Погода в Москве, Петербурге, Самаре и других городах России
И опыт, сын ошибок трудных, и гений, парадоксов друг, и случай, Бог-изобретатель...
Поиск по сайту - введите термин или город:
СИНОПТИЧЕСКИЙ ФРОНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ: ВРЕМЯ ДЛЯ ПЕРЕОЦЕНКИ?

СИНОПТИЧЕСКИЙ ФРОНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ: время для переоценки?

Клиффорд Масс
Департамент атмосферных наук,
Вашингтонский университет,
Сиэтл, штат Вашингтон, США

Перевод - В.В.Бровкин

Примечание переводчика
По современным данным (включая численные модели анализа и прогноза, а также результаты наблюдений с искусственных спутников Земли), синоптические процессы являются гораздо более сложными, чем это представлено в классической норвежской модели циклона умеренных широт, которой до сих пор пользуются во всех внетропических странах планеты. Например, много сомнений вызывает фронт окклюзии (якобы возникающий из-за смыкания холодного и тёплого фронтов в циклоне): по новым данным, фронт окклюзии возникает в определённых случаях даже в довольно молодом циклоне, и никакого смыкания двух фронтов при этом не происходит. То же самое можно отнести и к фронту окклюзии в тёплом секторе.
По нашему мнению, то что принято называть фронтом окклюзии - не что иное, как создавшийся по тем или иным причинам в атмосфере гребень тепла, сопряжённый с языком влажного воздуха. И со смыканием каких-либо фронтов это не связано. По традиции это облачное образование (будь то в тёплом секторе или в центре циклона) можно называть фронтом окклюзии, но надо помнить о том, что на самом деле никакой окклюзии здесь не происходит. Очень хорошо подобные явления видны по модельным данным: как от срока к сроку в тёплом секторе циклона формируется гребень тепла, повышается влажность на высотах, появляются облака и осадки. Думаю, решающую роль здесь играет особое распределение крупномасштабных вертикальных движений в атмосфере.
Вообще, с развитием моделей и расширением их практического применения выявляется всё больше противоречий с фронтальной теорией. Так, нередко по модельным данным прогнозируется значительная по протяжённости (тысячи км) полоса влажного воздуха на высотах и связанная с ней зона осадков. Однако никаких температурных градиентов при этом нет, но по традиции метеорологи стараются обозначить эту полосу на картах как фронт (для лучшего восприятия). На самом деле никакого фронта нет, а есть только результат особого распределения вертикальных движений в атмосфере.
Другой частый пример: с приземной барической ложбиной (даже в отсутствие градиентов температуры и, соответственно, фронтов), часто связана ложбина холода на высотах и довольно обширная облачная полоса, нередко с осадками. И в этом случае метеорологи норовят обозначить её на картах как фронт (чаще всего холодный вторичный, или - ещё смешнее - фронт окклюзии, хотя гребня тепла нет и в помине!). На Западе эта проблема решена таким образом: в таких случаях на картах проводят чёрную линию, обозначающую ось ложбины (trough) при отсутствии фронтов, но наличии существенной облачной зоны. В России, к сожалению, подобные вопросы не изучаются и даже не обсуждаются.
Предлагаемая Вашему вниманию статья как и раз и посвящена вопросу разработки ясной и последовательной методологии анализа синоптических карт. Статья написана в 1991 году в США, однако она весьма актуальна для современной России и стран СНГ, поскольку
а) материально-техническое обеспечение нашей метеослужбы пока значительно отстаёт от американской;
б) массовое использование модельных прогнозов погоды у нас стало входить в практику лишь в начале 21 века.

Синоптический фронтальный анализ: время для переоценки?

До середины 20 века концептуальная модель структуры циклона бергенской школы доминировала в практике синоптической метеорологии, особенно относительно техники анализа приземных синоптических карт. Хотя парадигма охватывает некоторые из существенных функций эволюции циклонов, исследования и практическая работа до конца 1960-х годов показали существенные её пробелы, некоторые из которых обсуждены в этой статье. Бергенская модель применялась в регионах и условиях, весьма отличных от тех, в которых модель была исходно разработана. Знание этой проблемы многими исследовательскими и практическими сообществами имело некоторое воздействие на манеру анализа синоптических карт и стало предметом для многих учебников. Недостатки основной концептуальной модели развития циклона были обусловлены нехваткой последовательных и четких процедур для того, чтобы определить фронты и для того, чтобы анализировать приземные синоптические карты. Несколько примеров трудностей и противоречий приземного анализа представлены ниже в этой статье.

1. Введение

Почти 70 лет назад, бергенской школой метеорологии в серии статей (Бъеркнес 1919, Бъеркнес и Солберг 1922) предложена концептуальная модель структуры и эволюции среднеширотных циклонов синоптического масштаба. Эта концептуальная модель и соответствующая техника анализа были предназначены доминировать в синоптической метеорологии и оперативном прогнозировании до этого дня. В течение прошлой половины века синоптики, используя многообразие наблюдений, анализа и теоретических инструментов, быстро расширили знания о динамическом и структурном развитии среднеширотных циклонов. Это новое знание показало: хотя норвежская модель охватывает много важных аспектов эволюции циклонов, требуется значительное уточнение этой модели.

К сожалению, всестороннее объединение в концептуальной модели понятий, полученных в прошлой половине века, не существует, и техника синоптического анализа развивается параллельно увеличению понимания структуры и динамики циклонов. Практикующие метеорологи и исследователи часто интерпретируют данные наблюдений с точки зрения бергенской школы, некорректно перенося "неклассическое" развитие процессов на почву бергенской школы и не замечая их очевидных несоответствий норвежской модели циклона.

Другая область беспокойства - часто непоследовательное нелогичное применение классических норвежских фронтальных символов (знакомые комбинации треугольников и полукругов) в оперативном и исследовательском синоптическом анализе. Эти фронтальные символы часто применяются в мезомасштабе и в синоптическом масштабе не касаясь норвежской модели циклона. Например, норвежские фронтальные символы используются не только для синоптических фронтов в глубокой бароклинности нижней тропосферы, но показываются и в мелком пограничном слое. Регулярный пользователь оперативных трёхчасовых карт приземного анализа Национального метеоцентра (NMC) обратит внимание на много примеров комплексов нефизичного фронтального анализа непрерывно во времени противоречащих положениям норвежского анализа. Раздел 5 представляет примеры таких проблем анализа.

