Осадки - Precipitation

Среднее многолетнее количество осадков по месяцам
Страны по среднегодовому количеству осадков

В метеорологии , осадки являются любым продуктом конденсации атмосферного водяного пара , который попадет под гравитационным притяжением от облаков. Основные формы осадков включают моросящий дождь , дождь , мокрый снег , снег , ледяную крупу , крупу и град . Осадки происходят, когда часть атмосферы насыщается водяным паром (достигая 100% относительной влажности ), так что вода конденсируется и «выпадает в осадок» или падает. Таким образом, туман и туман - это не осадки, а коллоиды , потому что водяной пар не конденсируется в достаточной степени для осаждения. Два процесса, возможно, действующих вместе, могут привести к насыщению воздуха: охлаждение воздуха или добавление водяного пара в воздух. Осадки образуются, когда более мелкие капли сливаются в результате столкновения с другими каплями дождя или кристаллами льда в облаке. Кратковременные интенсивные периоды дождя в отдельных местах называются ливнями .

Влага, которая поднимается или иным образом вынуждена подниматься над слоем ниже замерзшего воздуха на поверхности, может конденсироваться в облака и дождь. Этот процесс обычно активен, когда идет ледяной дождь. Стационарный фронт часто присутствует вблизи площади ледяного дождя и служит упором для воздействия и растет воздух. При наличии необходимого и достаточного содержания влаги в атмосфере влага в поднимающемся воздухе будет конденсироваться в облака, а именно в слоисто- дождевые облака и кучево-дождевые облака, если выпадет значительное количество осадков. В конце концов, облачные капли станут достаточно большими, чтобы образовать капли дождя, и спустятся к Земле, где они замерзнут при контакте с открытыми объектами. Там, где присутствуют относительно теплые водоемы, например, из-за испарения воды из озер, озерный снегопад становится проблемой с подветренной стороны от теплых озер в рамках холодного циклонического потока вокруг задней стороны внетропических циклонов . Снегопад с эффектом озера может быть локально обильным. Грозовой снег возможен в пределах запятой циклона и в пределах полос осадков, вызванных эффектом озера. В горных районах возможны обильные осадки там, где восходящий поток максимален в наветренных сторонах местности на высоте. На подветренной стороне гор может существовать пустынный климат из-за сухого воздуха, вызванного компрессионным нагревом. Большинство осадков выпадает в тропиках и вызвано конвекцией . Движение муссонного желоба или межтропической зоны конвергенции приносит в регионы саванн сезоны дождей .

Осадки являются основным компонентом круговорота воды и ответственны за отложение пресной воды на планете. Примерно 505 000 кубических километров (121 000 кубических миль) воды выпадает в виде осадков каждый год: 398 000 кубических километров (95 000 кубических миль) над океанами и 107 000 кубических километров (26 000 кубических миль) над сушей. Учитывая площадь поверхности Земли, это означает, что глобальное среднее годовое количество осадков составляет 990 миллиметров (39 дюймов), а над сушей - всего 715 миллиметров (28,1 дюйма). Системы классификации климата, такие как система классификации климата Кеппена , используют среднегодовое количество осадков, чтобы помочь различать различные климатические режимы. Глобальное потепление уже вызывает изменения погоды, увеличивая количество осадков в некоторых регионах и уменьшая их в других, что приводит к дополнительным экстремальным погодным условиям .

Осадки могут происходить и на других небесных телах. На самом большом спутнике Сатурна , Титане , выпадают осадки метана в виде медленно падающей мороси , которая наблюдалась как лужи дождя на его экваторе и в полярных регионах.

Типы

Гроза с сильными осадками

Осадки являются основным компонентом круговорота воды и ответственны за осаждение большей части пресной воды на планете. Приблизительно 505 000 км 3 (121 000 миль 3 ) воды выпадает в виде осадков каждый год, из них 398 000 км 3 (95 000 куб. Миль) - над океанами. Учитывая площадь поверхности Земли, это означает, что глобальное среднее годовое количество осадков составляет 990 миллиметров (39 дюймов).

Механизмы образования осадков включают конвективные, стратиформные и орографические осадки. Конвективные процессы включают сильные вертикальные движения, которые могут вызвать опрокидывание атмосферы в этом месте в течение часа и вызвать сильные осадки, в то время как стратиформные процессы включают более слабые восходящие движения и менее интенсивные осадки. Осадки можно разделить на три категории в зависимости от того, выпадает ли она в виде жидкой воды, жидкой воды, замерзающей при контакте с поверхностью, или льда. Смеси осадков разных типов, в том числе разных категорий, могут выпадать одновременно. Жидкие формы осадков включают дождь и изморось. Дождь или морось, которые замерзают при контакте с субзамерзающей воздушной массой , называют « ледяным дождем» или «ледяной моросью». Замороженные формы осадков включают снег, ледяные иглы , ледяную крупу , град и крупу .

