Катастрофические наводнения, засухи, ураганы, сели, резкие изменения температуры, пыльные бури, цунами и другие катаклизмы уносят жизни людей и тормозят экономическое развитие. Погода в столь экстремальна, что каждый месяц обновляются абсолютные рекорды самых разнообразных гидрометеорологических характеристик.
Непостоянство синоптических процессов
Около ста лет назад Б. П. Мультановский анализируя сборно-кинематические карты, заметил, что положение барических полей удерживается в течение нескольких дней, а затем быстро (за 12 —36 ч) радикально трансформируется. Возникшая картина снова сохраняется несколько дней — до следующей перестройки. В пределах изучаемого им Первого естественного синоптического района (е.с.р.), от Гренландии до р.Енисея и к северу от 30°с.ш., несколько дней — это тот интервал времени, в течение которого характер эволюции не меняется, и в 1915 г. Мультановский назвал его естественным синоптическим периодом (е.с.п.). Другими словами, е.с.п. есть длительность существования однотипного атмосферного процесса в данном е.с.р. В 40-х годах XX в. стали строить высотные карты барической топографии. Обнаружилось, что картина высотного термобарического поля в тропосфере тоже сохраняется в течение е.с.п. Поле давления и температуры обусловливает перемещение барических образований у земной поверхности и сохранение географического расположения их центров в пределах е.с.р. По окончании периода термобарическое поле тропосферы быстро перестраивается, что вызывает новую локализацию центров барического поля и изменение траекторий барических образований у земной поверхности. Вид сборно-кинематической карты меняется от текущего е.с.п. к следующему за один-два дня, т. е. «скачкообразно» по сравнению с длительностью е.с.п., которая варьирует от 5 до 8 дней. Природа е.с.п. до последнего времени оставалась неизвестной.
В 80-е гг. XX в. после введения новых методов астрономических измерений в космической геодезии и астрометрии точность определения параметров вращения Земли (длительности суток, координат полюса и поправок нутации) увеличилась. На протяжении лунного месяца сменяют друг друга четыре режима вращения: Земля дважды ускоряет и дважды замедляет свое вращение. Длительность этих режимов варьирует (как и продолжительность е.с.п.) от пяти до восьми дней, но в сумме она всегда равна лунному тропическому месяцу (27.32 сут). Средняя продолжительность одного режима вращения составляет 6.8 сут. предположения на независимых материалах наблюдений. В 1999 г. в США завершились грандиозные по объему и стоимости работы по повторному анализу метеорологических наблюдений с 1948 г. Получены уникальные объективные картины полей ветра на всех стандартных изобарических поверхностях (1000 гПа, 925 гПа, 850 гПа и т.д. вплоть до 10 гПа) с шагом 6 ч. Основываясь на этих данных, Д.Салстейн (Бюро атмосферного углового момента США) вычислил шестидесятилетние временные ряды компонентов момента импульса ветров всей атмосферы с шагом 6 ч.
В течение лунного месяца отмечается два цуга суточных колебаний большой амплитуды и два цуга полусуточных колебаний малой амплитуды. Их длительность тоже меняется от 5 до 8 сут, но в среднем всегда равна 6.8 сут. Экстремумы нижней огибающей суточных и полусуточных приливов совпадают с экстремумами зональных приливов. В настоящее время есть возможность составлять прогнозы аномалий температуры воздуха по 70 станциям мира, а также в узлах сетки 5x10° по трапеции, ограниченной 40-75°с.ш. и 20-180°в.д. Оправдываемость прогнозов среднемесячных аномалий температуры в Москве за 2000 — 2006 гг. составила =75% (примерно 9 мес из 12). Ошибки возникают главным образом из-за сдвигов фазы колебаний на несколько дней. Поэтому наши сверхдолгосрочные прогнозы температуры с суточной дискретностью не могут удовлетворить потребителя, интересующегося точным временем изменения температуры, но устроят тех, для кого важно не столько время, сколько сам факт наступления такого изменения. Лучше всего оправдываются оценки для Поволжья, Центральной России и Северного Кавказа. Заметно хуже результаты по данным высокоширотных и морских станций. В целом прогнозы, по-видимому, можно считать удачными только по Первому е.с.р. Для районов, расположенных восточнее Енисея, за 2001 — 2003 гг. получены неудовлетворительные результаты.
