Prognozowanie pogody

Prognozowanie pogody polega na okresleniu jaki bedzie stan atmosfery w przyszlosci, tj. powiedzmy za 12 godzin, 1 dzien, 2 dni, 3 dni, itd. Nalezy jednak zaznaczyc, ze prognozowanie na dluzsze okresy nie jest latwe i oczywiscie mniej wiarygodne. W jakim stopniu sprawdzi sie prognoza czesto zalezy od aktualnej sytuacji meteorologicznej. Czasem mozna poprawnie przewidziec pogode nawet na kilka dni naprzód (np. dlugo utrzymujacy sie stacjonarny wyz) innym zas razem podanie prognozy na krótki okres (do 2 dni) nie jest sprawa latwa (np. dynamicznie rozwijajacy sie niz). W tej chwili prognozy pogody sa duzo lepszej jakosci niz jeszcze kilkadziesiat lat temu, chociaz nadal trudno jest prognozowac takie zjawiska meteorologiczne jak opady czy burze. Prognozy opadu (zwlaszcza konwekcyjnego, który jest zjawiskiem lokalnym) dosyc czesto sie nie sprawdzaja. Nawet jesli dobrze zostanie okreslone miejsce i czas wystapienia to moze sie okazac, ze wielkosc opadu zostanie zanizona lub zawyzona. Lepiej prognozowane sa natomiast opady zwiazane z frontami atmosferycznymi.
Kiedys opracowywanie prognoz pogody bylo duzo trudniejsze. Wiele czynnosci trzeba bylo wykonywac recznie, poczynajac od naniesienia danych obserwacyjnych na mape synoptyczna, aby mozna bylo zanalizowac aktualna sytuacje, az po podanie ostatecznej prognozy, która synoptyk opracowywal w oparciu o znajomosc procesów rzadzacych ruchem atmosfery, wlasna intuicje i doswiadczenie. Znany w srodowisku meteorologicznym jest fakt, ze na podstawie tych samych map synoptycznych kazdy synoptyk moze podac nieco odmienna prognoze, a to za sprawa dwóch ostatnich czynników (intuicji i doswiadczenia), które powoduja, ze taka prognoza jest bardzo subiektywna.
Obecnie dzieki hydrodynamicznym modelom atmosfery oraz dostepnosci komputerów duzej mocy, stalo sie mozliwe tworzenie NUMERYCZNYCH PROGNOZ POGODY, tj. prognoz wyliczanych przy uzyciu superkomputerów na podstawie równan opisujacych zachowanie sie atmosfery. Takie prognozy sa prognozami obiektywnymi, tzn. niezaleznie od tego ile razy zostalyby przeprowadzone obliczenia dla tego samego poczatkowego stanu atmosfery, uzyskany wynik bylby taki sam.
Atmosfera ziemska jest skomplikowanym ukladem dynamicznym. Równania, które opisuja jej zachowanie sa tak zlozone (nieliniowe czastkowe równania rózniczkowe), ze dokladne (analityczne) ich rozwiazanie nie jest mozliwe. Mozna jednak uzyskac rozwiazania przyblizone dzieki zastosowaniu do tych równan metod numerycznych.
W modelach numerycznych pola meteorologiczne sa opisywane przez skonczona liczbe punktów. Obliczenia wykonywane sa w punktach nazywanych wezlami siatki. Odleglosc w poziomie pomiedzy sasiednimi wezlami definiuje pozioma rozdzielczosc modelu. Im jest ona mniejsza tym rozdzielczosc jest lepsza i wiecej szczególów moze byc uwzglednionych w modelu. Aby mozna bylo prawidlowo przewidziec pogode nalezy przeprowadzic obliczenia nie tylko dla powierzchni Ziemi, ale równiez dla wyzszych poziomów atmosfery. Na to co sie dzieje przy powierzchni Ziemi maja zwlaszcza duzy wplyw procesy zachodzace w najnizszej czesci atmosfery nazywanej warstwa graniczna ( w zaleznosci od warunków meteorologicznych warstwa ta moze miec zasieg od kilkuset metrów do kilku kilometrów, chociaz srednio przyjmuje sie za jej wysokosc 1 km). Ilosc poziomów i ich rozklad w pionie definiuja pionowa rozdzielczosc modelu.
Procesy zachodzace w atmosferze charakteryzuja sie szerokim zakresem skal przestrzennych. O ile ruchy wielkoskalowe moga byc dosyc dobrze opisane przez model to procesy charakteryzujace sie mala skala moga byc albo opisane niedokladnie, albo znalezc sie poza zdolnoscia rozdzielcza modelu. Procesy zachodzace w malej skali czesto maja jednak duze znaczenie i nie mozna ich pominac. Dlatego stosuje sie parametryzacje, które maja na celu uwzglednienie ich wplywu na zjawiska o wiekszej skali. Przykladem zjawiska wymagajacego parametryzacji jest konwekcja, która jest waznym procesem w pionowej wymianie ciepla i wilgotnosci w atmosferze. Jej skala (1-10 km) jest znacznie mniejsza niz rozdzielczosc obecnie uzywanych modeli.
Stosowane modele numeryczne mozna podzielic na: modele globalne (pokrywajace cala kule ziemska), modele regionalne i modele mezoskalowe. Wszystkie modele charakteryzuja sie okreslona rozdzielczoscia. Najlepiej gdy ta rozdzielczosc jest jak najwieksza. Zwiekszenie rozdzielczosci oznacza zmniejszenie kroku siatki, a to prowadzi do wzrostu liczby punktów, w których nalezy przeprowadzic obliczenia. Dysponujemy jednak komputerami o skonczonej pojemnosci.
Idealnym rozwiazaniem bylby model globalny pracujacy z duza rozdzielczoscia. Jednak w takim modelu byloby bardzo duzo punktów, w których nalezaloby liczyc prognoze. Obecnie nie mozemy sobie na to pozwolic ze wzgledu na ograniczenia tak czasowe jak i wynikajace ze skonczonej pojemnosci komputerów.
Czesto stosowanym sposobem rozwiazania tego problemu jest koncepcja zagniezdzania modeli. Tzn. model globalny liczony jest z niezbyt duza rozdzielczoscia (duzym krokiem siatki), nastepnie model obejmujacy mniejszy obszar liczony jest z wieksza rozdzielczoscia, z kolei inny model jest liczony dla jeszcze mniejszego obszaru i z jeszcze wieksza rozdzielczoscia od poprzedniego. Kazdy z modeli o dokladniejszej skali otrzymuje dla swoich wartosci brzegowych atmosferyczne zmienne stanu z modelu o wiekszej skali.

