Wykład 5

Rozpoznawanie chmur i opadów

W normalnej praktyce meteorologicznej oraz przy prognozowaniu na

własny użytek szczególnie istotne jest regularne dokonywanie obserwacji nieba. Z

wielu obserwacji, pamiętania poprzedniego wyglądu chmur możemy dojść do

uprawnionych wniosków co do dalszego rozwoju procesu w atmosferze. W trakcie

obserwacji przede wszystkim musimy stwierdzić, czy :

- chmury znajdują sie na jednym czy też widoczne jest więcej poziomów;

- jaka jest w przybliżeniu podstawa i ewentualnie górna granica;

- czy możliwe jest określenie ruch chmur,

Z tych wymogów widać, że dla obserwacji chmur należy znaleźć się w miejscu, gdzie

jest odkryty horyzont, ale nie należy przesadzać, bowiem obserwacja chmur blisko

horyzontu skutkuje błędem paralaksy – czyli wydaje się nam, że przy horyzoncie jest

znacznie większe zachmurzenia jak nad nami. Na obserwacje należy poświęcić

chwilę czasu, szczególnie dla oceny ruchu chmur. Dla określenia kierunku ich

przemieszczania najlepiej jest wybrać pionowo ustawiony słup czy pień i tak stanąć,

aby wybrany fragment chmury przesuwał się wzdłuż niego. Gorzej jest na lotnisku

czy morzu, gdzie raczej nie ma słupów, ale wówczas korzystając z kompasu można

przy pewnej wprawie także określić ruch chmur.

Kolejnym elementem obserwacji jest stwierdzenie, z jakim podstawowym

typem chmur mamy do czynienia – czy z kłębiastymi, warstwowymi czy z

pierzastymi. Chmury kłębiaste mają przede wszystkim „kalafiorowaty” wygląd

górnej granicy, mniej lub bardziej wypiętrzony oraz zawsze występują przerwy

pomiędzy nimi. W przerwach może być widoczna następna, wyższa warstwa chmur

lub błękit nieba. Chmury warstwowe są jednolite, czasami cienieją i grubną, na ogół

te pofałdowania mają regularną strukturę. Chmury tego typu kończą się raptownie,

pełna warstwa zachmurzenia zanika i niekiedy przez pół nieboskłonu widać pełne

pokrycie, na pozostałej części już nie ma chmur. Chmury pierzaste mają jedwabistą,

włóknistą strukturę, zawsze prześwieca przez nie słońce i księżyc, a nawet silniejsze

gwiazdy i nie sposób pomylić je z chmurami warstwowymi, a tym bardziej z

kłębiastymi. Dodatkową, istotną informacją jest wysokość podstawy chmur, niekiedy

możliwa do bezpośredniej oceny (góry, wysokie budynki, maszty), ale na ogół

mierzona instrumentalnie na stacjach czy podawana przez pilotów.

Zasadnicze kłopoty w rozpoznawaniu chmur pojawiają się przy chmurach

złożonych – kłębiasto-warstwowych. Chmury Stratocumulus i Altocumulus mogą

bowiem występować w warstwie pełnego zachmurzenia i tylko przeświecać (Sc, Ac

translucidus) lub z drobnymi przerwami (Sc, Ac perlucidus). Gdy przerwy robią się

dość duże upodabniają się do chmur Cumulus, ale od gęstego zachmurzenia

cumulusami odróżniają się tym, że Sc tworzy równoległe wały chmur, zaś widoczne

ich górne granice nie mają „kalafiorowatego” kształtu. Górna granica chmur Sc jest

płaska, niekiedy tylko wystrzelają ponad tą warstwę „wieżyczki” - odmiana

castelanus.

W czasie obserwacji chmur zwracać należy uwagę na struktury falowe,

dość często występujące na poziomie chmur średnich nawet na nizinach, zaś po

zawietrznej stronie gór są prawie stałym elementem zachmurzenia. Wyraźne

„soczewki” chmur średnich wskazują na istnienie falowego zaburzenia ruchu

powietrza – albo na skutek przeszkody (pasma gór) albo na skutek zbliżającego się

frontu. Fala zawsze ułożona jest równolegle do powodującego je zaburzenia - frontu

lub pasma gór. Wielowarstwowe chmury średnie świadczą o licznych inwersjach - na

ogół frontowych, a poziom ich występowania mówi o poziomie ewentualnego

rozlewania się chmur kłębiastych - nawet gdy chmury średnie już odejdą lub zanikną

nad naszym obszarem. Zdarza sie, że dotychczasowa, jednolita warstwa chmur

średnich zaczyna wykazywać pocienienia (As tra), układające się w wyraźną

strukturę falową. To także dowodzi zwiększania się wiatru z wysokością.

