Ветер — горизонтальное перемещение воздушных масс. Он характеризуется направлением и скоростью. Направление ветра измеряют в градусах или в румбах. Наименования и значения румбов приведены в табл. 10.3.
Таблица 10.3. Наименования и значения румбов
Скорость ветра измеряют анемометром, направление ветра определяют по компасу, а на береговых постах — с помощью флюгера.
Флюгер устанавливают строго вертикально на мачте высотой 10—12 м так, чтобы его высота от крыши поста была не менее 6 м. Направление ветра определяют по положению флюгарки с противовесом, свободно вращающейся на вертикальном стержне. Флюгарка (металлическая пластинка) под действием ветра всегда устанавливается так, что ее противовес направлен навстречу ветру. По положению, занятому противовесом относительно штифтов, закрепленных соответственно основным румбам (на одном из них укреплена буква N, указывающая направление на север), определяют направление ветра.
Ручной анемометр (рис. 10.1) предназначен для измерения средней скорости ветра.
Он состоит из приемной части 1 и корпуса 3. Приемная часть представляет собой крестовину с четырьмя полыми чашечками, укрепленными на стальной оси и защищенными от механических повреждений крестовиной 2. В корпусе 3 смонтированы счетчик оборотов приемной части с двумя циферблатами и арретир 4, предназначенный для включения и выключения счетчика. Каждому анемометру придается поверочное свидетельство, по которому пересчитывают показания счетчика в секунду в в метрах в секунду. Анемометр позволяет измерять скорость ветра в пределах 1— 20 м/с. Точность измерений ±0,5 м/с. Масса прибора не превышает 0,25 кг.
При измерении скорости ветра анемометром необходимо проверить, выключен ли счетчик, после чего снять показания стрелок на циферблате. После этого надо стать лицом к ветру, поднять прибор в правой руке (и держать его так в течение всего периода измерения), при этом циферблат прибора должен быть обращен в сторону наблюдателя, большой палец руки должен находиться на арретире. В этом положении необходимо дать возможность чашечкам прибора раскрутиться и приобрести среднюю скорость. В левую руку взять секундомер и запустить его одновременно с включением счетчика. Измеряют скорость ветра в течение 100 с, после чего секундомер и счетчик анемометра останавливают и снимают показания стрелок на циферблатах прибора. По разности отсчетов между вторым и первым показаниями прибора, разделенной на 100, выбирают из поверочного свидетельства скорость ветра в метрах в секунду. В случае порывистого или шквалистого ветра берут от трех до пяти отсчетов, из которых вычисляют среднее значение.
Рис. 10.2. Бризы: а — морской; б — береговой
На практике часто приходится пользоваться критериями визуальной оценки силы ветра по его косвенным признакам и состоянию водной поверхности, приведенными в табл. 10.4.
Классификация ветров предусматривает следующие их разновидности.
Бризы (рис. 10.2) — ветры, наблюдаемые на побережье моря или другого большого водоема. Днем они дуют с водной поверхности на сушу, а ночью — с суши на водную поверхность. Ветры, дующие днем с моря на сушу, называются морскими бризами, а ветры, дующие ночью с суши на море,— береговыми бризами.
Бризы возникают в результате неравномерного нагревания и охлаждения водной поверхности и суши в течение суток. Днем суша прогревается сильнее, чем водная поверхность, поэтому в прибрежной зоне возникает ветер, который днем в приземном слое дует с моря на сушу, а в верхних слоях — с суши на море.
Таблица 10.4. Шкала для визуальной оценки силы ветра
Морской бриз обычно начинает дуть в 8—10 ч утра и достигает максимума около полудня, затем начинает затихать и полностью прекращается перед заходом солнца.
Морской бриз проникает в глубь континента на 20—40 км, а береговой бриз в море — на 8—10 км. Вертикальная мощность бризов в средних широтах достигает нескольких сот метров. В тропической зоне их мощность значительно больше. Бризы наблюдаются обычно в ясную погоду.