Есть ли долгопериодная изменчивость?
Амплитуда месячных колебаний склонения Луны изменяется с периодом 18.61 года от 29 до 18° из-за регрессии узлов лунной орбиты. Перигей лунной орбиты движется с периодом 8.85 года, что вызывает вариацию квазинедельного периода колебаний приливных сил в пределах от 5 до 8 дней. Но чем больше размах колебаний гидрометеорологических параметров, тем чаще возникают экстремальные ситуации (аномальные жара или холода, засухи или наводнения, ураганные ветры, сильные грозы, град), тем больший ущерб хозяйству наносят опасные гидрометеорологические явления. Другими словами, частота возникновения экстремальных природных процессов изменяется в соответствии с разнообразными колебаниями приливных сил. Отклики в земных оболочках на лунные циклы зависят от сезона года. Вследствие этого возникают циклы изменчивости природных процессов в широком диапазоне периодов («стробоскопические» эффекты). Чтобы строго статистически доказать существование изменчивости гидрометеорологических характеристик с периодом 18.6 года, необходимы ряды высокочастотных наблюдений гидрометеорологических характеристик, охватывающие несколько десятков 18.6-летних циклов (длительностью более 300 лет). К сожалению, гидрометеорологи используют усредненные (среднемесячные и среднегодовые) данные, которые уже не содержат никакой информации о приливных колебаниях. Если бы мы, например, усреднили значения даже по суткам, мы бы получили их почти постоянные значения, не содержащие ни амплитудной, ни частотной модуляций несущей суточной частоты. С 1966 г. на метеостанциях начали вести наблюдения через каждые 3 ч. Но пока эти ряды охватывают всего два 18.6-летних цикла и не годятся для строгого статистического исследования обсуждаемой проблемы. Срочные метеоданные за более ранние годы найти практически невозможно. Статистический учет опасных природных явлений еще находится в зачаточном состоянии, и провести какой-либо удовлетворительный математический анализ их изменчивости невозможно. Поэтому мы напомним лишь экстремальные события последних лет.
На наших глазах
Максимум изменчивости лунно-солнечных приливных сил в 2005 — 2007 гг. привел ко многим экстремальным явлениям. Катастрофическое землетрясение и опустошительное цунами произошли 26 декабря 2004 г., точно в момент ежегодного зимнего и 18.6-летнего максимумов приливной силы. В 2005 г. наблюдалась чрезвычайная активность тропической атмосферы. Так, количество тропических циклонов в Атлантическом океане в 2005 г. было настолько велико, что им не хватило имен, — ведь имя каждого циклона начинается с определенной буквы латинского алфавита. Согласно климатической норме, в Атлантике в период с июня по ноябрь включительно должно образовываться девять вихрей, а их было 27. Прежний рекорд числа циклонов отмечался в 1933 г., когда тоже фиксировался максимум изменчивости приливных сил. Долгое время самым страшным погодным бедствием у себя в стране американцы считали ураган «Камилла», который в 1969 г. унес 600 жизней. В 2005 г. ураган «Катрина» стал причиной гибели уже около 1.5 тыс. человек. Ущерб от урагана составил 130 млрд долл. — «Катрина» стала самым дорогостоящим стихийным бедствием XX в. Еще три урагана четвертой категории — «Вилма», «Рита», и «Стен» — довели цифру материальных потерь в 2005 г. до 200 млрд долл. В соответствии с архивами Национальной метеорологической службы Мексики, 2005 г. по количеству ураганов, опустошающих регион, бьет рекорды 1850 г. В любом случае, за всю историю инструментальных наблюдений такого количества ураганов в Атлантике еще не было. В 2005 г. наблюдались исключительные по длительности существования блокирующие антициклоны: в феврале—апреле — в районе Исландии, а в сентябре—ноябре — над европейской