Атмосферные осадки
Атмосферными осадками называется влага, выпавшая на поверхность из атмосферы в виде дождя, мороси, крупы, снега, града. Осадки выпадают из облаков, но не каждое облако дает осадки. Формирование осадков из облака идет за счет укрупнения капель до размеров, способных преодолеть восходящие токи и сопротивление воздуха. Укрупнение капель идет за счет слияния капель, испарения влаги с поверхности капель (кристаллов) и конденсации водяного пара на других.
По агрегатному состоянию выделяют жидкие, твердые и смешанные осадки.
К жидким осадкам относятся дождь и морось.
ü дождь – имеет капли размером от 0,5 до 7 мм (в среднем 1,5 мм);
ü морось – состоит из маленьких капель размером до 0,5 мм;
К твердым относятся снежная крупа и ледяная крупа, снег и град.
ü снежная крупа – округлые ядрышки диаметром 1 мм и более, наблюдается при температурах близких к нулю. Крупинки легко сжимаются пальцами;
ü ледяная крупа – ядрышки крупы имеют обледеневшую поверхность, их трудно раздавить пальцами, при падении на землю они подскакивают;
ü снег – состоит из шестигранных кристаллов льда, образовавшихся в процессе сублимации;
ü град – крупные кусочки льда округлой формы размерами от горошины до 5-8 см в диаметре. Вес градин в отдельных случаях превышает 300 г, иногда может достигать нескольких килограмм. Град выпадает из кучево-дождевых облаков.
Виды осадков: (по характеру выпадения)
- Обложные осадки – равномерные, длительные по продолжительности, выпадают из слоисто-дождевых облаков;
- Ливневые осадки – характеризуются быстрым изменением интенсивности и непродолжительностью. Они выпадают из кучево-дождевых облаков в виде дождя, нередко с градом.
- Моросящие осадки – в виде мороси выпадают из слоистых и слоисто-кучевых облаков.
Суточный ход осадков совпадает с суточным ходом облачности. Выделяются два типа суточного хода осадков – континентальный и морской (береговой). Континентальный тип имеет два максимума (в утренние часы и после полудня) и два минимума (ночью и перед полуднем). Морской тип – один максимум (ночью) и один минимум (днем).
Годовой ход осадков различен на разных широтах и даже в пределах одной зоны. Он зависит от количества тепла, термического режима, циркуляции воздуха, удаленности от побережий, характера рельефа.
Наиболее обильны осадки в экваториальных широтах, где годовое их количество (ГКО) превосходит 1000-2000 мм. На экваториальных островах Тихого океана выпадает 4000-5000 мм, а на подветренных склонах тропических островов до 10 000 мм. Причиной обильных осадков являются мощные восходящие токи очень влажного воздуха. К северу и югу от экваториальных широт количество осадков уменьшается, достигая минимума на 25-35º, где среднегодовое значение не превышает 500 мм и уменьшается во внутриконтинентальных районах до 100 мм и менее. В умеренных широтах количество осадков несколько увеличивается (800 мм). В высоких широтах ГКО незначительно.
Максимальная годовая сумма осадков зарегистрировано в Черрапунджи (Индия) – 26461 мм. Минимальное отмеченное годовое количество осадков – в Асуане (Египет), Икике – (Чили), где в отдельные годы осадков не выпадает вообще.
По происхождению различают конвективные, фронтальные и орографические осадки.
- Конвективные осадки (внутримассовые) характерны для жаркого пояса, где интенсивны нагрев и испарение, но летом нередко бывают и в умеренном поясе.
- Фронтальные осадки образуются при встрече двух воздушных масс с разной температурой и иными физическими свойствами, выпадают из более теплого воздуха, образующего циклонические вихри, типичны для умеренного и холодного поясов.
- Орографические осадки выпадают на наветренных склонах гор, особенно высоких. Они обильны, если воздух идет со стороны теплого моря и обладает большой абсолютной и относительной влажностью.
Типы осадков по происхождению:
I - конвективные, II - фронтальные, III - орографические; ТВ - теплый воздух, ХВ - холодный воздух.
Годовой ход осадков , т.е. изменение их количества по месяцам, в разных местах Земли не одинаков. Осадки по земной поверхности распределяются зонально.
