Meteorologia nie tylko dla żeglarzy Krakowska Fundacja Żeglarstwa Sportu i Turystyki HALS Kraków 2017
Procesy pogodotwórcze i zjawiska atmosferyczne, elementy oceanografii, prognozowanie pogody na podstawie obserwacji własnych i komunikatów meteorologicznych, planowanie tras żeglugowych w zależności od spodziewanych warunków meteorologicznych. Odbiorcy: żeglarze wszystkich stopni, wodniacy, turyści i wszyscy, których interesuje umiejętność przewidywania pogody. Książka zalecana przez Komisję Szkolenia Polskiego Związku Żeglarskiego oraz przez Polski Związek Motorowodny i Narciarstwa Wodnego. Redaktor Wsparcie Merytoryczne Projekt okładki Skład i łamanie tekstu, reprodukcja rysunków DTP Korekta Anna Bobrowicz Maciej Sobolewski Mariusz Bartosik Artur Darłak AD-LINE, Kraków Barbara Cabała Witold i Zbigniew Czajewscy Zdjęcie autora w notce biograficznej kapitan Andrzej Drapella Copyright by Jacek Czajewski, 2017 Wydanie II poprawione i uaktualnione ISBN: 978-83-945194-0-7 Wydawca: Krakowska Fundacja Żeglarstwa Sportu i Turystyki HALS ul. Straszewskiego 27, 31-113 Kraków tel. 12 430 09 86 http://www.hals.krakow.pl Druk i oprawa Drukarnia Skleniarz, Kraków 2
Spis treści Od autora 5 1. POGODOWE ELEMENTY ATMOSFERY 7 1.1. Wiadomości wstępne 7 1.1.1. Meteorologia, pogoda, klimat 7 1.1.2. Budowa atmosfery 8 1.2. Ciepło i temperatura 10 1.2.1. Mechanizm nagrzewania się Ziemi i atmosfery 10 1.2.2. Równowaga atmosfery 13 1.2.3. Pomiary temperatury 14 1.3. Wilgotność i kondensacja pary wodnej 16 1.3.1. Pomiary wilgotności 17 1.4. Ciśnienie 18 1.4.1. Jednostki ciśnienia 18 1.4.2. Układy baryczne 19 1.4.3. Pomiary ciśnienia 22 2. ZJAWISKA METEOROLOGICZNE 25 2.1. Wiatr 25 2.1.1. Geneza wiatru 25 2.1.2. Kierunek wiatru 27 2.1.3. Zakłócenia kierunku i siły wiatru 33 2.1.4. Siła wiatru 36 2.1.5. Wiatry okresowe: bryzy i monsuny 40 2.1.6. Ogólna cyrkulacja atmosfery pasaty 43 2.1.7. Wiatry lokalne 47 2.1.8. Wiatromierze 52 2.2. Chmury 55 2.3. Mgły 65 2.3.1. Rodzaje mgieł 65 2.4. Opady atmosferyczne 67 2.5. Osady atmosferyczne 70 2.6. Inne meteory 71 2.7. Widzialność i jej anomalie 76 2.8. Fale i falowanie 85 2.9. Anomalie odbioru radiowego 95 3
3. FRONTY ATMOSFERYCZNE 101 4. PROGNOZOWANIE POGODY 109 4.1. Służby meteorologiczne 109 4.2. Mapy synoptyczne 109 4.3. Źródła informacji o pogodzie 115 4.4. Morskie komunikaty meteorologiczne 123 4.4.1. Ostrzeżenia 123 4.4.2. Komunikaty o pogodzie 124 4.4.3. Komunikaty lodowe 137 4.5. Przewidywanie pogody na podstawie obserwacji własnych 141 5. ZARYS NAWIGACJI METEOROLOGICZNEJ 157 5.1. Strategia 157 5.2. Taktyka 165 5.2.1. Żegluga w zasięgu cyklonu 167 5.2.2. Przykłady rozwiązań taktycznych 174 6. ZAŁĄCZNIKI 179 Załącznik nr 1 179 Angielsko-polski słownik terminów spotykanych w komunikatach meteorologicznych i ich skróty stosowane w komunikatach systemu NAVTEX Załącznik nr 2 185 Niemiecko-polski słownik wybranych terminów spotykanych w komunikatach meteorologicznych Załącznik nr 3 190 Skróty stosowane w komunikatach meteorologicznych systemu NAVTEX Załącznik nr 4 193 Wymagania Polskiego Związku Żeglarskiego (uchwała nr 42/Z/XXXVII z 23.07.2013 r.) z przedmiotu Meteorologia 7. BIBLIOGRAFIA 195
Od autora Dla przeciętnego śmiertelnika prognozowanie pogody ma w sobie coś z czarnej magii. Nawet oficjalne prognozy sporządzane przez profesjonalistów są przyjmowane z rezerwą. Bierze się to stąd, że krótkie komunikaty meteorologiczne ogólnie trafne dla dużych obszarów, których dotyczą lokalnie nie zawsze są zgodne we wszystkich szczegółach z późniejszą rzeczywistością. Bywa też, że mimo ogromnego postępu techniki, satelitów meteorologicznych i komputerów analizujących rozkłady ciśnień czy wiatrów nietypowa, szybko zmieniająca się sytuacja baryczna uniemożliwia wcześniejsze jej przewidzenie. Przykładem może być