Urządzenia służące do określania prognozy pogody:

Klatka meteorologiczna
Klatka meteorologiczna to drewniana skrzynka ustawiona na wysokosci 2 m nad poziomem terenu, majaca przewiewne sciany, pomalowane na bialo dla odbijania promieni slonecznych, mieszczaca zestaw przyrzadów meteorologicznych.

Predkosc i kierunek wiatru
Wiatromierz i anemometr to przyrzady sluzace do obserwacji kierunku i predkosci wiatru. Wskazanie wiatromierza odczytuje sie z wychylenia plytki, a w anemometrze czaszowym z predkosci obrotów wiatraczka, te zas mierzone sa natezeniem pradu, który wytwarza pradnica, sprzezona z wiatraczkiem. Kierunek wiatru odczytuje sie na podstawie ustawienia sie blaszanej choragiewki, zwanej kurkiem, lub rekawa, czyli silnie wydluzonego worka.
Pomiary wiatru sa jednymi z trudniejszych ze wzgledu na szybkie zmiany w kierunku i predkosci jakie zachodza nawet na tak malym terenie jak obszar sredniej wielkosci miasta. Na jednej ulicy moze wiac z pólnocy z predkoscia 25 km/h podczas gdy na innej w tym samym czasie z poludnia z predkoscia 10 km/h. Takie znaczne róznice powstaja na skutek zabudowan terenów miejskich, które powoduja silne zawirowania powietrza i w rezultacie trudne do zmierzenia rzeczywista predkosc i kierunek wiatru.

Cisnienie atmosferyczne
Aneroid, barometr sprezynowy sluza do pomiaru cisnienia powietrza. Barometr jest zaopatrzony w sprezyste pudlo z wypompowanym powietrzem. Cisnienie zewnetrzne powoduje wyginanie wieka pudla, czemu przeciwstawia sie jego sprezystosc. Ruchy wieka przenosza sie na ruch wskazówki, która na skali pokazuje wielkosc cisnienia.
Barometr moze byc zaopatrzony dodatkowo w urzadzenie piszace, które pozwala przesledzic zmiany cisnienia w ostatnim czasie. Taki barometr to barograf (aneroid samopiszacy), a zapis nazywa sie barogramem.
Barometr rteciowy sklada sie z otwartego zbiornika rteci i wstawionej wen pionowej rurki szklanej, zasklepionej u góry i próznej. Cisnienie wypycha rtec do rurki do takiej wysokosci, w jakiej ciezar slupka zrównowazy cisnienie powietrza. Barometr rteciowy nie zapisuje historii zmian cisnienia.

Opady
Deszczomierz (pluwiometr, ombrometr) to przyrzad sluzacy do mierzenia sumy opadów. Zaopatrzony jest w walcowate naczynie o okreslonym polu górnego otworu oraz menzurke do pomiaru ilosci wody. Samopiszacy przyrzad do notowania sumy opadów to pluwiograf (ombrograf).
Totalizator to deszczomierz z urzadzeniem do samoczynnego oprózniania menzurki z woda i rejestrowania ilosci opadu. Ustawia sie go w trudno dostepnych miejscach np. na szczytach górskich, a jego zapisy odczytuje sie raz na miesiac lub jeszcze rzadziej.