Эта статья кратко рассматривает историю синоптического применения идей бергенской школы, обращает внимание на пробелы, которые стали очевидными в середине века в исследовательском и оперативном прогнозировании, описывает некоторые попытки исправить ситуацию, обеспечивает несколько примеров проблематичного и противоречивого применения техники анализа норвежской школы и дискуссию о некоторых потенциальных подходах к решению этих проблем. Автор в надежде этой статьёй вызвать к жизни конструктивные дебаты о технике анализа, используемой сообществом синоптиков. Это не предполагается как повод для критики оперативных аналитиков, которые работают в рамках серьёзных временных ограничений, часто с неадекватными данными, и со старой концептуальной моделью и техникой анализа.

2. Фронтальный анализ, основанный на норвежской модели циклона

Хотя многие компоненты бергенской модели циклона были известны до Первой мировой войны (см. прекрасный обзор Кутцбах 1979), бергенские метеорологи (В. и Дж. Бъеркнес, Х.Солберг) должны были установить всестороннюю концептуальную модель развития циклона, которая могла бы выдержать испытание в оперативном применении. Многие из необходимых идей, обобщённых Бъеркнесом и Солбергом (1922), всё ещё находятся в большинстве вводных учебников, используемых сегодня. Вероятно, наиболее важный вклад бергенской школы лежит в предложенном ими цикле жизни среднеширотного циклона. Они предположили, что циклоны развиваются из бесконечно малых волн, существовавших ранее на полярном фронте, который отмечает границу между тропической и полярной воздушными массами. Эта волна усиливается в волновом циклоне с холодом, полярный воздух стремится к югу за холодным участком фронта, а тёплый, тропический воздух подталкивается по направлению к полюсу с тёплым участком фронта. С этих пор холодный фронт движется более быстро, чем тёплый фронт, который отступает, тёплый сектор прогрессивно сужается. Регион, в котором тёплый сектор воздуха поднят от поверхности сталкивающимися фронтами, как считают, окклюдированный. Если два фронта первый раз соприкасаются немного дальше к югу от центра циклона, происходит секклюзия - попадание тёплого воздуха в "ловушку". Бъеркнес и Солберг предложили два типа фронтов окклюзии (холодный и тёплый) в зависимости от соотношения температуры холодного воздуха с двух сторон тёплого сектора.

Хотя норвежская модель циклона была быстро принята в Европе, только в середине 1930-х годов Бюро погоды США применило эту концептуальную модель в процедуре оперативного дежурного анализа. Но, когда-то принятое, это правило господствовало со стойкой силой, даже когда появилось множество противоречащей ему информации. Ясно, что простая концептуальная модель чрезвычайна мало поддаётся изменению или замене, как только она получила широкое развитие; вызовы таким моделям игнорируются, даже в свете противоречащей моделям информации. В следующем разделе мы рассмотрим несколько проблем, ставших очевидными в последние 70 лет.

3. Необходимость в уточнении норвежской концептуальной модели

Исследования, проведённые в течение нескольких десятилетий, показали, что структура и эволюция среднеширотных циклонов часто существенно отличаются от идеальной картины, предложенной бергенской школой. Например, является теперь ясным, что их описание роста циклона от исходно существующего бесконечно малого возмущения на полярном фронте, вообще говоря, некорректно. Довольно многие, путём наблюдений, теории (Эди 1949, Черни 1947) и численного моделирования (Филипс 1956, Хоскинс и Вест 1979, Шар 1989) показали, что циклон требует для развития только наличия зоны бароклинности, и процесс эволюции циклона может обостряться в зоне больших температурных градиентов внутри интенсивных фронтальных зон. Таким образом, вообще циклогенез и фронтогенез дожны быть рассмотрены как неразрывный процесс. Может быть обсуждено то, что неявное разделение этих процессов в норвежской модели циклона было сделано в ущерб дисциплине, так как отвлекает внимание метеорологов, проводящих фронты, от того факта, что эти фронты - результат полей движения, связанных с бароклинными возмущениями. Слишком большой акцент сделан на фронтах и связанной с ними погоде. Другой очевидным пробелом классической модели является один из её главных компонентов - тёплый фронт - часто слабо выраженный и ограниченный в горизонтальном распространении, особенно в зрелых и распадающихся системах (Уоллис и Хоббс 1977, Хоскинс и Вест 1979). Кроме этого, зачастую невозможно идентифицировать тёплый фронт на космических снимках (Андерсон 1974).

Норвежская модель циклона часто кажется нереалистичной относительно эволюции окклюдированных фронтов. Большинство учебников и статей подчинено повторению базовой парадигмы Бъеркнеса и Солберга, а именно - что фронты окклюзии формируются, когда холодные фронты достигают тёплых фронтов в процессе развития циклона, и фронт окклюзии образуется в двух вариантах, тёплый или холодный, в зависимости от соотношения температур воздуха в восточной и западной сторонах системы. Однако, несколько исследователей отметили, что формирование фронта окклюзии от столкновения холодного и тёплого фронтов вообще не документировано и эти фронты окклюзии могут формироваться другими путями. Например, Уоллис и Хоббс (1977) предложили считать фронты окклюзии по существу новыми фронтами, вырастающими к северу от перехода тёплого фронта в холодный. Пеннер (1955) , что "законченные случаи фронтов окклюзии как классической модели являются чрезвычайно редкими в Северной Америке и смежных регионах... фронты окклюзии могут быть действительно проверены по аэрологическим данным как редкий метеорологический феномен". Пэлмен (1951) заметил, что проанализированные циклоны более редко являются окклюдированными на приземных картах и реальные процессы окклюзии никогда не идут в ложбинах. Классическая норвежская эволюция циклона не включала процесс, который известен сегодня как "мгновенная окклюзия", посредством чего облачная запятая присоединяется к открытым волнам, производя очевидно зрелую окклюдированную систему в течение короткого промежутка времени.

