Pogoda i klimat. Różnorodność jednorodności.

Działają one w ramach narodowych sieci stacji meteorologicznych i obejmują swoim zasięgiem prawie wszystkie zakątki świata. Na lądzie stacje te podzielone są na kilka grup. Każda grupa stacji charakteryzuje się nieco innym rodzajem pomiarów jakie są tam wykonywane.
Najważniejsze są stacje synoptyczne (w Polsce działa 61 takich stacji – stan z dnia 17.09.2007; www.imgw.pl), na których wykonywane są pomiary i obserwacje wizualne co najmniej 8 razy na dobę, a najczęściej co godzinę. Dane z tych stacji wykorzystywane są w bieżącej pracy synoptyków i już w kilka minut po pomiarze ich wartości (często pod postacią symboli lub wartości klucza dla danego elementu meteorologicznego) pojawiają się na ekranach komputerów w każdym biurze prognoz (ryc. 1).



Kolejnym rodzajem stacji są stacje klimatologiczne (obecnie w Polsce działa 58 takich stacji). Pomiary wykonywane na tych stacjach są podobne jak te na stacjach synoptycznych, jednak wykonuje się je w trzech terminach pomiarowych (o godz. 6, 12 i 18 czasu uniwersalnego (UTC), czyli czasu południka Greenwich). Na stacjach tych wykonuje się także ciągłe obserwacje wizualne. Tego rodzaju stacje bardzo często są zlokalizowane przy uczelniach czy instytutach badawczych i oprócz pomiarów standardowych wykonuje się tam pomiary dodatkowe zgodne z profilem badań danej instytucji.

Posterunki meteorologiczne (obecnie w Polsce jest 148 takich stacji), to stacje, gdzie wykonuje się głównie pomiary wartości podstawowych elementów meteorologicznych (temperatury powietrza i wielkości opadów) oraz przeprowadza obserwacje wizualne. Podobnie jak na stacjach klimatologicznych, pomiary wykonywane są 3 razy w ciągu doby.

Ostatnią i bardzo ważną grupę stacji stanowią posterunki opadowe (obecnie w Polsce są 1004 posterunki). Wykonuje się na nich przede wszystkim pomiar wysokości opadu. Czasami jest on uzupełniony obserwacjami wizualnymi. Pomiary wielkości opadu są przeprowadzane raz na dobę (o 6 czasu uniwersalnego). Jedynie w przypadku gwałtownych i długotrwałych opadów (często powodujących zagrożenie powodziowe) może zostać zarządzone częstsze dokonywanie pomiarów.

Pomiary meteorologiczne są także dokonywane na morzach i oceanach. Wykonywane są one z pokładów statków lub za pomocą morskich boi. Ze względu na możliwości techniczne oraz znacząco mniejsze zróżnicowanie powierzchni oceanów liczba takich punktów pomiarowych jest znacznie mniejsza i stanowi głównie uzupełnienie wyników pomiarów uzyskiwanych z innych źródeł.

Każde z państw należące do WMO (World Meteorological Organization - Światowa Organizacja Meteorologiczna) ma obowiązek organizacji własnej sieci stacji i posterunków. Wszystkie pomiary meteorologiczne jakie są tam dokonywane muszą być przeprowadzane w ściśle określonych terminach oraz zgodnie z wspólnie ustalonymi procedurami. Do najważniejszych zasad przeprowadzania pomiarów i obserwacji należą:

• wykonywanie ich w tym samym czasie na całym świecie – pomiary i obserwacje odbywają się zawsze w wyznaczonych terminach i według czasu uniwersalnego (UTC),
• wykonywanie ich tymi samymi metodami,
• wykonywanie ich tymi samymi przyrządami – co oznacza, że wszystkie przyrządy muszą spełniać wcześniej ustalone normy.

W ten sposób, co godzinę możemy uzyskać jakby „zdjęcie” warunków meteorologicznych jakie występują na całej kuli ziemskiej.

Do dyspozycji synoptyka są zobrazowania wykonane przez satelity geostacjonarne (np. METEOSAT) i biegunowe (NOAA) w różnych zakresach widma promieniowania, m.in.:

• w świetle widzialnym – przydatne zwłaszcza do obserwacji rozwoju chmur kłębiastych,
• w podczerwieni – pokazujące różnice w temperaturze powierzchni ziemi oraz różnych warstw chmur,
• w zakresie widma pary wodnej – informujące o zawartości pary wodnej w atmosferze – dające pogląd na właściwości masy powietrza napływającej nad dany obszar.

