CC BY
48
Вопросы экологии
Н.И. Павлов,
доктор географических наук, профессор кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности ДВГТУ, академик МАНЭБД; С.В. Замышляев, зав. кафедрой агроэкологии ПГСХА;
В.М. Зуев, аспирант ДВГТУ
О ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ КАТАСТРОФ АТМОСФЕРНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
Приводятся сведения о становлении и развитии системы долгосрочных прогнозов погоды в России, в том числе на Дальнем Востоке. Рассматривается связь долгосрочных прогнозов погоды с прогнозированием таких экологических катастроф, как атмосферные засухи, лесные пожары, наводнения.
Стихийными бедствиями на планете ежегодно уносится 1-3 млн человеческих жизней. В связи с этим требуются совместные усилия всех стран по сбору информации о стихийных бедствиях, причинах их возникновения, а также способах ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, снижения человеческих потерь и материального ущерба. 90-е годы прошлого столетия были объявлены Международным десятилетием по уменьшению опасностей стихийных бедствий. Предупреждения о возможных стихийных бедствиях всегда остаются приоритетной задачей гидрометеорологических, сейсмических и других служб.
Роль долгосрочных прогнозов погоды в прогнозировании экологических катастроф трудно переоценить. На базе долгосрочных прогнозов погоды составляются прогнозы экологических катастроф, которые представляют собой необратимый процесс в биосфере, проявляющийся в возникновении природной аномалии.
Широкие исследования с целью создания метода долгосрочных прогнозов погоды были начаты в России в 1909 г. в соответствии с решением 2-го метеорологического съезда.
Большая роль в развитии и становлении метода долгосрочных прогнозов погоды в России и на Дальнем Востоке принадлежит видному отечественному ученому С.Д. Грибоедову (в 2001 г. исполнилось 130 лет со дня его рождения). С.Д. Грибоедов начал работать в ГФО в 1894 г.
С 1901 по 1913 г. он заведовал отделением ежедневного бюллетеня. Под его руководством в обсерватории работали синоптиками А.П. Лоидис, И.И. Семенов-Тян-Шанский, Б.П. Мультановский, В.О. Аскинази, видный французский синоптик В.К. Миронович.
С самого начала своей деятельности Сергей Дмитриевич стремился разработать надежный долгосрочный прогноз для сельского хозяйства. Опираясь на разработанные им (но не опубликованные) положения синоптического метода долгосрочного прогноза погоды, он опубликовал долгосрочный прогноз на лето 1910 г., а затем на весну 1912 г. К сожалению, оба прогноза не оправдались, что вызвало недовольство в административных и научных кругах. Комиссия Академии наук, назначенная по предложению председателя Совета Министров, отрицательно оценила инициативу С.Д. Грибоедова, признав его долгосрочные прогнозы не имеющими научных оснований. После этого директор ГФО Б.Б. Голицин не имел возможности оставить С.Д. Грибоедова во главе российской службы погоды.
В 1913 г. С. Д. Грибоедову было предложено организовать и возглавить во Владивостоке новую обсерваторию. Сергей Дмитриевич взялся за это дело со всей присущей ему энергией, энтузиазмом и добросовестностью.
В 1917 г. он опубликовал результаты интересных исследований режима земного азиатского антициклона, показав динамизм этого сезонного центра действия атмосферы и его периодическое пополнение холодными полярными вторжениями воздушных масс. Только через 10 лет известные российские ученые А.И. Аскназий и С.И. Небольсин очень высоко оценили эту работу, которая не утратила своего значения до настоящего времени и широко используется при изучении центров действия атмосферы Северного полушария.
Интервенция Японии на Дальнем Востоке оборвала научную деятельность С.Д. Грибоедова. Он уехал в Китай, и больше о нем ничего не было известно.
В 1913 г. работы по созданию метода долгосрочного прогноза погоды возглавил Б.П. Мультановский, под руководством которого в ГФО трудился большой коллектив исследователей.
В 1915 г. в работе «Влияние центров действия атмосферы на погоду Европейской России в теплое время года» Б.П. Мультановский наметил ряд положений, которые легли в основу разработки метода долгосрочных прогнозов погоды для всех сезонов и на всей территории России, включая Дальний Восток.