частью России. Они привели к экстремальным погодным условиям в Европе. Среди уникальных явлений 2005 г. следует назвать засуху в Испании, продолжавшуюся почти 7 мес, ущерб от которой приблизился к 1 млрд евро, и аномально сухую осень в Восточной Европе и на большей части Европейской России. В отдельные дни всю умеренную зону Северного полушария занимал пояс высокого атмосферного давления. В Московском регионе осень 2005 г. оказалась самой сухой за последние 100 лет. Экстремальные гидрометеорологические явления продолжались и в 2006 г. В январе и феврале 2006 г. отмечались ультраполярные вторжения, которые привели к необычно низким температурам воздуха в странах Восточной Европы (включая европейскую часть России). На территории Южного федерального округа, в Украине и в ряде соседних стран Восточной Европы вымерзли или были повреждены виноградники, деревья персиков и другие теплолюбивые сорта плодовых деревьев, пострадали посевы озимых культур. Весна 2006 г. принесла рекордные наводнения на Эльбе и Дунае. Были превышены многие рекорды подъема уровня воды. Летом наводнения отмечались на Енисее и Амуре. В июне и июле 2006 г. по той же причине наблюдалась чрезвычайная жара во многих странах Европы. В Европейской России в эти месяцы периоды изнуряющей жары чередовалась с периодами экстремально низких температур воздуха. Так, на Европейском Севере в июне день за днем ставились рекорды тепла — в Архангельской обл. и в Коми было за 30°. Зато во второй половине июля здесь стало невыносимо холодно. В Архангельской, Костромской, Кировской и других областях даже отмечались заморозки. А теоретически считается, что арктический воздух в июле не способен докатится до Средней полосы России. В июле 2006 г. и мае 2007 г. москвичи познали все — и нестерпимую жару, и осенний холод. Погоду в Москве просто лихорадило. В конце июля — начале августа 2006 г., когда в европейской части России было необычно холодно, на северо-востоке США стояла страшная жара. Рекорд температуры для второго дня августа был зарегистрирован в среду в Нью-Йорке — +40.5°С. Прежний рекорд держался с 1955 г. и равнялся +39.3°С. Для города с морским климатом подобные условия — самый настоящий «экстрим». В Нью-Йорке впервые за всю историю из-за жары было введено чрезвычайное положение — официально объявлена «тепловая тревога». Жара стала причиной смерти уже более 130 американцев. В августе 2006 г. аномальная жара изнуряла южные районы Европейской России. Температура воздуха преодолела барьер +40°С почти во всех пунктах Ставрополья, Астраханской обл., Калмыкии и Дагестана. 8 августа в Моздоке температура воздуха достигла +43°С! В лесостепной зоне Южного округа полыхали пожары — их было в два-три раза больше, чем обычно. Горели кустарники и сухая трава. В то же время на севере Центрального района было аномально холодно. Сейчас атмосфера и гидросфера преподносят сюрпризы не только на месячных интервалах времени, но и на межгодовых. Так, в Европейской России зима 2005 — 2006 гг. была самой суровой после 1978 г., а следующая за ней зима 2006—2007 гг. оказалась самой теплой, возможно, за все историческое время. В 2005 — 2006 гг. наблюдались очень суровые ледовые условия в Азовском море, Финском заливе и северной части Черного моря. Зимой же 2006—2007 гг. было столь тепло, что в январе набухали почки, зеленели травяные газоны, в лесах росли весенние грибы, а медведи мучались от бессонницы. Зимняя погода стояла только в феврале. В Москве снежный покров существовал лишь с 24 января по 15 марта 2007 г. По продолжительности оттепелей и бесснежного периода зима 2006—2007 гг. в Средней полосе и на Северо-Западе побила все рекорды. В марте 2007 г. в Москве было установлено семь новых абсолютных рекордов температуры для семи дней.