Бора — сильный порывистый ветер, дующий с невысоких гор (высотой до 1000 м) в сторону теплого моря. Бора часто наблюдается на Черноморском побережье в районе Новороссийска в результате затока холодного воздуха с севера через Мархотский перевал.
Скорость движения воздуха при боре может достигать 40—60 м/с. Резкое понижение температуры воздуха при сильном ветре зимой приводит к обледенению судов, причалов, набережных.
Фен — теплый сухой ветер, дующий с гор. Фен обычно возникает при значительных разностях давлений, возникающих на противоположных склонах хребта, когда на одном склоне находится антициклон, а на противоположном — циклон. Фен наблюдается и тогда, когда над горным районом располагается антициклон. В этом случае нисходящее движение воздуха наблюдается по обе стороны гор.
Сухость воздуха и его высокая температура связаны с тем, что при поднятии воздуха с наветренной стороны происходит его охлаждение и в ряде случаев конденсация водяного пара. При опускании воздуха с другой стороны хребта происходит его нагревание и уменьшение относительной влажности. Воздух приходит к подножию хребта более нагретым и сухим, чем он был до подъема.
Фен может продолжаться в течение нескольких дней. Скорость движения воздуха при фене колеблется от затишья до 15—20 м/с.
Смерчи — вихри, возникающие над водной поверхностью. Если эти вихри возникают над сушей, то их называют тромбами. В Северной Америке такие тромбы называют торнадо.
Смерчи и тромбы возникают из грозовых облаков, из которых вниз опускается воронка типа хобота. В эту воронку засасывается вода на море, песок или пыль на суше.
Смерч перемещается со скоростью 30—40 км/ч. Скорость ветра внутри смерча 40—50 м/с, а иногда и более. Направление движения воздуха в смерче обычно против хода часовой стрелки. Внутри вихря воздух сильно разрежен и перемещается снизу вверх, увлекая все за собой.
Смерчи и тромбы наблюдаются в теплую половину года при наличии грозовых облаков. Они обладают огромной разрушительной силой.
Смерчи часто наблюдаются в Антарктиде на стыке двух движущихся воздушных масс: теплого воздуха со стороны океана и сухого холодного, стекающего по склону.
Циклоны представляют собой огромные воздушные вихри, в которых движение воздуха в Северном полушарии происходит против хода часовой стрелки. В Южном — по ходу часовой стрелки, отклоняясь от изобар в сторону низкого давления на 10—15°.
Над океанами средний диаметр циклона обычно составляет 1000—1200 км.
Наиболее сильный ветер наблюдается в передней и тыловой частях циклона. В центре циклона ветер слабый, иногда здесь наблюдается штиль.
Давление в центре циклона на всех уровнях наименьшее по сравнению с давлением в других его частях и колеблется в пределах от 960 до 1100 мбар. Скорость перемещения циклонов обычно 20—40 км/ч (порядка 700 км/сутки), однако в отдельных случаях циклоны могут проходить 2 тыс. км в сутки и более.
Циклоны вызывают пасмурную погоду: летом с дождями, зимой со снегопадами и метелями. Особую опасность для мореплавателей представляют тропические циклоны. Признаками приближения тропического циклона могут быть:
— появление зыби, идущей не от того направления, от которого дует или дул ветер ранее. При отсутствии каких-либо естественных препятствий на пути волнения последнее может быть встречено в открытом океане на 500—600 миль впереди центра урагана;
— в тропиках — нарушение правильности суточного хода давления и затем быстрое падение его, вне тропиков — только быстрое падение давления;
— появление перистых облаков со стороны движения циклона, а затем появление на горизонте нагромождений ливневых облаков;
— удушливая погода, затишье;
— частые и сильные электрические разряды в атмосфере.
Антициклоны представляют собой области повышенного атмосферного давления с вращательным движением воздуха в Северном полушарии по ходу часовой стрелки, в Южном — против хода часовой стрелки, отклоняясь от изобары в сторону низкого давления на 15—20°.
