2 страница. Аналогичные воздействия применяются и для предотвращения града, представляющего большую опасность для сельского хозяйства
Аналогичные воздействия применяются и для предотвращения града, представляющего большую опасность для сельского хозяйства. Введение реагентов в виде твердой углекислоты, йодистого серебра или йодистого свинца в кучево-дождевое облако, угрожающее градом, ведет к выпадению из него осадков в виде дождя вместо града.
Доставка реагентов в облако может осуществляться самолетом, малыми ракетами, снарядами из зенитных орудий, имеющихся в распоряжении противоградовой службы. Для оценки состояния облака и определения в нем места доставки заряда используются радиолокаторы. Те же физические принципы используются и для рассеяния низких облаков и туманов, для обеспечения взлета и посадки воздушных судов в аэропортах наибольшие.
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ СИНОПТИЧЕСКОЙ МЕТЕОРОЛОГИИ
Синоптическая метеорология - это раздел метеорологии, предметом которого является предсказание погоды на основе изучения изменений во времени крупномасштабных атмосферных процессов, включающих возникновение, эволюцию, перемещение циклонов, антициклонов, фронтов, воздушных масс.
1. ПРОГНОЗЫ ПОГОДЫ
Общие положения. Прогноз (предсказание) погоды - это научно обоснованные предположения о будущем состоянии погоды. Согласно принятой классификации метеорологические прогнозы по заблаговременности подразделяются на: сверхкраткосрочные - от десятков минут до нескольких часов (применяются при метеорологическом обслуживании авиации); краткосрочные - до 48 суток; среднесрочные - 3-10 суток; долгосрочные - на месяц, сезон.
Развитие во времени метеорологических процессов, определяющих погодные условия, настолько сложное, что на современном уровне развития методов прогнозирования невозможно ограничиться лишь научным подходом. Поэтому большое место в прогнозировании погоды занимает предугадывание, т.е. субъективное заключение прогнозиста, основанное на опыте работы, а не на научных исследованиях. Существующие методы прогнозов погоды в своей основе являются вероятностными и носят в значительной мере качественный характер.
Чем больше заблаговременность прогноза, тем меньшую долю составляют количественные показатели в прогнозе и большую - качественные. Так, синоптический метод, применяемый при прогнозах до трех суток, позволяет предвидеть главным образом характер предстоящих изменений в погоде (например, похолодание, потепление, усиление ветра, дождь, снег и т.п.) с указанием приблизительных количественных показателей. Можно, например, сказать: ожидаемый дождь будет слабым и сильным, температура воздуха будет 10-15 °С, а ветер 7-12 м/с, но нельзя сказать, что осадков выпадет, например, 8,3 мм, а температура повысится до 10,2 °С.
Особенно сложно прогнозировать локальные явления с малыми горизонтальными размерами - от сотен метров до десятков километров. Например, грозы, с ливнями, градом, смерчи.
В зависимости от заблаговременности прогноза применяются соответствующие методы.
Краткосрочные прогнозы погоды. Для краткосрочных прогнозов погоды используется синоптический метод. В переводе с греческого слово «синоптика» означает единовременный обзор; применительно к метеорологии это значит обзор состояния атмосферы над большими пространствами Земли на какой-либо момент времени.
Синоптический метод базируется на построении и анализе синоптических карт, представляющих собой географические карты в виде бланков, на которых символами и цифрам представлены результаты наблюдений на сети метеорологических станций в сроки наблюдений. Такие карты составляются по несколько раз в сутки. На них выделяются синоптические объекты, каждому из которых свойственны определенные типы погодных условий. Карты подразделяются на приземные, высотные и вспомогательные.
Приземные карты отображают погоду у земли, составляются по данным наблюдений на сети приземных метеорологических станций и подразделяются на основные и дополнительные (кольцевые). Основные карты составляются в масштабе 1:150 000 000 и охватывают территорию, простирающуюся на 4-5 тыс. км в меридиональном и широтном направлениях. Кольцевые карты выполняются в более крупном масштабе и охватывают территорию 1000 х 1000 км. Они служат для детализации синоптического положения. (Синоптическое положение - это совокупность взаимно связанных воздушных масс, фронтов, циклонов, антициклонов и других объекте над некоторым участком земной поверхности, определяющее состояние погоды на этом участке.)
