Прогноз приземной максимальной (дневной) температуры воздуха в континентальных регионах умеренных широт

Бровкин В.В.

Приземная температура воздуха (на стандартной высоте 2 м над поверхностью земли) является важнейшим элементом прогнозов погоды общего пользования. Наибольший интерес у потребителей прогнозов вызывает максимальная (дневная) температура воздуха (Тмакс), поскольку именно в дневное время суток большинство людей осуществляют свою бытовую и трудовую деятельность.

Вместе с тем оправдываемость краткосрочных (на 1-3 суток) прогнозов температуры хоть и довольно высока (85-90% в России), но всё же не идеальна. Дело в том, что основным методом прогноза Тмакс в нашей стране в течение уже многих десятилетий является метод траекторий: по прогностическим картам барического поля строятся ожидаемые траектории воздушной частицы (откуда придёт воздух в данный пункт в течение рассматриваемого периода), сопоставляется Тмакс в начальной точке траектории и в данном пункте, учитывается (косвенно) трансформация воздушной массы в процессе перемещения (воздействие выпадающих осадков, изменения облачности и влажности, различия в состоянии подстилающей поверхности и т.п.). Это довольно кропотливая работа, а её результат сильно зависит от опыта и квалификации синоптика (немалую роль играет интуиция), причём даже у опытных специалистов время от времени всё-таки случаются "пролёты" (неоправдавшиеся прогнозы). Таким образом, вопрос о создании надёжного метода прогноза Тмакс остаётся открытым.

В середине 1990-х годов нами проводились исследования [1] связи атмосферных фронтов с полем температуры воздуха на изобарической поверхности 850 гПа (Т850) - это высота около 1,5 км над уровнем моря. Исходным материалом для нашей работы послужили ежедневные синоптические карты - приземные и барической топографии (АТ-850, АТ-700, АТ-500, ОТ-500/1000) в сроки 00 и 12 UTC, а также кольцевые в сроки 00, 03, 06, 09, 12 UTC за 1994-1996 годы. Рассматриваемый регион охватывает равнинную территорию Европейской части РФ, Западную Сибирь, Урал, восточную половину Украины, большую часть Казахстана (кроме его юго-восточных горных районов) и ограничен по долготе - от 30° в.д. до 90° в.д., по широте - от 44° с.ш. до 60° с.ш.

Анализ поля Т850 издавна и широко практикуется синоптиками нашей планеты для проведения атмосферных фронтов на картах погоды. То, что именно Т850 является удачным объективным критерием фронтальных процессов (а следовательно и критерием, позволяющим идентифицировать тип воздушной массы), связано, очевидно, с близостью уровня 850 гПа к верхней границе пограничного слоя атмосферы, где довольно четко проявляются общие закономерности термического (а значит и фронтального) режима нижней тропосферы, и в то же время невелико влияние суточного хода метеовеличин и трансформации воздушных масс на атмосферные процессы. Это и побудило в качестве основного фронтального критерия выбрать температуру воздуха на уровне AT-850 (Т850).

Синоптиками давно замечено, что тёплые и холодные атмосферные фронты в общем параллельны изотермам Т850. Нами выявлен еще более поразительный факт, а именно: значение изотермы Т850, соответствующей данному фронту, является достаточно постоянным, медленно и планомерно меняясь от сезона к сезону в течение года. Более того, эти значения остаются постоянными из года в год (+-1°) и зависят только от сезона (даты), имея правильный годовой ход.

Обращает на себя внимание своеобразная "зеркальность" значений фронтальных изотерм Т850 зимой и летом: -16, -8,0 и 0, +8, +16 соответственно. Наибольшие и мало меняющиеся ото дня ко дню значения Т850 фронтальных изотерм наблюдаются летом, в конце лета они начинают более-менее равномерно убывать и стабилизируются зимой на своих минимальных отметках; затем с конца зимы вновь начинается их планомерный рост.

Нами была отмечена довольно чёткая корреляция Тмакс и Т850. В литературе подобная связь практически не описана, если не считать констатации общеизвестного факта, что летом в средних широтах Тмакс на 14...16° выше чем Т850.

Мы решили изучить поведение параметра dT=Тмакс-Т850 (далее для краткости будем называть его "дельта") и факторы, влияющие на его величину. По сути дела, дельта является ключом для простого прогнозирования Тмакс:
Тмакс=Т850+dT.