Диаметры антициклонов нередко превышают 1,5— 2,0 тыс. км.
Давление в центре антициклона над морем в большинстве случаев составляет 1020—1030 мбар, а над сушей, особенно над Азией, достигает 1050—1055 мбар и более. Градиенты давления в антициклоне небольшие, особенно в центральной части, поэтому в центре антициклона часто наблюдаются безветрие или очень слабые ветры. К периферии антициклона ветры заметно усиливаются.
В центральной части антициклона наблюдается ясная или малооблачная сухая погода: летом жаркая, зимой холодная.
Атмосферное давление. Воздушная оболочка, окружающая земной шар, называется атмосферой. Земная атмосфера имеет значительную массу. Поэтому каждый предмет, находящийся на поверхности Земли, как и ее поверхность, испытывает со стороны атмосферы давление. Атмосферное давление является величиной переменной, поскольку состояние атмосферы постоянно изменяется вследствие неравномерного распределения на Земле солнечного тепла. Давление атмосферы принято считать нормальным, если оно равно давлению ртутного столба высотой 760 мм при температуре 0 °С на площади 1 см² земной поверхности в широте 45° на уровне моря. Ниже этой величины атмосферное давление считается пониженным, выше — повышенным.
Атмосферное давление характеризуется изменчивостью в пространстве (от одной географической точки к другой) и во времени. Соединяя на карте между собой одинаковые значения давления в различных географических пунктах, получают линию одинакового давления, которая называется изобарой. Изобары дают наглядное представление о распределении атмосферного давления на определенной территории земного шара.
Распределение давления, выраженное на карте с помощью изобар, называют барическим рельефом (рис. 10.3).
Рис. 10.3. Элементы барического рельефа
Различают три основных вида барического поля: области пониженного давления, области повышенного давления и барические седловины.
Основными формами областей пониженного атмосферного давления являются циклоны, которые представляют собой области, выраженные замкнутыми изобарами с пониженным атмосферным давлением. В центре таких областей на синоптической карте ставится буква Н, которая означает низкое давление. Области, выраженные замкнутыми изобарами повышенного давления, представляют собой антициклоны. В центре антициклона на карте ставится буква В — высокое давление. Гребни антициклонов представляют собой выступающие части антициклонических областей, которые имеют хорошо выраженную ось и наибольшую кривизну изобар. Выступающие части циклонических областей, имеющие ясно выраженную ось и наибольшую кривизну изобар, называются ложбинами.
Атмосферное давление измеряют барометром-анероидом, а его изменение непрерывно регистрирует барограф.
Рис. 10.4. Общий вид барометра-анероида
Барометр-анероид (рис. 10.4) выполнен в виде круглой металлической коробки с гофрированными поверхностями. Коробка является его приемной частью, из которой выкачан воздух. Внутри ее помещена пластинчатая пружина, соединенная с коробкой. С изменением атмосферного давления коробка деформируется, передавая давление на пластинчатую пружину. С помощью системы передаточных рычажков и цепочки эта деформация передается одной из указательных стрелок, перемещающейся над шкалой с делениями в миллиметрах или миллибарах (мбар). 1 мбар соответствует 0,75 мм рт. ст., 1 мм рт. ст.— 133,322 Па.
Температура прибора определяется закрепленным на шкале ртутным термометром, имеющим дугообразную форму. Нормальное положение прибора горизонтальное шкалой вверх. Прибор чувствителен к толчкам. Для хранения его укладывают в специальный футляр. Прибору придают поверочное свидетельство, из которого выбирают поправки для исправления снимаемых показаний.