На основных и кольцевых картах для каждой станции, обозначенной на карте кружком, даются облачность, скорость и направление ветра, температура воздуха, точка росы, метеорологическая дальность видимости, атмосферное давление, барическая тенденция и ее форма, количество осадков, погода в срок и между сроками наблюдений, форма облаков верхнего, среднего и нижнего ярусов, высота нижней границы облаков нижнего яруса. На картах с помощью изобар (проводятся через 5 гПа) дано распределение атмосферного давления на уровне моря, показано положение барических образований, фронтов.
Высотные карты составляют по данным аэрологических наблюдений, они характеризуют состояние атмосферы (температуру, влажность, ветер, давление) на разных высотах (до 30-40 км).
Различают карты абсолютной барической топографии (АТ) и относительной барической топографии (ОТ).
Карты АТ строят для каждой стандартной изобарической поверхности: 850, 700, 500 и др. - до 10 гПа. На этих картах для данной изобарической поверхности проведены линии равных высот (изогипсы), наподобие горизонталей при изображении рельефа в геодезии, но абсолютные высоты даются в геопотенциальных метрах, несколько отличающихся от обычных метров.
Карты АТ характеризуют барическое поле на высотах. Замкнутым областям с большими высотами соответствуют области высокого давления - антициклоны, и наоборот, области с минимальными высотами соответствуют циклонам. Также выделяются барические ложбины, гребни.
На картах относительной барической топографии с помощью изолиний изогипс показывают распределение относительных высот одной изобарической поверхности над другой и таким образом характеризуют термическое поле слоя атмосферы, заключенного между изобарическими поверхностями. Обычно для прогнозов используют карты, дающие представление о средней температуре слоя воздуха между изобарическими поверхностями 1000 и 500 гПа, т.е. примерно в 5-километровом слое воздуха от земли. Области с малыми относительными высотами соответствуют областям холода, а с большими - областям тепла.
Для каждой аэрологической станции, обозначенной кружком, указывают: скорость и направления ветра, температуру воздуха, дефицит точки росы, абсолютную высоту изобарической поверхности для карт АТ и относительную высоту для карт ОТ.
Вспомогательные карты могут выполняться в различных масштабах, и на них показывают распределение опасных явлений (грозы, пыльные бури, ливни, экстремальные температуры, осадки и др.), состояние снежного покрова, облачности, состояние тропопаузы и многое другое.
Кроме синоптических карт для прогноза погоды в синоптике находят применение аэрологические диаграммы, отражающие термодинамическое состояние атмосферы по высотам, вертикальные разрезы атмосферы.
Синоптический метод прогноза погоды состоит из двух основных этапов: 1) прогноз синоптического положения, 2) составление собственно прогноза погоды, т.е. определение значений метеорологических величин, и хода метеорологических процессов, результатом которых являются выпадение осадков, туманообразование, грозы, метели и т.п.
Прогнозирование синоптического положения делается на основании анализа и изучения развития во времени синоптического процесса на синоптических картах за предыдущие сроки. Установив пути движения синоптических объектов и скорости их перемещения экстраполяцией определяют их будущее положение. В простейшем случае экстраполяции исходят из предположения, что кинематические характеристики движения объекта (скорость, ускорение, угол отклонения от предыдущего направления), определенные за предыдущие сроки, сохраняются и на будущее.
По данным прогноза синоптического положения строятся прогностические карты приземные, высотные, на основании которых составляется прогноз погоды. При этом учитывается трансформация воздушных масс, эволюция фронтов, циклонов, антициклонов, ложбин, гребней при их перемещении в пункт прогноза, обострение, размывание фронтов, углубление и заполнение циклонов, рост или понижение давления в антициклоне и т.п.
При наличии данных о положении синоптических объектов относительно пункта прогноза составляется прогноз погоды с учетом стадии развития фронтов, барических образований, суточного хода метеоэлементов и климатических особенностей пункта прогноза. Погодные условия в различных воздушных массах, на фронтах, циклонах и антициклонах даны в предыдущих разделах курса.