Непостоянство синоптических процессов
Около ста лет назад Б. П. Мультановский анализируя сборно-кинематические карты, заметил, что положение барических полей удерживается в течение нескольких дней, а затем быстро (за 12 —36 ч) радикально трансформируется. Возникшая картина снова сохраняется несколько дней — до следующей перестройки. В пределах изучаемого им Первого естественного синоптического района (е.с.р.), от Гренландии до р.Енисея и к северу от 30°с.ш., несколько дней — это тот интервал времени, в течение которого характер эволюции не меняется, и в 1915 г. Мультановский назвал его естественным синоптическим периодом (е.с.п.). Другими словами, е.с.п. есть длительность существования однотипного атмосферного процесса в данном е.с.р. В 40-х годах XX в. стали строить высотные карты барической топографии. Обнаружилось, что картина высотного термобарического поля в тропосфере тоже сохраняется в течение е.с.п. Поле давления и температуры обусловливает перемещение барических образований у земной поверхности и сохранение географического расположения их центров в пределах е.с.р. По окончании периода термобарическое поле тропосферы быстро перестраивается, что вызывает новую локализацию центров барического поля и изменение траекторий барических образований у земной поверхности. Вид сборно-кинематической карты меняется от текущего е.с.п. к следующему за один-два дня, т. е. «скачкообразно» по сравнению с длительностью е.с.п., которая варьирует от 5 до 8 дней. Природа е.с.п. до последнего времени оставалась неизвестной.
Приливы во вращении Земли
В 80-е гг. XX в. после введения новых методов астрономических измерений в космической геодезии и астрометрии точность определения параметров вращения Земли (длительности суток, координат полюса и поправок нутации) увеличилась. На протяжении лунного месяца сменяют друг друга четыре режима вращения: Земля дважды ускоряет и дважды замедляет свое вращение. Длительность этих режимов варьирует (как и продолжительность е.с.п.) от пяти до восьми дней, но в сумме она всегда равна лунному тропическому месяцу (27.32 сут). Средняя продолжительность одного режима вращения составляет 6.8 сут. предположения на независимых материалах наблюдений. В 1999 г. в США завершились грандиозные по объему и стоимости работы по повторному анализу метеорологических наблюдений с 1948 г. Получены уникальные объективные картины полей ветра на всех стандартных изобарических поверхностях (1000 гПа, 925 гПа, 850 гПа и т.д. вплоть до 10 гПа) с шагом 6 ч. Основываясь на этих данных, Д.Салстейн (Бюро атмосферного углового момента США) вычислил шестидесятилетние временные ряды компонентов момента импульса ветров всей атмосферы с шагом 6 ч.
В течение лунного месяца отмечается два цуга суточных колебаний большой амплитуды и два цуга полусуточных колебаний малой амплитуды. Их длительность тоже меняется от 5 до 8 сут, но в среднем всегда равна 6.8 сут. Экстремумы нижней огибающей суточных и полусуточных приливов совпадают с экстремумами зональных приливов. В настоящее время есть возможность составлять прогнозы аномалий температуры воздуха по 70 станциям мира, а также в узлах сетки 5x10° по трапеции, ограниченной 40-75°с.ш. и 20-180°в.д. Оправдываемость прогнозов среднемесячных аномалий температуры в Москве за 2000 — 2006 гг. составила =75% (примерно 9 мес из 12). Ошибки возникают главным образом из-за сдвигов фазы колебаний на несколько дней. Поэтому наши сверхдолгосрочные прогнозы температуры с суточной дискретностью не могут удовлетворить потребителя, интересующегося точным временем изменения температуры, но устроят тех, для кого важно не столько время, сколько сам факт наступления такого изменения. Лучше всего оправдываются оценки для Поволжья, Центральной России и Северного Кавказа. Заметно хуже результаты по данным высокоширотных и морских станций. В целом прогнозы, по-видимому, можно считать удачными только по Первому е.с.р. Для районов, расположенных восточнее Енисея, за 2001 — 2003 гг. получены неудовлетворительные результаты.