Не только классический процесс окклюзии является недостатком документа, но, в дополнение, разнообразные исследования показали, что идеальные окклюдированные фронтальные структуры редко соблюдаются в их полноте. Часто или один из компонентов фронта окклюзии [бергенской школы] отсутствует, или, в других случаях, наблюдаются "неклассические" фронтальные структуры и мезомасштабные особенности. Например, Кляйтцберг (1968) заметил, что старые и новые окклюзии являются различными структурами, молодые окклюзии состоят из нижнетропосферного фронта и связанной вторичной волны сверху. В серии наблюдений и исследований (см.Хоузе 1976, Хоббс 1978) на побережье Вашингтона были найдены различные неклассические структуры, связанные с окклюзиями.

В течении нескольких прошлых десятилетий, несколько исследователей (Рид 1979) заметили существование циклогенеза на холодной стороне главной фронтальной зоны; этот феномен не включен в норвежскую модель циклогенеза. Эти возмущения начинаются с относительно маленькой (500-1000 км) запятаяобразной области увеличенной конвекции и иногда незаметно вырастают в обычный циклон синоптического масштаба. Это часто наблюдается как облачная запятая сверху связанной с ней короткой волны; при её подходе к ранее существовавшей бароклинной зоне начинается циклогенез. Такой процесс, в примере Петтерсена циклогенез типа В (Петтерсен и Смибай 1971), никогда не упоминался в оригинальной норвежской модели циклона.
Норвежская модель недостаточно полно описывает нижнетропосферные структуры как взаимодействие между возмущениями, развивающимися на верхних и нижних уровнях. Верхнеуровневые фронты и отношения между короткими волнами верхних уровней и индивидуальными циклонами никогда не были частью классической парадигмы, поскольку в течение первой трети 20-го столетия было доступно лишь малое количество данных зондирования. Для справедливости нужно отметить, что, поскольку данные зондирования стали более обильными в 1930-ых и 1940-ых годах, некоторые из исследователей Бергена признали важность вертикальной структуры в циклогенезе (Bjerknes 1937; Bjerknes и Palmen 1937; Bjerknes и Holmboe 1944). Даже сегодня, во время, когда основная структура верхних фронтов является известной (см. Keyser и Shapiro 1986, для превосходного обзора), ясного понимания развития фронтов верхних уровней в контексте развития циклона не существует.

4. Попытки создания улучшенных концептуальных моделей и методов анализа

В течение прошлых 70 лет, метеорологи следовали двумя главными путями в попытках улучшить модель школы Бергена. Один подход пытался изменять и улучшать модель, сохраняя ее существенный фронтальный "вкус", в котором большинство изменений погоды связано с вертикальными движениями, вызванным фронтальными поверхностями. Другой подход (например, квази- и семигеострофический диагноз, изэнтропический вихрь, струйные течения) был в основном динамическим в перспективе. Хотя внушительные достижения были сделаны в обоих из этих подходов, необходимо отметить, что сегодня все еще нет никакой всесторонней картины трехмерной структуры и развития циклонов умеренных широт, которая объединила бы все представления прошлых 70 лет. С большим количеством новых несвязанных идей относительно фронтальной структуры и её развития, старая надежная норвежская модель циклона осталась в господстве. В этом разделе мы кратко рассмотрим некоторые из полученных данных вышеупомянутых двух подходов, поскольку они относятся к попытке создания всесторонней концептуальной модели развития циклона умеренных широт.

a. Фронтальный подход

Eliassen и Kleinschmidt (1957), Браунинг и Harrold (1969), Carlson (1980), и Браунинг (1985), среди других, попытались определить трехмерный поток воздуха через циклоны, используя относительный поток в изэнтропических исследованиях. В их исследованиях предположено, что поток воздуха может осмысляться как ряд "несущих полос". Теплая несущая полоса начинается на низких уровнях в теплом секторе перед холодным фронтом и поднимается на антициклональной стороне выше теплого фронта, в то время как холодная несущая полоса спускается, двигаясь на запад, к северу от теплого фронта. Хотя, возможно, это полезный концептуальный инструмент, данный подход страдает от нескольких недостаков. Например, он предполагает систему движений без изменения скорости и формы, или упрощённых эквивалентов, и траекторий, идентичных в относительных координатах; это предположение не вполне верно в течение периода быстрого развития циклонических систем. Влажноадиабатическое движение предполагается. Кроме того, не ясно, адекватно ли описывают области движения на нескольких изэнтропических уровнях (обычно три) сложные трехмерные движения через синоптические системы.
В течение прошлых нескольких десятилетий, дальнейшее осложнения относительно структуры и развития фронтов следовали из нескольких моделей (анафронт, катафронт, разделённый холодный фронт), каждая из которых, кажется, применима в различных регионах и в разные периоды в цикле жизни циклонических систем. Первый анализ различий между анафронтом (спускающийся холод и поднимающиеся теплые воздушные потоки) и катафронтом (опускание с обеих сторон фронта, с более сильным опусканием на "теплой" стороне) был сделан Bergeron (1937). Он предположил, что анафронты более распространены в молодых циклонах, а катафронты более вероятны в старых заполняющихся системах. Мили (1962) и Браунинг (1982) предложили комплексную фронтальную структуру, обычно известную как модель разделённого холодного фронта. В этой модели граница между холодным воздухом и тёплым воздухом в теплом секторе обозначается как верхний холодный фронт, с дополнительным холодным фронтом, отстающим на низких уровнях.
Несколько канадских метеорологов (например, Penner 1955; 1960 Galloway), предложили альтернативное соглашение для того, чтобы анализировать окклюзии. В их методе анализа основание верхнего клина теплого воздуха спроектировано на поверхность и проанализировано как "trowal" (киль). Они предположили, что trowal часто более существенен метеорологически, чем слабый фронт окклюзии, находящийся у поверхности. Недавно Нobbs и др. (1990) предложили концептуальную модель верхних холодных фронтов, включая теплую окклюзию и разделённый холодный фронт. В этой модели холодная фронтальная поверхность в средней тропосфере сопровождается резким снижением потенциальной температуры, поверхностная ложбина отстаёт от особенностей верхнего уровня, и зона высоких потенциальных температур соединяет эти два компонента.