Численный прогноз погоды. Представление о будущем состоянии атмосферы можно получить на основе решения системы дифференциальных уравнений гидродинамики и термодинамики. Такой подход носит название гидродинамического метода. Однако аналитическое решение этой задачи, в связи с необходимостью учета множества факторов, многие из которых не могут быть представлены в виде аналитических выражений (например, изменения свойств подстилающей поверхности в широтном и меридианальном направлениях), связано с большими математическими трудностями, исключающими практическое использование метода при составлении прогнозов погоды. Но реализация гидродинамического метода возможна путем применения численного интегрирования системы уравнений с заданным шагом по времени при заданных начальных и краевых условиях. При этом производные заменяются конечными разностями.
Использование численного метода связано с обработкой большого количества цифровой информации в сжатые сроки, поэтому стало возможным лишь с применением мощных быстродействующих ЭВМ. Современные ЭВМ, установленные в международных и региональных метеорологических центрах (ММЦ и РМЦ), способны выполнять (400-500)* 106 операций в секунду. При этом при выполнении интегрирования на один шаг по времени (порядка одного часа) требуется использование 6 • 106 чисел.
Чем больше факторов учитывается в математической модели атмосферы, тем ближе она будет соответствовать действительной картине рассматриваемого явления и тем более надежные и детальные прогнозы метеорологических величин и явлений погоды можно получать.
В наиболее совершенных математических моделях атмосферы, используемых для численного прогнозирования, учитываются: турбулентный перенос, географическое
распределение альбедо, шероховатость подстилающей поверхности, снежный покров, влагосодержание почвы, рельеф.
В настоящее время для узловых точек регулярной сетки (по широте и долготе 2,5°х2,5°) для больших территорий и всего земного шара численным методом предвычисляют: давление на уровне моря, геопотенциалы изобарических поверхностей, температуру и влажность воздуха, скорости ветра на 24, 36, 48, 72, 96 и 120 ч вперед. Исходными данными на начало составления прогноза служат фактические значения метеорологических величин у земли и на высотах, полученные из наблюдений на приземных и аэрологических станциях.
Несмотря на значительные успехи в совершенствовании численного прогноза, в силу неизбежных упрощений и схематизации реальных погодообразующих процессов в математических моделях, они не позволяют еще получать детальные прогнозы метеорологических величин и явлений для конкретного пункта или территории. Но, что очень важно, эти методы дают возможность получать прогностические поля давления макромасштабного уровня. Поэтому в настоящее время численный гидродинамический метод прочно вошел в повседневную практику прогностических служб в качестве первого этапа (уровня) в процессе составления прогнозов погоды, при котором получают распределение барических образований типа циклонов- антициклонов, определяющих направления воздушных потоков и перемещения воздушных масс.
На втором этапе прогнозист, имея прогноз барического поля и используя знание местных условий, с учетом трансформации фронтов, барических образований, воздушных масс, составляет окончательный прогноз погоды, в котором даются температура и влажность воздуха, направление ветра, облачность, осадки, туманы и другие величины и явления.
В распоряжении синоптиков на местах имеются численные прогнозы, принимаемые по каналам связи из международных и региональных метеорологических центров (подробнее см. п. 4.1), основанные на математических моделях, различающихся степенью схематизации атмосферных процессов и полнотой учета погодообразующих факторов. На основе анализа и предыдущего опыта прогнозист имеет возможность выбрать наиболее подходящий вариант.
Долгосрочные прогнозы. Проблема долгосрочных прогнозов погоды является труднейшей проблемой метеорологии. Методы, применяемые в краткосрочных прогнозах, здесь неприемлемы, а существующие методы долгосрочных прогнозов несовершенны, хотя необходимость в точных долгосрочных прогнозах погоды значительно больше, чем в прогнозах на 1-3 суток.
Долгосрочные прогнозы погоды нужны не только планирующим органам, но и гидрологам, агрометеорологам, океанологам. На основе удовлетворительно оправдывающихся долгосрочных прогнозов погоды можно, например, составить прогнозы вскрытия и замерзания рек, половодий, условий произрастания сельскохозяйственных культур, ледовой обстановки на морях и т.п.