Szczególne znaczenie prognostyczne mają chmury piętra wysokiego i

średniego. Obserwacje chmur wysokich i średnich najlepiej jest prowadzić, gdy

słońce znajduje się nisko nad horyzontem, widać wówczas wyraźnie na jakim są

poziomie. Pierzaste cirrusy ułożone w kształcie szkieletu ryby (Ci vertebratus) są

charakterystyczne dla istniejącego w wysokich warstwach prądu strumieniowego.

Charakterystyczne chmury Ci radiatus zbiegające się do horyzontu i stopniowo

zaciągające niebo są prawie pewnym zwiastunem zbliżania się frontu (ciepłego lub

okluzji). Istotne jest rozróżnianie między cirrostratusem a altostratusem – przyjęto, że

gdy przez chmury warstwowe przyświeca słońce a ich gęstość jest taka, że widać

cień to jest Cs, gdy cienia już nie widać to nad nami jest chmura As. Także łatwy do

zastosowania jest sposób rozróżniania chmur kłębiastych cirrocumulus i altocumulus.

Gdy baranki są mniejsze jak 1o kątowy (szerokość wyciągniętego, małego palca dłoni

to chmury należy klasyfikować jako Cc, gdy są większe, to klasyfikuje się jako Ac.

Duże trudności stwarza rozróżnianie między grubą warstwą chmur Stratus

a cieniejącym Nimbostratusem. Zazwyczaj St zalega niżej i ma mniejszą gęstość

optyczną (jest jaśniej). Określenie wysokości podstawy przy braku szczegółów jest

trudne, wobec tego musimy zastosować obserwację w czasie. Gdy poprzednio padał z

chmur deszcz (zimą śnieg) a obecnie stopniowo przejaśnia się należy sądzić, że nad

nami jest cieniejący Nimbostratus. Gdy poprzednio nie było opadów lub padała co

najwyżej mżawka (zimą śnieg ziarnisty) to mamy do czynienia z grubą warstwą

chmury Stratus.

Początkowa faza rozwoju chmur kłębiastych może dostarczyć istotnych

informacji o dalszym przebiegu konwekcji w ciągu letniego dnia. Pojawienie się

pierwszych cumulusów w formie Cu fra na niskim poziomie (400-600 m), potem

niejednokrotnie ich zanik i ponowne pojawianie się cumulusów na poziomie 1000-

1200 m świadczy o znacznym spadku wilgotności z wysokością i tendencji do

występowania małej ilości zachmurzenia lub termiki bezchmurnej. Pojawianie się Cu

później, od razu na wyższych wysokościach (800-1000 m) świadczy o normalnym

przebiegu wilgotności z wysokością i dalszym, stopniowym podnoszeniu się podstaw

oraz stabilizowaniu się ilości zachmurzenia konwekcyjnego w ciągu dnia. Pojawienie

się od razu dużej ilości chmur Sc-Cu (6-7/8) bezpośrednio po zlikwidowaniu inwersji

podniesionej świadczy o wzroście wilgotności z wysokością i silnej turbulencji masy.

W takim przypadku albo wystąpi prawie pełne pokrycie chmurami Sc (jeśli wyżej

jest inwersja wyżowa) albo szybki rozwój konwekcji w postaci Cu cong w dużej

ilości.

Wielość gatunków, rodzajów i odmian chmur sprawia kłopoty w

klasyfikowaniu obrazu nieba, często bowiem jednocześnie widać różne rodzaje

chmur – nawet tego samego piętra. Dlatego też, mając na uwadze potrzebę w miarę

precyzyjnego przekazania depeszą stanu zachmurzenia na stacji obserwacyjnej,

stworzono i przyjęto do stosowania algorytm kodowania chmur w depeszach

synoptycznych. Obserwator, po rozpoznaniu gatunków, rodzajów i odmian ustala

według algorytmu jaką liczbą klucza powinien zakodować widziane na nieboskłonie

chmury. Liczbom klucza są przyporządkowane graficzne symbole chmur, które wnosi

się na mapy synoptyczne. Symbole te stosuje się też w mapach prognoz – szczególnie

lotniczych, część z nich będzie wymagana w testach.

