С ЮЖНЫХ ГОР ДО СЕВЕРНЫХ МОРЕЙ
Правила хорошего тона у англичан всегда предусматривали разговоры о погоде («Прекрасная погода, сэр, не правда ли?»). Действительно, настоящая английская погода в любой день предоставит обильный материал для обсуждения даже незнакомым людям. Погода объединяет, как общая беда или общая радость.
Интересуются погодой также и в Москве, и в Токио, и в Нью-Йорке, и в Париже... Можно перечислить много самых разных городов и стран, которые, однако, будет объединять одно - их географическое положение. Все они лежат в обширной полосе умеренных широт северного полушария, примерно от 40 до 70° с. ш. Здесь, пожалуй, самая изменчивая погода на Земле.
А вот жителей Сахары погода разнообразием не балует. Дожди здесь, например, бывают раз в несколько лет. Не поймут вежливых разговоров о погоде и обитатели Огненной Земли на крайнем юге Южной Америки. Хотя Огненная Земля тоже находится в умеренных широтах (55° ю. ш.) и осадков здесь даже больше, чем в Англии, но выпадают они 300 - 330 дней в году в виде унылых моросящих дождей. Даже ветер здесь настолько постоянный по направлению, что редкие чахлые деревья наклонены все в одну сторону, на северо-восток. Признайтесь, что наша неустойчивая погода - дар Божий по сравнению с огненноземельской!
Но и в пределах нашей страны есть области с большей или меньшей изменчивостью погоды, и прежде чем начать разговор о том, как прогнозируют погоду, установим, где такие области находятся. Поможет нам в этом один из разделов метеорологии - климатология, которая изучает географию погоды, повторяемость и вероятность различных состояний атмосферы на материках и океанах, то есть климаты Земли.
«Единственная особенность москвичей, которая до сих пор остается мной не разгаданной, - это их постоянный, таинственный интерес к погоде... - Тише! - вскрикивает вдруг кто-нибудь и подымает голову к репродуктору. - Погоду передают! Все затаив дыхание слушают передачу...»
Попробуем на минуту забыть, что перед нами образец мягкого, доброжелательного юмора замечательного писателя Фазиля Искандера, и отнесемся к этой фразе серьезно. Выходит, что в Абхазии меньше интересуются прогнозом погоды на завтра, чем в Москве. Почему? Наверное, изменчивость погоды в Москве больше. Попробуем проверить.
Для этого нужно выбрать какую-нибудь показательную характеристику погоды. Чаще всего мы интересуемся температурой воздуха и осадками. На рис.1 показано, насколько в среднем изменяется температура воздуха в течение 5 дней в различных частях нашей страны зимой и летом; значками отмечены районы большой повторяемости сильных ливневых дождей и снега, которые бывают только при очень изменчивой погоде.
Похоже, что наша гипотеза отчасти подтверждается: в районе Черноморского побережья Кавказа, где живут земляки писателя, и зимой и летом наблюдается минимум изменчивости температуры. В Москве эта изменчивость в полтора-два раза выше. Значит ли это, что прогнозы погоды в Москве нужнее, чем в Абхазии? Прогнозы температуры воздуха - да. Сильные же осадки на побережье Кавказа выпадают чаще, чем в Москве: сказывается влияние Черного моря. Зимой в Сухуми за месяц бывает обычно 7-8 дней с осадками более 5 мм, а в Москве - только 2-3 дня. Значит, в Абхазии прогнозы температуры воздуха не очень актуальны, зато важны прогнозы дождя и снега, к тому же здесь горный район и последствия сильных осадков могут быть катастрофическими.
На рис.1 можно видеть, что области малой изменчивости температуры воздуха вообще приурочены к берегам морей, которые сглаживают ее колебания, так как летом море холоднее суши, а зимой теплее. Но здесь же из-за увлажнения воздуха над водой увеличиваются количество осадков и вероятность сильных дождей. На территории России нет областей чисто морского климата с относительно теплой зимой и прохладным летом, лишь крайняя северо-западная часть ее по характеру погоды напоминает Англию - страну классических туманов и дождей.
