Записки метеоролога

Совместно мы определили тему изучения. Вначале она получила название «Исследование сложных для авиации метеорологических условий в северных районах ЕТС». С таким названием она была включена в план научно-исследовательских работ МО ВНИИГМИ-МЦД и Северного УГМС. Впоследствии, после поступления в заочную аспирантуру ВНИИГМИ-МЦД, это название стало темой моей кандидатской диссертации, но к её названию была дополнена фраза «…и их влияние на производство полётов».

Подготовка данных и обработка материалов наблюдений на ЭВМ

При выполнении темы и диссертации предполагалось, что обработка большого объёма данных наблюдений 43 станций за 10-летний период, более-менее равномерно распределённых по Северу ЕТС, будет производиться в ВЦ Северного УГМС на недавно установленной машине ЕС-1022.

Для обработки ежечасных метеонаблюдений 8 АМСГ совместно с МО ВНИИГМИ было подготовлено Техническое задание. Это было первое Техническое задание в Северном УГМС, в нём, в частности, предусматривалось разработка программ контроля информации, обработки материалов наблюдений и получения большого количества таблиц различных пределов низкой облачности 200 м и ниже, дальности видимости 2 000 м и менее, их комплекса сложных метеоусловий М (200/2) и менее и их непрерывной продолжительности.

Разработка этих программ была возложена на программиста ВНИИГМИ-МЦД (Обнинск) в рамках темы плана НИР и по мере окончания их разработки они должны были переданы в ВЦ для внедрения и сопровождения обработки данных ежечасных наблюдений. Но получилось так, что время шло, но никаких программ из ВНИИГМИ передано не было. Пришлось программисту ВЦ СУГМС согласно Техническому заданию самому приступить к разработке этих программ.

Первоначально не очень получалось, так как при обработке наблюдений разброс данных был велик, но со временем обработка материалов наблюдений на ЭВМ всё больше сходилась с ручной обработкой.

А что же с программами ВНИИГМИ? Мы их так и не получили. Тем не менее, находясь на одной из итоговых сессий в МО ВНИИГМИ, мы узнали, что программист ВЦ ВНИИГМИ-МЦД в Обнинске отчитался о разработанных им программах без сдачи-приёмки заказчику – лаборатории авиационной климатологии МО. Мне неизвестно воспользовались ли этими программами в дальнейшем в МО, но мы нет, только консультациями ВЦ ВНИИГМИ при разработке собственных программ.

Хотя многие считали, что обработка больших массивов метеорологической информации на ЭВМ сильно ускоряет этот процесс по сравнению с ручным счётом, но это не совсем так, так как сама подготовка данных к обработке на ЭВМ была очень трудоёмкой. Подготовка данных заключалась в том, что погода за каждый срок кодировалась и записывалась в специальный бланк. В качестве технического носителя информации, пригодного для ввода в ЭВМ, использовались перфокарты для занесения ежечасных наблюдений и перфоленты – для 8-ми срочных наблюдений.

Для занесения информации на перфокарты была приобретена специальная машина, установка которой потребовала дополнительного помещения, которое было отгорожено от красного уголка в старом здании СУГМС.

Готовилась ежечасная информация в течение нескольких лет, всего было подготовлено более одного миллиона перфокарт. Все они были пропущены через ЭВМ, в результате чего получены таблицы различных пределов высоты НГО, ДВ, СМУ. Всего была обработана ежечасная информация 8 АМСГ и срочная информация 35 станций.

Не обошлось здесь и без ручного счёта, причём тоже в большом объёме, так как это было необходимо в период отладки программ как для проверки результатов счёта на ЭВМ, так и для выполнения исследования по теме, во всяком случае в первоначальный период её выполнения.

Полученные на ЭВМ таблицы имели двойное назначение: с одной стороны, они были использованы для создания климатического справочника по сложным для авиации метеоусловиям Севера ЕТС, а, с другой стороны, для их анализа с целью исследования условий формирования СМУ.

Таким образом, был подготовлен и издан первый по Северу ЕТС авиационно-климатический справочник: «Климатические характеристики Северных районов ЕТ СССР (облачность, горизонтальная видимость и сложные условия погоды). Том 1, Архангельская область, Архангельск, Северное УГМС. 1981; Том 2, Коми АССР и Вологодская область, Архангельск, Северное УГМС. 1982». Далее остановимся на результатах анализа полученных таблиц.

Закономерности годового хода повторяемости сложных метеоусловий

Несмотря на то, что различные процессы, приводящие к возникновению низкой облачности, ограниченной видимости и сложных условий погоды в их комплексе носят в основном непериодический характер, всё же их периодические колебания достаточно отчётливо проявляются в их годовом и суточном ходе повторяемости.