Недавние наблюдательные исследования циклогенеза по западной Атлантике (например, Neiman и др. 1990; Shapiro и 1990 Keyser), используя самолёты, радиозонды и другие новые технологии наблюдения, предложили структуру и развитие, существенно отличное от классической норвежской концептуальной модели. Например, рис. 1 представляет температуру на 920 МБ, геопотенциальную высоту, и фронтальный анализ циклона по восточной Атлантике приблизительно в 1200 UTC 27 января 1988 (Shapiro и 1990 Keyser). Этот анализ использует и обычные наблюдения, и данные радиозондов, и самолетные данные. Заметьте, как холодный фронт проектируется к северу под почти прямым углом к теплому фронту; эту фронтальную геометрию назвали "Т-образной". Важное отклонение от классической структуры - отсутствие фронта окклюзии; скорее теплый фронт простирается к центру низкого давления, мало чем отличаясь от "ретроградной" окклюзии (Bergeron 1937; Petterssen 1956). Холодный фронт, кажется, смещается перпендикулярно к теплому фронту, но никогда не догоняет теплый фронт как в модели Школы Бергена.

Рис. 1. Температура на 920 МБ (°C, сплошные линии) и геопотенциальная высота (м, прерывистая линия) анализуются приблизительно для 1200 UTC 27 января 1988 от Shapiro и Keyser (1990). Местоположения радиозондов обозначены сплошными треугольниками.

Общераспространённость такого поведения холодного фронта, впрочем, сомнительна. Такие структуры были зарегистрированы только над океаном; над сушей, вообще говоря, холодные фронты не "ломаются". Фронты окклюзии были наблюдены над сушей. Кроме того, сильная бароклинность низкого уровня, которая простирается от центра низкого давления (теплый фронт в рис. 1) обычно не очевидна над сушей. Могло вполне быть, что меньшее поверхностное трение и большие тепловые потоки над водой имеют главное влияние на структурное развитие циклонов, по крайней мере в нижней тропосфере. Таким образом, структуры, найденные по западной Атлантике (наподобие указанных в рис. 1), возможно, присущи определенной географической области с уникальными элементами, типа интенсивной адвекции холодного континентального воздуха по теплой воде Гольфстрима.

Должно быть отмечено, что семигеострофические модели, используя идеализацию основных состояний, и реалистические примитивные модельные уравнения, повторили некоторые из неклассических структур развития, описанных выше. Например, Kuo и др. (1990) моделировал взрывное развитие шторма QE11 по западной Атлантике, используя NCAR/Penn. с помощью MM4 (мезомасштабная примитивная модель уравнений). Температуры уровня моря и давления для этого моделирования предлагают "обратный" теплый фронт и Т-конфигурацию, отмеченную выше. Нелинейное, семигеострофическое моделирование (адиабатический, без трения) Schar (1989), начинающийся с высоко идеализированного начального состояния, произвело подобное структурное развитие.

b. Динамический подход

Альтернативная перспектива, которая развилась в течение прошлых 40 лет, исследует динамические отношения между полями, поскольку синоптические системы развиваются, и менее заинтересованы определением и движением определенных структурных (например, фронтальных) элементов. При этом подходе, фронтальное развитие и получающиеся вертикальные движения замечены как только один компонент развития бароклинных систем. Доминирующий динамический метод в течение прошлых 40 лет был квазигеострофическим анализом, который связывает поля вертикального движения, вихря, температуры, ветра физически последовательным способом (см. 1979 Holton). Например, используя квази-геострофический подход, восходящее движение определяется количественными, типа горизонтальной адвекции вихря, а не геометрическими характеристиками потока, связанных с фронтальной зоной. Позже более точная семигеострофическая теория была применена, чтобы понять структуру и развитие фронтов (например, Hoskins и 1972 Bretherton) и развитие циклонических систем (например, Hoskins и West 1979).

Другой динамический подход использует вертикальную циркуляцию в ограниченных областях сильных ветров, то есть струйных течений (см. Uccellini и др. 1987, для примера). Эта перспектива, интуитивно удовлетворительная, ограничена ситуациями с относительно простыми конфигурациями и чрезвычайно идентична квазигеострофическому подходу для неискривлённого потока. Другая диагностическая техника использует изэнтропический потенциальный вихрь (см. Hoskins и др. 1985 для всестороннего обзора). Отмечая развитие и взаимодействие центров потенциального вихря в верхней и нижней тропосфере, получено представление о развитии циклонических систем. Хотя эти динамические подходы могут обеспечить "объяснение" структуры бароклинных возмущений и сопутствующих существенных погодных особенностей (например, области большого восходящего движения и сильных осадков), они могут быть неясными для непрофессионала, и их применение ограничено масштабами, для которых они являются динамически уместными и для которых доступны соответствующие наборы данных. Все вышеупомянутые динамические подходы ограничены решением проанализированных полей, которых они требуют. Это ограничение не столь серьезно для фронтального подхода, так как важные особенности (например, узкий холодный фронт) могут порой отмечаться субъективно (например, исследуя ряд времени на единственной станции или спутниковом изображении) даже при том, что проанализированные поля на горизонтальной поверхности не могут должным образом представить их.

В итоге, синоптики сталкиваются с запутывающим множеством различных и часто противоречащих концептуальных моделей и подходов относительно структуры и развития циклонических систем и им сопутствующих фронтов. Некоторые аспекты, которые имеют предложенные структурные модели, просто неправильны, или они представляют структуры циклона, применимые только в определенных географических областях или специфических стадиях в развитии циклона? Отбросить понятие "фронты" полностью и рассматривать только динамические отношения между основными полями? Конечно, есть потребность в обновленном, всестороннем объединении концептуальной модели развития циклонов по всему циклу жизни, или по крайней мере информации о том, как развитие изменяется с изменением географических условий и параметров среды.