Рис. 1. Средние изменения температуры воздуха (°С) за 5 дней зимой (а) и летом (б). 1 - траектории циклонов, 2 - ливневые дожди, 3 - ливневый снег. Уникальна погода на Дальнем Востоке. Летом сюда поступает влажный воздух с моря, здесь много дождей, в том числе и сильных, и в целом нежарко - типичный морской климат. Зима же в Приморье сухая и малооблачная, она проходит под знаком северо-западных ветров, несущих сибирские холода. Такие сезонные изменения характерны для муссонного климата (муссоном называется ветер, меняющий свое направление от зимы к лету на противоположное). Вообще же муссонные области Земли лежат в тропическом поясе, поэтому погода Дальнего Востока уникальна.
Максимальная изменчивость температуры в течение года отмечается на побережье Северного Ледовитого океана. Объяснить этот феномен нельзя, если не рассматривать крупные, планетарные перемещения воздушных масс. В Арктику и зимой и летом приходят гигантские атмосферные вихри - циклоны. Чтобы нагляднее представить себе циклоны, надо сопоставить их горизонтальные размеры (1000-2000 км) и вертикальную протяженность (2-10 км). Оказывается, циклоны - это почти плоские горизонтальные вихри. Далее мы познакомимся с ними подробнее, а сейчас нужно запомнить лишь следующее: циклоны - это атмосферные вихри, которые приносят с собой ненастье и резкие изменения температуры. В северном полушарии воздух в циклоне вращается против часовой стрелки и при этом слегка стремится к центру вихря, таким образом, что траектории отдельных частиц воздуха напоминают спирали. Сходящийся к центру циклона воздух медленно поднимается вверх, а в поднимающемся воздухе всегда образуются облака, из которых выпадают либо дождь, либо снег.
В тех районах, где циклоны еще относительно «молоды» (в начале их траекторий), как раз и отмечаются зоны сильных осадков. Зимой это Прибалтика, центр Европейской части России и Украина, летом - те же районы плюс Западная Сибирь и Дальний Восток. В Арктику циклоны приходят уже в «зрелом возрасте» (здесь их диаметр достигает 2000 км), когда они дают мало осадков, но вызывают большие колебания температуры, потому что затягивают в себя одновременно воздух из арктических пустынь и с далекого юга. Области максимальной изменчивости температуры воздуха на рис.1 расположены именно там, где наиболее часто проходят циклоны.
Противоположностью циклона по всем параметрам является антициклон. Воздух движется в нем по часовой стрелке, растекаясь от центра к периферии и одновременно оседая к земле, поэтому в антициклоне никогда не бывает мощных дождевых облаков, а небо чаще всего совершенно ясное. Очень важно также, что антициклон не усиливает контрасты температуры, как циклон, а размывает их. Погода в антициклоне безветренная, сухая и малооблачная. В Евразии есть область (центр ее находится примерно в Забайкалье), которую зимой циклоны старательно обходят (рис. 1 а). С ноября по март здесь устанавливаются обширные малоподвижные антициклоны с очень холодной и сухой погодой. Иногда сфера их влияния расширяется до Урала и Волги, иногда распространяется даже дальше: отсюда приходят в коренную Россию сибирские морозы.
Антициклоны возникают и летом. В летних антициклонах стоит ясная и жаркая погода, а порой отмечаются даже засухи. Антициклоническая погода может устанавливаться практически в любом регионе нашей страны, определенной географической привязки летние антициклоны не имеют. Возникнув, антициклон может держаться на одном месте и неделю, и месяц, и даже целый сезон. Такие ситуации чреваты сильными засухами, и их предсказание - одна из главных задач долгосрочного прогноза погоды.