С этой целью для всех 43 станций по полученным в таблицах значениям были построены графики повторяемости годового хода различных пределов этих элементов и их комплекса. Повторяемость в процентах рассчитывалась от общего числа наблюдений в месяц. С помощью графиков были определены основные закономерности и особенности их годового хода.

Графики годового хода высоты нижней границы облаков (НГО) строились для трёх пределов: 50, 100 и 200 метров и ниже. В результате анализа графиков, выявлены три типа распределения годового хода низкой облачности на территории Европейского Севера:

– с одним максимумом повторяемости, наблюдаемым в летние месяцы (июнь–август), характерным для прибрежных районов, островов и полуостровов Баренцева моря. Он обусловлен большим температурным контрастом между сушей и морем в летний период, в результате чего над поверхностью плавучих льдов и холодных морских вод при выносе тёплого воздуха с суши происходит его охлаждение и образование тумана и низкой облачности. С уменьшением температурного контраста в осенний период повторяемость низкой облачности начинает резко уменьшаться, достигая минимума в зимне-весенний период, когда температурный контраст между сушей и морем сглажен;

– со сложным годовым ходом, при котором разность между максимальными и минимальными значениями повторяемости составляет около 5–7%. Такой тип высоты НГО характерен для районов Большеземельской тундры и обусловлен циклонической деятельностью, развитием адвективных внутримассовых процессов и влиянием подстилающей поверхности, из которых наибольший вклад вносят адвективные процессы, характерные для осеннего периода. Имеет две разновидности, отличающиеся друг от друга по величине амплитуд и распространённые одна в пределах Большеземельской тундры, достигающая осенью повторяемости 12% (ст. Хоседа-Хард), а вторая – в предгорьях Полярного Урала, достигающая 20% (ст. Воркута);

– с двумя чётко выраженными максимумами и минимумами повторяемости годового хода; один максимум осенний – основной, второй максимум весенний – вспомогательный. Распространён на всей остальной территории. Основная особенность этого типа заключаются в наличии различий в величине амплитуды и времени наступления экстремальных величин повторяемости, что связано с влиянием рельефа на увеличение повторяемости и на образование низкой облачности. Так, над Коношско-Няндомской возвышенностью максимум повторяемости низкой облачности в осенний период достигает 35% (ст. Няндома), тогда как восточнее её на ст. Шенкурск – всего 15%.

Был рассмотрен годовой ход повторяемости наиболее встречающихся на Европейском Севере предельных значений минимумов, установленных по ограниченной дальности видимости для полётов воздушных судов: 0,8, 1,5, 2,0 и 3,0 км и менее. В результате анализа построенных графиков годового хода указанных пределов для всех 43 станций, было выявлено три типа их распределения:

– с двумя максимумами повторяемости – зимним и летним. Распространён на побережье, островах и полуостровах юго-востока Баренцева моря. Зимний максимум возникает за счёт снегопадов и метелей, наблюдавшихся вследствие интенсивной циклонической деятельности на арктическом фронте, а летний – за счёт образования адвективных туманов и дымки над поверхностью плавучих льдов и холодных вод Баренцева моря. Туманы и дымки, образующиеся над морем, как правило, захватывают и прибрежную зону;

– для второго типа характерен один зимний максимум в годовом ходе повторяемости ограниченной видимости. Он распространён в пределах Большеземельской тундры. Имеет разновидность, распространённую в предгорьях Полярного Урала на крайнем северо-востоке Европейского Севера. Основным отличием этой разновидности от всех других районов этой территории является наиболее высокая повторяемость ограниченной видимости в зимний период, достигающая для видимости менее 2 000 метров в Воркуте 28% в январе.

Увеличение повторяемости в Воркуте по сравнению с близлежащим прибрежным районом Баренцева моря, где она и так достаточно велика (18%, ст. Варандей), обусловлено главным образом влиянием Полярного Урала на выпадение снега и возникновение метелей.

Во-первых, Полярный Урал задерживает перемещение циклонов и атмосферных фронтов, вызывая тем самым восходящие движения воздуха ещё до поднятия по склону, что приводит к дополнительным осадкам предвосхождения. По этой причине, например, в Воркуте годовая сумма осадков составляет 650 мм, а на западных склонах Полярного Урала 1 000 мм и более, в то время как на побережье Баренцева моря (Варандей) их выпадает менее 600 мм.

Во-вторых, при определённых условиях Полярный Урал оказывает влияние на усиление ветра, которое происходит при воздушных потоках, направленных как в сторону гор, так и вдоль гор при южных ветрах. Кроме того, ветер усиливается перед горами при приближении фронта вследствие сужения воздушного потока между фронтом и препятствием. Предфронтальное усиление ветра может быть заметно на расстоянии 200–300 км перед фронтом. С ним и связано увеличение повторяемости метелей и ограниченной видимости в них.

