Времето и прогнозата
През 1961 г. метеорологът Едуард Лоренц искал да повтори едно изчисление на своя компютър. За да спести време, въвел началното число закръглено – 0,506 вместо 0,506127. Разликата била по-малка от грешката на всеки термометър. Но скоро новата прогноза се разминала напълно със старата. Така Лоренц открил, че атмосферата е хаотична – и че прогнозата за времето винаги ще има граница. Как тогава синоптиците все пак знаят, че утре ще вали?
1. Време и климат
Казваме „днес времето е хубаво“, но „България има умерен “. Времето е това, което е навън сега и в следващите дни. Климатът е обичайното време на едно място, осреднено за десетилетия – с неговите сезони и крайности (виж урока Климатите на Земята).
Време
Метеорологичните станции по целия свят измерват тези елементи в едни и същи часове по Гринуич – основните са 00, 06, 12 и 18 часа. Два пъти на денонощие стотици станции пускат и балони с радиосонди, които измерват атмосферата до височина 20–30 km. Към тях се добавят спътници, радари, самолети и шамандури в океана. Как въздухът се движи, кое е налягането и защо духа вятър, е обяснено в урока Налягане, ветрове и циркулация, а влажността и облаците – във Водата във въздуха.
2. Въздушни маси
Когато въздухът застои дни наред над голяма еднородна територия – заледен океан, пустиня или топло море – той поема нейните свойства. Така се образува въздушна маса.
Въздушна маса
| Въздушна маса | Знак | Къде се образува | Какво носи у нас |
|---|---|---|---|
| арктическа | A | Северният ледовит океан, Северен Сибир | нахлува от север и североизток – най-силните студове |
| континентална полярна (умерена) | cP | Източна Европа, Русия, Сибир | зимата – студено и сухо време, през лятото – суха и сравнително хладна |
| морска полярна (умерена) | mP | Северен Атлантик | идва от запад и северозапад с циклоните – прохладно и влажно, валежи |
| морска тропична | mT | Атлантикът около Азорските о-ви, Средиземно море | топло и влажно, обилни валежи със средиземноморските циклони |
| континентална тропична | cT | Северна Африка, Близкият изток | горещини през лятото, понякога прах от Сахара |
Над България въздушните маси често се сменят и затова времето ни е толкова променливо. Пролетта на един ден е като лято, а на следващия вали сняг: топлият въздух от юг е изместен от студения от север.
3. Атмосферни фронтове
Две въздушни маси не се смесват веднага. Между тях има тясна преходна зона – атмосферен фронт. Тя е наклонена: студеният въздух е по-плътен и винаги остава отдолу като клин, а топлият се издига над него. При издигането си въздухът се охлажда, кондензира и се образуват облаци и .
Видове фронтове
Понеже топлият фронт е много полегат, облаците му се появяват далеч пред него. Първи идват на 8–10 km височина, понякога повече от 1000 km пред фронта при земята. След тях небето се покрива с пересто-слоести и високослоести облаци, а накрая – със слоесто-дъждовни, от които вали дълго и равномерно. Пред студения фронт топлият въздух се изтласква рязко нагоре и се образуват : валежът е кратък, но силен, често с гръмотевици и поривист вятър.
продължителен, равномерен дъжд или сняг
Фронтовете се движат на изток с 30 km/h; топлият сектор е широк 600 km. Наклонът на топлия фронт е 1:150, на студения – 1:70. Числата са опростен модел.
Пример
Топъл фронт има наклон 1:150. На каква височина е фронталната повърхност над град, който е на 600 km пред фронта при земята? Ако фронтът се движи с 25 km/h, кога ще стигне до града?
- Височината расте с 1 km на всеки 150 km: – над града вече има високослоести облаци.
- – фронтът ще мине след денонощие.
Ето какво вижда наблюдателят, когато над него минат топъл и след него студен фронт: налягането пада, вятърът се завърта по часовниковата стрелка (от югоизток към югозапад и после към северозапад), а температурата първо се покачва в топлия сектор и после рязко пада зад студения фронт. Вятърът се завърта, защото станцията минава през различни части на , около чийто център въздухът се върти обратно на часовниковата стрелка – заради (виж урока Въртене).
4. Средноширинният циклон и синоптичната карта
По време на Първата световна война норвежки метеоролози от Берген – Вилхелм и Якоб Бьеркнес и колегите им – описали живота на циклоните в умерените ширини. Името „фронт“ е заимствано от фронтовата линия на войната: две „армии“ въздух, които се борят една с друга. Техният модел и днес се учи във всички учебници.
Циклонът се задълбочава. Между двата фронта е топлият сектор. Пред топлия фронт има широка ивица продължителни валежи, на студения – тясна ивица от порои и гръмотевици.