Итак, попутно с изучением географии погоды мы установили одну из главных причин ее изменений - это крупномасштабные движения воздуха, или, как говорят иначе, циркуляция атмосферы. Зависимость погоды от циркуляции атмосферы характерна для всего земного шара, особенно для районов умеренных и высоких широт. Зимой циркуляция атмосферы обусловливает практически все заметные перепады тепла и холода, заряды снега и потоки дождя, непосредственно с ней связана и изменчивость направления ветра. Летом ведущая роль крупных атмосферных вихрей сохраняется, однако обозначается еще один фактор погодных изменений, который зимой проявляется не столь отчетливо. На рис.1б видно, что летом циклоны движутся по более северным траекториям, чем зимой. На Кавказе устанавливается антициклонический тип погоды, которая так влечет нас на желанный юг! И, тем не менее, сильные дожди с грозами здесь не редкость; в основном необходимые для них условия складываются там, где потоки воздуха, перемещающиеся даже с относительно небольшой скоростью, встречают на своем пути горные хребты. Колхидская низменность, плотно окруженная горами, - настоящая ловушка дождей; гремят грозы и на северных склонах Кавказского хребта. В равнинных пустынях Средней Азии летний дождь - большое событие, а в горах Тянь-Шаня с мая по июль гроза и дождь - нормальное явление. На южном побережье Крыма летом дожди редки, потому что воздух, поступающий сюда в основном с запада и северо-запада, теряет влагу на северных склонах Крымской гряды - Яйлы.
Влияет рельеф и на колебания температуры воздуха: в горах они усиливаются. На рис.1б изолиния 5°С четко очерчивает Урал и Восточно-Сибирское плоскогорье (область повышенной изменчивости температуры), над равнинами Западной Сибири изолинии изменений температуры уходят на север (область пониженной изменчивости). Горы Тянь-Шаня и Кавказа также проявляются в поле изолиний. Какой же главный вывод следует из анализа географии погоды на обширной территории Евразии? Очевидно, он таков: если рассматривать колебания погоды как комплекс изменений температуры воздуха, осадков и атмосферных явлений, то районов с постоянной погодой мы практически не найдем. Прогнозы погоды нужны везде и во все сезоны. Другое дело, что в зависимости от района и времени года изменяется потребность в прогнозе различных составляющих погоды. Итак, на погоду в наших широтах влияют три основных фактора: циркуляция атмосферы, рельеф земной поверхности и море.
МЕСТАМИ И «КОЕ- ГДЕ»
Наличие зависимости погоды от циркуляции атмосферы приводит к мысли о примерной технологии прогноза погоды на завтра. По картам погоды, которые составляются от 2 до 6 раз в сутки в зависимости от типа карты, надо установить, сколько циклонов и антициклонов существует на сегодняшний день и где они расположены, затем предсказать путь их перемещения к завтрашнему дню, а также стадию развития. Тогда прогноз температуры воздуха представляется очень простым: в восточной половине циклона будет тепло, поскольку в этой его части воздух затягивается с юга, а в западной половине - холодно, так как там дуют северные ветры. В антициклоне все будет наоборот. Остается посмотреть, какая при этом будет температура воздуха и какое количество осадков принесут северные и южные ветры (возможное влияние моря будет учтено автоматически). Например, если мы знаем, что завтра центр циклона диаметром 1000 км будет располагаться над Москвой, то надо давать прогноз относительно теплой погоды в Тамбовской, Рязанской, Нижегородской и Владимирской областях, то есть во всех областях к востоку от меридиана Москвы в радиусе 500 км. Холодно же будет на западе Центрального района России.
В принципе так прогнозы погоды и делаются, но наша схема пока еще очень упрощенная, в ней не учтены многие важные процессы, протекающие внутри самих циклонов и антициклонов. И еще: совершенно не учтен рельеф Земли, а ведь погода существенно зависит от его особенностей, что, конечно, усложняет ее прогноз.
«…По области туман», - слышите вы по радио. Чтобы ясно представить себе погоду в области, надо хорошо знать географические особенности этой области. Вот два примера зимних туманов: один относится к югу Европейской части России и Украине, другой - к Предбайкалью. 
Туманы на Украине, Северном Кавказе и в Нижнем Поволжье образуются при внезапном переходе от холодной погоды к теплой. Как правило, это происходит в тех случаях, когда в восточную часть циклона воздух затягивается со Средиземного и Черного морей (он не только теплый, но еще и влажный). И вот невидимый водяной пар, охлаждаясь над промерзшими украинскими пашнями и калмыцкими степями, начинает конденсироваться в мельчайшие капельки и становится видимым - превращается в туман. Обратите внимание на распределение по территории повторяемости этих туманов на рис.2. Изолинии наибольшей повторяемости туманов плавно очерчивают территорию Днепропетровск - Волгоград. Именно сюда чаще всего попадает влажный теплый воздух юго-восточной части циклонов, выходящих со Средиземноморья на Украину (траектория этих циклонов видна на рис.1а). Плавность изолиний означает, что туманы при такой циркуляции бывают повсеместно, они равномерно расстилаются над большой территорией. Это и неудивительно: при обычном диаметре циклона 1000 км теплая воздушная масса захватывает полосу протяженностью несколько сотен километров. И еще важно вот что: характер местности здесь равнинный и рельеф не может существенно влиять на локальные усиления или ослабления туманов.