- Экваториальный тип – осадки выпадают довольно равномерно весь год, сухих месяцев нет, лишь после дней равноденствия отмечаются два небольших максимума – в апреле и октябре – и после дней солнцестояния два небольших минимума – в июле и январе.
- Муссонный тип – максимум осадков летом, минимум зимой. Свойствен субэкваториальным широтам, а также восточным побережьям материков в субтропических и умеренных широтах. Общее количество осадков при этом постепенно уменьшается от субэкваториального к умеренному поясу.
- Средиземноморский тип – максимум осадков зимой, минимум – летом. Наблюдается в субтропических широтах на западных побережьях и внутри материков. Годовое количество осадков постепенно уменьшается к центру континентов.
- Континентальный тип осадков умеренных широт – в теплый период осадков в два-три раза больше, чем в холодный. По мере возрастания континентальности климата в центральных областях материков общее количество осадков уменьшается, а разница летних и зимних осадков увеличивается.
- Морской тип умеренных широт – осадки распределяются равномерно в течение года с небольшим максимумом в осенне-зимнее время. Их количество больше, чем наблюдается для этого типа.
Типы годового хода осадков:
1 - экваториальный, 2 - муссонный, 3 - средиземноморский, 4 - континентальный умеренных широт, 5 - морской умеренных широт.
Осадки на территории России
На территории России, за исключением крупных островов Северного Ледовитого океана, в среднем выпадает 9653 км 3 осадков, которые условно могли бы покрыть ровную поверхность сушу слоем 571 мм. Из этого количества на испарение затрачивается 5676 км 3 (336 мм) осадков.
В формировании годовых сумм атмосферных осадков обнаруживаются четко выраженные закономерности, характерные не только для конкретных территорий, но и для страны в целом (рис. 1.4). В направлении с запада на восток происходит последовательное уменьшение количества атмосферных осадков, наблюдается их зональное распределение, которое изменяется под воздействием рельефа местности и теряет свою четкость на востоке страны.
Во внутригодовом распределении на большей части страны наблюдается преобладание осадков летнего периода. В годовом разрезе наибольшее количество осадков приходится на июнь, наименьшее - на вторую половину зимы. Преобладание осадков холодного периода характерно в основном для юго-западных районов - Ростовской, Пензенской, Самарской областей, Ставропольского края, низовьев р. Терека.
В июне-августе (календарные летние месяцы) на европейской территории выпадает более 30% годового слоя осадков, в Восточной Сибири - 50%, в Забайкалье и бассейне р. Амура - 60-70%. Зимой (декабрь-февраль) в европейской части выпадает 20-25% осадков, в Забайкалье - 5%, Якутии - 10%.
Осенние месяцы (сентябрь-октябрь) отличаются относительно равномерным распределением осадков по всей территории (20-30%). Весной (март-май) от западных границ до р. Енисея выпадает до 20% годового количества осадков, восточнее р. Енисея - в основном 15-20%. Наименьшее количество осадков в это время наблюдается в Забайкалье (около 10%).
Самое общее представление о характере изменений атмосферных осадков на территории РФ во второй половине ХХ и начале XXI столетия дают временные ряды пространственно осредненных средних годовых и сезонных аномалий атмосферных осадков.
Рис. 1.5 иллюстрирует изменения среднегодовых осадков, осредненных по всей территории России, а рис. 1.6 - аналогичный ход сезонных осадков.
Рис. 1.5. Средние за год (январь-декабрь) аномалии осадков (мм/месяц), осредненные по территории России, за 1936-2007 гг.
Аномалии рассчитаны как отклонения от среднего за 1961-1990 гг.; кривая линия соответствует 11-летнему сглаживанию; линейный тренд за 1976-2007 гг. показан прямой линией (по данным ИГКЭ Росгидромета и РАН)
Рис. 1.6. Сезонные аномалии осадков (мм/месяц), осредненные по территории РФ, 1936-2007 гг.
(усл. обозначения - см. рис. 1.5)
Сезонные и годовые осадки представляют собой средние из месячных сумм за месяцы рассматриваемого сезона/года. Временные ряды осадков приведены за период 1936-2007 гг., в течение которого основная сеть метеорологических наблюдений на территории России уже существенно не менялась и не могла серьезно влиять на межгодичные колебания пространственно осредненных величин. На всех временных рядах показаны тенденции (линейные тренды) изменений за период 1976-2007 гг., которые больше других характеризуют антропогенные изменения современного климата.