Норвежкият модел на циклона
Тези циклони носят по-голямата част от валежите в умерените ширини. Над България идват два основни вида: атлантически – от запад и северозапад, и средиземноморски – които се образуват често над Генуезкия залив, Адриатическо или Йонийско море. Средиземноморските циклони носят влажен въздух и могат да дадат обилни дъждове и снеговалежи, особено в Южна България и по южните склонове на планините.
Всичко това се вижда на синоптичната карта. На нея има (линии на еднакво налягане), центровете с ниско (Н) и високо (В) налягане и фронтовете със своите символи – триъгълниците и полукръговете сочат накъдето се движи фронтът. Всяка станция е малко кръгче с числа: температура, , налягане, облачност (запълнената част от кръгчето) и вятър – чертичка към посоката, откъдето духа, с „перца“ за скоростта (дълго перо = 10 възела).
5. Гръмотевични бури и градушки
Купесто-дъждовният облак е истинска машина. В жарък летен ден приземният въздух е топъл и влажен. Издигне ли се, той остава по-топъл от околния въздух и продължава нагоре като балон, понякога до на 10–15 km. Колко енергия има на разположение такъв „балон“, показва величината CAPE – енергия на неустойчивост, в J/kg.
Скорост на възходящото течение
Силното възходящо течение задържа ледените зрънца горе, докато те растат от замръзващи капки – така се образува градушката. Колкото по-силно е течението, толкова по-едри зърна може да задържи. Разделянето на в облака води до мълнии. Каналът на мълнията се нагрява до около 30 000 K и въздухът се разширява рязко – това е гръмотевицата.
Пример
Чуваш гръмотевица 9 секунди след светкавицата. На какво разстояние е мълнията?
- Светлината идва почти мигновено, а звукът изминава около 340 m в секунда.
- – правилото „3 секунди на километър“.
6. Тропически циклони и торнада
Тропическият циклон се нарича ураган в Атлантика и източната част на Тихия океан, тайфун в западната част на Тихия океан и просто циклон в Индийския океан. Захранва го топлината, която се отделя при кондензацията на водната пара от топлия океан. Затова той се образува, когато:
- повърхността на океана е поне около 26,5 °C, при това в достатъчно дебел слой вода;
- мястото е на повече от около 5° от – иначе силата на Кориолис е твърде слаба, за да завърти въздуха;
- вятърът почти не се мени с височината (иначе „отрязва“ върха на бурята) и въздухът е влажен.
В центъра е окото – десетки километри тихо и често ясно време, където въздухът се спуска. Около него е стената на окото с най-силните ветрове и валежи. Над сушата или над студена вода циклонът губи „горивото“ си и отслабва. Най-много щети обикновено нанасят не ветровете, а водата – проливните дъждове и надигането на морето (буреносен прилив).
| Категория (Сафир–Симпсън) | Устойчив вятър, km/h | Типични щети |
|---|---|---|
| 1 | 119–153 | откъснати клони, повредени покриви |
| 2 | 154–177 | изкоренени дървета, дни без ток |
| 3 | 178–208 | тежки разрушения – „голям“ ураган |
| 4 | 209–251 | срутени покриви и стени |
| 5 | над 252 | много сгради са напълно разрушени |
И в Средиземно море понякога се образуват подобни на тропическите циклони – наричат ги „медикейни“. През септември 2023 г. такъв циклон, „Даниел“, предизвика катастрофални наводнения в Либия, където след скъсването на две язовирни стени в град Дерна загинаха хиляди хора.
Торнадото е съвсем друго явление – тясна въртяща се фуния под гръмотевичен облак, широка от десетки метри до около километър, но с най-силните ветрове на Земята. Най-често се образува под суперклетки – големи гръмотевични бури с въртящо се възходящо течение. Торнадата се оценяват по разрушенията със скалата на Фуджита (подобрената, EF). Над морето подобни фунии се наричат водни смерчове – виждат се понякога и над Черно море.
| EF0 | EF1 | EF2 | EF3 | EF4 | EF5 |
|---|---|---|---|---|---|
| 105–137 km/h | 138–177 km/h | 178–217 km/h | 218–266 km/h | 267–322 km/h | над 322 km/h |
7. Как се прави прогнозата
Атмосферата се подчинява на законите на физиката – за движението, за запазване на масата и енергията, за газовете. Те са записани като (виж урока Диференциални уравнения). Числената прогноза разделя атмосферата на мрежа от клетки – днес в глобалните модели широки около 9 km и с над сто нива по височина – и стъпка по стъпка изчислява как ще се променят температурата, налягането, вятърът и влажността. Началното състояние се взема от милионите наблюдения.