При общей повторяемости видимости менее 2 км в январе в Воркуте 28% приходится: на мглу, образующуюся от производственных шахтных выбросов, – около 4%, на туман и дымку – 10,6%. Без этих явлений повторяемость идимости в осадках и метелях под влиянием Полярного Урала в Воркуте возрастает по сравнению с Варандеем на 8%.

В отдельный подрайон выделяются предгорья Полярного и Северного Урала, протянувшегося от Инты на юг. Здесь повторяемость ограниченной видимости меньше, чем на северо-востоке, что связано с ослаблением циклонической деятельности, однако задерживающее влияние Уральских гор ещё существенно сказывается на увеличении количества выпадающих осадков и ограниченной видимости в них по сравнению с близлежащими к Предуралью станциями. Так, средняя сумма осадков в январе на станциях Верхний Щугор и Дутово составляет 73 и 49 мм.

– третий тип с двумя максимумами (весенним и осенним) и двумя минимумами распространён на остальной наиболее обширной части территории. По сравнению с первым и вторым типами, при этом типе ограниченная видимость имеет меньшую повторяемость и отличается большим разнообразием в годовом ходе вследствие влияния географического положения, рельефа местности и других факторов.

Для многочисленных низменных равнин, таких, как Молого-Шекснинская, Сухонская, Северо-Двинская, Мезенская, Верхне-Печорская, Нижне-Печорская, на которых наблюдается меньшая повторяемость ограниченной видимости по сравнению с другими районами, время наступления максимумов и их величина выражены недостаточно чётко, амплитуда между максимумами и минимумами невелика.

Гораздо лучше годовой ход повторяемости выражен на станциях Няндома и Шенкурск, на графиках которых чётко выделяется два максимума – весенний и осенний, причём осенний больше весеннего; значительной является амплитуда между максимумами и минимумами.

Повторяемость ограниченной видимости на ст. Няндома значительно превышает значения её для ст. Шенкурск, что обусловлено расположением этих станций относительно склонов Коношско-Няндомской возвышенности. Ст. Няндома находится на возвышенности, а Шенкурск – к востоку от неё, в результате чего в Няндоме в ноябре выпадает 70 мм осадков, тогда как в Шенкурске – всего 51 мм, соответственно этому повторяемость видимости менее 2 км составляет 7,6 и 6,1%.

Расчёт сложных метеорологических условий производился для трёх степеней сложности: М (0,5/50); М (1/100); М (2/200). По построенным графикам этих значений выявлены основные особенности годового хода повторяемости сложных метеоусловий в различных районах Европейского Севера.

Рассматривая их сезонные различия, для этой территории выявлены три типа повторяемости годового хода сложных метеоусловий: первый тип – с двумя максимумами (летним и зимним) и двумя минимумами (зимне-весенним и осенним); второй тип – со сложным годовым ходом и с одной разновидностью и третий тип – с двумя максимумам (весенним и осенним) и значительным превышением осеннего максимума над весенним. Каждый из указанных типов характерен для определённой авиационно-климатической области, в которой он формируется. Наличие некоторых разновидностей в пределах одной и той же климатической области обуславливается особенностями циркуляции атмосферы, радиационного режима и рельефа подстилающей поверхности.

Первый тип распределения распространён в прибрежных районах, островах и полуостровах юго-востока Баренцева моря. Зимний максимум возникает за счёт снегопадов и метелей, связанных с активной циклонической деятельностью, а летний – за счёт образования низкой облачности, туманов и дымки над плавучими льдами и холодной поверхностью моря вследствие большого температурного контраста между сушей и морем. Уменьшение температурного контраста между сушей и морем в зимне–весенний период и осенью обусловливает появление минимумов повторяемости сложных метеоусловий. В частности, зимне-весенний минимум совпадает с наибольшей ледовитостью на юго-востоке Баренцева моря.

Второй тип сложных метеоусловий, имеющий сложный годовой ход (несколько максимумов и минимумов), распространён в пределах Большеземельской тундры. Такой годовой ход указывает на неоднородный характер формирования сложных метеоусловий, обусловленный разнообразием атмосферных процессов, адвективными и радиационными факторами. Отдельная разновидность арктического типа годового хода сложных метеоусловий отмечается в районе предгорий Полярного Урала.

Основное отличие этого района от других заключается в наиболее высокой повторяемости сложных метеоусловий в течение большей части года, лишь в отдельные месяцы она может быть меньше, чем на других станциях. Увеличение повторяемости сложных метеоусловий обусловлено влиянием Уральских гор на выпадение осадков и возникновение метелей с ограниченной видимостью.

Третий тип годового хода сложных метеоусловий охватывает большую часть Европейского Севера. Общие черты годового хода сложных метеоусловий определяют их принадлежность к единой авиационно-климатической провинции.