Algorytm jest tak skonstruowany, aby chmury potencjalnie wiążące się z

niebezpiecznymi zjawiskami miały wyższy numer kodu, zaś zasadą jest, aby

stosować w depeszy wyższą liczbę z danego piętra. Na przykład jeśli występuje 6/8

pokrycia nieba przez chmury Cu med i con (LK 2) oraz 1/8 pokrycia nieba przez Cb

(LK 9) w depeszy jako chmury niskie koduje się 9. Należy o tej zasadzie pamiętać

przy rozkodowaniu surowych danych – szczególnie jeśli stacje są rzadko położone.

Tabela. Kodowanie chmur niskich

LK symbol nazwa określenie

1 Cu hum Cumulusy o niewielkim rozwoju, pięknej pogody

2 Cu med, con Cumulusy o umiarkowanym i dużym rozwoju

3 Cb cal Cumulonimbus bez rozwianej górnej części

4 Sc cugen Stratocumulus pochodzący z rozpostarcia się Cu lub Cb

5 Sc Warstwa chmur Stratocumulusa (tra, per, len)

6 St fra Stratus fractus, postrzępiony, złej pogody

7 - - - St neb Stratus nebulosus, mglisty, jednolity

8 Sc ^ Cu Warstwa Stratocumulusa nad chmurami Cu

9 Cb cap Cumulonimbus mający rozwiany wierzchołek, często z kowadłem

Podobnie kwalifikowane są chmury średnie,

LK symbol nazwa określenie

1 As Altostratus przeświecający

2 Ns Nimbostratus, chmura opadowa, gruba i ciemna

3 Ac Altocumulus w jednej warstwie

4 Ac len Altocumulus soczewkowaty, w jednej lub kilku warstwach

5, 7 Ac/As Altocumulus i Altostratus razem, na jednym lub kilku poziomach

6, 8, 9 Ac Altocumulus różnych gatunków i odmian (cugen, cas, flo)

Chmury wysokie, o mniejszym znaczeniu pogrupowałem po kilka liczb klucza

LK symbol nazwa określenie

1, 2, 3 Ci Cirrus różnych odmian, nie zaciągające nieba

4, 5, 6 Ci, Cs Cirrus i Cirrostratus stopniowo zaciągające niebo

7, 8 Cs Cirrostratus nie w pełni i w pełni pokrywający niebo

9 Cc Cirrocumulus różnych odmian

Dane o zachmurzeniu w depeszach ze stacji synoptycznych podawane są

przez człowieka – obserwatora, z oczywistych względów nie poddają się prostej

automatyzacji. W depeszach ze stacji automatycznych wielkość zachmurzenia i

rodzaj chmur nie jest kodowany. Także gdy niebo nie jest widoczne (na skutek mgły,

zamieci lub ciemności) nie podaje się rodzaju chmur, a zamiast podstawy widzialność

pionową (jeśli jest określona przez urządzenie lub pomiar).

Dla potrzeb lotnictwa obserwacje i pomiary chmur prowadzi się równie

wnikliwie, natomiast stosowane kody są inne. Zasadnicze różnice są następujące

● wielkość zachmurzenia koduje się jedynie w 4 przedziałach

Wielkość zachmurzenia

Skrót w depeszy

objaśnienie

1/8 - 2/8 FEW Małe zachmurzenie, nieco chmur 3/8 – 4/8 SCT Umiarkowane, chmury porozrzucane, przerywane 5/8 – 7/8 BKN Duże zachmurzenie, chmury „połamane”

8/8 OVC Pełne zachmurzenie

● Powyższymi skrótami określającymi przedziały zachmurzenia koduje się

każdą warstwę chmur zalegającą nad lotniskiem, od najniższej w jednostkach

po 100 stóp (ft) czyli po 30 m. Dla przykładu : występuje 2/8 chmur St o

podstawie 60 m, 5/8 chmur Cu o podstawie 680 m, a nad nimi pełna warstwa

Sc o podstawie 1050 m, wówczas koduje się zachmurzenie „FEW002 BKN022

OVC070” ;

