Основа прогноза погоды на несколько дней вперед — предсказание поля атмосферного давления. Правильный его прогноз уже обеспечивает на 60— 70% успешность прогноза в целом. Поля давления от поверхности Земли до высоты 9 км прогнозируются по уравнениям гидродинамики и вычисляются на ЭВМ. Машина считает ;гакже поля вертикальных движений воздуха — это важно для прогноза осадков и облачности. Для циклонов, например, характерны восходящие движения воздуха, которые при определенных условиях могут привести к конденсации влаги, формированию и образованию осадков. В антициклонах, наоборот, вертикальные движения воздуха нисходящие, поэтому облачность «размывается» и наступают прояснения. В связи с этим тепло Земли в ночные часы уходит в атмосферу и прилегающие к ней слои воздуха охлаждаются. Вертикальные движения воздуха вычисляются теоретически, приборов для их измерения нет.
Итак, карта будущего поля атмосферного давления и вертикальных движений воздуха есть. Теперь надо составить прогноз положения и постепенного развития атмосферных фронтов. Это сделать нелегко, и вот почему. Напомним, что атмосферные фронты — это узкие переходные зоны между воздушными массами. Они отличаются друг от друга вертикальным и горизонтальным строением, условиями и явлениями погоды и множеством других характеристик. Обычно фронты связаны с областями низкого давления. Их горизонтальная протяженность измеряется тысячами километров, они прослеживаются от Земли до высоты 8—10 км. В зависимости от вертикального строения, особенностей перемещения и условий погоды фронты бывают теплыми и холодными. Холодные, как правило, движутся быстрее. Когда они догоняют теплый фронт, то смыкаются с ним, и образуется так называемый фронт окклюзии. У каждого из этих фронтов свои, присущие лишь ему условия и явления погоды, хотя в каждом конкретном случае, в зависимости от сезона года и физико-географических особенностей местности, влияние фронта может проявиться по-разному. На синоптических картах четко выраженные атмосферные фронты прослеживаются в полях температуры, ветра, в изменении приземного давления и явлениях погоды. Но не всегда все эти факторы срабатывают сразу, а выделить преобладающий фактор трудно. Здесь очень помогают данные об облачности, получаемые с метеорологических спутников Земли, но и облачность порой нельзя считать главным фактором.
Нелегко рассчитать и будущее положение атмосферных вихрей. Еще в 30-е годы было установлено, что циклоны, антициклоны и атмосферные фронты у поверхности Земли перемещаются в том же направлении и с такой же скоростью, что и ветер на высотах 3—5 км. Применение этого правила дает успех в расчетах 70—75%. А это значит, что указать будущее положение циклонов, антициклонов и атмосферных фронтов с точностью 20—30 км от пункта, для которого составляется прогноз погоды, невозможно. Отсюда следует, что любой прогноз погоды несет в себе неточность.
Кроме прогноза атмосферных вихрей и фронтов предсказывают также отдельно каждый из элементов погоды: ветер, температуру, облачность, осадки, туман, метели, гололед.
В обычных прогнозах говорится лишь о горизонтальной составляющей ветра. Воздух движется горизонтально в основном под действием силы барического градиента (т. е. изменения давления на единицу расстояния), который рассчитывают непосредственно по полю давления. Наибольшие барические градиенты давления наблюдаются в циклонах. В отдельных же районах страны ветры могут усиливаться и при малых барических градиентах за счет особенностей рельефа — узких долин, мысов и т. д. Ветер, его направление и скорость — это единственное явление погоды, которое описывают теоретически. Однако в одном и том же районе и при одних и тех же барических градиентах скорость ветра может быть разной. На нее влияют распределение температуры и ветра с высотой, контраст температуры по горизонтали, сезон года и в зависимости от,этого характер подстилающей поверхности. Даже незначительная ошибка в определении одного из факторов может привести к серьезному просчету при установлении скорости ветра. А ошибки неизбежны! Допустим, предполагают, что температура воздуха в данном районе будет такая-то, а пока ветер достигнет этого места, она сильно изменится за счет таких причин, которые учесть очень трудно, как, например, трансформация и вертикальные движения воздуха. И все же ветер — один из элементов погоды, который прогнозируется лучше остальных (исключая температуру воздуха).
