Основы гидрометеорологии

Судовождение, будучи прикладной наукой, включает в себя, наряду с навигацией, лоцией, и астрономией, радионавигацией, океанографией и д. р., такую дисциплину, как гидрометеорология, являющуюся, в свою очередь, комплексом наук о подвижных оболочках Земли - гидросфере и атмосфере. Воздушная оболочка, состоящая из смеси различных газов и принимающая участие в суточном и годовом вращении Земли, именуется атмосферой и является предметом изучения метеорологии. Кстати, термин «атмосфера» применятся также и к газовым оболочкам других планет. Качественные и количественные характеристики, выражающие физическое состояние атмосферы и происходящие в ней процессы, носит название метеорологических элементов. К ним относятся: солнечная радиация, температура воздуха атмосферное давление, ветер, облачность и т.д. Состояние атмосферы у земной поверхности, характеризуемое совокупностью значений метеорологических элементов, а также их последовательное изменение за определенный промежуток времени называется погодой, а совокупность атмосферных условий, присущая данной местности в зависимости от ее географической обстановки называется климатом. Иными словами, климат - статический режим атмосферных условий, характерный для каждого данного места Земли в силу его географического положения. Погода очень изменчива за короткие промежутки времени, климат же, характеризуя многолетнее состояние метеоэлементов в конкретной климатической зоне, меняется мало.

Для судоводителей наиболее важными вопросами из гидрометеорологии являются:

• основы физических процессов и явлений, происходящих в атмосфере и в водных объектах;
• влияние гидрометеоусловий на безопасность плавания и, соответственно, производство гидрометеонаблюдений, анализ фактической погоды и ее прогноз с его уточнением по местным признакам.

Для удобства изучения явлений, наблюдаемых в атмосфере, единого понимания, с учетом характера изменения температуры с высотой и особенностей теплового рёжима внутри каждого слоя, атмосферу делят на пять основных (сфер) и четыре переходных слоя между ними.

Рис.1. Схема строения атмосферы

Для судоводителей представляет интерес только первый, нижний, прилегающий непосредственно к земной поверхности слой атмосферы - тропосфера, поскольку все факторы воздействия на судно и. его экипаж, влияющие непосредственным образом на безопасность плавания возникают и развиваются в ней. Вертикальная протяженность ее незначительна: в полярных широтах - 9 км, в тропических - 18 км. Характерной особенностью тропосферы является падение температуры с высотой, которое составляет - 7°С, на 1 км высоты. На верхней границе тропосферы над экватором температура около минус 70°С, над северным полюсом минус 45°С - минус 65°С в зависимости от времени года. В тропосфере находится почти весь водяной пар, при конденсации которого образуются облака и осадки. Ветер в тропосфере имеет преимущественно западное направление, с высотой усиливается, достигал максимальных значений на верхней кромке, давление падает, достигая на высоте 10 км примерно четверти приземного.

Температура воздуха и воды

Температура воздуха и воды является одним из основных факторов воздействия на судоводителя. Суточный и годовой ход температуры воздуха зависит от притока солнечного тепла и характера подстилающей поверхности. Линия равных значений температуры, нарисованная на синоптической карте, носит название изотермы.

Температура воздуха в пределах 16° - 22°С и воды 15°- 20°С является наиболее оптимальной для эксплуатации маломерных судов, в то время как высокая температура при большой влажности, равно как и низкая сказываются отрицательно и сопряжены с повышенной опасностью, а плавание в ненастную погоду при температуре воды 3°-5°С и минус 5°- 15°С ведет к обледенению судна и его гибели.

Дальность видимости

Одним из важнейших факторов безопасного плавания для судоводителя является видимость - расстояние, на котором днем исчезают последние признаки наблюдаемого объекта (становятся неразличимыми его очертания), а ночью становится неразличимым не фокусированный источник света определенной интенсивности. Видимость оценивается в баллах, глазомерно по ряду объектов, расположенных на различных расстояниях от наблюдателя, по международной шкале видимости (см. таблицу 1):

Табл.1. Дальность видимости

Приступая к рассмотрению факторов, оказывающих влияние на видимость, напомним читателю, что вода, поступая в атмосферу в результате испарения с водных поверхностей, находится там в трех состоя­ниях: газообразном (невидимый глазом водяной пар), жидком (дождь) и твердом (снег, град).

Туман

Туманом называется скопление мельчайших капелек или кристалликов льда в прилегающих к земной поверхности слоях воздуха, вследствие которого горизонтальная видимость становится менее 1 км. видимости в пределах от 1 до 10 км. это скопление называется дымкой. В зависимости от состояния каплек туман носит название водяного или ледяного. Следует отметить что даже при температуре воздуха до минус 20 С туман еще будет водяным. В зависимости от условий образования различают радиационные адвектввные туманы.