Прогнозы погоды малой заблаговременности (4-6 суток) также важны и используются организациями и ведомствами. Основанием для составления прогнозов малой заблаговременности служит положение о расчленении атмосферных процессов на периоды такой же длительности, которые называются синоптическими. Резкие преобразования атмосферных процессов осуществляются на сравнительно большой территории (в Европе, Западной Сибири, северной части Атлантического океана) через каждые 4-8 суток. Внутри синоптического периода на этой территории атмосферная циркуляция не подвергается существенным изменениям. Эти положения оправдываются лишь в тех случаях, когда не происходит заметной перестройки атмосферных процессов.
Современный метод долгосрочных прогнозов погоды (на месяц) основан на нахождении различных статистических связей между характером прошедшей и будущей циркуляции атмосферы. По картам погоды за прошедшие годы подбирают аналоги, близко совпадающие с текущим годом по развитию атмосферных процессов, с оценкой надежности полученных ранее прогностических связей и высказывают соображения об ожидаемой погоде на ближайший месяц-сезон.
В настоящее время качество долгосрочных прогнозов погоды еще далеко от запросов общества: сейчас возможно дать лишь ориентировочно значения температуры, количество осадков, относительно нормы.
Работы по использованию численных методов для долгосрочных прогнозов ведутся.
2. ПРОГНОЗ ПОГОДЫ ПО МЕСТНЫМ ПРИЗНАКАМ
К местным признакам погоды относятся некоторые особые явления и отдельные метеорологические элементы, наличие или характерные изменения которых свидетельствуют о предстоящих изменениях погоды или ее сохранении в данной местности.
Каждый признак погоды является отражением происходящих или уже произошедших изменений в состоянии атмосферы в данном районе. По местным признакам можно судить о предстоящей погоде на непродолжительное время, например, на ближайший день, ночь или сутки, иногда - на двое суток. Более или менее надежное предсказание погоды по местным признакам возможно лишь в тех случаях, когда за последнее время отмечается несколько совпадающих признаков, указывающих на одно и то же предстоящее изменение погоды. Поэтому для правильных представлений о будущей погоде надо не только внимательно наблюдать за всеми явлениями погоды, но и правильно понимать связь их друг с другом. Местные признака погоды могут быть использованы для дополнения и уточнения прогнозов, получаемых от оперативных органов службы погоды.
Признаки наступления ненастной погоды:
а) появление и увеличение количества перистых облаков в виде нитей, перьев, часто с коготками. Переход их в перисто-слоистые облака, которые постепенно затягивают все небо. Наличие у появившихся перистых облаков «базы», т.е. места на горизонте, где отдельные полосы облаков сходятся вместе. Ненастье наступает через 12-24 ч;
б) падение атмосферного давления, усиливающееся с течением времени;
в) нарушение нормального суточного хода температуры воздуха, ветра, облачности;
г) усиление ветра вечером или ночью; заметное по движению облаков усиление ветра на высотах, особенно при изменении его направления;
д) красный цвет вечерней зари, особенно если накануне заря была оранжевой. Появление гало в тонкой пелене перисто-слоистых облаков.
Признаки сохранения облачной погоды с осадками:
а) слабо выраженный суточный ход температуры воздуха;
б) атмосферное давление мало меняется или наблюдается медленное повышение его при выпадающих осадках и слабых ветрах;
в) если зимой при наступлении оттепели, сопровождающейся низкой сплошной облачностью, моросящими осадками и туманами, наблюдается устойчивый западный ветер, ненастная погода удержится длительное время, до тех пор, пока не изменится направление ветра.
Признаки улучшения погоды:
а) устойчивый рост атмосферного давления;
б) усиление ветра и изменение его направления, чаще всего на северное и северо-западное;
в) резкое понижение температуры, которое после перехода ветра к северным направлениям сопровождается прекращением осадков.
Признаки сохранения малооблачной погода:
а) атмосферное давление либо продолжает расти, либо остается без изменения, если малооблачная погода стоит уже несколько дней. Если же малооблачная погода только что сменила ненастье, то отсутствие устойчивого роста давления приведет лишь к установлению непродолжительной хорошей погоды;
б) хорошо выраженный суточный ход всех метеорологических элементов, особенно ветра, температуры и облачности;
в) образование в летние ясные ночи приземных туманов или росы, а осенью - инея;
г) вечером заря, летом окрашенная в золотисто-желтый цвет, а в холодное время года - красная.
