в оптическом диапазоне, другое — уходящее от Земли. Уходящее излучение содержит как коротковолновое излучение, рассеянное и отраженное атмосферой и поверхностью Земли, так и длинно­волновое, связанное с излучением самой планеты. Максимум это­го длинноволнового излучения, как отмечалось в гл. 12, лежит в инфракрасной области спектра с длиной волны A_m ~ 10 мкм. Если взять за 100% излучение, которое приходит от Солнца, то примерно 31% от него отражается и рассеивается атмосферой сразу: 17% облаками, 6% поверхностью земли и 8% безоблачной атмосферой. Назад уходит примерно 31%, а 69% этого коротко­волнового излучения поглощается атмосферой (4% поглощается облаками, а 22% — безоблачной атмосферой) и 43% Землей. В установившемся стационарном режиме атмосфера излучает во внешнее пространство те же 69% низкочастотного ИК излуче­ния. Причем атмосфера излучает низкочастотное ИК излучение и вниз, в Землю (67 + 34 = 101%), а Земля излучает в атмо­сферу 115% ИК излучения + 29% энергии скрытым теплом и турбулентными потоками, что составляет 144% по энергии от падающего излучения. Хотя поток энергии от поверхности Земли превышает 100%, никакого противоречия с законом сохранения энергии здесь нет, поскольку Земля получает 43% по энергии высокочастотным излучением и 101% (67 + 34 = 101%) низко­частотным ИК излучением от атмосферы, что составляет те же 144%. Таким образом, между поверхностью Земли и атмо­сферой благодаря парниковому эффекту возникают встречные потоки энергии, которые дополнительно нагревают атмосферу и поверхность Земли.

Если приравнять излучаемую Землей энергию равновесному излучению некоторого эквивалентного черного тела, то получим аналогичную (12.3) оценку температуры с дополнительным мно­жителем 1,44^х'⁴ ss 1,1, т.е. температура этого тела будет состав­лять Т и 280 К. Согласно тем же экспериментальным данным атмосфера излучает в ИК диапазоне 170% (67% — безоблачная атмосфера и 103% — облака) энергии от первичного солнечного излучения. Если сопоставить излучаемую атмосферой энергию

______ Гл. Ц. Основы динамики атмосферы. Погода и климат____________ 283

равновесному излучению некоторого эквивалентного черного те­ла, то аналогично для оценки температуры получим соотноше­ние вида (12.3) с дополнительным множителем 1,7^х/⁴ ~ 1,14, что соответствует Т £2 290 К. Конечно, атмосфера и поверхность Земли заметно отражают падающее на них излучение, т.е. яв­ляются не абсолютно черными, а «серыми» телами, однако при сопоставлении с излучением некоторого эквивалентного черного тела это учитывается соответствующим коэффициентом серости. Полученные оценки довольно близки к реальным средним тем­пературам атмосферы и поверхности Земли. Для более точного анализа необходим учет многих факторов, в частности, нерав­новесности излучения Земли и атмосферы, процессов переноса излучения, тепла, импульса и т. д.

Проблемы анализа динамики атмосферы и океана, предска­зания погоды и климата представляют собой сложный комплекс физических и математических задач. Ранее прогнозы погоды основывались, как правило, на экстраполяции уже зарегистри­рованных данных. Метеорологи анализировали карты погоды, эволюцию областей высокого и низкого давления, движение и развитие фронтов, распространение облачности и другие подоб­ные факторы и на этой основе давали прогноз. Искусство прогно­зирования погоды состоит в учете многих факторов и возмож­ности предвидения изменения состояния атмосферы. В истории метеорологии известно немало лиц, обладавших уникальными способностями в прогнозировании погоды. На основе накоплен­ного опыта они могли определять, как будет в последующие дни меняться давление, положение фронтов и температура. Однако опыт выдающихся прогнозистов практически не передается по­следующим поколениям метеорологов [11].