Отметим сложный характер межгодичных колебаний количества осадков, особенно с середины 60-х гг. ХХ в. Можно выделить периоды увеличения осадков - до 60-х и после 80-х гг., а между ними примерно два десятилетия разнонаправленных флуктуаций.
В целом по территории России и в ее регионах (кроме Приамурья и Приморья) отмечается некоторое увеличение средних годовых осадков, наиболее заметное в Западной и Средней Сибири. Тренд среднегодовых осадков за 1976-2007 гг. в среднем по России составляет 0,8 мм/месяц/10 лет и описывает 23% межгодичной изменчивости.
В среднем для России наиболее заметной особенностью является рост весенних осадков (1,74 мм/месяц/10 лет, вклад в дисперсию 27%), по-видимому, за счет сибирских регионов и европейской территории. Еще один заметный факт - убывание зимних и летних осадков в Восточной Сибири, летних и осенних - в Приамурье и Приморье, которое, однако, не проявилось в тенденциях осадков для России в целом, так как компенсировалось ростом осадков в Западной Сибири.
На рис. 1.7 приведены пространственные распределения локальных коэффициентов линейного тренда осадков, дающие более детальную (в пространстве) картину современных тенденций в изменении режима осадков на территории России за 1976-2007 гг. Оценки трендов получены по точечным (станционным) данным об осредненных за год/сезон аномалиях месячных сумм осадков.
Рис. 1.2.5. Среднегодовые аномалии осадков (мм/месяц) для регионов России за 1936-2007 гг. (усл. обозначения - см. рис. 1.5)(по данным ИГКЭ Росгидромета и РАН)
Коэффициенты трендов, рассчитанные в мм/месяц/10 лет, затем нормированы на соответствующие сезонные/годовые «нормы» осадков (полученные осреднением месячных «норм») и выражены в результате в процентах от нормы за десятилетие. Все оценки выполнены постанционно.
Количественные оценки линейного тренда регионально осредненных атмосферных осадков за 1976-2007 гг. приведены в табл. 1.7 . Здесь b - коэффициенты линейного тренда, а d - вклад тренда в суммарную дисперсию ряда (коэффициент тренда означает среднюю скорость линейного изменения осадков на рассматриваемом отрезке времени и выражен в мм/мес. за 10-летие, мм/мес./10 лет). Вклад тренда в дисперсию характеризует долю (в %) суммарной межгодичной изменчивости. Оценки получены по данным станционных наблюдений, осредненных за год и по календарным сезонам.
Таблица 1.7. Оценки линейного тренда пространственно осредненных среднегодовых и сезонных аномалий атмосферных осадков для территории России и регионов России за период 1976-2007 гг.:
b (мм/месяц/10 лет) - коэффициент тренда, d (%) - вклад тренда в полную дисперсую (по данным ИГКЭ Росгидромета и РАН)
|
Физико-географический регион |
||||||||||
|
Европейская часть |
||||||||||
|
Средняя Сибирь |
||||||||||
|
Прибайкалье и Забайкалье |
||||||||||
|
Восточная Сибирь |
||||||||||
|
Приамурье и Приморье |
||||||||||
В результате, коэффициенты линейного тренда (рис. 1.8) выражены в процентах от локальной сезонной/годовой нормы осадков за десятилетие и характеризуют среднюю скорость локальных изменений атмосферных осадков на территории России в течение 1976-2007 гг.
 |
|
 |
 |
 |
 |
Рис. 1.8. Пространственные распределения локальных коэффициентов линейного тренда годовых и сезонных аномалий атмосферных осадков за 1976-2007 гг. на территории России
(%/10 лет): год, зима, весна, лето, осень (по данным ИГКЭ Росгидромета и РАН)
Распределения оценок трендов подтверждают основные региональные и сезонные особенности, отмеченные выше при анализе регионально осредненных рядов осадков. Так, прослеживается рост весенних осадков в Западной Сибири и, заметно слабее, уменьшение летних осадков на европейской территории России. Обращает внимание северо-восточный регион, где наблюдается уменьшение зимних и летних осадков и рост весенних осадков.