Тъй като атмосферата е хаотична, малките грешки в началото растат – грубо казано, удвояват се за ден-два. Затова се пуска не една прогноза, а цял ансамбъл: например в Европейския център за средносрочни прогнози – 51 прогнози от леко различни . Ако членовете на ансамбъла са единодушни, прогнозата е сигурна; ако се разпилеят – синоптикът дава вероятност. Ето как работи това в прочутия модел на Лоренц – три уравнения, които се държат като много опростена атмосфера.
Черната линия е „истинското“ време, сините – 20 члена на ансамбъла, пуснати от почти същото начало.
Членовете още са заедно – прогнозата е уверена.
Намали началната грешка 10 пъти и виж с колко се удължава предвидимостта – всеки път с приблизително еднакво време, не 10 пъти.
Вероятност за валеж
Прогнозите стават все по-добри – грубо казано, с около един ден на десетилетие: днешната прогноза за 5 дни е приблизително толкова точна, колкото прогнозата за 4 дни преди десет години. Но заради хаоса подробна прогноза за повече от около две седмици вероятно няма да е възможна никога. У нас прогнозите изготвя Националният институт по метеорология и хидрология (НИМХ).
8. Тренажор
На колко километра е мълнията?
9. Времето около нас
🏟️ Ще вали ли на мача?
На радара се вижда студен фронт на 150 km западно от града, който се движи на изток с 40 km/h. Мачът започва след 3 часа и трае 2 часа. След колко часа фронтът ще стигне до стадиона? По време на мача ли ще е?
⚡ Колко е далеч бурята?
Между светкавицата и гръмотевицата минават 6 секунди. Скоростта на звука е около 340 m/s. На колко километра е мълнията?
☔ Какво значи „76%“?
Ансамбълът има 50 члена – 50 прогнози, пуснати от леко различни начални условия. За утре следобед 38 от тях дават валеж в града. Каква е вероятността за валеж?
🌀 Каква категория е ураганът?
Ураганният център съобщава, че максималният устойчив вятър е 130 възела (1 възел = 1,852 km/h). Колко km/h е това и каква категория по скалата на Сафир–Симпсън?
Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.
10. ⚠️ Чести грешки
Време и климат
✗ Един студен май опровергава затоплянето на климата.
✓ Един месец е време; климатът е средното за десетилетия.
Наклонът на фронта
✗ Студеният въздух се издига над топлия.
✓ Студеният въздух е по-плътен и винаги остава отдолу; издига се топлият.
Валежите при фронтовете
✗ Студеният фронт носи дълъг, тих дъжд.
✓ Дългият равномерен дъжд е пред топлия фронт; студеният носи кратки порои.
Символите на картата
✗ Триъгълниците сочат накъдето духа вятърът.
✓ Символите сочат накъдето се движи самият фронт.
Вероятност за валеж
✗ „30%“ значи, че ще вали 30% от деня.
✓ Значи, че в около 3 от 10 такива случая на това място ще вали.
Хаос
✗ С по-мощни компютри ще прогнозираме времето за месеци.
✓ Малките грешки растат бързо; по-точните данни удължават прогнозата само с дни.
11. 🎯 Бърз тест
Каква е разликата между време и климат?
12. 📝 Задачи за упражнение
Ниво А· Областен кръг
Ниво В· Национален кръг
Ниво С· Международна олимпиада
13. Обобщение
- ✓ Времето е състоянието на атмосферата сега; климатът е обичайното време за десетилетия
- ✓ Въздушните маси са арктически, полярни (умерени) и тропични, континентални или морски; у нас често се сменят
- ✓ Топлият фронт е полегат (1:100–1:200) и носи продължителен валеж; студеният е стръмен (1:50–1:100) и носи порои и гръмотевици
- ✓ Средноширинният циклон: вълна → топъл сектор → оклузия → затихване; над България идват атлантически и средиземноморски циклони
- ✓ Гръмотевичните бури се захранват от неустойчивост: ; 3 секунди до гръмотевицата ≈ 1 km
- ✓ Тропическите циклони искат океан над 26,5 °C и поне около 5° от екватора; торнадата се оценяват по скалата EF
- ✓ Числената прогноза решава уравненията на физиката в мрежа; заради хаоса се пускат ансамбли и се дава вероятност
💡 Интересен факт
Първата числена прогноза англичанинът Луис Фрай Ричардсън изчислил на ръка по време на Първата световна война, между смените си като шофьор на линейка. Седмици работа дали прогноза за 6 часа – и тя била напълно грешна: налягането трябвало да се промени със 145 hPa. Ричардсън мечтаел за зала с 64 000 души, които смятат едновременно. Мечтата му се сбъднала през 1950 г., когато компютърът ENIAC изчислил първата успешна прогноза за 24 часа – за около денонощие. Днес суперкомпютрите правят десетдневна прогноза за целия свят за около час.