Туманы первого рода характерны для суши, а для прибрежных районов морей и материков характерны туманы второго типа.

Облака

Облака, являясь, как и туманы, конденсатом водяного пара, образуются на определенной высоте над подстилающей поверхностью и основная причина их образования - восходящее движение воздуха.

Основные типы облаков:

• кучево-образные (могут развиваться на высотах от 1,5 км до 14, в зависимости от распределения температуры воздуха в атмосфере);
• слоистообразные (развиваются на высотах от нескольких десятков метров до нескольких сотен);
• волнистые ( возникают на любой высоте, длина волн колеблется от 50 до 2000 метров, вертикальная величина мала).

Существующая международная классификация облаков основана на их внешнем виде и состоит из 10 основных форм и двух дополнительных. Кроме того, облака разделяются по ярусам в зависимости от высоты их нижней границы. Классификация облаков представлена в таблице 2.

Табл.2. Классификация облаков

Атмосферное давление

Атмосферное давление (давление воздуха, барометрическое давление) определяется весом столба воздуха, который давит на единицу площади горизонтальной поверхности. давление с давних времен измерялось высотой ртутного столба в Миллиметрах (дюймах). Прибор для измерения атмосферного давления носит название барометра. По принципу действия различают жидкостный, анероид, гипсотермометр, газовый барометры. Основным прибором для измерения давления на судах является барометр-анероид (рис. 2).

Рис.2. Барометр-анероид

Атмосферное давление - одна из основных составляющих учитываемых при прогнозировании погоды. Существующие карты распределения атмосферного давления называются картами барического поля и представляют из себя нарисованные на т.н. немых географических картах линии изобар - линий, соединяющих места с равным (одинаковым) давлением. Изобары, как правило, проводятся через 5 мб и соответственно подписываются, что позволяет наглядно видеть районы с преобладанием высокого и низкого давления.

Основными формами барического рельефа (рис.3) являются:

• циклоны (барические минимумы) - области низкого атмосферного давления (нарисованы концентрическими замкнутыми изобарами, значение (по величине давления) каждой из которых уменьшается к центру, в центре - самое низкое давление;
• антициклоны (барические максимумы) - области высокого атмосферного давления, также рисуются системой концентрических изобар, только величины их значений к центру увеличиваются, в центре - самое высокое давление;
• ложбины - вытянутые от циклона области пониженного давления с горизонтальной осью, причем изобары в области ложбины либо приблизительно параллельны, либо имеют вид буквы V;
• гребни - вытянутые от антициклона области повышенного давления без замкнутых изобар;
• седловины - области барического поля между двумя циклонами или двумя антициклонами, расположенные в шахматном порядке (крест-накрест);
• фронты – переходная зона или поверхность раздела между воздушными массами в атмосфере.

Рис.3.Основные формы барического рельефа:
а - циклон; б - антициклон; в - ложбина; г - гребень; д - седловина.

Ветер

Ветром называется горизонтальное перемещение воздуха относительно земной поверхности.

В гидрометеорологии за направление ветра принимается то направление по компасу, откуда он дует. Существует мнемоническое правило для судоводителей при определении направления: ветер дует в компас, течение вытекает из компаса. Скорость ветра измеряется в метрах в секунду, километрах в час или в узлах (морская миля в час). Сила ветра определяется в баллах, глазомерно , по воздействию на предметы и водную поверхность по шкале Бофорта от 0 до 12 баллов. На рис. 4 представлено распределение воздушных потоков в барических системах.

Рис.4.Линии тока и изобар в нижних слоях атмосферы:
а - циклона, б - антициклона.
Случай для северного полушария

В циклоне и ложбине ветер направлен по изобарам, оставляя (в северном полушарии) центр низкого давления слева, т.е. будет вращаться против часовой стрелки, в южном - наоборот (если смотреть сверху). В антициклоне ветер также направлен по изобарам, но по часовой стрелке в северном полушарии и против - в южном. Отсюда вытекает один из практических приемов нахождения центра циклона в северном полушарии - слева и несколько впереди, если встать спиной к ветру. На рис. 5 изображен прибор для измерения скорости ветра на судах - ручной анемометр.

Рис. 5. Ручной анемометр.
1 - полушарии; 2 - механический счетчик; 3 - верхний подшипник; 4 - регулировочный винт;
5 - дуги для защиты полушарий; б - рычажок для включения и выключения счетчика.

Волны

Волны на водных объектах классифицируются по различным признакам.