Рис. 10.5. Барограф в футляре без крышки
Барограф (рис. 10.5), непрерывно регистрирующий изменение атмосферного давления, может быть с суточным и недельным оборотом барабана. Приемной частью барографа является столбик анероидных коробок, нижняя часть которого закреплена на биметаллической пластинке, являющейся температурным компенсатором прибора. Посредством рычажного механизма, имеющего стрелку с пером, все линейные изменения приемника, происходящие под воздействием атмосферного давления, записываются на ленте барабана, который вращается с помощью часового механизма. Лента барабана имеет сетку, на горизонтальных линиях которой фиксируется величина атмосферного давления в миллиметрах ртутного столба (миллибарах), а на вертикальных — время суток. Прибор помещен в футляр, передняя стенка которого сделана из стекла. Для снятия отсчета необходимо найти давление в точке, соответствующей сроку наблюдения, и записать его. Если требуется определить барическую тенденцию, т. е. установить факт повышения или понижения атмосферного давления, то необходимо на вертикальной линии отыскать другую точку, отстоящую на три часа до настоящего наблюдения (первой точки) и отсчитать в ней давление. Вычтя из первого отсчета второй, получим величину изменения давления в миллибарах со знаком «+», если давление в срок наблюдения было больше чем за 3 ч, или со знаком «—», если меньше. Барограф, как и барометр, — хрупкий прибор и требует бережного обращения. При переносе его перо необходимо отводить от барабана. Заводить барограф следует всегда в одно и то же время.
Видимость. Дальностью горизонтальной видимости называется то наибольшее расстояние, на котором возможно отличать объекты от окружающего их фона. Дальность видимости оценивают по 9-балльной шкале глазомерно согласно критериям, показанным в табл. 10.5.
Дальность видимости можно определять и по имеющимся в поле зрения ориентирам: холмам, мысам, горам, маякам, буям, вехам, расстояния до которых известны или могут быть определены. Эти ориентиры можно нанести на карту (схему), пронумеровать и против каждого указать расстояние и пеленг. Нумеруют их от самого ближнего до наиболее удаленного от поста. Определяют дальность видимости с одного и того же места в светлое и темное время. При этом соблюдают один и тот же порядок действий: сначала осматривают ближний (первый) ориентир, за ним последующие в порядке удаленности от поста. Самым дальним будет считаться тот из них, который в момент наблюдения достаточно четко различим. Снятое с карты (схемы) расстояние до этого ориентира и будет являться измеренной дальностью видимости. При отсутствии ориентиров в сторону моря видимость оценивают по степени яркости линии видимого горизонта (табл. 10.6).
Облака являются одним из важных признаков, характеризующих состояние погоды. Они представляют собой видимые скопления продуктов конденсации водяного пара в атмосфере на различных высотах, переносимые воздушными течениями.
Таблица 10.5. Шкала видимости
Примечание. Каждый балл этой шкалы обозначает интервал, в пределах которого в момент наблюдения находится дальность видимости в данном пункте (районе).
Таблица 10.6. Оценка видимости по горизонту (в баллах)
Главным фактором образования облачности является охлаждение поднимающегося воздуха без притока энергии извне, т. е. адиабатическое охлаждение.
При подъеме воздух расширяется, а его энергия уменьшается, что приводит к понижению температуры.
Под количеством облаков, или облачностью, понимается степень покрытия небесного свода облаками.
Количество облаков определяют по 10-балльной шкале и на глаз оценивают, сколько десятых частей неба покрыто облаками. Если облака покрывают менее 0,1 части неба, то облачность оценивают баллом 0. Покрытие облаками 0,1; 0,2; 0,3 части неба соответственно оценивают 1, 2, 3 баллами и т. д. Если облаками покрыто все небо и просветы отсутствуют, то облачность будет 10-балльной.
Облака подразделяют на три яруса: облака верхнего яруса с высотой основания выше 6 км, облака среднего яруса с высотой основания от 2 до 6 км и облака нижнего яруса с высотой основания ниже 2 км. Названия облаков, принятые в международной классификации, приведены в табл. 10.7.
Таблица 10.7. Названия облаков
Перистые облака — белые тонкие волокнистые облака без теней, часто в виде нитей, пучков или мазков, иногда загибаются в виде когтей. Эти облака бывают также в виде полос, идущих через все небо и сходящихся у горизонта. Ночью перистые облака почти незаметны. Количество перистых облаков может постепенно увеличиваться и заволакивать все небо. В этом случае они являются предвестниками ухудшения погоды.