● Wyróżnia się, podając o nich informacje w depeszy, jedynie dwa rodzaje

chmur CB i TCU (towering cumulus) – cumulus congestus, pozostałe rodzaje i

odmiany chmur nie są określane w depeszy ;

● Gdy pomierzona jest podstawa powyżej 1500 m nad lotniskiem i nie występują

CB lub TCU to stosuje się określenie NSC (no significant couds) ;

● Gdy także widzialność jest powyżej 10 km stosuje się w depeszy określenie

CAVOK (Clouds and Visibility OK)

Opady i osady, ich formy i związek z rodzajami i gatunkami chmur

Jak podano w materiale „Chmury z bliska” krople chmurowe do promienia

25 mikrometrów tworzą się drogą kondensacji pary wodnej na jądrach kondensacji.

Następnie ich wzrost odbywa się poprzez koalescencję (zlewanie się) oraz drogą

parowania wody z kropli i przechodzenia jej na kryształy śniegu, które szybko rosnąc

opadają w niższe wysokości i topią się. Krople o promieniu powyżej 1000

mikrometrów (jeden milimetr) opadają już z prędkością 4 m/s - powstaje deszcz.

Gdy chmury składają się wyłącznie z prawie jednakowych elementów

(kropel lub kryształków lodu – na przykład Stratus lub Cirrus) i nie są zróżnicowane

elektrostatycznie opad nie powstaje. Proces zlewania się kropel w chmurze ciepłej

(tylko z fazą wodną) jest mało wydajny. Dopiero pojawienie się dużej ilości jąder

krystalizacji w postaci kryształków lodu z zalodzonego wierzchołka chmury lub z

innych wyżej leżących chmur powoduje lawinowy wzrost tych kryształków i ich

opadanie. W chmurach warstwowych o dużej grubości - (Ns, niekiedy As) opad

deszczu powstaje w sposób spokojny, poprzez stopniowe narastanie kryształów

śniegu, które zaczynają opadać i topią się poniżej izotermy 0oC. Z tego powodu

deszcz lub śnieg z chmur warstwowych ma małą lub umiarkowaną intensywność.

W chmurach warstwowych niewielkiej grubości (do 1000 m) i leżących

nisko (St i Sc) opady tworzą się drogą koalescencji. Powstające krople mżawki mają

niewielką średnicę (do 0,5 mm), ich prędkość opadania wynosi 2 m/s. Mniejsze

krople mżawki poddawane są ruchom turbulencyjnym, mżawka osadza się na

roślinach lub "wisi" w powietrzu. Odpowiednikiem mżawki w okresie zimy jest śnieg

ziarnisty. Rozpoznać deszcz od mżawki jest łatwo obserwując kałuże - jeśli tworzą

się kręgi od padających kropel mamy do czynienia z deszczem, jeśli nie widać

kręgów to z mżawką.

W chmurach kłębiastych rozbudowanych pionowo (Cu cong, Cb)

występują silne prądy wstępujące potrafiące utrzymać nawet duże krople i kawałki

lodu. Struktura prądów wznoszących i opadających jest zmienna, masy kropel i

cząstek lodu przemieszczają się wielokrotnie, z obszarów temperatur ujemnych do

dodatnich, silnie narastając. Tworzy się grad, który osiągać może znaczne rozmiary -

od 5 do 50 mm, zaś w obszarach podzwrotnikowych i tropikalnych do kilkunastu

centymetrów. W warunkach Europy środkowej chmury konwekcyjne nie

rozbudowują się tak znacznie, większa część gradzin topi się zanim doleci do podłoża

dając deszcz przelotny, ale też notuje się poważne straty od opadów gradu. Także

opady deszczu z takich chmur charakteryzują się gwałtownością, nawalnością i

skrajnym zróżnicowaniem terytorialnym.

Opady marznące są szczególną formą opadów oddziaływającą na

komunikację. Istotną przyczyną takich opadów jest występowanie silnej inwersji

temperatury, która przy ziemi jest zdecydowanie ujemna, zaś wyżej dodatnia.