Основная классификация волнения производится по его происхождению, т е силам, вызывающим волнение:

• ветровые, образующиеся под воздействием ветра, и зыбь - по его окончанию;
• приливо - отливные, образующиеся под воздействием сил притяжения Солнца и Луны;
• аномобарические, возникающие при сгонах и нагонах воды и при резких изменениях атмосферного давления;
• цунами, возникающие при динамических процессах в земной коре (земле и моретрясениях, извержениях вулканов и т.п.);
• корабельные (судовые), возникающие при движении кораблей (судов).

Кроме того, волны классифицируются:

Ветровые волны возникают вследствие передачи энергии ветра частицам воды на поверхности водного объекта. При усилении ветра появляются барашки, гребни волн опрокидываются и срываются, образуя пенные полосы. С прекращением воздействия ветра ветровое волнение переходит в зыбь - волнение, распространяющееся по инерции в виде свободных волн, причем направление зыби может значительно отличаться от направления ветра. Зыбь при полном штиле носит название мертвой зыби. При встрече нескольких систем волнения возникает толчея, волнение, представляющее большую опасность для судов, т.к. волны при этом очень круты, с конусообразными гребнями, обладают большой силой удара.

Ветровые волны или последующая зыбь вблизи берегов носят название прибоя. Прибойные волны очень опасны, поскольку обладают огромной разрушительной силой, поэтому плавание в зоне прибоя и особенно прием и высадка людей становится проблематичной. Буруны возникают при разрушении вол у подводных (надводных) каменных гряд или отмелей, расположенных на некоторым удалении берега и, как правило, служат предупреждением судоводителям об опасности.

Волны состоят из чередующихся между собой валов и впадин и характеризуются следующими элементами (рис. 6)

Рис. 6. Элементы волны

• гребень - наивысшая точка волнового профиля;
• подошва (ложбина) - низшая точка волнового профиля;
• высота - расстояние по вертикали от подошвы до гребня;
• длина - расстояние до горизонтали между соседними гребнями или подошвами;
• крутизна - наклон волнового профиля в данной точке к горизонту;
• фронт - линия, проходящая вдоль гребня волн;
• период - промежуток времени между прохождением двух последовательных гребней (подошв) через одну и ту же точку пространства или, иначе, промежуток времени, в течение которого волна проходит расстояние, равное своей длине;
• скорость распространения - расстояние по горизонтали, проходимое гребнем (подошвой) волны единицу времени в направлении ее перемещения. Основными элементами характеристики волнения являются: высота, длина, период и скорость распространения волн.

Течение

Течения, оказывают непосредственное влияние на скорость и направление движения судна, также имеют важное значение для судовождения.

Судоводитель должен помнить, что любые мосты (опоры), дамбы плотины, другие сооружения в руслах рек вызывают, как правило, течения разного направления и скорости. На водохранилищах. течения возникают из-за воздействия ветра и стока воды.

Табл. 3. Основные знаки (символы), используемые при нанесении метеоданных на карты

Несколько пояснений к таблице.

Фронт - переходная зона или (условно) поверхность раздела между двумя воздушными массами в атмосфере.

Теплый фронт - фронт, перемещающийся в сторону теплого воздуха, холодный -соответственно, в сторону холодного.

Окклюзия - процесс изменения состояния циклона, состоящий в смыкании холодного и теплого фронтов, при котором теплый воздух вьггесняется холодным в верхние слои тропосферы. Зона конвергенции - зона схождения.

Краткосрочные прогнозы бывают двух видов: общего пользования и специализированные. Долгосрочные прогнозы составляются на З дня, декаду, месяц и сезон. Прогнозы составляются по пункту, территории субъекта Российской Федерации, по акватории и портам.

В заключение темы необходимо отметить, что прогнозирование погоды в районе плавания даже при наличии на .борту факсимильной или иной синоптической карты (рис. 7) должно проверяться и подкрепляться непосрёдственным и постоянным наблюдением за местными признаками погоды, которые помогут судить о характере воздушной массы в конкретном районе, интенсивности тех или иных атмосферных явлений. Местными признаками погоды называются различные атмосферные явления (характер облачности, дальность видимости, ход атмосферного давления и ветра, оптические явления и т.д.), наблюдаемые в районе плавания судна, которые позволяют предвидеть ожидаемую погоду на самое ближайшее время. При корректировке прогноза погоды судоводитель должен в первую очередь следить за состоянием небосвода, оценивать характер и форму облачности в комплексе с изменениями давлений и ветра, других метеоэлементов и явлений.