Особенно трудно предсказать осадки, гололед, изморозь. Они определяются многими факторами, которые находятся в непрерывном движении и в тесной взаимозависимости. Выделяют лишь главные факторы, влияющие на осадки. Так, для обложных осадков необходим точный учет температуры, влажности и вертикальных движений воздуха. Прогноз грозы, ливней, града, шквала зависит еще и от скорости восходящего потока воздуха, распределения скорости ветра с высотой, энергии неустойчивости атмосферы и т. д. Прогнозировать все эти явления — одна из труднейших задач синоптической метеорологии. Ведь достаточно, чтобы влажность у Земли увеличилась всего на 10%, как при прочих благоприятных условиях образуются кучево-дождевые облака. А небольшое повышение температуры на высотах может или совсем размыть облачность, или способствовать возникновению только кучевых облаков.
Сейчас информацию об облаках получают и с помощью радиолокаторов. Один радиолокатор охватывает площадь 270 тыс. км2. Для визуальных наблюдений за этой территорией потребовалось бы 300 метеостанций! С помощью радиолокатора в радиусе 300 км можно обнаружить ливневые и градовые облака, а следовательно, на ближайшие несколько часов давать прогнозы с большей точностью.
Для прогноза гололеда и изморози надо сначала предсказать туманы и морось (моросящие осадки), переохлажденный дождь, мокрый снег, при которых они возникают. Кроме того, необходимо знать микроструктуру и водность облаков, размеры капель. Естественно, что прогноз величины отложения гололеда и изморози пока оставляет желать лучшего!
До сих пор разговор шел о краткосрочных прогнозах погоды. Однако сейчас составляются и долгосрочные — на 4—6 дней, на месяц и сезон. Проблема долгосрочного прогноза погоды — одна из труднейших не только в метеорологии, но и во всей геофизической науке в целом. Прогнозы погоды на 4—6 дней основаны на так называемом синоптическом периоде. По статистическим данным, атмосферные процессы за 4—6 дней протекают однотипно на достаточно большой территории, например в Европе и Западной Сибири. За это время в отдельных районах на прогнозируемой территории погода может изменяться, но, как правило, основные пути перемещения или траектории циклонов и антициклонов не пересекаются. Смена синоптических периодов сопровождается крупными изменениями атмосферных процессов и погоды. Чтобы предсказать погоду на месяц, находят различные статистические связи между крупными атмосферными процессами прошедшей и будущей циркуляции атмосферы, протекающей на всем Северном полушарии. На этой основе подбирают карты-аналоги за прошлые годы, когда наиболее яркие черты атмосферных процессов в предшествующие месяцы протекали аналогично текущему году.
Прогнозировать погоду на сезон еще труднее. Опытные прогнозы погоды на сезон составляются в Гидрометцентре СССР уже несколько лет. Метеорологи все время ищут новые пути прогнозирования погоды, дающие наибольший экономический эффект для народного хозяйства. Например, прогнозисты-агрометеорологи, используя данные о запасах влаги, влагообеспеченности в конце весны и в начале лета, составляют прогнозы урожайности сельскохозяйственных культур и валового сбора зерна почти на всей территории СССР.
На Северном Кавказе, в Закавказье и в Средней Азии стоят противоградовые отряды, вооруженные радиолокаторами, орудиями и ракетами. Когда по прогнозу ожидается град, они стреляют по градовым облакам, которые обнаруживаются на экране радиолокаторами, вносят в них реагент — йодистое серебро. Мелкие капли воды кристаллизуются, не успевая смерзаться в градины.
В рыбопромысловых экспедициях прогнозисты-гидрометеорологи предсказывают погоду, температуру, соленость и волнение моря. Для корабля, пересекающего океаны, гидрометеорологи рекомендуют специальный курс, следуя которому корабли избегают встречи со штормами. Усовершенствуя методику исследований с помощью электронно-вычислительных машин, метеорологи получают все больше информации с метеорологических спутников Земли, все точнее прогнозируют погоду.