Начиная с зимы 1921/22 г. регулярно выпускались прогнозы на естественный синоптический сезон и естественный синоптический период. В 1927 г. за работы в области новых методов долгосрочного предсказания погоды Б.П. Мультановскому была присуждена медаль Всесоюзного географического общества. Его монография «Основные положения синоптического метода долгосрочных прогнозов погоды», изданная в 1933 г., стала настольной книгой синоптиков-«долгосрочников».
Начальный период работ в области долгосрочных прогнозов характеризовался интенсивными поисковыми исследованиями, в которых уча-
ствовали Б.П. Мультановский и его последователи Э.С. Лир, М.В. Ло-вейко, Г.Я. Вангенгейм, С.Т. Пагава, Н.А. Ширкина, А.А. Рождественский, Э.А. Исаев, Т.А. Дулетова, Е.К. Аннинская. Результаты этих исследований были включены в книгу, изданную в 1940 г., «Основы синоптического метода долгосрочных прогнозов погоды» (Т.А. Дулетова, С.Т. Пагава, А.А. Рождественский, Н.А. Ширкина). В ней были обобщены все достижения в области теории и практики долгосрочного прогнозирования погоды на тот период. Изложенные в указанной монограмме методы долгосрочного прогноза погоды сыграли большую роль при составлении прогнозов в период Великой Отечественной войны (1941-1945 гг.). Так был завершен первый этап в развитии данного направления.
Второй этап развития методов сезонных прогнозов погоды начался в послевоенный период и характеризовался созданием более надежных оперативных приемов их составления. В этом большая заслуга принадлежит С.Т. Пагаве, который после Б.П. Мультановского (в 1938 г.) возглавил данное направление исследований. В это время произошло улучшение качества прогнозов вследствие благоприятных объективных условий: начали применять карты барической топографии, метеоинформация стала поступать со всего Северного полушария, расширился фронт исследований, в которые включились новые специалисты-метеорологи.
Метод сезонных прогнозов погоды, созданный С.Т. Пагавой и его последователями в конце 40-х гг. ХХ в. и затем несколько усовершенствованный, базировался главным образом на учете особенностей циркуляции атмосферы. Было выявлено шесть естественных синоптических сезонов (ЕСС), каждый из которых характеризуется определенными преобладающими типами макропроцессов, причем в ЕСС однотипных процессов наблюдается до 75% и более. Однако встречаются и нетипичные процессы - «нарушения», первые из которых принимаются в качестве предвестников на последующие ЕСС. В результате появилась возможность составлять по предвестникам с заблаговременностью 1-3 месяца прогнозы сезонной аномалии температуры воздуха и количества осадков, а также определять преобладающий тип синоптических процессов в наступающих сезонах и строить расчетные поля геопотенциала поверхности 500 Мб.
В развитии синоптических исследований на Дальнем Востоке большая роль принадлежит первому синоптику России Э.В. Майделю, который по сути был первым начальником бюро погоды в России.
Эдуард Вольдемарович Майдель родился 26 октября 1842 г. Учился в офицерских классах Морского кадетского корпуса, окончил Академический корпус морских наук, который в 1877 г. был переименован в Военно-морскую академию.
В 1872 г. лейтенант Майдель вместе с писарем и литографом представлял собою весь центр службы погоды в Санкт-Петербурге. В 1872 г. Майделю начал помогать молодой ученик В.П. Кеплен, который впоследствии стал знаменитым климатологом.
Э.В. Майдель внес большой вклад в изучение траекторий движения циклонов, в том числе морских штормовых циклонов. В 1874 г. он в качестве специалиста-гидрографа был назначен в Сибирский флотский
экипаж и провел большие гидрографические работы в Амурском заливе, у берегов Японского моря и Татарского пролива.
Первые синоптики ГФО Э.В. Майдель, лейтенант И.Б. Шпиндлер (впоследствии генерал-лейтенант флота) и мичман Ю.М. Шокальский (впоследствии известный научный океанограф и академик) были военными моряками, прикомандированными к ГФО. Таким образом, морское ведомство сыграло важную роль в становлении службы погоды в России.