Однако вся область не является однородной, в отдельных её районах имеются различия по времени и величине наступления экстремумов сложных метеоусловий. Также как в случаях с годовым ходом низкой облачности и ограниченной видимости, на увеличение повторяемости сложных метеоусловий большое влияние оказывает рельеф. Так, над Коношско-Няндомской возвышенностью, где находится станция Няндома, повторяемость сложных метеоусловий намного превышает их значения на ст. Шенкурск, расположенной восточнее возвышенности, максимум сложных метеоусловий в ноябре в Няндоме составляет 53% и имеет наибольшее значение на всей рассматриваемой территории Европейского Севера, на 32% больше, чем в Шенкурске. Аналогичное влияние на увеличение повторяемости сложных метеоусловий оказывает Тиманский кряж.

Сезонное распределение по территории сложных метеоусловий

Для выявления особенностей распределения низкой облачности, ограниченной видимости и сложных метео условий были построены карты повторяемости низкой облачности ниже 200 м, ограниченной видимости менее 2000 м и сложных условий погоды комплекса М (2/200) за центральные месяцы сезона. Анализ карт показал, что, несмотря на равнинный характер территории Европейского Севера, указанные элементы и их комплекс в каждом сезоне распределяются неравномерно.

Рассмотрим сезонные особенности распределения низкой облачности ниже 200 м. Синоптические процессы, развивающиеся в осенний период характеризуются активизацией циклонической деятельности, которая и определяет основные черты распределения высоты низких облаков.

Циркуляция относительно тёплого и влажного воздуха в системе циклонических образований, а также адвекция воздуха с юго-запада, запада и северо-запада при внутримассовых процессах создают наиболее благоприятные условия для образования низкой облачности.

Несмотря на то, что в этот период времени на большей части территории формируется основной максимум низкой облачности, всё же она распределяется крайне неравномерно, образуя очаги повышенной и пониженной повторяемости.

Очаги наиболее высокой повторяемости, более 30%, наблюдаются над Коношско-Няндомской возвышенностью, в междуречьях Онеги, Пинеги и Северной Двины, над Тиманским кряжем и в предгорьях Полярного Урала. Очаги пониженной повторяемости около 10% протянулись вдоль границы Вологодской и Архангельской областей и севернее реки Вычегда. В осенний период сглаживается температурный контраст между континентом и Баренцевым морем, что приводит к резкому уменьшению повторяемости низкой облачности. На побережье Баренцева моря исчезает очаг максимальной повторяемости низкой облачности ниже 200 м, наблюдавшийся здесь в летний сезон.

В зимний период положение очагов повышенной и пониженной повторяемости низкой облачности имеет большое сходство с их осенним расположением, постепенно уменьшаясь до 20–25% в январе в очагах повышенной повторяемости, достигая минимума в феврале–марте, а в очагах пониженной повторяемости снижается до 5–9%. В этот период внутримассовая облачность является преобладающей. Чаще всего она возникает при выносе относительно тёплого и влажного воздуха.

Основная роль принадлежит трансформационному понижению температуры воздуха. Такие условия наблюдаются на западной периферии антициклонов и гребней, в поле прямолинейных изобар.

Наиболее благоприятным условием для образования низкой облачности является наличие инверсии температуры в приземном слое воздуха. Зимой инверсии образуются вследствие радиационного охлаждения воздуха у земной поверхности, при адвекции тёплого воздуха над холодной подстилающей поверхностью, а также при упорядоченных нисходящих движениях воздуха выше слоя трения. Фронтальная облачность зимой наблюдается реже, чем внутримассовая. При фронтальных процессах низкие облака чаще всего образуются в зоне тёплых и малоподвижных фронтов, смещающихся с северо-запада, запада и юго-запада со скоростью 20–30 км/ч.

Низкая облачность в весенний период чаще всего образуется в результате прохождения циклонических образований и связанных с ними фронтальных разделов. Роль внутримассовых процессов в это время снижается. Весной существенных изменений в распределении высоты низких облаков, по сравнению с зимним периодом, не наблюдается. Исключением являются лишь прибрежные районы Баренцева моря и предгорья Полярного Урала, где отмечается увеличение повторяемости низких облаков.

Летом, в связи с изменением характера синоптических процессов, изменяется и характер распределения высоты низких облаков. Основной особенностью летнего распределения низкой облачности является наличие очага с повышенной повторяемостью более 25%, который формируется в прибрежных районах Баренцева моря. В остальных районах отмечается уменьшение повторяемости низкой облачности по сравнению с весенним периодом. Летом между сушей и морем наблюдаются большие контрасты температур, которые создают благоприятные условия для образования низкой облачности и туманов и выноса их на побережье. В районах, удалённых от побережья, повторяемость низкой облачности небольшая, но она в основном образуется при прохождении фронтальных разделов.