Есть ли долгопериодная изменчивость?
Амплитуда месячных колебаний склонения Луны изменяется с периодом 18.61 года от 29 до 18° из-за регрессии узлов лунной орбиты. Перигей лунной орбиты движется с периодом 8.85 года, что вызывает вариацию квазинедельного периода колебаний приливных сил в пределах от 5 до 8 дней. Но чем больше размах колебаний гидрометеорологических параметров, тем чаще возникают экстремальные ситуации (аномальные жара или холода, засухи или наводнения, ураганные ветры, сильные грозы, град), тем больший ущерб хозяйству наносят опасные гидрометеорологические явления. Другими словами, частота возникновения экстремальных природных процессов изменяется в соответствии с разнообразными колебаниями приливных сил. Отклики в земных оболочках на лунные циклы зависят от сезона года. Вследствие этого возникают циклы изменчивости природных процессов в широком диапазоне периодов («стробоскопические» эффекты). Чтобы строго статистически доказать существование изменчивости гидрометеорологических характеристик с периодом 18.6 года, необходимы ряды высокочастотных наблюдений гидрометеорологических характеристик, охватывающие несколько десятков 18.6-летних циклов (длительностью более 300 лет). К сожалению, гидрометеорологи используют усредненные (среднемесячные и среднегодовые) данные, которые уже не содержат никакой информации о приливных колебаниях. Если бы мы, например, усреднили значения даже по суткам, мы бы получили их почти постоянные значения, не содержащие ни амплитудной, ни частотной модуляций несущей суточной частоты. С 1966 г. на метеостанциях начали вести наблюдения через каждые 3 ч. Но пока эти ряды охватывают всего два 18.6-летних цикла и не годятся для строгого статистического исследования обсуждаемой проблемы. Срочные метеоданные за более ранние годы найти практически невозможно. Статистический учет опасных природных явлений еще находится в зачаточном состоянии, и провести какой-либо удовлетворительный математический анализ их изменчивости невозможно. Поэтому мы напомним лишь экстремальные события последних лет.
На наших глазах
Максимум изменчивости лунно-солнечных приливных сил в 2005 — 2007 гг. привел ко многим экстремальным явлениям. Катастрофическое землетрясение и опустошительное цунами произошли 26 декабря 2004 г., точно в момент ежегодного зимнего и 18.6-летнего максимумов приливной силы. В 2005 г. наблюдалась чрезвычайная активность тропической атмосферы. Так, количество тропических циклонов в Атлантическом океане в 2005 г. было настолько велико, что им не хватило имен, — ведь имя каждого циклона начинается с определенной буквы латинского алфавита. Согласно климатической норме, в Атлантике в период с июня по ноябрь включительно должно образовываться девять вихрей, а их было 27. Прежний рекорд числа циклонов отмечался в 1933 г., когда тоже фиксировался максимум изменчивости приливных сил. Долгое время самым страшным погодным бедствием у себя в стране американцы считали ураган «Камилла», который в 1969 г. унес 600 жизней. В 2005 г. ураган «Катрина» стал причиной гибели уже около 1.5 тыс. человек. Ущерб от урагана составил 130 млрд долл. — «Катрина» стала самым дорогостоящим стихийным бедствием XX в. Еще три урагана четвертой категории — «Вилма», «Рита», и «Стен» — довели цифру материальных потерь в 2005 г. до 200 млрд долл. В соответствии с архивами Национальной метеорологической службы Мексики, 2005 г. по количеству ураганов, опустошающих регион, бьет рекорды 1850 г. В любом случае, за всю историю инструментальных наблюдений такого количества ураганов в Атлантике еще не было. В 2005 г. наблюдались исключительные по длительности существования блокирующие антициклоны: в феврале—апреле — в районе Исландии, а в сентябре—ноябре — над европейской