В 1893 г. Э.В. Майдель был назначен начальником отдельной съемки Восточного океана. Он изучал причины возникновения туманов в Японском море, ветры и штормы Индийского океана, тайфуны Китайского и Японского морей, течение Куросио, пассатные ветры, связь солнечных пятен с метеорологическими явлениями на земном шаре. В январе 1898 г. в чине генерал-майора Э.В. Майдель был переведен на Балтийский флот, а в ноябре 1898 г. в возрасте 56 лет уволен по болезни в отставку. Скончался Эдуард Владимирович Майдель в 1919 г. Работы Э.В. Майделя высоко оценил С.О. Макаров, использовавший их в своем труде «"Витязь" и Тихий океан».
Развитию синоптических исследований на Дальнем Востоке немало способствовали исследования С.П. Хромова. В 1934 г., находясь в длительной командировке на Дальнем Востоке, он занимался вопросами синоптических исследований в Восточной Азии. Им была опубликована интересная работа по трансформации тайфунов, выходящих на Дальний Восток. С.П. Хромов оказал большую помощь в публикации в 1935 г. работы Н.В. Стремоусова «К вопросу о синоптических процессах в восточной части Азиатского материка и прилегающих морей».
В 1934 г. в возрасте 30 лет С.П. Хромов опубликовал фундаментальный труд «Введение в синоптический анализ», который служит руководством для многих поколений синоптиков. В 1940 г. вышла в свет его монография «Синоптическая метеорология», в которой имеется специальная глава «Проблема долгосрочных прогнозов погоды». Эту монографию С.П. Хромов успешно защитил в 1941 г. в качестве диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук.
В 1942-1945 гг. С.П. Хромов находился в рядах действующей армии в качестве представителя Метеослужбы Советской Армии. В 1946 г. был демобилизован в звании инженер-полковника.
Большой вклад в решение проблемы долгосрочных прогнозов погоды на Дальнем Востоке внесла А.И. Штабова, которая впервые выделила 4 типа устойчивых синоптических процессов в Северо-Восточной Азии. Она установила для восточной части России в холодное полугодие 10 осей антициклонов, разделив их на 2 группы. Хотя эти работы еще не были опубликованы, С. П. Хромов использовал их при написании своей монографии «Синоптическая метеорология».
А.И. Штабова успешно занималась исследованием естественных синоптических периодов на территории Сибири и Дальнего Востока (1943 г.) и изучением реперных ультраполярных процессов на пространстве Восточной Сибири и Дальнего Востока (1957 г.).
Ритмическая деятельность атмосферы впервые была исследована Б.П. Мультановским. Он установил трех- и пятимесячную ритмичность
типов атмосферной циркуляции. Ультраполярное воздействие он рассматривал как реперный процесс. В дальнейшем ритмические процессы в атмосфере исследовали С.Т. Пагава, Л.И. Беюмина, М.Х. Байдая, Л.А. Вительс, Т.А. Дулетова, Л.Н. Комиссарова, А.Т. Борисова, Е.Н. Борисова, В.Ф. Максимова, З.Л. Туркетти, Б.Р. Урьева, О.Н. Хазова, Б.Г. Хесина, В.Г. Шишков, Н.И. Зверев, К.А. Васьков, Д.А. Педь и др. На Дальнем Востоке ритмическая деятельность атмосферы исследовалась А.И. Шта-бовой, М.В. Тростниковым, Г.В. Свинуховым и др.
Становлению и развитию синоптического метода долгосрочных прогнозов погоды на Дальнем Востоке во многом способствовали О.К. Ильинский, Е.А. Аксарина, А.И. Новская, В.Л. Архангельский, А.П. Ба-рабашкина, К.А. Быковская, М.В. Тростников, Е.А. Высоцкая, В.Ф. Воронина, В.С. Калачикова, А.А. Календов, Р.Э. Свинухова, Л.Ф. Нощенко, А.М. Глыбовец, Л.И. Кузьмищева, Н.В. Петренко, Н.В. Николаева, Р.Я. Жежко, Л.Р. Сонькин, А.И. Соркина, О.Г. Сорочан, Н.И. Сергеев, Р.Н. Ушакова, Т.И. Журавлева, Т.И. Воробьева, В.В. Крохин, Т.В. Смолян-кина и др.