Измерение

Жидкие осадки
Количество осадков ( в том числе изморось и дождь), как правило , измеряют с помощью дождемера и выражается в единицах в миллиметрах (мм) высоты или глубины . Эквивалентно, это может быть выражено как определенное количество воды на площадь сбора в литрах на квадратный метр (л / м 2 ); поскольку 1L = 1 дм 3 = 1 мм · м 2 , единицы площади (м 2 ) сокращаются , в результате получается просто «мм». Это также эквивалентно кг / м 2 , если предположить, что 1 литр воды имеет массу 1  кг ( плотность воды ), что приемлемо для большинства практических целей. Соответствующая английская единица измерения обычно - дюймы . В Австралии до введения метрики количество осадков измерялось в «точках», которые определялись как сотые доли дюйма.
Твердые осадки
Снегомер обычно используется для измерения количества твердых осадков. Снегопад обычно измеряют в сантиметрах, позволяя снегу упасть в контейнер, а затем измеряют высоту. Затем снег может быть растоплен для измерения водного эквивалента в миллиметрах, как для жидких осадков. Соотношение между высотой снега и водным эквивалентом зависит от влажности снега; водный эквивалент, таким образом, может дать лишь приблизительную оценку высоты снежного покрова. Другие формы твердых осадков, такие как снежная крупа и град или даже мокрый снег (смесь дождя и снега), также можно растопить и измерить в водном эквиваленте, обычно выражаемом в миллиметрах, как для жидких осадков.

Как воздух становится насыщенным

Охлаждение воздуха до точки росы

Поздний летний ливень в Дании
Линзовидное облако образуется из-за гор над Вайомингом

Точка росы - это температура, до которой воздушный поток должен быть охлажден, чтобы стать насыщенным и (если не происходит перенасыщение) конденсируется с образованием воды. Водяной пар обычно начинает конденсироваться на ядрах конденсации, таких как пыль, лед и соль, с образованием облаков. Концентрация ядер конденсации облака будет определять микрофизику облака. Возвышенная часть фронтальной зоны вызывает широкие области подъема, которые образуют облачные слои, такие как альтослоистые или перисто-слоистые . Stratus - это стабильная облачная платформа, которая имеет тенденцию образовываться, когда холодная стабильная воздушная масса оказывается в ловушке под теплой воздушной массой. Он также может образовываться из-за исчезновения адвективного тумана в ветреную погоду.

Существует четыре основных механизма охлаждения воздуха до точки росы: адиабатическое охлаждение, кондуктивное охлаждение, радиационное охлаждение и испарительное охлаждение. Адиабатическое охлаждение происходит, когда воздух поднимается и расширяется. Воздух может подниматься из-за конвекции , крупномасштабных атмосферных движений или физического препятствия, такого как гора ( орографический подъемник ). Кондуктивное охлаждение происходит, когда воздух соприкасается с более холодной поверхностью, как правило, при переносе с одной поверхности на другую, например, с поверхности жидкой воды на более холодную землю. Радиационное охлаждение происходит из-за испускания инфракрасного излучения воздухом или находящейся под ним поверхностью. Испарительное охлаждение происходит, когда влага добавляется к воздуху в результате испарения, что заставляет температуру воздуха понижаться до температуры по влажному термометру или до насыщения.

Добавление влаги в воздух

Основные способы добавления водяного пара в воздух: конвергенция ветра в области восходящего движения, осадки или вирги, падающие сверху, нагревание в дневное время, испарение воды с поверхности океанов, водоемов или влажной земли, испарение с растений, прохладное или сухое воздух движется над более теплой водой и поднимает воздух над горами.

Формы осадков

Конденсация и коалесценция - важные части круговорота воды .

Капли дождя

Лужа под дождем

Коалесценция происходит, когда капли воды сливаются, образуя более крупные капли воды, или когда капли воды замерзают на кристалле льда, что известно как процесс Бержерона . Скорость падения очень мелких капель незначительна, поэтому облака не падают с неба; осаждение будет происходить только тогда, когда они сливаются в более крупные капли. капли разного размера будут иметь разную конечную скорость, что приведет к столкновению капель и образованию более крупных капель. Турбулентность усилит процесс столкновения. По мере того, как эти более крупные капли воды опускаются, слияние продолжается, так что капли становятся достаточно тяжелыми, чтобы преодолевать сопротивление воздуха и выпадать в виде дождя.

Капли дождя имеют размер от 5,1 миллиметра (0,20 дюйма) до 20 миллиметров (0,79 дюйма) среднего диаметра, при превышении которого они имеют тенденцию рассыпаться. Более мелкие капли называются облачными каплями и имеют сферическую форму. По мере того, как капля дождя увеличивается в размере, ее форма становится более сжатой , а ее наибольшее поперечное сечение обращено к набегающему воздушному потоку. В отличие от мультяшных картинок капель дождя, их форма не похожа на слезу. Интенсивность и продолжительность дождя обычно обратно пропорциональны, т. Е. Штормы высокой интенсивности, вероятно, будут непродолжительными, а штормы низкой интенсивности могут иметь большую продолжительность. Капли дождя, связанные с тающим градом, обычно больше, чем другие капли дождя. Код METAR для дождя - RA, а код для ливневых дождей - SHRA.