Tworzy się również kombinacje różnych zakresów widma. Każde z zobrazowań ma nieco inne zastosowanie (ryc. 2 i 3). Jedne wykorzystuje się do obserwacji chmur konwekcyjnych, czyli powstałych na skutek unoszenia się ciepłego powietrza spowodowanego intensywnym nagrzewaniem się podłoża, inne dla niskich warstwowych, jeszcze inne do wykrywania np. mgieł.

Radar jest bardzo przydatnym narzędziem w pracy synoptyka. Pozwala na oszacowanie wodności chmur, a w dalszym etapie (w pewnym przybliżeniu) intensywności opadu. Bardziej zaawansowane technologicznie radary dają również informację o kierunku i prędkości wiatru, a także generują ostrzeżenia o gradzie czy uskoku wiatru.

Radar wysyła w przestrzeń wiązkę fali radiowych (najczęściej mikrofal), która dociera do lokalizowanego obiektu (w przypadku radaru meteorologicznego jest to chmura) i powraca do radaru. Na podstawie czasu potrzebnego na przebycie tej drogi radar określa położenie obiektu. Może też ocenić wielkość lokalizowanego obiektu, w tym przypadku cząstek wody zawartych w chmurze. Na podstawie pomiaru ruchu tych cząstek radar może określić prędkość i kierunek wiatru. Pomiary takie wykonywane są na wielu poziomach co pozwala na zobrazowanie przestrzenne wodności chmur i wielkości opadu (ryc. 4). Bardziej zaawansowane technologicznie radary generują ostrzeżenia o gradzie czy uskoku wiatru (czyli nagłej zmianie prędkości wiatru w profilu pionowym, co może być niebezpieczne dla ruchu lotniczego).



W Polsce istnieje sieć radarów, składająca się z 8 urządzeń zlokalizowanych w:

• Gdańsku
• Świdwinie
• Poznaniu
• Legionowie
• Pastewniku k. Jeleniej Góry
• wzgórzu Ramża k. Rybnika
• Brzuchani k. Miechowa
• Rzeszowie

Aby zobaczyć jeden z radarów, działający w Brzuchani, proszę wejść na stronę:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/42/Weather_radar_in_Brzuchania_1.jpg
Aby zobaczyć aktualny obraz z sieci radarów europejskich proszę wejść na stronę:
http://www.radareu.cz/?lng=pl

Teledetekcja polega na wykonywaniu badań i pomiarów z pewnej odległości od badanego obiektu, przy użyciu odpowiednich czujników. Opisane już satelity i radary są narzędziami teledetekcyjnymi, podobnie jak sieć czujników pozwalająca na „namierzanie” występujących wyładowań atmosferycznych, zarówno doziemnych, jak i wewnątrzchmurowych. Rejestracja ciągła pozwala na wytyczenie „ścieżek” burz i ułatwia prognozowanie ich wystąpienia w najbliższym czasie.

Istnieje wiele takich systemów obejmujących różne obszary Ziemi. W Polsce istnieje system teledetekcji wyładowań atmosferycznych PERUN. Tworzy go 9 stacji:

• Olsztyn
• Gorzów
• Toruń
• Białystok
• Warszawa
• Kalisz
• Włodawa
• Częstochowa
• Sandomierz

Więcej o systemie PERUN na stronie:
http://www.imgw.pl/index.php?option=com_content&view=article&id=91&Itemid=111
W Europie istnieje podobna sieć czujników notujących wyładowania atmosferyczne. Aktualne mapy wyładowań atmosferycznych można śledzić na stronie:
http://www.blitzortung.org/Webpages/index.php

Pozwala ono na ocenę zmiany warunków meteorologicznych jakie zachodzi wraz ze wzrostem wysokości nad powierzchnia ziemi. Sondaż pionowy atmosfery jest wykonywany przez sondę podczepioną do balonu meteorologicznego. Sonda taka wypuszczana swobodnie, wznosząc się wykonuje pomiary: temperatury powietrza, ciśnienia, wilgotności, kierunku i prędkości wiatru na rożnych wysokościach. Sonda wznosi się na wysokość wielu kilometrów, dopóki nie ulegnie zniszczeniu. Sondaże takie są wykonywane przez szereg stacji meteorologicznych na świecie o określonych godzinach. Dane uzyskane w ten sposób są bardzo przydatne m in. do wyznaczania stref frontów atmosferycznych, szacowania grubości warstw chmur, określania stref oblodzenia i turbulencji, prognozowania możliwości wystąpienia burz.

Polska służba meteorologiczna korzysta z sondaży wykonywanych w Łebie, Legionowie pod Warszawą i Wrocławiu. Pomiary wykonywane są dwa razy na dobę: o godz. 00 i 12 UTC. Stacji wykonujących sondaże jest wielokrotnie mniej od stacji synoptycznych monitorujący stan pogody. Są ku temu przynajmniej dwa powody. Pierwszy to koszt niezbędnych urządzeń oraz konieczność przeszkolenia obserwatora. Po drugie zaś, nie jest konieczne tak częste, w zakresie przestrzennym, badanie atmosfery – masa powietrza ma taką rozciągłość poziomą, ze jedna stacja może być reprezentatywna dla obszaru kilkuset kilometrów,

Aby prawidłowo wykonać prognozę pogody konieczna jest znajomość parametrów fizycznych atmosfery nie tylko przy powierzchni ziemi (co jest badane na stacjach meteorologicznych), ale także wysoko ponad naszymi głowami, w przekroju pionowym troposfery, czyli do wysokości około 10 km (w naszych szerokościach geograficznych). Dlatego z danych z sondaży pionowych atmosfery tworzy się tzw. mapy górne atmosfery. Z pozoru wyglądają one podobnie do map tzw. dolnych (ryc. 6), ale pokazują warunki pogodowe na dużych wysokościach. Zaznacza się na nich wysokość występowania określonej powierzchni izobarycznej czyli tej samej wartości ciśnienia oraz temperaturę powietrza. Mapy górne dają informację o położeniu ośrodków barycznych na górnych poziomach atmosfery oraz rozkładzie i adwekcji temperatury. Jednak w odróżnieniu od map ciśnienia na poziomie morza, oznaczają one wysokość, na której ciśnienie przyjmuje interesującą nas wartość i na mapie podaje się ją w metrach (lub dekametrach) geopotencjału [gpdm]. Mówimy wtedy o położeniu powierzchni izobarycznej (powierzchni łączącej punkty o jednakowej wartości ciśnienia) dodając ważną dla nas wartość ciśnienia wyrażoną w jednostka ciśnienia [hPa]. Możemy wybrać dowolną wartość ciśnienia, jednak w meteorologii przyjmuje się kilka z nich i nazywa standardowymi poziomami barycznymi. Zazwyczaj są to: 1000, 925, 850, 700, 500, 300, 200, 100 hPa. Ponieważ im wyżej nad poziomem morza, tym mniejsze ciśnienie atmosferyczne, zatem mapy z kolejnych, coraz wyższych poziomów, oznaczane są coraz niższymi wartościami w hPa.
Jednostką geopotencjału jest metr geopotencjalny równy pracy, jaką trzeba wykonać przy podnoszeniu 1 kg na wysokość 1 m przy g = 9,82 m/s2.
Dla ułatwienia możemy przyjąć, że jeden metr geopotencjału jest w przybliżeniu równy jednemu metrowi odległości.

Wybór odpowiedniej powierzchni izobarycznej związany jest nie tylko z chęcią sprawdzenia rozkładu ciśnienia na wyższych poziomach atmosfery. Wymienione wcześniej poziomy charakteryzują się również bardzo ważnymi dla synoptyka cechami. Przykładem niech będzie poziom 850 hPa, którego średnia wysokość wynosi około 1440 [gpm]. W najlepszy sposób oddaje on rozkład temperatury powietrza w atmosferze. Oczywiście jest ona niższa niż przy powierzchni ziemi, ale jednocześnie jest niejako „uwolniona” od dobowych wahań wynikających z dobowego cyklu nagrzewania się podłoża. Rolą synoptyka jest „sprowadzenie temperatury” do powierzchni ziemi, czyli obliczenie jaka będzie temperatura w warstwie powierza przy powierzchni ziemi uwzględniając inne czynniki meteorologiczne (wpływ innych elementów meteorologicznych, a także ukształtowania terenu, zbiorników wodnych, zabudowy czy roślinności). Z kolei rozkład ciśnienia na poziomie 500 hPa najłatwiej pozwala ocenić kierunek przemieszczania się mas powietrza, a na poziomie 300 hPa najlepiej widoczne są prądy strumieniowe. Mapy górnych poziomów atmosfery mogą być wykreślane z aktualnych danych albo powstawać jako wynik modelowania i przedstawiać przyszły rozkład pola ciśnienia na danej wysokości.