5. Недостатки текущих приземных методов анализа

Экспертиза оперативных или ретроспективных приземных исследований показывает множество тревожащих недостатков. Проблемы начинаются с анализа и интерпретации атмосферного развития, используя концептуальную модель (норвежская модель циклона), которая (очевидно) должным образом не представляет (несколькими способами) развитие циклонов умеренных широт. Примечательно, что по океанам, где обычные данные редки, циклоны почти всегда анализируются в терминах классических норвежских структур, в то время как над сушей, где наблюдательные данные относительно обильны, аналитики часто вынуждены проводить на картах сложные и неклассические структуры (хотя они, кажется, борются с этой тенденцией, насколько возможно). Действительно ли разумно, что метеорологи применяют норвежскую модель циклона, созданную для относительно маленькой области на восточном побережье океана, для всего земного шара, по которому топография и приземные условия изменяются очень сильно?

Проблемы с текущими методами анализа не ограничены неправильно используемой или несовершенной концептуальной моделью. Временная непрерывность часто недостаточна в приземных исследованиях, поскольку фронты перемещаются назад и вперед и преобразовываются из одного типа в другой по неочевидным причинам. Возможно непоследовательное использование знакомой палитры символов, установленных для типизации фронтов метеорологическим патриархом Бергеном. Экспертиза большого количества оперативных приземных исследований NMC показывает, что знакомые фронтальные символы используются разнообразными способами:

1. Для связанных с циклоном фронтальных зон, простирающихся через значительную часть нижней тропосферы (что в общем совместимо с норвежской моделью циклона).
2. Для относительно мелких топографически-обусловленных особенностей, типа границы холодного воздуха, прибрежных фронтов, ложбин холода созданных высокими горными хребтами (типа Скалистых гор).
3. Для небольших зон температурного контраста, вызванного различиями в приземных свойствах или облачности. Например, часто большие температурные контрасты у границы сплошного снежного покрова иногда обозначаются норвежским фронтальным символом (обычно как малоподвижный фронт).

Хотя проблемы в NMC не уникальны, они могут быть сопоставлены при помощи автоматизированных исследований давления уровня моря для трехчасовых североамериканских карт погоды (Bosart 1989). Эти исследования часто дают серьезные ошибки по океану; и даже над сушей, проанализированные компьютером особенности не захватывают структуры, которые были бы очевидными для человечека-аналитика. В результате вручную проанализированные фронтальные положения часто непоследовательны с особенностями машинных исследований давления на уровне моря.

6. Некоторые подходы к проблеме

Хотя автор не утверждает, что был бы в состоянии решить проблемы, описанные выше, следующие шаги могли бы быть логичным способом движения вперёд:

a. Определить детальное структурное развитие циклонов умеренных широт. Установить пересмотренную и более общую концептуальную модель развития циклона. Это понятно, если помнить, что спустя 70 лет после оригинальной работы Школы Бергена, мы все еще не имеем всестороннего понимания детальных воздушных движений и развития циклонов умеренных широт. Мы не знаем, как это развитие изменяется для различных областей и крупномасштабных условий. Мы ясно не документировали развитие фронтов окклюзии, или даже лишь условно договариваемся об их существовании. Как отмечено выше, одной причиной этой неудачной ситуации было большое и запутывающее множество несвязанных идей относительно структуры циклона и его развития; в результате была чрезмерная зависимость от стареющей парадигмы Школы Бергена и ее почти неизменного отражения в учебниках. Также можно убедительно утверждать, что ограничения в метеорологических наблюдениях (то есть, грубая сеть станций радиозондирования два раза в день) также ограничили продвижение этого вопроса.

Замена или поправка научных парадигм должны зачастую ожидать момента, когда новые данные сокрушат старые концептуальные модели. Такова ситуация сегодня с норвежской моделью циклона. Численные модели теперь способны к моделированию циклонического развития с большой детализацией и предлагают мощный инструмент, чтобы диагностировать детальное развитие структур циклона (см.Keyser и 1987 Uccellini). Новые платформы наблюдения (например, NEXRAD) предполагают непрерывный контроль развития циклона в достаточных временных и пространственных деталях, чтобы описать соответственно развитие и структуру среднеширотных циклонических систем. Региональные полевые эксперименты используют многие из новых технологий, чтобы обеспечить очень подробные описания циклона и фронтального развития. Короче говоря, новые наблюдательные наборы данных и точные числовые образцовые моделирования должны использоваться, чтобы установить реалистические концептуальные модели развития циклона и определить, как развитие циклона измененяется при изменении условий среды (например, топографии, приземных условий, крупномасштабной циркуляции и т.д.).

b. Установить логическую и последовательную систему для того, чтобы анализировать синоптические карты. Как только всестороннее понимание развития циклона умеренных широт будет достигнуто, и изменения концептуальных моделей установлены, потребуются новые логические и последовательные методы для того, чтобы анализировать и представлять синоптические карты. Так как приземная синоптическая карта традиционно была средством для того, чтобы показать концептуальную образцовую символику, позвольте нам рассмотреть некоторые возможные подходы для того, чтобы анализировать и показывать эти карты.

Подход 1) Представление проанализированных полей без фронтальных или других символов.

Некоторые люди могли бы утверждать, что реальный мир намного более сложен, чем любая простая концептуальная модель, и поэтому это - некоторый обман: попытки увидеть упрощенную модель в данных наблюдений. Такие люди рекомендовали бы, чтобы наблюдения - проанализированные поля (например, изотермы, изобары, изэнтропы), и возможно некоторые полученные динамические величины (например, потенциальный вихрь) - говорили сами за себя. Они отметили бы, что метеорологи, кажется, довольны численной прогностической продукцией, которая испытывает недостаток в какой-нибудь фронтальной символике, итак, почему бы не применить то же самое для наблюдаемых (фактических) данных? Простые концептуальные модели, возможно, были полезны как инструменты чтобы получить сведения о состоянии средней и верхней тропосферы, когда фактические данные верхних уровней недостаточны, но сегодня трехмерная информация доступна с большей детальностью, чем недавно. Другое преимущество отказа от фронтальных символов состоит в том, что фронты зачастую не имеют четких особенностей. Бароклинность в атмосфере изменяется в широком диапазоне; в каком случае должно использоваться понятие "фронт"?