Признаки предгрозового состояния:
а) после сухого периода значительное увеличение абсолютной и относительной влажности, повышение температуры воздуха (жарко, душно - «парит»);
б) появление утром и быстрое развитие по высоте кучевых облаков, переходящих в мощные кучевые;
в) появление кучевой облачности перед вечером часто предвещает ночную грозу;
г) появление башенкообразных высококучевых облаков;
д) появление чечевицеобразных высококучевых облаков - хороший признак прохождения через 6-12 ч холодного фронта.
3. ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ
И ЕГО ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ
1. ИСТОЧНИКИ И СОСТАВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
Проблема чистоты атмосферы возникла вместе с развитием промышленности и транспорта, первоначально работавших на угле, а затем на нефти. В течение двух столетий задымление воздуха практически имело местный характер. Дым и копоть сравнительно немногочисленных в те времена заводских, фабричных и паровозных труб почти полностью рассеивались на большом пространстве. Однако быстрый и повсеместный рост промышленности и транспорта в XX в. привел к такому увеличению объемов и токсичности выбросов, которые уже не могли быть рассеянными в атмосфере до безвредных для природной среды и человека концентраций.
Загрязнение атмосферы имеет естественное и искусственное происхождение. К естественным факторам относятся: внеземное загрязнение воздуха космической пылью; земное загрязнение при извержении вулканов, выветривании горных пород, пыльных бурях, лесных пожарах, возникающих от молний, выносе морских солей. Естественное загрязнение может быть также неорганическим и органическим. К органическим загрязнениям относятся: планктон, бактерии, в том числе и болезнетворные, споры грибков, пыльца растений.
Главными и наиболее опасными источниками искусственного загрязнения атмосферы являются промышленные, транспортные и бытовые выбросы.
Все промышленные источники загрязнения атмосферы подразделяются на организованные и неорганизованные. К организованным источникам относятся выбросные трубы, шахты, дефлекторы и т.п. К неорганизованным - открытые склады сырья, карьеры, хранилища твердых и жидких отходов, места загрузки и выгрузки железнодорожных вагонов, автомашин. Обычно неорганизованные источники по высотному расположению относятся к наземным.
К высоким точечным источникам относятся трубы, через которые производится выброс в верхние слои атмосферы технологических газов и загрязненного вентиляционного воздуха. От высоких источников максимальное загрязнение приземного слоя воздуха наблюдается на расстоянии, превышающем в 10-40 раз высоту трубы, а при удалении от этой зоны в подветренную сторону концентрация загрязняющих веществ убывает.
Форма дымовой струи и связанное с этим распределение концентрации примесей у земли зависят от метеорологических условий, и прежде всего от скорости ветра и вертикальной стратификации температуры воздуха. На рис. 1.27 показаны типы дымовых струй в зависимости от распределения температуры воздуха по высоте:
Рис. 1.27. Разновидности дымовых струй в атмосфере:
/ - стратификация температуры воздуха при сухоадиабатическом
градиенте; 2 - фактическая стратификация; а, б, в,г,д~ различные
случаи стратификации
а) неустойчивая стратификация в слое воздуха, в котором находится труба, т.е. когда вертикальный температурный градиент больше сухоадиабатического градиента (у > ус). Такое состояние наблюдается летом днем в ясную погоду. Нагревающийся у земли воздух поднимается вверх, а более холодный воздух опускается, и в результате вертикального перемешивания воздуха образуются волнообразные струи в виде совокупности клубов дыма, переносимых крупными вертикальными вихрями по направлению ветра. Поскольку клубы дыма достигают земной поверхности сравнительно близко от трубы, максимальная приземная концентрация для данной высоты трубы сравнительно велика, но с удалением от источника по направлению ветра быстро снижается;
б) вертикальный температурный градиент близок к сухоадиабатическому (у ~ ус), что соответствует безразличному состоянию равновесия объемов воздуха. При этом наблюдается конусообразная струя, и задымление в приземном слое может сказаться на значительном удалении от источника при небольших концентрациях;