Даже с помощью метода траекторий проще спрогнозировать сначала Т850 (а не приземную Тмакс, поскольку поле Т850 более гладкое и гораздо меньше зависит от местных условий), а от него уже (зная дельту) перейти к Тмакс.
Вдвойне актуален прогноз Тмакс на основе Т850 стал в последние годы: глобальные гидродинамические модели атмосферы достигли такого уровня развития (особенно американская модель AVN/GFS), что поле T850 надёжно прогнозируется на несколько суток вперёд, а это позволяет надёжно спрогнозировать и Тмакс (отметим, что модель непосредственно выдаёт и прогноз Тмакс, но оправдываемость для этого элемента ниже, чем для Т850).

Ниже описаны результаты наших исследований параметра "дельта". Заметим, что подобно фронтальным изотермам Т850, дельта имеет довольно правильный годовой ход: низкие значения зимой, динамичный рост весной, стабилизация на высоких отметках летом, быстрое падение осенью. В целом значение параметра "дельта", очевидно, тесно связано с тепловым и радиационным балансом подстилающей поверхности. Так, в умеренных широтах дельта в общем несколько ниже, чем в южных (получающих больше солнечного тепла); особенно сильное различие наблюдается весной - в южных широтах, лишённых значительного снежного покрова, дельта растёт намного раньше и динамичнее.

Тёплый период года

В тёплый период года, когда в дневные часы пограничный слой стратифицирован в большинстве случаев неустойчиво, основное влияние на дельту оказывает точка росы приземного воздуха. Если приземная точка росы (Tdo) не превышает Т850, вертикальный сухоадиабатический градиент температуры воздуха (1°С/100 м) распространяется до высоты 1,5 км и выше, при этом дельта максимальна.
С ростом точки росы (при этом важно, каково соотношение Tdo-T850) дельта падает, поскольку уровень конденсации расположен ниже, и сухоадиабатический градиент распространяется лишь на часть пограничного слоя, а выше наблюдаются конвективные облака и сопутствующий им влажноадиабатический вертикальный градиент (около 0.6°/100 м). Минимальные значения дельты наблюдаются при точке росы, превышающей Т850 на 6° и более, что может отмечаться в двух случаях:
1. Центр циклона, пасмурная погода, умеренные и сильные дожди, относительная влажность близка к 100%; во всём пограничном слое устанавливается влажноадиабатический градиент или даже меньший.
2. Побережье или акватория прогретого моря при отсутствии заметной адвекции холодного сухого воздуха с суши (точка росы при этом, ориентировочно, равна температуре воды); из-за огромных потерь тепла на испарение воздух прогревается с большим трудом.

Умеренные широты (50...60° с.ш.), тёплый период

Период года (день, месяц)	Tdo-T850≥6°	Tdo-T850=4...5°	Tdo-T850=1...3°	Td≤T850
28.04-30.04, 20.10-23.10	+7	+9	+9	+9
01.05-03.05, 11.10-19.10	+7	+10	+10	+10
04.05-06.05, 05.10-10.10	+7	+11	+11	+11
07.05-11.05, 27.09-04.10	+7	+11	+12	+12
12.05-17.05, 22.09-26.09	+7	+11	+13	+13
18.05-31.05, 16.09-21.09	+7	+11	+14	+14
01.06-08.06, 01.09-15.09	+7	+11	+14	+15
09.06-31.08	+8	+11	+14	+16

Южные широты (44...49° с.ш.), тёплый период

Период года (день, месяц)	Tdo-T850≥6°	Tdo-T850=4...5°	Tdo-T850=1...3°	Tdo≤T850
20.03-24.03, 27.10-31.10	+7	+9	+9	+9
25.03-31.03, 17.10-26.10	+7	+10	+10	+10
01.04-05.04, 27.09-16.10	+7	+11	+12	+12
06.04-13.04, 13.09-26.09	+7	+11	+14	+14
14.04-03.05, 21.08-12.09	+7	+11	+14	+16
15.05-20.08	+8	+11	+14	+17

Переходный период года

В этот короткий сезон года (а он длится в средних широтах с 14.04 по 27.04 и с 24.10 по 13.11, в южных широтах с 15.03 по 19.03 и с 01.11 по 13.11) дельта составляет +7° в любую погоду, независимо от облачности, осадков и точки росы. Как видим, в средних широтах весенний переходный сезон наблюдается значительно позже, при этом более растянут (по сравнению с южными широтами), что связано, по-видимому, с таянием снежного покрова и переувлажнённым состоянием почвы после его схода (что затрудняет прогрев воздуха в приземном слое).