Ледяная крупа

Скопление ледяной крупы

Ледяная крупа или мокрый снег - это форма осадков, состоящая из маленьких полупрозрачных шариков льда. Гранулы льда обычно (но не всегда) меньше градин. Они часто подпрыгивают при ударе о землю и обычно не превращаются в твердую массу, если их не смешать с ледяным дождем . Код по METAR для ледяной крупы - PL .

Гранулы льда образуются, когда существует слой воздуха выше точки замерзания с воздухом ниже точки замерзания как сверху, так и снизу. Это приводит к частичному или полному таянию любых снежинок, выпадающих из теплого слоя. Когда они снова падают в слой ниже замерзшего, ближе к поверхности, они снова замерзают в ледяные шарики. Однако, если слой под замерзшим слоем слишком мал, осадки не успеют снова замерзнуть, и на поверхности будет образовываться ледяной дождь. Температурный профиль, показывающий теплый слой над землей, скорее всего, будет обнаружен перед теплым фронтом в холодное время года, но иногда может быть обнаружен за проходящим холодным фронтом .

Град

Крупный град диаметром около 6 сантиметров (2,4 дюйма).

Как и другие осадки, град образуется в грозовых облаках, когда капли переохлажденной воды замерзают при контакте с ядрами конденсации , такими как пыль или грязь. Восходящий поток шторма уносит град в верхнюю часть облака. Восходящий поток рассеивается, и градины падают обратно в восходящий поток и снова поднимаются. Град имеет диаметр 5 миллиметров (0,20 дюйма) или больше. В коде METAR GR используется для обозначения более крупного града диаметром не менее 6,4 мм (0,25 дюйма). GR происходит от французского слова grêle. Град меньшего размера, а также снежная крупа используют кодировку GS, которая является сокращением от французского слова grésil. Камни размером чуть больше, чем мяч для гольфа, являются одним из наиболее часто встречающихся размеров града. Град может вырасти до 15 сантиметров (6 дюймов) и весить более 500 граммов (1 фунт). В случае крупных градин скрытое тепло, выделяемое при дальнейшем замерзании, может расплавить внешнюю оболочку градин. Град затем может подвергнуться «мокрому росту», когда жидкая внешняя оболочка собирает другие более мелкие градины. Градина покрывается слоем льда и с каждым подъемом становится все больше. Как только град становится слишком тяжелым, чтобы выдержать восходящий поток шторма, он падает из облака.

Снежинки

Снежинка рассматривается в оптический микроскоп

Кристаллы снега образуются, когда замерзают крошечные переохлажденные облачные капли (диаметром около 10 мкм). После того, как капля замерзла, она растет в перенасыщенной среде. Поскольку капель воды более многочисленна, чем кристаллов льда, кристаллы могут вырастать до размеров сотен микрометров за счет капель воды. Этот процесс известен как процесс Вегенера – Бержерона – Финдейзена . Соответствующее истощение водяного пара вызывает испарение капель, а это означает, что кристаллы льда растут за счет капель. Эти большие кристаллы являются эффективным источником осадков, поскольку они падают через атмосферу из-за своей массы и могут сталкиваться и слипаться в кластеры или агрегаты. Эти агрегаты представляют собой снежинки и обычно представляют собой частицы льда, которые падают на землю. В Книге рекордов Гиннеса указаны самые большие снежинки в мире, сделанные в январе 1887 года в Форт Кеог, штат Монтана; якобы одна из них имела ширину 38 см (15 дюймов). Точные детали механизма прилипания остаются предметом исследования.

Хотя лед прозрачный, рассеяние света гранями кристалла и впадинами / дефектами означает, что кристаллы часто кажутся белыми из-за диффузного отражения всего спектра света мелкими частицами льда. Форма снежинки во многом определяется температурой и влажностью, при которых она образуется. В редких случаях при температуре около –2 ° C (28 ° F) снежинки могут образовывать тройную симметрию - треугольные снежинки. Чаще всего частицы снега имеют видимую неправильную форму, хотя почти идеальные снежинки могут быть более частыми на фотографиях, потому что они более привлекательны. Нет двух одинаковых снежинок, поскольку они растут с разной скоростью и по разному образцу в зависимости от изменяющейся температуры и влажности в атмосфере, через которую они падают на землю. Код METAR для снега - SN, а снегопады - SHSN.

Алмазная пыль

Алмазная пыль, также известная как ледяные иглы или кристаллы льда, образуется при температурах, приближающихся к -40 ° C (-40 ° F), из-за того, что воздух с немного более высокой влажностью на высоте смешивается с более холодным поверхностным воздухом. Они сделаны из простых кристаллов льда шестиугольной формы. Идентификатор METAR алмазной пыли в международных почасовых сводках погоды - IC.

Оккультное осаждение

Скрытое отложение происходит, когда туман или воздух, сильно насыщенный водяным паром, взаимодействуют с листьями деревьев или кустарников, над которыми они проходят.