В развитии статистических методов долгосрочного прогноза погоды на Дальнем Востоке следует отметить большую роль доктора географических наук, академика Международной академии наук экологии безопасности жизнедеятельности, профессора кафедры биоэкологии Дальневосточного рыбохозяйственного университета Геннадия Владимировича Свинухова. Являясь представителем школы Б.П. Мультанов-ского - С.Т. Пагавы, он впервые установил новый реперный процесс, которым является выход тайфуна на районы Дальнего Востока. Это позволило значительно улучшить оправдываемость долгосрочных прогнозов погоды на Дальнем Востоке. Г.В. Свинуховым при разработке статистических методов долгосрочных прогнозов успешно использовались идеи о центрах действия атмосферы и влияния на погоду на Дальнем Востоке.
В 1943 г. в России впервые в мире была создана гидродинамическая теория долгосрочного прогноза погоды. Ее автор Е.Н. Блинова опиралась на теорию общей циркуляции атмосферы, которую развивали А.Ф. Фридман (автор теории нестационарной Вселенной), Н.Е. Кочин, Л.Н. Келлер. В 1946 г. Е.Н. Блинова создала гидродинамическую теорию климата, которая количественно объясняла реально наблюдаемое распределение температуры и давления воздуха в атмосфере, включая квазистационарные центры действия атмосферы. Ею также разработана гидродинамическая модель долгосрочного прогноза метеорологических элементов с большой и малой заблаговременностью с учетом взаимодействия атмосферных процессов Северного и Южного полушарий.
Для решения задачи гидродинамического долгосрочного прогноза погоды используются уравнения движения [1, 2, 4], которые математически выражают закон Ньютона, связывающий ускорение частиц воздуха с действующими силами (сила тяжести, давление и др.), а также уравнение неразрывности, математически выражающее закон сохранения массы; уравнение переноса влаги, описывающее влагооборот в атмосфере (в частности, образование осадков); уравнение состояния, связывающее температуру, давление и плотность воздуха; и, наконец, уравнение притока
энергии как формулировка первого закона термодинамики, устанавливающего, что приток энергии к воздушному объему расходуется отчасти на повышение температуры каждой частицы, отчасти на работу, производимую давлением при уменьшении или увеличении объема воздуха. Источниками притока энергии являются коротковолновая радиация Солнца, длинноволновая радиация Земли и самой атмосферы. В уравнении притока энергии должна быть учтена теплопроводность атмосферы. Мы имеем в виду не обычную, лабораторную, теплопроводность воздуха - она весьма мала, - а так называемую турбулентную теплопроводность, связанную с перемешиванием частиц воздуха. Необходимо также привлекать к рассмотрению скрытую теплоту конденсации при наличии облаков.
Перечисленные выше уравнения гидромеханики представляют собой систему дифференциальных уравнений в частных производных; она записывается для атмосферы, окружающей сферическую вращающуюся Землю.
Проблема прогноза погоды будет сводиться к решению этой системы уравнений при известных начальных данных метеорологических величин. Однако при решении этой задачи придется всегда учитывать тот факт, что воздух движется над земной поверхностью. Снежные шапки у полюсов, материки, покрытые пустынями, лесами, горами, океаны оказывают постоянное воздействие на проносящиеся над ними массы воздуха. Таким образом, задача должна решаться не только с начальными данными, но и с краевыми условиями [3-6].
Какие же краевые условия следует принимать во внимание в долгосрочном прогнозе погоды? Наряду с чисто кинематическим условием обтекания рельефа мы должны принять условие теплового баланса, связывающее потоки тепла, идущие от атмосферы к почве (или от почвы к атмосфере) и от атмосферы к океану (или от океана к атмосфере), потоки тепла, возникающие за счет испарения, и радиационные потоки.
Условие теплового баланса содержит неизвестные, подлежащие определению (температуры воздуха у земной поверхности, количественные характеристики тепловых свойств суши) и такие параметры, как коэффициенты турбулентной теплопроводности в океанах и атмосфере. Условие теплового баланса описывает процесс таким образом, что в результате прогноза получаются малые изменения во времени температур на поверхности океана, при этом важен правильный выбор коэффициента турбулентной теплопроводности в океане (этот коэффициент на два порядка больше коэффициента теплопроводности суши).
Физические процессы формирования климата очень сложны. Только решая полную систему уравнений гидромеханики, можно надеяться получить данные о климатической системе теоретическим путем. Считая известными солнечную постоянную, распределение материков и океанов, химический состав атмосферы, некоторые физические параметры атмосферы и подстилающей поверхности Земли, можно получить (осреднив решения системы уравнений гидромеханики) характерные черты климата Земли. Решение уравнений гидромеханики позволило рассчитать положение и интенсивность основных центров действия атмосферы в Север-
ном полушарии (исландский и алеутский минимумы, сибирский максимум). Это показывает, что погодообразующие, а также климатообразую-щие факторы могут быть учтены гидродинамической теорией. Центры действия атмосферы объясняются гидродинамической теорией как результат осреднения метеорологических полей, в которых циклонические и антициклонические образования совершают вынужденные нелинейные колебания в поле температур, обусловленных различием тепловых свойств материка и океана.
Гидродинамическая теория описывает процесс образования блокирующих антициклонов как собственные нелинейные колебания в атмосфере. С помощью этой теории можно предсказать ход процесса блокирования западных ветров, выявить его ритмичность. Гидродинамическая теория позволяет предсказывать возникновение и эволюцию новых циклонов, которых не было в начальный момент времени.
С блокированием атмосферной циркуляции в средних слоях тропосферы связано возникновение атмосферных засух и лесных пожаров в области блокирующих антициклонов. Блокирование атмосферной циркуляции на Дальнем Востоке в летний период тесно связано с выходом тайфунов на Приморский край, Сахалин и возникновением катастрофических наводнений.
При разработке гидродинамического долгосрочного прогноза погоды необходимо учитывать [1-6]:
• начальные данные (адаптация метеорологических полей, объективный четырехмерный анализ, точность измерений и т.д.);
• краевые условия (описание коэффициентов турбулентности в условии теплового баланса и напряжений трения и др.).
• крупномасштабные атмосферные нелинейные колебания - вынужденные и собственные (блокирование зональной циркуляции атмосферы, прогнозов зональной циркуляции в тропосфере и стратосфере, миграция циклонов и антициклонов в районах центров действия атмосферы, перемещение тропических циклонов и т.д.).
• влагооборот, облачность и осадки (учет конвективной облачности, выбор схем выпадения осадков, поиск более точных краевых условий для влажности и др.).
• удлинение сроков гидродинамического долгосрочного прогноза погоды путем учета глобальности атмосферных процессов с включением тропической зоны (наличие зоны конвергенции при прогнозе с переходом через экватор, исследование особенностей образования облаков в экваториальной зоне, включение в рассмотрение муссонной циркуляции и др.).
• удлинение сроков гидродинамического долгосрочного прогноза погоды путем исследования взаимодействия атмосферы и океана и за счет включения в рассмотрение морских течений (одновременный прогноз атмосферной циркуляции и глубинных и поверхностных движений в океане, параметризация поверхностных течений и температур поверхности океана и др.).
На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
1. История развития и становления долгосрочных прогнозов погоды в России и на Дальнем Востоке показывает, что наиболее перспективным является гидродинамический прогноз погоды.
2. Долгосрочный прогноз погоды имеет хорошую гидродинамическую и физическую основы, в связи с чем может эффективно использоваться для долгосрочного прогноза экологических катастроф.
3. Совершенствование методов долгосрочного прогноза погоды позволит решить задачу безопасности населения и народно-хозяйственных объектов в условиях возникновения экологических катастроф на российском Дальнем Востоке. Это позволит избежать человеческих жертв и крупных материальных и финансовых затрат.
Литература
1. Блинова Е.Н. О гидродинамическом долгосрочном прогнозе погоды // Метеорология и гидрология. 1974. №11. С. 3-10.
2. Блинова Е.Н. Развитие гидродинамической теории долгосрочного прогноза погоды // Пятьдесят лет центру гидрометеорологических прогнозов. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. С. 61-66.
3. Монин А. С. О физическом механизме долгосрочных изменений погоды // Метеорология и гидрология. 1963. №8. С. 43-46.
4. Монин А.С. Прогноз погоды как задача физики. М.: Наука, 1969. 183 с.
5. Мусаелян Ш.А. О природе некоторых сверхдлительных атмосферных процессов. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 142 с.
6. Мусаелян Ш.А. Проблема предсказуемости атмосферы и некоторый вопрос гидродинамической теории долгосрочного прогноза погоды // Метеорология и гидрология. 1983. №7. С. 5-16.
© Павлов Н.И., Замышляев С.В., Зуев В.М., 2004 г.