Холодный период года

В холодный период года дельта зависит от типа барического поля (и связанных с ним крупномасштабных вертикальных движений воздуха). Дельта минимальна в обширных антициклонах (нисходящие движения, иссушающие воздух; сильное выхолаживание воздуха долгими зимними ночами) и максимальна в активных циклонах, в зонах осадков (восходящие движения, при этом в пограничном слое атмосферы устанавливается влажноадиабатический вертикальный градиент температуры воздуха).

Период года (день, месяц)	Циклон, зона активного фронта, умеренные или сильные осадки	Барическая ложбина, без существенных осадков или небольшие осадки	Периферия антициклона, быстро перемещающийся гребень антициклона, без существенных осадков	Обширный малоподвижный антициклон или гребень, без осадков
14.11-26.11	+8	+6	+5	+4
27.11-30.11	+8	+6	+4	+3
01.12-27.12	+8	+6	+4	+2
08.12-14.12, 21.02-08.03	+8	+6	+3	+1
15.12-20.02	+7	+5	+2	0
09.03-12.03	+8	+6	+3	+1 в ср. широтах, +2 в юж. широтах
13.03-24.03 в ср.широтах, 13.03-14.03 в юж.широтах	+8	+6	+4	+2 в ср. широтах, +4 в юж. широтах
25.03-13.04 в ср.широтах	+8	+6	+4	+4 в ср. широтах

Нельзя не упомянуть такой феномен (причины которого практически не описаны в литературе), как аномальный ход приземной температуры воздуха (Т) зимней ночью (её рост от середины ночи к утру), наблюдаемый в ряде случаев даже при штиле и отсутствии адвекции тепла. По нашим данным, такой эффект связан с натеканием слоисто-кучевой или слоисто-дождевой с нижней границей в диапазоне 500-2000 м: в то время как у земли зимними ночами имеется инверсия температуры, облачность имеет более высокую температуру (примерно равную Т850) и излучает к земле как гигантский тепловой экран. Таким образом, если в течение зимней ночи ожидается натекание облачности нижнего яруса, можно ожидать рост приземной Т до значений, примерно равных Т850 (примечание: это правило не распространяется на низкие слоисытые облака, расположенные на высоте 50-300 м, поскольку они находятся в выхоложенном приземном слое воздуха и их натекание не может вызвать существенный рост Т). Порой, при достаточно сильных морозах в приземном слое, аномальный ход Т может вызвать и натекание облачности среднего яруса; в этом случае приземная Т растёт до значений Т700 (Т700 - температура на уровне 700 гПа, около 3 км над уровнем моря).

Заключение

Приведённые здесь значения параметра "дельта" помогут практикующим синоптикам успешно прогнозировать Тмакс. Следует лишь иметь в виду, что фактические значения дельты могут несколько варьироваться год от года, в зависимости от сложившихся погодных условий (например, в затяжную весну с необычно медленным таянием снежного покрова дельта может быть ниже табличной, а в сухую тёплую осень - выше табличной). В связи с этим рекомендуем синоптикам следить за фактическим значением дельты в своём регионе и его изменением ото дня ко дню.

Отметим в заключение, что отдельного исследования заслуживает поведение дельты в зимнее время в Восточной Сибири (особенно в Якутии): здесь при длительном выхолаживании воздуха и сильных морозах в условиях стационарного антициклона формируются сильные инверсии температуры воздуха (рост температуры с высотой) в пограничном слое, так что дельта становится отрицательной; иными словами, Тмакс значительно ниже чем Т850.

Самара, октябрь 2005 г.

Дополнение

При внутримассовой тёплой погоде (в южной умеренной или в тропической воздушной массе) в конце осени и начале весны в средних широтах, как правило, с Ю, ЮЗ идёт активный вынос влажного воздуха с высокой точкой росы и формирование плотной низкой слоистой облачности с туманами и моросью, вследствие чего дельта ниже нормативной для таких синусловий.
Когда после периода такой тёплой сырой погоды (с аномально низкой дельтой) проходит ХФ, он зачастую замаскирован в поле приземной Т: после прохождения фронта приземная Т не падает или даже растёт, так как за фронтом дельта резко возрастает и это возрастание превышает понижение Т850 за фронтом.
Есть и противоположное исключение: когда в среднюю полосу зимой приходит арктическая воздушная масса, она зачастую (прогреваясь снизу от сравнительно тёплой земли) имеет дельту выше нормативной.

Самара, ноябрь 2006 г.

Литература