Совсем по-другому выглядят зимние туманы в Предбайкалье. Южная часть Иркутской области расположена на Лено-Ангарском плато, прорезанном долинами рек и окруженном довольно высокими горными хребтами. Ландшафт и циркуляция атмосферы здесь совершенно не такие, как на юге Европейской части России. По-другому, естественно, образуются в этих местах и зимние туманы.
Мы уже знаем, что погоду в Предбайкалье определяет обширный зимний антициклон. В ясные безоблачные ночи, которые обычно наблюдаются в антициклоне, воздух у поверхности земли очень сильно охлаждается, потому что она щедро излучает в мировое пространство тепло в виде длинноволновой радиации. Минимальная температура воздуха может достигать здесь - 55°С. Особенно холодно становится в долинах и других понижениях рельефа: сюда стекает охлажденный воздух со склонов. Такой низкой температуры иногда достаточно для того, чтобы даже те «крохи» водяного пара, которые обычно содержатся в холодных воздушных массах, стали конденсироваться в ледяные кристаллики тумана. В верховьях Ангары, на которой стоит Иркутск, туман усиливается вследствие испарений с поверхности реки. Да, да - испарений! На некоторых перекатах Ангара такая быстрая, что не успевает замерзать даже в сибирские морозы. Речная вода, температура которой составляет 1 – 3 °С, отдает влагу сухому морозному воздуху. Именно здесь, в Иркутске, повторяемость зимних туманов самая высокая по всему Предбайкалью. На остальной его территории она зависит от рельефа: в долинах туманы отмечаются чаще (Зима, Жигалово), на плоскогорье - реже, а на хребтах их почти не бывает. «Рисунок» повторяемости тумана настолько сложен, что его и не воспроизвести на карте!
Прогноз тумана на юге Европейской части России и на Украине дать легче. Для этого нужно правильно рассчитать траекторию циклона, температуру и влажность теплого воздуха, которые более или менее одинаковы на больших пространствах. В Предбайкалье необходимо не только «увидеть» будущий антициклон, но и сделать для каждого пункта сложный расчет ночного понижения температуры, зависящего от множества местных факторов. В Иркутске дело осложняет еще и испаряющая влагу Ангара. Вот как влияет на погоду пересеченный рельеф! Вот отчего появляются в прогнозах слова «местами» и «кое-где». Однако даже и в тех случаях, когда речь идет о прогнозе погоды для равнинной местности, обойтись без этих слов нельзя. Например, в жаркий летний полдень вы тревожно смотрите на надвигающееся грозовое облако, предполагая, что вскоре разразится гроза и вы попадете под сильный дождь. Однако даже если ветер несет облако в вашу сторону, дождя может и не быть - это зависит от влажности воздуха, «возраста» облака и встречающихся на его пути лесов, озер, полей...
Если по радио говорят, что какое-то атмосферное явление будет отмечаться местами или кое-где, знайте, что речь идет о крайне сложном процессе, ход которого точно рассчитать для любого пункта пока нельзя.