Причины

Фронтальная активность

Стратиформные или динамические осадки возникают как следствие медленного подъема воздуха в синоптических системах (порядка см / с), например, над поверхностными холодными фронтами , а также над теплыми фронтами и впереди них . Подобный подъем наблюдается вокруг тропических циклонов за пределами глаза , а также в диаграммах выпадения осадков вокруг циклонов средних широт . Вдоль закрытого фронта может быть множество погодных условий, возможны грозы, но обычно их прохождение связано с высыханием воздушной массы. Фронты окклюзии обычно образуются вокруг зрелых областей низкого давления. Осадки могут происходить не только на Земле, но и на других небесных телах. Когда становится холодно, на Марсе выпадают осадки, которые, скорее всего, имеют форму ледяных игл, а не дождя или снега.

Конвекция

Конвективные осадки

Конвективный дождь или ливневые осадки происходят из конвективных облаков, например кучево-дождевых или скопившихся кучевых облаков . Он падает как ливень с быстро меняющейся интенсивностью. Конвективные осадки выпадают на определенной территории в течение относительно короткого времени, поскольку конвективные облака имеют ограниченную горизонтальную протяженность. Большая часть осадков в тропиках носит конвективный характер; однако было высказано предположение, что также имеет место расслоение осадков. Граупель и град указывают на конвекцию. В средних широтах конвективные осадки носят прерывистый характер и часто связаны с бароклинными границами, такими как холодные фронты , линии шквалов и теплые фронты.

Орографические эффекты

Орографические осадки

Орографические осадки происходят с наветренной (противветренной) стороны гор и вызваны восходящим движением крупномасштабного потока влажного воздуха через горный хребет, что приводит к адиабатическому охлаждению и конденсации. В горных частях мира, подверженных относительно постоянным ветрам (например, пассатам ), на наветренной стороне горы обычно преобладает более влажный климат, чем на подветренной или подветренной стороне. Влага удаляется орографическим подъемником, оставляя более сухой воздух (см. Катабатический ветер ) на нисходящей и, как правило, теплой подветренной стороне, где наблюдается тень от дождя .

В Гавайях , гора Wai'ale'ale , на острове Кауаи, отличается своими крайними осадками, так как он занимает второе место по величине среднегодового количества осадков на Земле, с 12000 мм (460 дюймов). Штормовые системы влияют на штат с проливными дождями с октября по март. Местный климат значительно различается на каждом острове из-за их топографии, которая делится на наветренные ( Коолау ) и подветренные ( Кона ) регионы в зависимости от расположения относительно более высоких гор. Наветренные стороны обращены на восток к северо- восточным пассатам и получают гораздо больше осадков; подветренные стороны более сухие и солнечные, с меньшим количеством дождя и облачности.

В Южной Америке горный хребет Анды блокирует поступление влаги из Тихого океана на этот континент, что приводит к климату, напоминающему пустыню, только с подветренной стороны на западе Аргентины. Хребет Сьерра-Невада создает такой же эффект в Северной Америке, образуя Большой бассейн и пустыни Мохаве . Точно так же в Азии Гималаи создают препятствие для муссонов, что приводит к чрезвычайно большому количеству осадков на южной стороне и более низкому уровню осадков на северной стороне.

Снег

Озерные снежные полосы у Корейского полуострова в начале декабря 2008 г.

Внезапные циклоны могут вызвать холодные и опасные условия с сильными дождями и снегопадами с ветрами, превышающими 119 км / ч (74 миль в час) (иногда называемые в Европе ураганами ). Полоса осадков, связанная с их теплым фронтом , часто бывает обширной, вызванной слабым восходящим вертикальным движением воздуха над фронтальной границей, который конденсируется при охлаждении и производит осадки в вытянутой полосе, которая является широкой и стратиформной , что означает выпадение из нимбослоистые облака. Когда влажный воздух пытается вытеснить арктическую воздушную массу, выходящий за пределы снега может произойти в пределах полярной стороны вытянутой полосы осадков . В Северном полушарии направление к полюсу направлено к Северному полюсу или северу. В Южном полушарии направление к полюсу направлено к Южному полюсу или югу.

К юго-западу от внетропических циклонов изогнутый циклонический поток, несущий холодный воздух через относительно теплые водоемы, может привести к образованию узких полос снежного эффекта озера . Эти полосы приносят сильный локальный снегопад, который можно понять следующим образом: большие водоемы, такие как озера, эффективно хранят тепло, что приводит к значительным перепадам температур (более 13 ° C или 23 ° F) между поверхностью воды и воздухом над ними. Из-за этой разницы температур тепло и влага переносятся вверх, конденсируясь в вертикально ориентированные облака (см. Спутниковый снимок), которые вызывают снегопады. На снижение температуры с высотой и глубиной облаков напрямую влияет как температура воды, так и крупномасштабная среда. Чем сильнее понижается температура с высотой, тем глубже становятся облака и тем больше становится количество осадков.

В горных районах обильные снегопады накапливаются, когда воздух вынужден подниматься в горы и вытеснять осадки по их наветренным склонам, которые в холодных условиях выпадают в виде снега. Из-за пересеченной местности прогнозирование места сильного снегопада остается сложной задачей.