В противоположность этому искусству метеорологов прошло­го современная наука прогнозирования основывается на исполь­зовании математических моделей атмосферы и океана, поэтому используемые метеорологами современные методы называются численными методами прогноза погоды. Реализация подобных численных методов прогноза погоды стала возможной с 50-х го­дов XX в., когда появились соответствующие электронно-вычис­лительные машины. Прогноз состояния атмосферы в данном ме­сте на срок до трех суток осуществляется путем интегрирования уравнений движения и переноса в атмосфере. В таком временном интервале атмосферные процессы можно считать адиабатиче­скими, т. е. пренебрегать притоком энергии извне и диссипацией энергии за счет вязкости. По известному начальному состоянию

284 Гл. Ц Основы динамики атмосферы Погода и климат

атмосферы рассчитываются временные и пространственные из­менения. Поэтому для точного прогноза погоды необходима де­тальная и точная информация о начальном состоянии атмосфе­ры. Требуемые исходные данные поставляет, главным образом, мировая сеть метеостанций и сеть станций радиозондирования атмосферы. Высотные радиозонды, запускаемые на воздушных шарах на высоты до 35 км измеряют температуру, давление, влажность воздуха и передают эту информацию по радио, кро­ме того, с Земли определяется и скорость ветра по положе­нию радиозонда в пространстве. Станции радиозондирования расположены в основном в экономически развитых странах и отстоят друг от друга на расстояния порядка сотен километров. С начала 60-х годов регулярно запускаются метеорологические спутники, которые регистрируют распределения метеорологиче­ских параметров, осуществляют съемки распределений облаков, циклонических систем и т. п. Особо ценны спутниковые данные над океанами, где сеть метеорологических пунктов и станций радиозондирования весьма разрежена. В соответствии с разрабо­танными Всемирной метеорологической организацией междуна­родным соглашением метеорологические данные со всего мира передаются в мировые центры данных в Москве, Вашингтоне и Мельбурне, а также во все национальные метеорологические учреждения.

Отметим, что ошибки, которые неизбежно вносятся в мате­матическую модель, главным образом из-за неточности измере­ний, в процессе расчета имеют тенденцию к росту. Поэтому при расчете параметров состояния атмосферы на неделю или более ошибки, как правило, становятся столь большими, что исчезает возможность прогноза. Для предсказания на длительные сроки температуры, усредненной по времени и пространству, детерми­нированное описание не дает хороших результатов, и в этих слу­чаях используются статистические методы прогноза, основанные на представлении о линейной регрессии. На возможность того, что малые возмущения начального состояния атмосферы могут привести со временем к существенным изменениям конечного состояния атмосферы и создать проблему предсказуемости, ука­зывал А. Н. Колмогоров более 40 лет назад в следующей образной форме: «Представим себе две одинаковые планеты с совершенно идентичными состояниями атмосферы. Если на одной из них выйти на крыльцо и махнуть платком, а на другой этого не сделать, то через какое-то время погода на этих планетах станет совершенно различной» [87].

Гл 14- Основы динамики атмосферы Погода и климат 285

В определенном смысле, еще более сложной проблемой яв­ляется проблема анализа и предсказания климатических изме­нений. Если в случае предсказания погоды существует возмож­ность постоянного сравнения «теории» (результатов численных расчетов) с «практикой» и последующей корректировки методов прогноза, то для предполагаемых климатических изменений на протяжении десятков, сотен и более лет такая возможность су­щественно ограничена. Земная климатическая система включает в себя все основные геосферы: атмосферу, гидросферу, литосфе­ру, криосферу и биосферу. Следует отметить сложность струк­туры и взаимосвязей в земной климатической системе, ее неод­нородность, нелинейность и нестационарность. Поэтому особую роль в анализе земной климатической системы играют матема­тические модели, которые интенсивно развиваются в последние годы. Разработка климатических моделей важна для прогно­за климата и выбора стратегии развития человечества [166]. Ниже в гл. 20 рассмотрена проблема глобального потепления климата, которая анализируется исследовательскими организа­циями и правительствами многих стран. В настоящее время существует большое число климатических моделей, многие ме­теорологические центры имеют собственные модели. Большую роль в развитии климатического моделирования сыграли моде­ли лаборатории геофизической гидродинамики Принстонского университета Широко известны климатические модели инсти­тутов Академии наук СССР и России. Института прикладной математики, Института океанологии, Института физики атмо­сферы [80, 4, 88, 174].