Перисто-слоистые облака представляют собой тонкую беловатую пленку, которая не размывает контуров солнечного или лунного диска. Солнце просвечивает через эти облака и дает тени.
Перисто-слоистые облака нередко образуют венцы вокруг Луны и Солнца, которые называются гало, дают вертикальные столбы, «ложные солнца» и т. п. Перисто-слоистые облака наблюдаются одновременно с перистыми, но располагаются ниже их, примерно на уровне 6—8 км. Перемещение этих облаков является признаком ухудшения погоды.
Перисто-кучевые облака представляют собой мелкие хлопья или барашки, образующие параллельные ряды на высоте 6—8 км. Эти облака малоустойчивы, часто появляются и исчезают. Появление перисто-кучевых облаков обычно не сопровождается каким-либо заметным изменением погоды.
Высокослоистые облака образуют сплошной ровный, или волокнистый серый, или синеватый покров, более плотный, чем покров перисто-слоистых облаков. Солнце и Луна видны сквозь такой покров, но их очертания не резкие и не дают теней. Иногда из высокослоистых облаков выпадает слабый дождь или снег. Эти облака обычно затягивают все небо без просветов. Когда они уплотняются и снижаются до уровня 3 км, из них начинают выпадать слабые осадки, которые часто не достигают земли. В дальнейшем эти облака переходят в слоисто-дождевые.
В ряде случаев высокослоистые облака образуют непрерывный сплошной покров вместе с перисто-слоистыми и слоисто-дождевыми облаками, который держится непрерывно в течение нескольких суток.
Высококучевые облака обычно образуют устойчивые полосы или гряды с просветами голубого неба. Эти гряды белого или голубого цвета, иногда имеют форму крупных барашков (просвечивающиеся высококучевые). Иногда, уплотняясь, высококучевые облака дают непрерывный темный покров. Солнце сквозь эти облака не просвечивается (плотные высококучевые).
Просвечивающиеся высококучевые облака разнообразны по происхождению и осадков не дают, однако они часто бывают спутниками более мощных облаков, вызывающих изменение погоды.
Слоисто-кучевые облака образуют довольно низкие валы, гряды или глыбы сероватого и серого цвета, которые обычно располагаются правильными рядами. Между ними иногда бывают просветы голубого неба (просвечивающиеся слоисто-кучевые). Иногда образуют сплошной темно-серый покров, состоящий из валов (плотные слоисто-кучевые). Плотные слоисто-кучевые облака часто наблюдаются в ненастную погоду, когда они сопровождают более мощные облака (слоисто-дождевые и кучеводождевые), которые дают осадки.
Слоисто-дождевые облака — сплошной бесформенный слой темно-серого цвета, из которого выпадают обложные осадки. Образование этих облаков предвещает длительное ненастье. Если слоисто-дождевые облака наблюдаются после ливневых осадков, то они могут перейти в высокослоистые облака, постепенно редеющие.
Слоистые облака — равномерный серый покров низких облаков, похожих на туман, из которых нередко выпадает морось. Эти облака в ряде случаев переходят в туман или сами образуются из приподнятого тумана.
Слоистые облака образуются обычно в хорошую и тихую погоду и свидетельствуют о том, что в нижних слоях воздуха имеется большая влажность. Весьма редко слоистые облака образуются при дожде под покровом слоисто-дождевых облаков.
Разорванно-дождевые облака представляют собой низкие разорванные крючковатые массы, которые образуются под покровом облаков, дающих осадки, таких, как кучево-дождевые, слоисто-дождевые и др. Эти облака образуются во время выпадения осадков, однако сами они осадков не дают.
Кучевые облака представляют собой плотные, отдельно расположенные образования, хорошо развитые по вертикали с куполообразными вершинами и с почти горизонтальными основаниями. Кучевые облака обычно местного происхождения, т. е. возникают там, где они наблюдаются.