В тропиках

Распределение осадков по месяцам в Кэрнсе с указанием продолжительности сезона дождей в этом месте

Сезон дождей - это время года, охватывающее один или несколько месяцев, когда выпадает большая часть среднегодового количества осадков в регионе. Термин « зеленый сезон» также иногда используется туристическими властями как эвфемизм. Районы с влажным сезоном разбросаны по частям тропиков и субтропиков. Климат саванны и районы с муссонным режимом имеют влажное лето и сухую зиму. Тропические тропические леса технически не имеют сухих или влажных сезонов, поскольку их количество осадков равномерно распределяется в течение года. В некоторых районах с ярко выраженными сезонами дождей в середине сезона выпадение дождя прекращается, когда межтропическая зона конвергенции или муссонный желоб перемещаются к полюсу от их местоположения в середине теплого сезона. Когда сезон дождей приходится на теплое время года или летом, дожди идут в основном во второй половине дня и в ранние вечерние часы. Сезон дождей - это время, когда качество воздуха улучшается, качество пресной воды улучшается, а растительность значительно разрастается. Уменьшается количество питательных веществ в почве и увеличивается эрозия. У животных есть стратегии адаптации и выживания к более влажному режиму. Предыдущий засушливый сезон привел к нехватке продовольствия в сезон дождей, поскольку посевы еще не созрели. Развивающиеся страны отметили, что их население демонстрирует сезонные колебания веса из-за нехватки продовольствия, наблюдаемой до первого урожая, который происходит в конце сезона дождей.

Тропические циклоны, являющиеся источником очень сильных осадков, состоят из больших воздушных масс в несколько сотен миль в поперечнике с низким давлением в центре и ветрами, дующими внутрь к центру, либо по часовой стрелке (южное полушарие), либо против часовой стрелки (северное полушарие). Хотя циклоны могут уносить огромные жизни и уносить личное имущество, они могут быть важными факторами в режимах выпадения осадков в местах, на которые они влияют, поскольку они могут принести столь необходимые осадки в засушливые регионы. Области на их пути могут получить годовое количество осадков от прохода тропического циклона.

Широкомасштабное географическое распространение

В больших масштабах наибольшее количество осадков за пределами топографии выпадает в тропиках, тесно связанных с зоной межтропической конвергенции , которая сама является восходящей ветвью ячейки Хэдли . Горные местности недалеко от экватора в Колумбии - одни из самых влажных мест на Земле. К северу и югу от него находятся области нисходящего потока воздуха, которые образуют субтропические хребты с небольшим количеством осадков; Поверхность суши под этими хребтами обычно засушливая, и эти регионы составляют большую часть пустынь Земли. Исключением из этого правила являются Гавайи, где восходящий поток из-за пассатов ведет к одному из самых влажных мест на Земле. В противном случае поток Западных ветров в Скалистые горы приведет к самым влажным и снежным местам в Северной Америке. В Азии во время сезона дождей поток влажного воздуха в Гималаи приводит к одному из самых больших количеств осадков, измеренных на Земле в северо-восточной Индии.

Измерение

Стандартный датчик дождя

Стандартный способ измерения количества осадков или снегопадов - это стандартный дождемер, который может быть изготовлен из пластика 100 мм (4 дюйма) и металла 200 мм (8 дюймов). Внутренний цилиндр наполняется дождем толщиной 25 мм (1 дюйм), при этом перелива перетекает во внешний цилиндр. Пластиковые манометры имеют маркировку на внутреннем цилиндре с разрешением до 0,25 мм (0,01 дюйма), в то время как металлические измерительные приборы требуют использования стержня с соответствующей маркировкой 0,25 мм (0,01 дюйма). После того, как внутренний цилиндр заполнен, количество внутри выбрасывается, затем заполняется оставшимися осадками во внешнем цилиндре до тех пор, пока вся жидкость во внешнем цилиндре не уйдет, прибавляя к общей сумме до тех пор, пока внешний цилиндр не опустеет. Эти датчики используются зимой для снятия воронки и внутреннего цилиндра, позволяя снегу и ледяному дождю скапливаться внутри внешнего цилиндра. Некоторые добавляют в манометр антифриз, чтобы не растапливать снег или лед, падающий на манометр. После того, как снегопад / лед закончится или приблизится к 300 мм (12 дюймов), можно либо принести его внутрь, чтобы растопить, либо использовать теплую воду для заполнения внутреннего цилиндра, чтобы растопить замороженные осадки во внешнем цилиндре. отслеживая добавленную теплую жидкость, которая впоследствии вычитается из общей суммы после того, как весь лед / снег растает.

Другие типы измерителей включают популярный клиновой измеритель (самый дешевый и самый хрупкий), измеритель дождя с опрокидывающимся ведром и измеритель дождя со взвешиванием . Датчики клина и опрокидывающегося ковша не справляются со снегом. Попытки компенсировать снег / лед путем нагревания опрокидывающегося ковша имеют ограниченный успех, так как снег может сублимироваться, если датчик держать намного выше нуля. Измерители веса с антифризом должны хорошо справляться со снегом, но, опять же, перед началом соревнований необходимо снять воронку. Для тех, кто хочет измерить количество осадков с наименьшими затратами, цилиндрическая банка с прямыми сторонами будет действовать как измеритель дождя, если ее оставить на открытом воздухе, но ее точность будет зависеть от того, какой линейкой используется для измерения дождя. Любой из вышеперечисленных дождемеров может быть изготовлен в домашних условиях при наличии достаточного ноу-хау .