Таким образом, в период 1976 - 2007 гг. на территории России в целом и во всех ее регионах (кроме Приамурья и Приморья) в изменениях годовых сумм осадков отмечалась тенденция к их увеличению, хотя по величине эти изменения были небольшими. Наиболее существенные сезонные особенности: рост весенних осадков в регионе Западная Сибирь и убывание зимних осадков в регионе Восточная Сибирь.
Испаряемость
Годовая испаряемость на равнинах России колеблется от 150-200 мм в сибирских провинциях тундр до 1000 мм в полупустынях и пустынях Прикаспийской низменности. В тайге наиболее характерные величины испаряемости составляют 450-500 мм, в провинциях смешанных лесов - 600-700 мм, в степях - 800-900 мм.
Рассматривая распределение фактического испарения с поверхности суши в пределах России (рис. 1.9 ), следует отметить, что его значения возрастают от северных широт к южным.
Так, средний годовой слой испарения в пределах арктических пустынь составляет лишь 100-150 мм, в то время как в центральных и центрально-черноземных областях, а также в Краснодарском крае он достигает 400-500 мм. В Центральной и Восточной Сибири испарение меньше, чем на тех же широтах Русской равнины. Это обусловлено влиянием вечной мерзлоты, меньшим количеством атмосферных осадков, горным характером и общим значительным повышением отметок местности. Снижение величины испарения к северу от зоны смешанных лесов связано в основном с уменьшением количества тепла, а к югу - с недостатком осадков.
Потери на испарение с водной поверхности водохранилищ в среднем составляют 1,9% прихода, причем по некоторым крупным водохранилищам пределы колебаний могут составлять от 1,2 до 9%. Наибольшие потери на испарение характерны для водохранилищ южных районов Европейской территории.
Увлажнение территории определяется по соотношению между количеством выпадающих атмосферных осадков и испаряемостью (рис. 1.10). При этом если осадки превышают испаряемость, возникает избыточное увлажнение и часть выпавшей влаги удаляется из данной местности в виде стока. Недостаточное увлажнение территории связано с тем, что осадков выпадает меньше, чем может испариться.
Количество осадков постоянно интересует тех, кто следит за погодой. Казалось бы, в прогнозе стоит 10-15 мм, а на улицах — снег по колено или огромные лужи. Чтобы Вам было проще ориентироваться в прогнозах, мы подготовили информацию об измерении количества осадков.
Метеорологи различают два понятия: высота снежного покрова и количество выпавших осадков. То, что мы видим на улице после снегопада, это высота снежного покрова, который порой достигает 50 см, хотя количество выпавших осадков при этом может быть не более 20 мм. Один миллиметр выпавшего снега приравнивается к 1-1,5 см высоты снежного покрова в зависимости от структуры снега.
По метеорологическому наставлению, миллиметр осадков — это один литр воды на квадратный метр. На всех метеостанция стоят осадкомерные ведра, из которых, в 9 и 21 час по Гринвичу, осадки выливаются в специальный сосуд, по которому измеряется их количество. Твердые осадки — снег, град — растапливаются, а потом специалисты измеряют получившуюся воду.
Атмосферными осадками называют воду, которая из атмосферы выпадает на земную поверхность. Атмосферные осадки имеют и более научное название — гидрометеоры.
Измеряют их в миллиметрах. Для этого замеряют толщу воды, выпавшей на поверхность с помощью специальных приборов — осадкомеров. Если нужно измерить толщу воды на больших площадях, то используют метеорологические радиолокаторы.
В среднем наша Земля получает почти 1000 мм осадков ежегодно. Но вполне предсказуемо, что их количество выпавшей влаги зависит от многих условий: климата и режима погоды, рельефа местности и близости водоемов.
Виды атмосферных осадков
Вода из атмосферы выпадает на земную поверхность, находясь в двух своих состояниях — жидком и твердом. По этому принципу все атмосферные осадки принято делить на жидкие (дождь и роса) и твердые (град, иней и снег). Рассмотрим каждый из этих видов подробнее.
Жидкие атмосферные осадки
Жидкие атмосферные осадки попадают на землю в виде водяных капель.