Wilgotnosc powietrza
Higrometr - przyrzad do obserwacji wzglednej wilgotnosci powietrza przy wykorzystaniu wlasciwosci wydluzania sie ludzkiego wlosa wskutek zwiekszonej wilgotnosci. Samopiszacy higrometr nazywa sie higrografem, a jego zapis - higrogramem.
Psychrometr - przyrzad do obserwacji wzglednej wilgotnosci powietrza. Sklada sie on z dwu termometrów: suchego i zwilzonego. Termometr suchy wskazuje aktualna temperature powietrza, termometr zwilzony ma na zbiorniczek naciagnieta batystowa "koszulke" drugim koncem zanurzona w wodzi. Wskazuje on temperature w zasadzie nizsza od aktualnej temperatury powietrza. Jego temperature obniza bowiem utrata ciepla na odparowanie wody. Róznica miedzy wskazaniami obu termometrów jest tym wieksza, im suchsze powietrze, im bardziej intensywne parowanie wody.
Ewaporometr - przyrzad do pomiaru zdolnosci parowania z wolnej powierzchni wodnej przez zwazenie ubytku wody.
Lizymetr - przyrzad do pomiaru parowania i transpiracji z gruntu pokrytego roslinnoscia. Jest to urzadzenie wielkich rozmiarów. Na wielkiej wadze znajduje sie caly blok gleby wraz z roslinnoscia.

Temperatura powietrza
Termometr - to dobrze wszystkim znany przyrzad do pomiaru temperatury.
W meteorologii uzywa sie termometru stacyjnego do pomiaru aktualnej temperatury powietrza. Jest on zaopatrzony w skale Celsjusza. Sklada sie ze zbiorniczka z rtecia i zlaczonej z nim rurki, zasklepionej u góry. Pod wplywem rozgrzewania sie rtec powieksza swa objetosc, podnosi jako slupek w rurce i wskazuje wysokoscia swego slupka temperature. Przy silnych mrozach, poniewaz rtec zamarza w temperaturze -39 st. C, uzywa sie termometrów alkoholowych.
W klatce meteorologicznej znajduje sie ponadto termometr maksymalny - jest to termometr rteciowy z przewezona rurka powyzej zbiorniczka. Po podniesieniu sie slupka rteci przy najwyzszej temperaturze, po ochlodzeniu slupek nie opada - pokazuje wiec najwyzsza temperature miedzy obserwacjami. Po dokonaniu odczytu strzepuje sie termometr, tak aby slupek wrócil do dolnego polozenia.
Trzecim termometrem jest termometr minimalny, wskazujacy najnizsza temperature w okresie miedzy obserwacjami. Jest on napelniony ciecza - toluenem lub alkoholem. W rurce znajduje sie precik zakonczony rozszerzona glówka. Termometr ustawia sie niemal poziomo; kiedy obniza sie temperatura, kurczy sie alkohol (toluen) i wciaga za soba precik; kiedy temperatura wzrasta , slupek alkoholu wydluza sie, ale nie popycha precika, lecz go oplywa - precik wskazuje nadal najnizsza temperature.
Dodatkowo uzywa sie termometrów samopiszacych - termografów. Sa one zaopatrzone w urzadzenie zegarowe poruszajace beben, na którym piórko dokonuje zapisu przebiegu temperatury. Zapis termografu nazywa sie termogramem.

Sonda meteorologiczna (balon meteorologiczny)
to malenki balonik zaopatrzony w niezbedne przyrzady meteorologiczne wypuszczany po to aby zbadac warunki atmosferyczne jakie panuja w wyzszych warstwach atmosfery. Taki balonik jest wypuszczany dwa razy dziennie w 1100 punktach na calym swiecie. Wyniki pomiarów (temperatura, wilgotnosc, cisnienie atmosferyczne) wysylane sa do stacji meteorologicznej droga radiowa, gdzie nastepuje dalsze ich przetwarzanie, a takze wykorzystanie w prognozach.

Radar meteorologiczny
Radar to urzadzenie wykorzystujace fale radiowe do wykrywania i okreslania polozenia obiektów. W meteorologii radar wykrywa opady, chmury, burze oraz inne zjawiska atmosferyczne.

Sztuczne satelity
Sztuczne satelity krazace wysoko nad Ziemia pozwalaja na obserwacje chmur na wszystkich poziomach atmosfery nad oceanami i ladami. Na podstawie zdjec pochodzacych ze sztucznych satelitów mozna wykryc bardzo grozne zjawiska meteorologiczne jak huragany, a takze sledzic ich ruch przez co sluzby meteorologiczne moga ostrzec dane rejony o ewentualnym zagrozeniu.