Хотя это положение (никаких проанализированных фронтов) могло бы быть по своей основе очень простым, есть аргументы против этого. Даже с его очевидными недостатками, классический норвежский циклон моделирует и методы анализа, которые происходят от этого, действительно выражая в обобщённом виде некоторые существенные истины : многие циклоны развиваются именно подобным способом, то есть, как волна в области существенного температурного градиента. Это заключение очевидно из обычных наблюдательных данных, спутниковых снимков, и численной прогностической продукции. Концептуальные модели могут помочь организовывать громадный объём наблюдений в последовательную картину и помогать визуализации и интерпретации сложных трехмерных движений; они - особенно важны в областях ограниченных обычных данных (например, океанов, где только спутниковые данные и несколько сообщений с судов и самолетов могут быть доступны). Фронтальные символы обеспечивают информацию о временных изменениях (например, движение холодных и теплых масс воздуха), которые требовали бы больше чем одной диаграммы, если бы были показаны только поля метеовеличин. Другая проблема с отказом от использования фронтальных символов состоит в том, что автоматизированные проанализированные поля, возможно, не в состоянии показать или правильно разместить все интересующие особенности, типа мезомасштабного фронта, который является слишком узким, чтобы быть захваченным разрешением синоптической сети. Такой фронт мог бы быть ясно отображён использованием других подходов, типа анализа временного ряда наблюдений на единственной станции или спутниковых снимков. Наконец, нужно рассмотреть последствия устранения всей фронтальной символики в материалах, показываемых широкой публике и СМИ. Фронты привычно показываются прогнозистами по телевидению, в газетных погодных картах и просты, но полезны, как инструменты для того, чтобы сообщить погодную информацию широкой аудитории. Публика приняла бы карты с только изотермами или другими полями величин? Или такого рода символика должна была бы быть сохранена для неметеорологов?

Подход 2) Изменение текущих методов анализа, чтобы соответствовать улучшенной парадигме.

Другая противоположность сохраняет общий подход к фронтальному анализу, используемому сегодня (то есть, модель наноски станции, изобары, фронтальные (и другие) символы на приземной карте), но очень улучшают ясность и последовательность используемой символики. Следующие модификации и разъяснение текущих методов предагают путь к сокращению беспорядка, очевидного в современных исследованиях:

1) Применение классических норвежских фронтальных символов должно быть ограничено фронтами, которые простираются на значительную высоту в тропосфере. Применение классических фронтальных символов к приземным синоптическим фронтам, небольшим радиационно-обусловленным областям большого температурного градиента, и линиям сходимости ветра, как в настоящее время делается, является главным примером непоследовательного и запутывающего использования.
2) Фронтальные символы должны использоваться только для тех метеовеличин, градиенты которых существенно выражены в горизонтальном поля плотности (в действительности, это только температура). Фронтальные символы не должны использоваться для областей контраста одной только влажности.
3) Измененная форма этих символов (или новые символы) могла бы использоваться для небольших особенностей, типа связанных с линиями шквалов, морскими бризами, топографическими "фронтами" и процессами пограничного слоя. Young и Fritsch (1989) предложили такой набор символов для мезомасштабного анализа.
4) Исследования должны быть последовательными во времени, то есть, временная непрерывность должна быть обеспечена.

В вышеупомянутом подходе есть много возможных творческих изменений. Например, вместо классических фронтальных символов (со всем их значительным багажом) мог бы быть создан целый диапазон символов для различных типов переходов (например, линий изменения ветра, ложбин давления, линии изменений в градиентах) у земли или на высотах. Независимо от того, сколько будет установлено символов, их последовательное и логическое использование будет ключом к успеху.

Подход 3) Представляет поля величин и использует фронтальные (или другие) символы только для особенностей, которые не могут быть представлены в полях.

Одна из самых серьезных проблем, вызванных первым подходом (предлагающим отсутствие символов) - то, что автоматизированные проанализированные поля неизбежно пропустят или ненадлежащим образом представят некоторые небольшие особенности полей, которые являются весьма очевидными для человека-аналитика. Кроме того, даже ручные исследования не могли бы в состоянии ясно представить некоторые мелкомасштабные особенности. Компромиссный подход обратился бы к этой проблеме при использовании фронтальных (или других) символов, чтобы указать особенности, которые ненадлежащим образом отражены проанализированными полями. Возможная проблема этого подхода - то, что границы (или символы) могли бы показывать интенсивность и горизонтальный масштаб явлений. Синоптические карты, вообще говоря, имеют низкое качество, это одноцветные изображения, которые лишь незначительно улучшились за прошлые 30 лет. Метеорологи должны постигать трехмерное развитие очень сложных систем; очевидно, что двумерные показы с одним цветом (бумажные или электронные) не в состоянии представить достаточно информации даже сегодня и конечно будут неадекватны в наступающую эру увеличенных объёмов наблюдательных данных. Обычные способы представления не позволяют применять исключительную способность людей понимать суть сложных структур, когда эти структуры представлены в форме трехмерных изображений.

К счастью, технологии, которые обещают производить увеличение объёмов информации, в тоже время содержат потенциал чтобы решить проблемы управления данными, их анализа и отображения. Добавляя различные цвета, метеорологи могли удобно добавить несколько полей (например, изотермы).

Главный вопрос, к которому мы пока не обращались - должны ли такие особенности, как средние или верхние тропосферные фронты, быть отмечены на синоптических картах. Кроме того, часто наблюдается, что важные синоптические особенности (например, теплый фронт) могут быть замаскированы у поверхности тонкой пленкой холодного воздуха на низких уровнях. Должны ли важные особенности верхних уровней, которые не ясно очевидны в приземных полях (например, температура) быть отмеченными некоторым образом на картах? Пример этого подхода - канадская модель trowal (Penner 1955), в которой основа верхнего холодного фронта, связанного с окклюзией, обозначается на приземной карте.

Независимо от того, какой подход будет взят за основу, трудно недооценить препятствия в попытках изменить норвежскую методологию анализа. Она доминировала так долго из-за её простоты и легкого объяснения; любая новая методология или установленный набор символов должны допускать легкое изучение и использование.