в) в условиях устойчивой стратификации (у < ув) образуется веерообразная струя при слабом вертикальном и поперечном рассеянии. Здесь также зона наибольших концентраций будет находиться на значительном удалении от источника выбросов. То есть с точки зрения загрязнения приземного слоя воздуха устойчивая стратификация не считается неблагоприятной, но она может быть неблагоприятной, если выброс происходит из наземного источника или высота трубы ниже близкорасположенных зданий;
г) верхняя граница приземного устойчивого (инверсионного) слоя находится ниже уровня выброса. При этом создаются наиболее благоприятные условия рассеяния выбросов, так как в этом случае образуется так называемая приподнятая струя и рассеяние происходит в слое выше верхней границы инверсии, которая препятствует переносу примеси к земле. Летом такие условия обычно могут существовать на протяжении нескольких часов, главным образом ночью. Зимой эти условия могут сохраняться продолжительное время;
д) при переходе от ночной инверсии к дневной неустойчивости в ясное летнее утро приземная инверсия, разрушаясь у поверхности земли, становится приподнятой и над верхом трубы может образоваться задерживающий слой, препятствующий распространению примесей вверх, в то время как развивающиеся у земли конвективные вихри перемешивают струю только в пределах прилегающего к земле неустойчивого слоя. В таких условиях может наблюдаться увеличение приземных концентраций вблизи трубы, но в течение непродолжительного периода времени, порядка десятков минут.
При антициклональной погоде в осенне-зимний период, характеризующийся слабыми ветрами и штилями, приподнятая инверсия может носить характер инверсии оседания, и в таком случае опасные условия задымления могут сохраняться в течение нескольких часов и даже суток.
Можно считать, что для высокого источника особенно неблагоприятным является сочетание приподнятой инверсии, начинающейся на высоте выброса, и малой скорости ветра (штиля) в приземном слое, а для наземного источника - сочетание приземной инверсии и приземного штиля.
Ветер способствует рассеянию примесей, но при этом возможно увеличение запыленности воздуха в результате подъема пыли с земной поверхности.
Промышленные, транспортные и бытовые выбросы в атмосферу могут создавать повышение концентрации в районах их образования. Часть выбросов в результате турбулентного перемешивания может доставляться в верхние слои тропосферы и даже в нижнюю стратосферу, а затем воздушными потоками переноситься на большие расстояния, образуя трансконтинентальный и глобальный перенос загрязняющих веществ.
Вследствие деятельности человека в атмосферу поступают: углекислый (С02) и угарный (СО) газы, диоксид серы (S02), метан (СН4), оксиды азота (N02, NO, N20); при использовании аэрозолей - хлорфторуглероды, в результате работы транспорта - углеводы (бензапирен) и др. Наиболее массовые загрязнители, выбрасываемые техногенными источниками в атмосферу Земли, представлены в табл. 1.2.
В местах активного использования газотурбинных и ракетных двигателей (аэродромы, космодромы, испытательные станции) загрязнения от этих источников сопоставимы с загрязнениями от автотранспорта. Суммарный выброс токсичных веществ в атмосферу самолетами растет в результате повышения расхода топлива и увеличения авиационного парка.
Таблица 1.2
Выброс в атмосферу главных загрязнителей (поллютантов) в мире и в России
|
Фоновое техногенное загрязнение атмосферы формируется преимущественно под влиянием промышленных выбросов и условий регионального и глобального рассеяния загрязняющих веществ в атмосфере.
Концентрация некоторых веществ в атмосфере имеет сезонный ход. Например, концентрация диоксида серы в теплый период годы в 2-8 раз ниже, чем зимой. Повышение концентрации загрязнителей зимой объясняется ухудшением метеорологических условий их рассеяния, увеличением количества промышленных выбросов, замедлением трансформации веществ при низкой температуре воздуха. Влияние вредных выбросов на окружающую среду представлено в табл. 1.3.
Таблица 1.3
Влияние загрязнителей воздуха на окружающую среду
|
Вещества, загрязняющие атмосферу, подразделяются также на первичные и вторичные. Первичные - это вещества, содержащиеся непосредственно в выбросах предприятий и поступающие с ними от разных источников; вторичные - это продукты трансформации или вторичного синтеза. Вторичные вещества нередко более опасны чем первичные.
Дата добавления: 2015-12-22; просмотров: 1034;