Дождь
Испаряясь с поверхности земли, вода в атмосфере собирается в облака, которые состоят из мельчайших капель, размерами от 0,05 до 0,1 мм. Эти миниатюрные капельки в облаках с течением времени сливаются друг с другом, становясь все больше в размерах и заметно тяжелее. Визуально данный процесс можно наблюдать, когда белоснежное облако начинает темнеть и тяжелеть. Когда таких капель в туче становится слишком много, они проливаются на землю в виде дождя.
Летом дождь идет в виде крупных капель. Крупными они остаются потому, что нагретый воздух поднимается от земли. Вот эти восходящие струи и не дают каплям разбиваться в более мелкие.
Зато весной и осенью воздух намного прохладнее, поэтому в эти времена года дожди — моросящие. Причем, если дождь идет из слоистых облаков, его называют обложным, а если капли начинают падать из кунево-дождевых, то дождь превращается в ливень.
Ежегодно в виде дождя на нашу планету проливается почти 1 млрд. тонн воды.
В отдельную категорию стоит выделить морось . Этот вид осадков также выпадает из слоистых облаков, но капли ее настолько малы, а их скорость настолько ничтожна, что капельки воды кажутся подвешенными в воздухе.
Роса
Еще один вид жидких осадков, который выпадает в ночное время или рано утром. Капельки росы образуются из водяного пара. За ночь этот пар остывает, и вода из газообразного состояния превращается в жидкое.
Самые благоприятные условия для образования росы: ясная погода, теплый воздух и почти полное отсутствие ветра.
Твердые атмосферные осадки
Твердые осадки мы можем наблюдать в холодное время года, когда воздух охлаждается до такой степени, что капельки воды, находящиеся в воздухе, замерзают.
Снег
Снег также как и дождь, образуется в облаке. Затем, когда облако попадает в поток воздуха, в котором температура ниже 0°С, капельки воды в нем замерзают, становятся тяжелыми и выпадают на землю в виде снега. Каждая капелька застывает в виде своеобразного кристаллика. Ученые утверждают, что все снежинки имеют разную форму и найти одинаковые просто невозможно.
Кстати, снежинки падают очень медленно, так как почти на 95% состоят из воздуха. По этой же причине они белого цвета. А хрустит снег под ногами потому, что ломаются кристаллики. И наш слух способен уловить этот звук. Зато для рыб настоящее мучение, так как снежинки, падающие на воду, издают высокочастотный звук, который рыбы слышат.
Град
выпадает только в теплое время года, особенно, если накануне было очень жарко и душно. Прогретый воздух сильными потоками устремляется вверх, унося с собой испарившуюся воду. Образуются тяжелые кучевые облака. Затем, под воздействием восходящих потоков капельки воды в них тяжелеют, начинают замерзать и обрастать кристаллами. Вот эти комочки кристаллов и устремляются на землю, по пути увеличиваясь в размерах за счет слияния с каплями переохлажденной воды в атмосфере.
Нужно учитывать, что такие ледяные "снежки" устремляются на землю с невероятно быстротой, а потому град способен пробить шифер или стекло. Град наносит большой урон сельскому хозяйству, поэтому самые "опасные" тучи, которые готовы разразиться градом, разгоняют с помощью специальных пушек.
Иней
Иней, как и роса, образуется из водяного пара. Но в зимние и осенние месяцы, когда уже достаточно холодно, капельки воды замерзают и потому выпадают в виде тонкого слоя ледяных кристаллов. А не тают они потому, что земля остывает еще больше.
Сезоны дождей
В тропиках и очень редко в умеренных широтах наступает такое время года, когда выпадает непомерно большое количество осадков. Этот период называют сезоном дождей.
В странах, которые расположены в этих широтах, не бывает суровых зим. Зато весна, лето и осень стоят неимоверно жаркие. За этот жаркий период накапливается огромное количество влаги в атмосфере, которая и выливается затем в виде затяжных дождей.
В зоне экватора сезон дождей наступает два раза в год. А в тропическом поясе, южнее и севернее экватора, такой сезон случается лишь один раз в году. Связано это с тем, что пояс дождей постепенно курсирует с юга на север и обратно.
Мы уже не раз говорили об атмосферных осадках, их количестве и видах. Но хорошо бы разобраться в этом вопросе поподробнее – он очень важен!
Всю воду, выпадающую из облаков в виде дождя, снега или любом другом, называют атмосферными осадками. Их количество измеряют в миллиметрах толщины того слоя воды, который они образовали бы на поверхности земли, если бы не растекались, не просачивались и не испарялись. Количество это измеряют за какой–нибудь определённый отрезок времени – за сутки, месяц или год.
Для измерения количества осадков используют дождемеры – резервуары (обычно металлические бочки), в которые собираются осадки, выпадающие на определенную площадь (например, с помощью воронки площадью в один квадратный метр). В конце периода наблюдений измеряют количество воды, скопившейся в резервуаре, и пересчитывают его в единицы толщины соответствующего слоя.
Прибор для измерения выпавших осадков
Например, если накопилось 200 литров воды, это означает, что толщина слоя составит 200.000 кубических сантиметров/10.000 квадратных сантиметров = 20 сантиметров = 200 миллиметров.
Но ведь вода и из бочки может испариться? Конечно, особенно в жаркую погоду. И если наш дождемер установлен где–то вдали от жилья, и метеорологи приезжают к нему только раз в месяц – узнать, сколько же осадков выпало в этом месте, – они что же, ошибаются? Нет, и чтобы не ошибаться, они придумали занятный способ. В бочку наливают немного масла (например, машинного). Оно легче воды и поэтому при попадании воды в бочку растекается по ее поверхности, образуя тонкую пленку. И масляная пленка ничтожно маленькой толщины прячет воду под собой.
А почему осадки бывают разными?
При некоторых условиях водяной пар в воздухе начинает превращаться в воду – конденсироваться. При этом появляются маленькие капельки воды, еще настолько легкие, что не падают на землю, но уже такие большие, что их можно разглядеть. Появляется туман или облака. Дальше события могут развиваться по–разному.
Обычно дождевые капли имеют размер около одного миллиметра, реже – до пяти миллиметров. Это происходит потому, что крупные капли в полете дробятся на более мелкие. Образование же крупных капель связано не с процессом конденсации пара, а с процессом слипания мелких облачных капелек. Кроме того, если в облаке одновременно появляются капельки воды и кристаллики льда, происходит рост кристаллов (снежинок) при одновременном испарении капель.
Если воздух под облаком имеет температуру ниже (ГС, снежинки достигают земной поверхности. В теплом воздухе они тают, превращаясь в дождевые капли. В горах часто можно наблюдать, как в долинах идет дождь, а вершины одновременно покрываются снегом.
С этим явлением связано важное географическое понятие – снеговая линия (или граница). Так называют высотный уровень, выше которого температуры настолько низки, что накопление снега и других твердых осадков преобладает над испарением и таянием. Существование снеговой линии определяет высоту пбявления ледников в горах. Над экватором она располагается на высоте около 4 600 метров ттяд уровнем моря (и только высокие горы, вроде Килиманджаро, достигают ее), в Арктике опускается до 200–500 метров (и ледники образуются даже на совсем невысоких горах – таких, как Бырранга), а в Антарктике – снижается до уровня моря (и образуются шельфовые ледники, как в море Росса).
Один из самых опасных видов осадков – переохлажденный дождь. Он наблюдается обычно при наступлении теплого атмосферного фронта в холодное время Года. Сначала в слоистых облаках над фронтом образуются снежинки. Попадая в теплый воздух, они тают, а образовавшиеся капли Попадают в холодные приземные слои воздуха. Если температура здесь не очень низкая, они достигают земли, не замерзнув. Но, попав на холодные мостовые, ветви, провода и т.п., намерзают на них коркой гололеда. Если же воздух под фронтом очень холодный, капли замерзают в полете, образуя крупу (ледяные шарики меньше пяти миллиметров в диаметре) или град (шарики больше пяти миллиметров). Градины же могут достигать размеров апельсина, а самые крупные из измеренных, выпавшие 3 сентября 1970 года в штате Канзас, весили до 750 граммов и имели окружность до 0,5 метра! В Индии, в районе Нью–Дели, в апреле 1888 года градом были убиты 246 человек.