В НАШЕМ ГОРОДЕ ДОЖДЬ
До сих пор мы рассматривали погоду как бы с орбиты искусственного спутника Земли (ИСЗ), проносясь над целыми регионами. А что если ограничить область прогноза погоды, например, одним городом, ведь на карте страны он выглядит точкой и площадь его в тысячу с лишним раз меньше площади, охватываемой обычным циклоном? Предположим, что в пределах города погода будет одинаковой. Следует ли из этого, что в сообщении о прогнозе погоды в данном случае можно обойтись без «местами» и «кое-где»? Давайте спустимся с высот ИСЗ на высоту полета обыкновенного «кукурузника» и немного полетаем над городом... Чем больше мы будем летать, тем больше будет в нас закрадываться сомнение в «одинаковости» городской погоды и простоте ее прогноза. Город - это миниатюрная страна, в которой обычные земные ландшафты заменены их микрокопиями. Высотные микрорайоны - это горные массивы, парки - леса, озера - моря, аэродромы - степи, площади - каменистые пустыни. Город так же сложен, как целый континент. И даже еще сложнее: в отличие от естественной географической среды, город не только поглощает солнечное тепло, но и вырабатывает энергию сам. Известный климатолог М. И. Будыко считает, что в большом городе с населением несколько миллионов человек вырабатывается такое количество энергии, которое превышает количество поглощаемого городом солнечного тепла! Есть и другие, более осторожные оценки, но и по таким оценкам искусственный приток тепла в городе составляет не менее 1/3 притока солнечной радиации. Разнообразные ландшафты и тепловые источники создают сложный микроклимат города, и точный прогноз погоды для него становится не менее трудной задачей, чем для больших территорий. Как же «выглядит» городская погода? Начнем, пожалуй, с дождя.
«В нашем городе дождь, он идет днем и ночью», - писал когда-то Е. Евтушенко. Это так называемый обложной дождь, который захватывает сразу тысячи квадратных километров и поэтому ни в центре, ни на окраине города больших различий не имеет. Для прогноза такого дождя нужно главным образом правильно рассчитать движение и эволюцию циклонов. А вот что такое «нормальный летний дождь», о котором тоже говорится в известной песне о Москве? В утреннем прогнозе погоды вероятность такого дождя выражается следующим образом: «Во второй половине дня местами пройдут кратковременные дожди, возможны грозы». Попробуем разобраться, что стоит за этой привычной и сухой фразой?
«Во второй половине дня...» - это понятно: в летний солнечный день к 13-14 ч поверхность почвы и асфальта, стены и крыши домов разогреваются, над городом образуется множество теплых воздушных пузырей, которые, согласно закону Архимеда, устремляются вверх. Возникающие при этом вертикальные движения воздуха называются свободной, или термической, конвекцией. Этот процесс мы ещё будем подробно разбирать, а пока запомним, что термическая конвекция - одна из главных причин образования мощных грозовых облаков высотой до 8-10 км. Такие облака формируются и за городом, но в его пределах конвекция усиливается и за счет «каменного» материала, и за счет дополнительного выделения тепла промышленными предприятиями. Весной, когда появляются первые после зимы кучевые облака, прежде всего их можно увидеть именно над городом. Сформировавшиеся к 13 - 14 ч грозовые облака (в метеорологии их называют кучево-дождевыми, или по-латыни Cumulonimbus (сокращенно Cb), имеют средний диаметр у основания около 10 км. При скорости движения облаков Cb 20 - 30 км/ч над наблюдателем такое облако будет проходить в течение 20 - 30 мин. Столько же времени будет продолжаться и выпадающий из облака ливневый дождь. Вот почему в прогнозе указаны «кратковременные дожди».
Если о дожде говорится достаточно уверенно, то в формулировке прогноза гроз используется слово «возможны». Это означает, что расчет интенсивности термической конвекции и количества ливневых осадков в настоящее время надежнее, чем расчет электрических характеристик облаков Cb.
Наконец, знаменитое «местами». Даже сравнение среднего диаметра облака Cb (10 км) со средним диаметром большого города, например Москвы (40 км), приводит к выводу, что из одного облака повсеместно дождь идти не может. Кроме того, условия для образования облаков Cb и выпадения летних ливней в разных частях Москвы разные. Самые благоприятные для них условия складываются в центре города, где наиболее плотная каменная застройка. Правда, очаг повышенной повторяемости сильных дождей есть и за городом (Немчиновка), но это объясняется наличием больших лесных массивов на юго-западе Московской области: деревья усиленно испаряют влагу, особенно в жаркую погоду, что способствует образованию облаков. В конкретных случаях распределение осадков может существенно отличаться от среднего многолетнего. Оно зависит от направления ветра, влажности почвы, температуры воздуха и даже от выброса в атмосферу дыма трубами заводов.
В целом статистика показывает, что если на вас «проливается» нормальный летний дождь где-то на юге Москвы, то вероятность одновременных осадков в центре города составляет 68%, а на севере - всего 53%. В этом и заключается весь смысл формулировки «местами пройдут дожди».