Нереализованный потенциал компьютерных технологий для анализа и показа метеорологических данных - главная причина, что всесторонняя концептуальная модель развития циклона не прогрессировала в своих методах и понятиях - из-за общей неспособности визуализировать трехмерное развитие синоптических систем. Интеграция большого количества горизонтальных карт, разрезов, и данных радиозондирования в умственную картину трехмерного структурного развития циклона - вызов, с которым немногие могут справиться. В отношении этой проблемы, очевидно, что метеорологи не полностью применяют потенциал современных технологий коммуникаций к синоптическим картам. Трехмерная графика могла бы позволить рассмотрение синоптической структуры в разнообразии перспектив, и обеспечить степень понимания, которая никогда не могла бы достигаться, используя обычные способы показа (см. Wilhelmson и др. 1989; Schiavone и 1990 Papathomas). Многие из инструментов программного обеспечения и аппаратных средств, которые позволяют решить проблему визуализации, существуют сегодня; к сожалению, распространение таких инструментов в пределах исследовательского и оперативных сообществ происходит медленно и нескоординированно.

7. Резюме и заключение

Более полувека бергенская концептуальная модель структуры и развития циклона доминировала в практике синоптической метеорологии, особенно в том, как анализировались приземные синоптические карты. Хотя норвежская парадигма захватывает несколько существенных особенностей развития циклона, исследование и оперативный опыт за прошлые 70 лет показали её существенные недостатки. Например, теперь ясно, что развитие циклона не требует существования обширных полярных фронтов; скорее необходима только зона бароклинности для развития циклона, непосредственно обостряющего разреженные температурные градиенты и превращающего их в интенсивные фронтальные зоны. Теплые фронты, главный компонент норвежской модели циклона, являются часто слабыми или ограниченными в развитии. Классическое норвежское развитие циклона также не включает процесс "мгновенной окклюзии", посредством чего облачная система в виде запятой соединеняется с открытыми волнами и производит очевидно зрелые закрытые системы в течение короткого промежутка времени. Наконец, разнообразные наблюдательные исследования показали, что идеальные структуры фронта окклюзии редко наблюдаются в их полноте. Хотя эти и другие недостатки известны многим в исследовательских и оперативных сообществах, это знание не имело большого воздействия на манеру, в которой анализируются синоптические карты, а тем более на способ, которым предмет описан в учебниках.

Проблемы с основной концептуальной моделью развития циклона были вызваны нехваткой последовательных и четких процедур для анализа приземных синоптических карт. Например, к классическим фронтальным символам часто обращаются для анализа мезомасштабных особенностей, не охваченных в оригинальной норвежской модели циклона. Фронтальные символы в стиле Бергена не только используется для фронтов с бароклинностью, простирающейся через существенную часть тропосферы, но также и для приземных фронтов, например, вызванных границами облачных и снежных полей.

Чтобы решать вышеупомянутые проблемы, метеорологическое сообщество должно следовать двухаспектным подходом. Сначала, исследование и оперативные понимания, полученные в последней половине 20-го столетия должны быть объединены с более свежим численным моделированием и наблюдательными исследованиями (использование новых технологий, типа допплеровского радара, радиозондов, самолетов, и т.д.), чтобы установить исправленную, и более общую, концептуальную модель развития циклона. Важными будут инструменты анализа и отображения метеоинформации, которые обеспечат трехмерное представление развития циклона. Может вполне оказаться, что развитие циклона является очень различным, в зависимости от приземных условий, топографии и других факторов. Во-вторых, должна быть разработана ясная и последовательная методология анализа синоптических карт.

Оригинал статьи

Mass, CF. Synoptic frontal analysis: Time for a reassessment? Bulletin American Meteorological Society, Vol. 72, No. 3, March 1991, 348-363.