Когда производится измерение осадков, в Соединенных Штатах и ​​в других местах существуют различные сети, где измерения осадков могут быть отправлены через Интернет, например CoCoRAHS или GLOBE . Если сеть недоступна в районе, где вы живете, ближайший местный метеорологический офис, вероятно, будет заинтересован в измерениях.

Определение гидрометеора

Понятие, используемое при измерении осадков, - это гидрометеор. Любые частицы жидкой или твердой воды в атмосфере известны как гидрометеоры. Образования из-за конденсации, такие как облака, дымка , туман и туман, состоят из гидрометеоров. Все типы осадков по определению состоят из гидрометеоров, включая виргу , которая представляет собой осадки, которые испаряются, не достигнув земли. Частицы, уносимые ветром с поверхности Земли, такие как метель и морские брызги, также являются гидрометеорами , как град и снег .

Спутниковые оценки

Хотя приземные измерители осадков считаются стандартом для измерения осадков, во многих областях их использование нецелесообразно. Сюда входят бескрайние просторы океана и отдаленные районы суши. В других случаях распространению данных замеров препятствуют социальные, технические или административные проблемы. В результате современные глобальные данные об осадках во многом зависят от спутниковых наблюдений.

Спутниковые датчики работают путем дистанционного зондирования осадков - регистрации различных частей электромагнитного спектра, которые, как показывают теория и практика, связаны с возникновением и интенсивностью осадков. Датчики почти исключительно пассивны и записывают то, что видят, подобно камере, в отличие от активных датчиков ( радар , лидар ), которые отправляют сигнал и обнаруживают его воздействие на наблюдаемую область.

Спутниковые датчики, которые сейчас используются на практике для определения осадков, делятся на две категории. Тепловые инфракрасные (ИК) датчики регистрируют канал с длиной волны около 11 микрон и в основном предоставляют информацию о верхних слоях облаков. Из-за типичной структуры атмосферы температура верхней границы облаков приблизительно обратно пропорциональна высоте верхней границы облаков, что означает, что более холодные облака почти всегда возникают на больших высотах. Кроме того, верхняя часть облаков с большим количеством мелкомасштабных вариаций, вероятно, будет более сильной, чем облака с гладкой верхушкой. Различные математические схемы или алгоритмы используют эти и другие свойства для оценки осадков по данным ИК.

Вторая категория сенсорных каналов находится в микроволновой части электромагнитного спектра. Используемые частоты находятся в диапазоне от 10 гигагерц до нескольких сотен ГГц. Каналы до 37 ГГц в основном предоставляют информацию о жидких гидрометеорах (дождь и морось) в нижних частях облаков, при этом большее количество жидкости излучает большее количество энергии микроволнового излучения . Каналы выше 37 ГГц отображают сигналы излучения, но в них преобладает действие твердых гидрометеоров (снег, крупа и т. Д.), Рассеивающих энергию микроволнового излучения. Такие спутники, как миссия по измерению тропических осадков (TRMM) и миссия по глобальному измерению осадков (GPM), используют микроволновые датчики для формирования оценок осадков.

Было продемонстрировано, что дополнительные сенсорные каналы и продукты предоставляют дополнительную полезную информацию, включая видимые каналы, дополнительные ИК-каналы, каналы водяного пара и данные зондирования атмосферы. Однако в большинстве используемых в настоящее время наборов данных об осадках эти источники данных не используются.

Наборы спутниковых данных

IR-оценки имеют довольно низкую точность в коротких временных и космических масштабах, но доступны очень часто (15 минут или чаще) со спутников на геостационарной околоземной орбите. ИК-излучение лучше всего работает в случаях глубокой интенсивной конвекции - например, в тропиках - и становится все менее полезным в областях, где преобладают слоистые (слоистые) осадки, особенно в регионах средних и высоких широт. Более прямая физическая связь между гидрометеорами и микроволновыми каналами дает возможность микроволновым оценкам в более коротких временных и пространственных масштабах, чем это справедливо для ИК. Однако микроволновые датчики летают только на спутниках, находящихся на низкой околоземной орбите, и их мало, так что среднее время между наблюдениями превышает три часа. Этого интервала в несколько часов недостаточно для адекватного документирования осадков из-за временного характера большинства систем выпадения осадков, а также из-за неспособности одного спутника надлежащим образом фиксировать типичный суточный цикл осадков в данном месте.

С конца 1990-х годов было разработано несколько алгоритмов для объединения данных об осадках с датчиков нескольких спутников с целью подчеркнуть сильные стороны и минимизировать недостатки отдельных наборов входных данных. Цель состоит в том, чтобы обеспечить «наилучшие» оценки осадков на единой временной / пространственной сетке, обычно для как можно большей части земного шара. В некоторых случаях подчеркивается долгосрочная однородность набора данных, что является стандартом записи климатических данных .