И все-таки, можно ли уже сейчас рассчитать характеристики для каждого облака Cb по отдельности и таким образом избавиться от «местами» и «кое-где»? Специалисты в области мезометеорологии - раздела метеорологии, изучающего процессы в атмосфере масштабами в несколько десятков километров, - отвечают, что теоретически к этому они готовы, но вот информация о погоде, например в окрестностях Москвы, нужна в 30 раз более подробная, чем та, которой они пока располагают.
Зимой в большом городе осадки выпадают равномернее, чем летом, зато температура воздуха может сильно меняться, особенно в тихую морозную погоду. Над городом существует «шапка тепла», обязанная своим происхождением энерговыделению предприятий, транспорта и теплосетей. Вдоль московской кольцевой дороги температура воздуха на 3-3,5° ниже, чем в центре города. Исключение составляет лишь юго-западная часть Москвы: там расположена Теплостанская возвышенность, а зимой на возвышенностях всегда теплее, чем в низинах. В отдельных случаях эти различия могут составлять 8-10°. Так что не стоит упрекать метеорологов в неточности сообщений о погоде, глядя лишь на свой термометр.
Итак, география погоды сложна, но не это главное. Как мы выяснили, все изменения погоды можно в принципе подразделить на три группы, в зависимости от пространственного масштаба. Изменения погоды в крупном масштабе - над целыми странами и континентами - во многом зависят от горизонтальной циркуляции воздуха в атмосфере. В среднем масштабе, или мезомасштабе, помимо циркуляции атмосферы на погоду существенно влияет рельеф земной поверхности, особенно горы; кроме того, ее изменения в значительной мере обусловлены воздействием вертикальных движений воздуха - конвекцией. В мелком масштабе, или микромасштабе, изменения погоды связаны с бесконечным разнообразием местных ландшафтов и даже с влиянием человека - антропогенным фактором. Следовательно, чем меньше территория, по которой дается прогноз погоды, тем, оказывается, он сложнее!
Понять эту простую для метеоролога истину неспециалисту довольно трудно. В самом деле, сказать, что будет на территории площадью 2 - 3 тысячи квадратных километров, конечно, сложнее, чем предсказать погоду в городе или поселке, - так думают многие. В действительности это неверно.
Вот простой пример из жизни, жизни армейской. Командир авиационного полка, хороший летчик, грамотный специалист, а следовательно человек, знакомый с за конами метеорологии, приказывает дежурному синоптику дать прогноз: будет ли туман над аэродромом ровно через неделю в 8 часов утра, к началу учебно-тренировочных полетов? Приказ не обсуждают, поэтому молодому лейтенанту приходится его выполнять. Но как? Он знает, что есть долгосрочный прогноз Гидрометцентра, согласно которому через неделю ожидается антициклоническая погода, а значит, возможен и туман. Но ведь достоверность такого прогноза всего 60-70%. Это первая неопределенность. Вторая заключается в том, что для прогноза тумана лейтенанту нужно точно знать направление ветра: ведь если ветер принесет влажный воздух с морского залива, туман будет, если же его направление изменится всего на 30-40° и он подует из степи, тумана может и не быть. Это чисто местные особенности, и для их прогноза нужно точно знать положение антициклона через неделю, что невозможно и на сутки вперед.
Как же вышел лейтенант из такого положения? Помогла армейская смекалка. Никакого прогноза он, конечно, не составлял, а просто взял климатический справочник и увидел, что, по многолетним данным, в этот сезон года утренние туманы бывают довольно редко. Начальству же он доложил следующее: все прогнозы погоды, составленные по разным современным методам, говорят о том, что тумана на аэродроме в 8 часов утра через неделю не будет (лейтенант, кроме того, знал, что командир очень хочет провести полеты!). Прогноз оправдался, но, конечно, чисто случайно. И лейтенант понимал это, так как знал, что к прогнозу местных условий погоды путь лежит только через прогноз крупномасштабной циркуляции атмосферы.
Наибольшие успехи сейчас достигнуты в крупномасштабных прогнозах погоды, которые мы далее и рассмотрим. Но сначала немного истории.