Литература

Anderson, R. K., J. P. Ashman, F. Bittner, G. R. Farr, E. W. Fergurson, V. J. Oliver and A. H. Smith, 1974: Application of meteorological satellite data in analysis and forecasting. ESSA Tech. Rep. NESC51, Government Printing Office, Washington, D.C. (NTIS AD-697033)
Bates, С. С, 1989: The formative Rossby-Reichelderfer period in American meteorology, Wea. Forecasting, 4, 593-603.
Bergeron, Т., 1937: On the physics of fronts. Bull. Amer. Meteor. Soc, 18, 265-275.
Bjerknes, J., 1919: On the structure of moving cyclones. Geofys. Publ., 1,1-8. Bjerknes, J., 1937: Theorie der aussertropischen Zyklonenbildung. Met. Zeit.,54, 186-190.
Bjerknes, J., and H. Solberg, 1922: Life cycle of cyclones and the polarfront theory of atmospheric circulation. Geofys. Publ., 1,1-60.
Bjerknes, J., and E. Palmen, 1937: Investigations of selected European cy clones by means of serial ascents. Geofys. Publ., 12,1-62.
Bjerknes, J., and J. Holmboe, 1944: On the theory of cyclones. J. Meteor., 12, 58-67.
Bosart, L. F., 1989: Automation, has its time really come? Wea. Forecasting, 4, 271.
Browning, K. A., 1985: Conceptual models of precipitation systems. Meteor. Mag., 114, 293-319.
Browning, K. A., and T. W. Harold, 1969: Air motion and precipitation growth in a wave depression. Quart. J. Roy. Meteor. Soc, 95, 288-309.
Browning, K. A., and G. A. Monk, 1982: A simple model for the synoptic analysis of cold fronts. Quart. J. Roy. Meteor. Soc, 108, 435-452.
Carlson, Т., 1980: Airflow through midlatitude cyclones and the comma cloud pattern. Mon. Wea. Rev., 108,1498-1509.
Charney, J. G., 1947: The dynamics of long waves in a baroclinic westerly. J. Meteor., 4, 135-162.
Eady, E. Т., 1949: Long waves and cyclone waves. Tellus, 1,33-52.
Eliassen, A., and E. Kleinschmidt, 1957: Dynamic meteorology. Handbook der Physik, 48, S. Flugge, Ed., Springer-Verlag, 1-154.
Galloway, J. L., 1960: The three-front model: The developing depression, and the occluding process. Weather, 15, 293-301.
Hobbs, P. V., 1978: Organization and structure of clouds and precipitation on the mesoscale and microscale in cyclonic systems. Rev. Geophys. Space Phys., 16, 741-755.
Hobbs, P. V., J. D. Locatelli and J. E. Martin, 1990: Cold fronts aloft and forecasting of precipitation and severe weather east of the Rocky Mountains. Wea. Forecasting, 5, 613-626.
Holton, J. R., 1979: An Introduction to Dynamic Meteorology. Academic Press, 391 pp. Hoskins, B. J., and F. P. Bretherton, 1972: Atmospheric frontogenesis models: mathematical formulation and solution. J. Atmos. Sci., 29, 11-37.
Hobbs, P. V., and N. V. West, 1979: Baroclinic waves and frontogenesis. Part 11: Uniform potential vorticity jet flows-cold and warm fronts. J. Atmos. Sci., 36,1663-1680.
Hobbs, P. V., M. E. Mclntyre and A. W. Robertson, 1985: On the use and significance of isentropic potential vorticity maps. Quart. J. Roy. Meteor. Soc, 111, 877-946.
Houze, R. A., Jr., J. D. Locatelli and P. V. Hobbs, 1976: Dynamics and cloud microphysics of the rainbands in an occluded frontal system. J. Atmos. Sci., 33, 1921-1931.
Houze, R. A., and M. A. Shapiro, 1986: A review of the structure and dynamics of upper-level frontal zones. Mon. Wea. Rev., 114, 452-499.
Keyser, D., and L. W. Uccellini, 1987: Regional models: emerging research tools for synoptic meteorologists. Bull. Amer. Meteor. Soc, 68, 306-320.
Kreitzberg, С W., 1968: The mesoscale wind field in an occlusion. J. Appl. Meteor., 7, 53-67.
Kuo, Y.-H., M. A. Shapiro and E. G. Donall, 1990: Interaction of baroclinic and diabetic processes in numerical simulations of a rapidly developing marine cyclone. Submitted to Mon. Wea. Rev.
Kutzbach, G., 1979: The Thermal Theory of Cyclones. Amer. Meteor. Soc, 255 pp. Miles, M. K., 1962: Wind, temperature, and humidity distribution at some cold fronts over southeast England. Quart. J. Roy. Meteor. Soc, 88, 286-300.
Neiman, P. J., M. A. Shapiro, E. G. Donall and С W. Kreitzberg, 1990: The diabatic modification of an extratropical marine cyclone warm sector by cold underlying water. Mon. Wea. Rev., 118, 1576-1590.
Palmen, E., 1951: Aerology of Extratropical Disturbances. Compendium of Meteorology, Amer. Meteor. Soc, 1334 pp.
Penner, С. М., 1955: A three-front model for synoptic analyses. Quart. J. Roy. Meteor. Soc, 91, 89-91.
Petterssen, S., 1956: Weather Analysis and Forecasting. Second edition. Volume 1. McGraw Hill, 460 pp.
Petterssen, S., and S. J. Smebye, 1971: On the development of extratropical cyclones. Quart. J. Roy. Meteor. Soc, 97, 457-482.
Phillips, N. A., 1956: The general circulation of the atmosphere: A numerical experiment. Quart. J. Roy. Meteor. Soc, 32, 123-164.
Reed, R. J., 1979: Cyclogenesis in polar airstreams. Mon. Wea. Rev., 107, 38-52.
Reed, R. J., 1990: Advances in knowledge and understanding of extra tropical cyclones during the past quarter century: An overview. Extratropical Cyclones. Amer. Meteor. Soc. 262 pp.
Schar, С J., 1989: Dynamische Aspekte der aussertropischen Zyklogenese, Theorie und numerishche Simulation im Limit der balancierten Stromungssysteme. Dissertation Nr. 8845 der Eidgenossischen Technischen Hochschule, Zurich, 241 pp.
Schiavone, J. A., and T. V. Papathomas, 1990: Visualizing meteorological data. Bull. Amer. Meteor. Soc, 71, 1012-1020.
Shapiro, M. A., and D. Keyser, 1990: Fronts, jet streams and the tropopause. Extratropical Cyclones. Amer. Meteor. Soc. 262 pp.
Uccellini, L. W., R. A. Petersen, K. F. Brill, P. J. Kocin and J. J. Toccillo, 1987: Synergistic interactions between an upper level jet streak and diabatic processes that influence the development of a low level jet and a secondary coastal cyclone. Mon. Wea. Rev., 115, 2227-2261.
Young, G. S., and J. M. Fritsch, 1989: A proposal for general conventions in analyses of mesoscale boundaries. Bull. Amer. Meteor. Soc, 11, 1412-1421.
Wallace, J. M., and P. V. Hobbs, 1977: Atmospheric science: An Introductory Survey. Academic Press, 467 pp.
Wilhelmson, R. В., L. Wicker, H. Brooks and С Shaw, 1989: The display of modeled storms. Reprints of the Fifth MPS, Anaheim, California, 166-171.

Обсудить в Метеоклубе

Новости сайта

02.10.2013

Напоминаем, что на нашем новом сайте вы можете получить высокодетализированные прогнозы погоды по пунктам России, СНГ и мира (включающие важные для авиации метеовеличины, такие как направление и скорость ветра, видимость, явления погоды, количество и форма облачности, нижняя и верхняя граница облачности), а также ознакомиться с разнообразными материалами по авиационной метеорологии и подборкой полезных ссылок на эту тему.

Сайт Метеоцентр.Азия посвящён разработке технологий оптимизации авиаметеорологического обслуживания, включая проектирование и перспективное создание нескольких автоматизированных авиаметеорологических систем:
- система выпуска высокодетальных прогностических карт явлений погоды для нижнего воздушного пространства по России и ближнему зарубежью;
- система верификации прогнозов TAF (выпускаемых синоптиками официальных АМСГ РФ и ближнего зарубежья) и AUTOTAF (выпускаемых сайтом Метеоцентр.Азия) - выявление ошибок, онлайн-сопоставление с фактической погодой METAR, автоматическое внесение коррективов в прогнозы при резком отклонении фактической погоды от прогноза, подсчёт оправдываемости прогнозов по элементам и в целом;
- система обработки, анализа и отображения авиаметеорологической информации для применения провайдерами метеорологической информации.



При копировании или ином использовании любых материалов данного сайта ссылка на © meteocenter.net обязательна.