В других случаях целью является получение наилучшей мгновенной спутниковой оценки, что является подходом на основе продукта осадков высокого разрешения. В любом случае, конечно, желательной также считается менее подчеркнутая цель. Одним из ключевых результатов многоспутниковых исследований является то, что включение даже небольшого количества данных наземных датчиков очень полезно для контроля систематических ошибок, присущих спутниковым оценкам. Трудности с использованием данных датчиков состоят в том, что 1) их доступность ограничена, как отмечалось выше, и 2) лучший анализ данных датчиков занимает два месяца или более после времени наблюдения, чтобы пройти необходимую передачу, сборку, обработку и контроль качества. Таким образом, оценки осадков, которые включают в себя данные датчиков, как правило, производятся позже времени наблюдения, чем оценки без датчиков. В результате, хотя оценки, включающие данные датчиков, могут обеспечить более точное описание «истинных» осадков, они, как правило, не подходят для приложений в реальном или близком к реальному времени.

Описанная работа привела к созданию множества наборов данных, обладающих различными форматами, сетками времени / пространства, периодами записи и регионами охвата, входными наборами данных и процедурами анализа, а также множеством различных форм указателей версий наборов данных. Во многих случаях один из современных наборов данных с нескольких спутников является лучшим выбором для общего использования.

Срок возврата

Вероятность или вероятность события определенной интенсивности и продолжительности называется периодом повторяемости или частотой. Интенсивность шторма можно спрогнозировать для любого периода повторяемости и продолжительности шторма с помощью графиков, основанных на исторических данных для данного местоположения. Термин « шторм 1 из 10 лет» описывает выпадение дождя, которое случается редко и может происходить только один раз в 10 лет, поэтому вероятность его возникновения в любой конкретный год составляет 10 процентов. Количество осадков будет больше, а наводнение будет хуже, чем самый сильный шторм, ожидаемый за один год. Термин « 1 случай из 100-летнего шторма» описывает выпадение дождя, которое является чрезвычайно редким и будет происходить с вероятностью только один раз в столетие, поэтому имеет вероятность 1% в любой конкретный год. Дожди будут сильными, а наводнения будут хуже, чем случается 1 раз в 10 лет. Как и в случае со всеми вероятными событиями, возможно, хотя и маловероятно, что будет два «шторма 1 из 100 лет» за один год.

Неравномерный характер осадков

Значительная часть годового количества осадков в любом конкретном месте выпадает только на несколько дней, обычно около 50% в течение 12 дней с наибольшим количеством осадков.

Роль в классификации климата Кеппен

Обновленная климатическая карта Кеппен-Гейгера
  Af
  AW / As
  BWh
  BWk
  БШ
  BSk
  Csa
  CSB
  Csc
  Cwa
  Cwb
  Cwc
  Cfa
  CFB
  CFC
  Dsa
  DSB
  Dsc
  Dsd
  Два
  Dwb
  Dwc
  Dwd
  DFA
  Dfb
  DFC
  Dfd
  ET
  EF

Классификация Кеппена зависит от среднемесячных значений температуры и осадков. Наиболее часто используемая форма классификации Кеппена включает пять основных типов, обозначенных от A до E. В частности, основными типами являются A, тропический; Б, сухой; C - умеренная средняя широта; D - холодные средние широты; и E, полярный. Пять основных классификаций могут быть далее разделены на вторичные классификации, такие как тропические леса , муссоны , тропическая саванна , влажный субтропический , влажный континентальный , океанический климат , средиземноморский климат , степь , субарктический климат , тундра , полярная ледяная шапка и пустыня .

Дождевые леса характеризуются большим количеством осадков, согласно определениям, минимальным нормальным годовым количеством осадков является от 1750 до 2000 мм (69 и 79 дюймов). Тропическая саванна - это пастбищный биом, расположенный в полузасушливых и полувлажных климатических регионах субтропических и тропических широт, с количеством осадков от 750 до 1270 мм (30 и 50 дюймов) в год. Они широко распространены в Африке, а также встречаются в Индии, северных частях Южной Америки, Малайзии и Австралии. Зона влажного субтропического климата - это место, где зимние дожди (а иногда и снегопады) связаны с большими штормами, которые западные ветры держатся с запада на восток. Большая часть летних осадков выпадает во время гроз и периодических тропических циклонов. Влажный субтропический климат находится на восточной стороне континентов, примерно между 20 и 40 градусами широты от экватора.

Океанический (или морской) климат обычно наблюдается вдоль западного побережья на средних широтах всех континентов мира, на границе с прохладными океанами, а также на юго-востоке Австралии, и сопровождается обильными осадками круглый год. Средиземноморский климатический режим напоминает климат земель в Средиземноморском бассейне, некоторых частях западной части Северной Америки, частях западной и южной Австралии, юго-западе Южной Африки и некоторых частях центральной части Чили. Для климата характерно жаркое сухое лето и прохладная влажная зима. Степь - это сухой луг. Субарктический климат холодный, с постоянной вечной мерзлотой и небольшим количеством осадков.

Влияние на сельское хозяйство

Оценка количества осадков на юге Японии и в окрестностях с 20 по 27 июля 2009 г.