частью России. Они привели к экстремальным погодным условиям в Европе. Среди уникальных явлений 2005 г. следует назвать засуху в Испании, продолжавшуюся почти 7 мес, ущерб от которой приблизился к 1 млрд евро, и аномально сухую осень в Восточной Европе и на большей части Европейской России. В отдельные дни всю умеренную зону Северного полушария занимал пояс высокого атмосферного давления. В Московском регионе осень 2005 г. оказалась самой сухой за последние 100 лет. Экстремальные гидрометеорологические явления продолжались и в 2006 г. В январе и феврале 2006 г. отмечались ультраполярные вторжения, которые привели к необычно низким температурам воздуха в странах Восточной Европы (включая европейскую часть России). На территории Южного федерального округа, в Украине и в ряде соседних стран Восточной Европы вымерзли или были повреждены виноградники, деревья персиков и другие теплолюбивые сорта плодовых деревьев, пострадали посевы озимых культур. Весна 2006 г. принесла рекордные наводнения на Эльбе и Дунае. Были превышены многие рекорды подъема уровня воды. Летом наводнения отмечались на Енисее и Амуре. В июне и июле 2006 г. по той же причине наблюдалась чрезвычайная жара во многих странах Европы. В Европейской России в эти месяцы периоды изнуряющей жары чередовалась с периодами экстремально низких температур воздуха. Так, на Европейском Севере в июне день за днем ставились рекорды тепла — в Архангельской обл. и в Коми было за 30°. Зато во второй половине июля здесь стало невыносимо холодно. В Архангельской, Костромской, Кировской и других областях даже отмечались заморозки. А теоретически считается, что арктический воздух в июле не способен докатится до Средней полосы России. В июле 2006 г. и мае 2007 г. москвичи познали все — и нестерпимую жару, и осенний холод. Погоду в Москве просто лихорадило. В конце июля — начале августа 2006 г., когда в европейской части России было необычно холодно, на северо-востоке США стояла страшная жара. Рекорд температуры для второго дня августа был зарегистрирован в среду в Нью-Йорке — +40.5°С. Прежний рекорд держался с 1955 г. и равнялся +39.3°С. Для города с морским климатом подобные условия — самый настоящий «экстрим». В Нью-Йорке впервые за всю историю из-за жары было введено чрезвычайное положение — официально объявлена «тепловая тревога». Жара стала причиной смерти уже более 130 американцев. В августе 2006 г. аномальная жара изнуряла южные районы Европейской России. Температура воздуха преодолела барьер +40°С почти во всех пунктах Ставрополья, Астраханской обл., Калмыкии и Дагестана. 8 августа в Моздоке температура воздуха достигла +43°С! В лесостепной зоне Южного округа полыхали пожары — их было в два-три раза больше, чем обычно. Горели кустарники и сухая трава. В то же время на севере Центрального района было аномально холодно. Сейчас атмосфера и гидросфера преподносят сюрпризы не только на месячных интервалах времени, но и на межгодовых. Так, в Европейской России зима 2005 — 2006 гг. была самой суровой после 1978 г., а следующая за ней зима 2006—2007 гг. оказалась самой теплой, возможно, за все историческое время. В 2005 — 2006 гг. наблюдались очень суровые ледовые условия в Азовском море, Финском заливе и северной части Черного моря. Зимой же 2006—2007 гг. было столь тепло, что в январе набухали почки, зеленели травяные газоны, в лесах росли весенние грибы, а медведи мучались от бессонницы. Зимняя погода стояла только в феврале. В Москве снежный покров существовал лишь с 24 января по 15 марта 2007 г. По продолжительности оттепелей и бесснежного периода зима 2006—2007 гг. в Средней полосе и на Северо-Западе побила все рекорды. В марте 2007 г. в Москве было установлено семь новых абсолютных рекордов температуры для семи дней.