Рис.7. Карта погоды

Местными признаками погоды называются различные атмосферные явления (характер облачности, дальность видимости, ход атмосферного давления и ветра, оптические явления и т.д.), наблюдаемые в районе плавания судна, которые позволяют предвидеть ожидаемую погоду на самое ближайшее время. При корректировке прогноза погоды судоводитель должен в первую очередь следить за состоянием небосвода, оценивать характер и форму облачности в комплексе с изменениями давлений и ветра, других метеоэлементов и явлений.

Признаки сохранения, ухудшения , улучшения погоды

Признаки сохранения характера погоды

Хорошая устойчивая погода без осадков, ветер слабый или умеренный, видимость более 2 миль (3,5 км):

• отсутствие облаков или появление к 9-10 ч. кучевых плоских, медленно движущихся, к 15-16 ч достигающих наибольшего развития облаков, вечером - их исчезновение;
• появление по утрам отдельных перистых нитевидных (иногда когтевидных), не распрост раняющихся постепенно по небу облаков, с их исчезновением во второй половине дня;
• незначительный суточный ход ветра;
• сохранение давления без изменения в течение нескольких часов;небольшие изменения температуры воздуха в течение суток, при наличии ее суточного хода;появление ночью и к утру росы на палубе, надстройке, мачтах (реях);
• Солнце заходит за чистый горизонт;
• наблюдается небольшая деформация солнечного диска при восходе и заходе над водой;
• ночное мерцание звезд с преобладанием зеленого цвета;

Устойчивая малооблачная или с переменной облачностью погода в районе, местами ливни, видимость более 2 миль (3,5 км):

• кучевые облака разрастаются в вышину, превращаются в более мощные;
• ветер слабый (умеренный) с кратковременным усилением;
• давление постоянно в течение нескольких часов;
• появление ночью и к утру росы на палубе, надстройках судна

Пасмурная погода с осадками, умеренным и сильным ветром, видимость около 2 миль (3,5 км) и менее:

• характер облачности (слоисто-дождевой, кучевой разорванной, кучево-дождевой) не меняется;
• на низком фоне давления или при слабом его падении не наблюдается суточного хода;
• температура воздуха не имеет суточного хода;
• ветер умеренный, до сильного, мало меняет направлении

Признаки ухудшения погоды

Ухудшение погоды, обложные осадки, усиление ветра до сильного, видимость менее 2 миль (3,5 км):

• появление перистых нитевидных (когтевидных), перистых или перисто-слоистых облаков, постепенно распространяющихся по небу и уплотняющихся, возможно
• появление «гало» -оптического явления в виде светлых кругов, дуг.столбов и т.п. вокруг Солнца (Луны) за счет преломления и отражения света в атмосфере;
• переход высокослоистых непросвечивающихся в слоисто-дождевые с выпадением осадков;
• постепенное понижение давления;
• постепенное усиление ветра, отклонение его направления вправо;
• нарушение суточного хода температуры при закрытом облаками небе;
• направление зыби и волн отличны от направления ветра, усиление волнения;
• Солнце заходит в сгущающиеся облака;
• сильное мерцание звезд синим оттенком (высокая влажность).

Пасмурная погода при умеренном ветре, иногда моросящие осадки и туман, может сохраняться несколько часов, затем ухудшаться:

• переход слоисто-дождевых облаков в слоистые, возможное появление просветов;
• уменьшение падения давления или небольшой его рост;
• небольшое ослабление ветра, поворот его направления против часовой стрелки;
• повышение температуры воздуха;
• волнение не увеличивается

Облачная погода с ливневыми или обложными осадками, ветер умеренный до сильного, порывистый, видимость около 2 миль (3,5 км):

• появление перисто-кучевых облаков, возможно с перистыми или перисто-слоистыми;
• одновременное присутствие нескольких форм облаков различных ярусов, движущихся в различном направлении, хаотический вид неба;
• усиление ветра, ветер становится порывистым;появление характерного шума со стороны грозы или шквала;
• появление сильных помех радиоприему.

Признаки улучшения погоды

Уменьшение облачности, прекращение осадков, увеличение видимости (более 2 миль):

• переход слоисто-дождевых облаков в высокослоистые или высококучевые, появление просветов;
• быстрый рост атмосферного давления;
• резкий поворот направления ветра против часовой стрелки (в северном полушарии);
• понижение температуры воздуха;
• уменьшение помех радиоприему

Признаки приближения шквала

Чаще всего шквал появляется в теплую дневную погоду, иногда перед ним бывает гроза:

• на горизонте видна низкая черная туча;
• ветер на непродолжительное время совершенно стихает;
• вслед за дождем усиливается;
• вдали появляется пелена пыли; по поверхности воды быстро приближаются темные полосы ряби с белыми "барашками";
• в воздухе резкий шум и свист