Осадки, особенно дождь, оказывают сильное влияние на сельское хозяйство. Всем растениям для выживания требуется хотя бы немного воды, поэтому дождь (являющийся наиболее эффективным средством полива) важен для сельского хозяйства. Хотя регулярный режим дождя обычно жизненно важен для здоровья растений, слишком много или слишком мало осадков может быть вредным, даже разрушительным для сельскохозяйственных культур. Засуха может убить посевы и усилить эрозию, а слишком влажная погода может вызвать рост вредных грибков. Для выживания растениям необходимо различное количество осадков. Например, некоторым кактусам требуется небольшое количество воды, в то время как тропическим растениям для выживания может потребоваться до сотен дюймов дождя в год.

В районах с влажным и засушливым сезонами содержание питательных веществ в почве уменьшается, а эрозия увеличивается во время сезона дождей. У животных есть стратегии адаптации и выживания к более влажному режиму. Предыдущий засушливый сезон привел к нехватке продовольствия в сезон дождей, поскольку посевы еще не созрели. Развивающиеся страны отметили, что их население демонстрирует сезонные колебания веса из-за нехватки продовольствия, наблюдаемой до первого урожая, который происходит в конце сезона дождей.

Изменения из-за глобального потепления

Повышение температуры приводит к увеличению испарения, что приводит к большему количеству осадков. Количество осадков в целом увеличивалось над сушей к северу от 30 ° северной широты с 1900 по 2005 год, но с 1970-х годов их количество уменьшилось в тропиках. В глобальном масштабе за последнее столетие не наблюдалось статистически значимых общих тенденций в области осадков, хотя тенденции сильно различались по регионам и во времени. В 2018 году исследование, оценивающее изменения количества осадков в пространственных масштабах с использованием набора глобальных данных об осадках с высоким разрешением за более чем 33 года, пришло к выводу, что «несмотря на наличие региональных тенденций, нет никаких доказательств увеличения количества осадков в глобальном масштабе в ответ на наблюдаемое глобальное потепление ".

В каждом регионе мира будут изменения количества осадков из-за своих уникальных условий. Восточные части Северной и Южной Америки, Северная Европа, Северная и Центральная Азия стали более влажными. Сахель, Средиземное море, южная часть Африки и некоторые части южной Азии стали суше. За последнее столетие увеличилось количество сильных осадков во многих районах, а с 1970-х годов увеличилась распространенность засух, особенно в тропиках и субтропиках. Об изменениях количества осадков и испарения над океанами свидетельствует пониженная соленость вод средних и высоких широт (подразумевающая большее количество осадков), наряду с повышенной соленостью в более низких широтах (подразумевающая меньшее количество осадков, большее испарение или и то, и другое). С 1900 года над прилегающими территориями Соединенных Штатов общее годовое количество осадков увеличивалось в среднем на 6,1% в столетие, причем наибольшее увеличение происходило в климатическом регионе Восток, Север, Центральный (11,6% за столетие) и Юге (11,1%). Гавайи были единственным регионом, в котором наблюдалось снижение (-9,25%).

Изменения из-за городского острова тепла

Изображение Атланты, штат Джорджия , показывает распределение температуры с белыми горячими участками.

В городских тепловом острове Согревает города от 0,6 до 5,6 ° С ( от 1,1 до 10,1 ° F) выше окружающих пригородов и сельских районов. Это дополнительное тепло приводит к более сильному восходящему движению, что может вызвать дополнительную активность ливня и грозы. Уровень осадков с подветренной стороны городов увеличивается с 48% до 116%. Частично из-за этого потепления ежемесячное количество осадков примерно на 28% больше на расстоянии от 32 до 64 километров (от 20 до 40 миль) с подветренной стороны от городов по сравнению с подветренной стороны. В некоторых городах общее количество осадков увеличилось на 51%.

Прогнозирование

Пример пятидневного прогноза осадков от Центра гидрометеорологического прогнозирования

Количественный прогноз осадков (сокращенно QPF) - это ожидаемое количество жидких осадков, накопленных за определенный период времени на определенной территории. QPF будет указан, когда измеряемый тип осадков, достигающий минимального порога, прогнозируется на любой час в течение периода действия QPF. Прогнозы осадков обычно привязаны к синоптическим часам, таким как 00:00, 06:00, 12:00 и 18:00 по Гринвичу . Рельеф учитывается в QPF с использованием топографии или на основе климатологических режимов выпадения осадков по результатам наблюдений с высокой детализацией. Начиная с середины и конца 1990-х годов, QPF использовались в моделях гидрологического прогноза для моделирования воздействия на реки на всей территории Соединенных Штатов. Модели прогнозов показывают значительную чувствительность к уровням влажности в пограничном слое планеты или на самых низких уровнях атмосферы, которая уменьшается с высотой. QPF может быть сгенерирован на количественной, прогнозирующей основе или качественной, прогнозирующей вероятность определенной суммы . Методы прогнозирования радиолокационных изображений демонстрируют более высокую квалификацию, чем модельные прогнозы, в пределах шести-семи часов с момента получения радиолокационного изображения. Прогнозы могут быть проверены с помощью измерений дождемеров , оценок метеорологических радаров или их комбинации. Для измерения ценности прогноза осадков могут быть определены различные оценки навыков.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки