Представления о пространственной структуре облаков, предшествовавшие созданию фронтологического метода

Марксистский диалектический материализм учит, что в основе всякой науки лежит общественная практика. Практические потребности общества заставляют человека внимательно собирать факты об окружающих явлениях, анализировать и обобщать их, осмысливать теоретически, а полученные выводы проверять и использовать в практической деятельности.

Метеорологическая наука, так же как и другие науки, осуществляет свои задачи путем эмпирического изучения фактов, теоретического их обобщения и последующей проверки на практике выдвинутых положений. Таким же именно путем идет в метеорологии изучение облаков вообще и их пространственной структуры в частности.

Необходимость исследования пространственной структуры облаков была продиктована главным образом потребностями метеорологического обеспечения авиации. Однако отдельные стороны этой проблемы изучались уже давно, так как в них была заинтересована не только авиация. До первой мировой войны в метеорологических данных нуждались в основном сельское хозяйство и морской флот. Для первого наибольший интерес представляла температура воздуха и осадки, а для второго — ветер и туман. Но ни одно из метеорологических явлений не могло быть глубоко познано без уяснения его в связи с другими метеорологическими элементами и явлениями, в том числе с облачностью.

В нашей стране наблюдения за облаками были начаты еще с 1836 г. Постепенное развитие сети метеорологических станций и улучшение качества наблюдений за облаками позволили накопить большой материал, который уже в 1872 г. был обобщен Г. И. Вильдом. С 1870 г. наблюдения облачности стали записываться в десятибалльной системе. Используя данные этих наблюдений, А. И. Воейков в 1881 г. проанализировал состояние облачности в России за десятилетний период и уже тогда высказал ряд глубоких соображений о причинах, обусловливающих особенности ее распределения над отдельными районами страны.

Еще более значительный ряд наблюдений был тщательно обработан в 1895 г. под руководством А. М. Шенрока. Это подробное исследование облачности впервые содержало картографированные данные распределения среднего количества облаков в течение года и данные среднего за год числа ясных и пасмурных дней. Правда, при обилии фактического материала обобщающих выводов относительно закономерностей в распределении облаков сделано не было. В своих обобщениях Шенрок не пошел дальше Воейкова.

Исследования распределения количества облаков не могли, однако, удовлетворить растущие практические потребности метеорологической службы. Для предсказания погоды требовалось более детальное изучение облачности. В связи с этим исследованию облачных форм и их смене, в особенности облаков верхнего яруса как признаков предстоящего изменения погоды, придавалось большое значение.

Некоторые закономерности в смене облачных форм и облачных систем были подмечены давно. Уже Фиц-Рой придавал большое значение облакам как средству предвидения погоды. Значительным шагом вперед в исследовании облаков как признаков изменения погоды явились работы норвежского ученого Г. Мона, в особенности его труд «Ветер и погода» (1872 г.), в котором наряду с другими вопросами в общих чертах дана схема горизонтального и вертикального распределения облаков в циклоне, послужившая основой для дальнейшей разработки этого вопроса учеными ряда стран.

Большой вклад в выяснение значения облаков для практической синоптики и в разработку некоторых вопросов их пространственной структуры внес М. М. Поморцев. Среди средств предсказания погоды по наблюдениям в одном пункте Поморцев на первое место ставил «наблюдения за формой, направлением и скоростью движения облаков», особенно перистых. Эти идеи Поморцева в дальнейшем были широко развиты П. И. Броуновым, Б. И. Срезневским и их учениками А. Д. Воскресенским, И. К. Надеиным, Е. А. Хвольсоном, А. Ф. Вангенгеймом, а в более позднее время Е. А. Тудоровской.

В «Очерке учения о предсказании погоды» Поморцева (1889 г.) содержится подробное описание горизонтального распределения облачности в циклоне, начиная с перистых облаков в его передней части и заканчивая облаками тыла циклона, которое позже приводилось также Д. А. Лачиновым и Г. А. Любославским.

К концу XIX в. одна из важнейших характеристик пространственной структуры облаков в циклонах — их горизонтальная протяженность подверглась довольно подробному рассмотрению по данным приземных наблюдений. Однако то, что в циклоне имеются неодинаковые, в ряде случаев совершенно различные по своему характеру облачные системы, связанные с разными атмосферными фронтами, установить еще не удалось.

Горизонтальная протяженность облаков в различных барических системах более детально разработана в трудах А. И. Добровольского, ученых французской и норвежской школ и их последователей. А. И. Добровольский [69] первым ввел понятие горизонтальной облачной системы, под которой он понимал совокупность облачных образований большого масштаба, составляющих единое целое. Он ввел также понятие фронта облачной системы. Идеи, выдвинутые Добровольским, были поддержаны Зюрингом, а парижская обсерватория Монсури произвела серию наблюдений облачных систем. В дальнейшем эти идеи легли в основу работ Шерешевского и Верле.

Первая мировая война поставила перед метеорологией ряд новых задач, одной из которых было метеорологическое обеспечение авиации. Методы предсказания погоды, применявшиеся в мирное время, стали неэффективными. Начались поиски новых путей. Облачность, являющаяся одним из важнейших для авиации метеорологических элементов, привлекала к себе особое внимание.

В таких условиях в годы войны во Франции было предпринято синоптическое исследование облачных образований, завершившееся созданием Шерешевским и Верле метода облачных систем. На территории Франции была организована густая сеть метеорологических станций, подававших информацию о состоянии облачности. Если до 1914 г. было лишь 10 станций, посылавших телеграфные сведения о погоде, то к 1923 г. их стало 40. Устойчивая индивидуальность облачных систем при их перемещении давала возможность использовать этот метод для прогностических целей. Применение его во Франции позволило повысить качество краткосрочных прогнозов погоды.

Метод облачных систем, как показал критический анализ С. П. Хромова, в значительной мере был формальным и с теоретической стороны незавершенным. Термодинамические условия возникновения и развития облачных систем детально исследованы не были. Связь облачных систем с процессами конденсации оставалась невыявленной.

Применение метода облачных систем во Франции привлекло внимание советских метеорологов. В ГГО была предпринята попытка составления карт облачности по методу Шерешевского и Верле. П. А. Риттих провел серию исследований облачных систем по материалам наблюдений в Павловске. Однако этот метод значительно уступал теоретически более обоснованному методу норвежских ученых и не нашел широкого практического применения в нашей стране.

Норвежский метод прогнозирования погоды был вызван к жизни острыми потребностями практики. В годы первой мировой войны Норвегия была лишена метеорологической информации из других стран; составление прогнозов погоды оказалось почти невозможным. Перед хозяйством и практической метеорологией страны встали большие трудности.

В. Бьеркнес, Я. Бьеркнес и Сульберг, взявшиеся за поиски новых путей прогнозирования погоды, как и французские метеорологи, в своих исследованиях исходили из детальных наблюдений за облаками. С этой целью было резко увеличено число метеорологических станций, подававших телеграфные сведения о погоде. До 1914 г. в Норвегии их было только 9, а к 1923 г. возросло до 90.

Особое внимание было уделено связи облачных полей с поверхностями разрыва - атмосферными фронтами. Шаг за шагом были заложены принципиальные основы нового метода исследования атмосферных процессов и явлений, известного как фронтологический метод. Норвежскими учеными были в принципе разработаны схемы пространственной структуры фронтальных облаков, о которых скажем ниже.

Идеи норвежских ученых сразу же привлекли внимание советских метеорологов. Предшествовавшими исследованиями русские метеорологи близко подошли к понятию атмосферных фронтов. Не случайно П. А. Молчанов указывал, что открытие атмосферных фронтов не является заслугой лишь норвежских ученых, ибо атмосферные фронты под другими наименованиями были известны синоптикам уже давно.

Развернувшееся социалистическое строительство в нашей стране поставило перед метеорологической наукой новые задачи по обеспечению разнообразных запросов народного хозяйства. На базе трудов выдающихся русских ученых М. А. Рыкачева, М. М. Поморцева, П. И. Броунова, Б. И. Срезневского и др., научное наследие которых непрерывно развивалось советскими метеорологами, метеорологическая служба в нашей стране еще до внедрения в практику фронтологического метода обеспечивала практические нужды страны.

Однако запросы быстро развивающегося социалистического хозяйства требовали изыскания более надежных способов диагноза и прогноза метеорологических элементов, в том числе облачности. Применявшимися в то время методами синоптическая метеорология эти задачи в полной мере удовлетворить не могла. Усилились поиски новых способов синоптического анализа. Началась разработка идей, выдвинутых норвежскими учеными.

Усилиями ученых ряда стран, в первую очередь норвежских, был создан фронтологический метод. В создании фронтологического метода важную роль, как известно, сыграли исследования русских ученых. Фронтологический метод позволил глубже вскрыть сущность динамических процессов в зонах встречи воздушных масс, тщательно изучить такие атмосферные объекты, как фронты, что дало возможность осуществлять более эффективное метеорологическое обеспечение.

Фронтологический метод анализа синоптических процессов был у нас в ряде моментов творчески переработан с учетом особенностей атмосферных процессов. Массовые наблюдения за метеорологическими явлениями погоды, поставленные в нашей стране под методическим руководством ГГО весьма широко и качественно, являлись надежным исходным материалом для глубоких научных исследований. Изучение атмосферных фронтов и пространственной структуры фронтальных облаков значительно продвинулось вперед в связи с изобретением в нашей стране первого в мире радиозонда, с успехами аэрологии, регулярным составлением карт барической топографии, инициаторами внедрения которых в практику оперативной и научной работы были X. П. Погосян и Н. Л. Таборовский.

Особенно большой труд по разработке ряда принципиальных вопросов фронтологического метода, по обобщению исследований и широкой их популяризации был выполнен С. П. Хромовым. В частности, его «Введение в синоптический анализ» явилось первой в мировой метеорологической литературе работой, в которой систематически изложены принципиальные методологические основы синоптического анализа и прогноза.

Высота облаков как характеристика пространственной структуры облаков исследуется давно. А. X. Хргиан указывает, что об определении высоты облаков писалось уже в XVII в. Знания о ней значительно продвинулись вперед во время Международного полярного года 1882-83 г., когда были осуществлены базисные измерения высот облачности. Исключительный вклад в развитие проблемы был сделан в период Международного облачного года 1896-97 г..

По обширным материалам наблюдений Международного облачного года были изучены высоты основных форм облаков и облачных слоев, зависимость их от сезона года и времени суток, от температуры и давления у земной поверхности и т. п. Дальнейшие исследования высоты облаков были связаны в основном с новыми требованиями, поставленными перед метеорологией развитием авиации и нуждами ее обеспечения.

Вертикальная протяженность (толщина) облаков была более трудной для изучения. Первые представления о толщине облаков были получены при полетах на воздушных шарах. Мощную по вертикали облачную систему наблюдали, например, Баррель и Биксио в июле 1850 г. над Парижем. Уэлш и Глешер, производя в 1862 г. серию полетов для Британского ученого общества, показали, что толщина облаков может быть более 600 м. М. М. Поморцев, многократно совершавший полеты на воздушном шаре, пытался установить связь толщины облаков с характером осадков, указывая, что облака, имеющие толщину менее 600 м, дают мелкий дождь; облака толщиной от 600 до 1500 м обусловливают дождь с каплями среднего размера, а облака толщиной более 2000 м дают наиболее крупнокапельный дождь и град.

Ригенбах на вершине Зонтиса наблюдал грозовое облако толщиной около 10 км: основание его было на высоте 2800 м над уровнем моря, а вершина — на 13 000 м. Однако измерения толщины облаков были случайными, поскольку полеты на аэростатах осуществлялись преимущественно в хорошую погоду, а высота их подъема не превышала 4—4,5 км.

Полеты на воздушных шарах дали возможность получить первые сведения о расслоенности облаков. Феттин в 1882 г. обратил внимание на то, что на различных высотах облака образуются неодинаково часто. Позже анализ данных подъемов шаров-зондов позволил прийти к выводу, что слоистость атмосферы представляет собой весьма частое явление, а облака своим появлением отмечают лишь границы существующих слоев в атмосфере. Были определены также слои атмосферы, в которых облака наблюдаются наиболее часто, но причины этого явления, как и основные закономерности распределения расслоенной и нерасслоенной облачности, первоначально еще не могли быть выявлены.