При распространении холодного воздуха над теплыми морскими водами образуются кучевые облака хорошей погоды. Эти облака образуются на довольно низком уровне, который связан с положением слоя инверсии.
В результате сильного развития кучевых облаков образуются громоздящиеся купола. При этой облачности обычно усиливается скорость ветра и возникают шквалы.
Кучево-дождевые облака представляют собой мощные облачные массы в виде гор и башен, достигающих высоты нескольких километров. Эти облака образуются при сильном развитии кучевых облаков. Из кучево-дождевых облаков выпадают ливневые осадки (дождь, град, снег, крупа), которые часто сопровождаются активной грозовой деятельностью. Грозы часто сопровождаются шквалами.
Наиболее вероятная средняя высота облаков приведена в табл. 10.8.
Таблица 10.8. Средняя высота облаков
Атмосферные осадки. Дождь выпадает в виде капель диаметром 0,5—7,0 мм. Различают два вида дождя: обложной и ливневый.
Обложной дождь выпадает, как правило, из слоисто-дождевых облаков, которые в большинстве случаев покрывают все небо сплошным покровом. Для этого дождя характерны постепенное начало и окончание, непрерывное выпадение в течение длительного времени с короткими перерывами без резкой смены интенсивности.
Ливневый дождь характеризуется внезапным началом и окончанием, часто сопровождается активной грозовой деятельностью. Выпадает ливневый дождь в течение непродолжительного времени, но может быть весьма интенсивным. Этот дождь выпадает в основном из кучево-дождевых облаков.
Морось — осадки, выпадающие в виде капель диаметром 0,05—0,5 мм. Капли мороси почти незаметны на глаз и находятся во взвешенном состоянии в воздухе. Выпадает морось из тумана или слоистых облаков.
Снег — осадки в виде хлопьев или снежных кристалликов. Различают два вида снега: обложной и ливневый.
В полярных районах часто наблюдаются снежные заряды, которые представляют собой частые кратковременные снегопады большой интенсивности, уменьшающие видимость до нескольких сот и даже десятков метров.
Мокрый снег представляет собой осадки в виде тающего снега или снега с дождем.
Снежная крупа — осадки, состоящие из снежных крупинок диаметром 2—5 мм. Снежная крупа выпадает при температуре воздуха около 0°.
Снежные зерна — осадки в виде снежных крупинок или палочек малой интенсивности. Диаметр крупинок не более 1 мм.
Ледяная крупа — небольшие ледяные крупинки, в центре которых имеется белое непрозрачное ядро. Диаметр крупинок не более 3 мм. Ледяная крупа выпадает из кучево-дождевых облаков вместе с дождем весной или осенью.
Град — осадки в виде кусочков льда. Диаметр градин до 5—20 мм. Град выпадает из кучево-дождевых облаков в теплое время года. Выпадение крупного града связано с активной грозовой деятельностью.
Ледяной дождь — твердые осадки в виде прозрачных ледяных шариков, имеющих диаметр 1—3 мм. Образуется ледяной дождь из капелек дождя, которые замерзают в нижних слоях атмосферы во время выпадения.
Температура воздуха характеризует тепловоз состояние воздушной среды, находящейся над поверхностью моря или суши. Для ее измерения применяют ртутные термометры-пращи, имеющие стоградусную шкалу с ценой деления 0,5 °С. Шкала нанесена на наружную поверхность капилляра. На верхнем конце термометра закреплен металлический колпачок с ушком, к которому привязывают шнур длиной 60 см. При измерении температуры воздуха термометр-пращ вращают над головой с помощью шнура с наветренной стороны мостика в течение 2 мин. Затем снимают отсчет и исправляют его поправкой на шкалу. При снятии отсчетов не следует касаться руками нижней части капилляра и допускать воздействия на него солнечных лучей. Термометр-пращ позволяет определять температуру в пределах от —35 до +45°С.