Padający deszcz nie zdąży zamarznąć przelatując przez warstwę zimnego powietrza,

ale temperatura kropelek deszczu spada poniżej zera, tworzy się deszcz marznący. W

zetknięciu z wychłodzoną ziemią, roślinami, budynkami krople rozlewają się i

natychmiast zamarzają pokrywając wszystko gładką powłoką lodową. Tworzy się

wówczas gołoledź. Popularnie mówi się o gołoledzi także, gdy mamy do czynienia z

ubitym i wyślizganym śniegiem na ulicach i chodnikach, ale prawidłowa nazwa

takiego zaniedbania dozorców i MPO to śliskość pośniegowa. W przypadku

występowania mżawki marznącej osadzający się lód ma formę porowatą - kropelki

zamarzają nie rozlewając się na powierzchni.

Należy wspomnieć też o opadach stałych. Śnieg został już wcześniej

omówiony, duże i ładnie uformowane płatki śniegu świadczą o grubych chmurach i

spokojnym przebiegu procesu powstawania opadu. Grad jak wspomniano powstaje w

intensywnie rozbudowanych chmurach konwekcyjnych. W słabiej rozbudowanych

chmurach konwekcyjnych (zazwyczaj wiosną) tworzą się opady stałe o charakterze

przelotnym - krupy śnieżne, drobne kuleczki matowego lodu o średnicy ok. 2-3 mm.

Ziarna lodowe (deszcz lodowy) to ponownie zamarznięte w przyziemniej warstwie

powietrza krople deszczu. Padają zwykle z chmur warstwowych frontu ciepłego.

Śnieg ziarnisty w postaci białych kulek o średnicy około 1 mm powstaje z chmur St

lub mgły oczywiście przy temperaturze poniżej zera. Zawieszone w powietrzu słupki

lodowe tworzą pył, który może pojawiać się przy niskich ujemnych temperaturach

nawet przy braku chmur.

Ostatnią z form hydrometeorów są osady. Zalicza się do nich wspomnianą

gołoledź; rosę, która jest produktem bezpośredniej kondensacji pary wodnej na

wychłodzonej powierzchni ziemi; szron będący wynikiem bezpośredniej sublimacji

pary wodnej do lodu, ma postać łusek, wachlarzy itp; szadź która powstaje na skutek

zamarzania na przedmiotach i roślinach przechłodzonych kropelek mgły lub chmury,

osadza się głównie ze strony nawietrznej tworząc w górach fantastyczne formy.

Tabela. Formy opadów występujące z różnych rodzajów chmur

HydrometeoryRodzaje chmur

As Ns Sc St Cu CbDeszcz 1 2 1 1 3

Mżawka 1 2Śnieg 1 3 1 1 3Grad 3

Krupy śnieżne 2 2 3Śnieg ziarnisty 2Ziarna lodowe 1 2 2Słupki lodowe 1 1

Cyfry na przecięciu wierszy i kolumn oznaczają możliwą intensywność opadów

1 – słabe 2 – umiarkowane 3 – silne

Należy podkreślić, że obserwacje i kodowanie chmur nie zniknęły wraz z

rozwojem metod satelitarnych i radarowych. Są bowiem „dokuczliwe” rodzaje chmur

(Stratus), które nie zobrazowują się na zdjęciach satelitarnych w podczerwieni i są

przenikalne bez istotnego odbicia dla dalekosiężnych radarów, a znacząco wpływają

na komunikację, energetykę, a także w wielkich obszarach (części oceanu) na bilans

radiacyjny Ziemi. Wnikliwy meteorolog, na podstawie podanych w depeszy

rodzajach i gatunkach chmur oraz form opadów i osadów wyrobić sobie pogląd o

aktualnym procesie pogodowym. Także zachowanie długoletnich i jednolitych

ciągów pomiarowych ma istotne znaczenie dla klimatologii.

MOst, 29.10.06

PS

Dla dociekliwych dwa zdjęcia chmur z tegorocznych wakacji na Bałtyku, sugeruję

próbę diagnozy rodzajów i gatunków chmur – pomysły proszę posyłać na forum.

Pierwsze zdjęcie wykonane w Kłajpedzie, w godzinach południowych w kierunku

SW, wiał dość silny wiatr z południa, ciśnienie wolno spadało, temperatura 26 stopni.

Drugie zdjęcie wykonane w porcie Lipawa, w kierunku wschodnim, w dzień. Wiał

silny wiatr zachodni, temperatura 18 stopni, ciśnienie wzrastało.