pamiętny, niezapowiedziany sztorm w 1979 r. podczas regat koło Fastnet, który zabrał życie 15 żeglarzom, zatopił 5 jachtów i zmusił załogi 23 innych jachtów do ich porzucenia. Z meteorologią jest po trosze jak z polityką czy historią, która niby wciąż się powtarza, ale nie sposób do końca przewidzieć jej biegu. Źródło pewnej nieufności do meteorologii tkwi również w naturalnym lęku człowieka przed siłami przyrody i w nieznajomości praw rządzących pogodą. Przełamaniu tej ostatniej bariery ma służyć niniejsza książka. Jej pierwsza wersja, wydana w 1988 r. przez Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, była pierwszym ogólnopolskim podręcznikiem meteorologii dla żeglarzy. Wcześniej wydane pozycje na temat meteorologii pisano z myślą o profesjonalistach, albo były skryptami o lokalnym zasięgu, rozprowadzanymi poza normalną siecią księgarń. Sytuacja ta dawała i daje o sobie znać niskim poziomem wiedzy z meteorologii, obserwowanym na egzaminach żeglarskich oraz w praktyce. Tragicznym w skutkach tego dowodem było zlekceważenie przez wielu żeglarzy widocznych oznak zbliżania się sztormowego szkwału w 2007 r. na Mazurach, wywrócenie i zatonięcie wielu jachtów i śmierć 11 osób. Podobne sytuacje, choć nie w tak dużej skali, zdarzały się również wcześniej i były dla mnie bodźcem do napisania, a następnie rozbudowania i uaktualnienia tego podręcznika w niniejszej edycji. Oczywiście nie oznacza to, że po jego przestudiowaniu Czytelnik będzie mógł bezbłędnie przepowiadać pogodę, konkurując z zawodowymi synoptykami, którym też nie zawsze się to udaje, chociaż mają dostęp do nieporównywalnie większego zasobu danych. W każdym razie książka powinna ułatwić zdawanie egzaminów i, co ważniejsze, pomóc w zrozumieniu procesów pogodotwórczych. Stąd już tylko krok do samodzielnego wyciągania wniosków z własnych obserwacji, dostosowania swych działań do warunków hydrometeorologicznych i ich przewidywania sztuki niezbędnej dla zapewnienia bezpieczeństwa podczas żeglugi, a możliwej do opanowania tylko przy połączeniu teorii z praktyką. Jacek Czajewski 5
rozdział1 POGODOWE ELEMENTY ATMOSFERY 1.1. Wiadomości wstępne 1.1.1. Meteorologia, pogoda, klimat Zanim przejdziemy do rozpatrywania szczegółowych zagadnień składających się na treść tej książki, spróbujmy na początku zdefiniować i usystematyzować kilka ogólnych pojęć stanowiących jej zasadnicze jądro. Pierwsze z nich występuje już w tytule książki. Jest nim meteorologia, czyli fizyka atmosfery dział geofizyki zajmujący się badaniem procesów atmosferycznych oraz zjawisk, które mają na nie wpływ, a zachodzą na powierzchni Ziemi. Meteorologia jest rozległą dziedziną nauki, w której można wyróżnić różne kierunki, jak np. meteorologię jądrową (badającą obecność pierwiastków radioaktywnych w atmosferze), chemiczną (badającą skład chemiczny powietrza), satelitarną, biometeorologię itp. Spośród tych dodatkowych kierunków nas będzie interesowała meteorologia synoptyczna obejmująca badania procesów atmosferycznych związanych z pogodą i jej prognozowaniem. Pogoda jest to istniejący w danym miejscu, chwilowy stan atmosfery ziemskiej określony przez zespół elementów i zjawisk pogodowych. Elementy pogodowe mają charakter ciągły (np. temperatura, ciśnienie, wilgotność), natomiast zjawiska meteorologiczne (zjawiska pogodowe) występują chwilowo lub okresowo (np. wiatry, chmury, opady, mgły). Wszystkie te zmienne i wzajemnie powiązane ze sobą elementy i zjawiska pogodowe tworzą łańcuchy przyczynowo-skutkowe ( np. chmura deszcz wilgotność temperatura). Powoduje to nieustanną zmienność pogody, jak też nie gwarantuje identycznej powtarzalności jej stanu w podobnych warunkach (np. w tych samych porach roku), a duża liczba czynników pogodotwórczych utrudnia jej prognozowanie. Warto zwrócić uwagę, że pojęcie pogoda jest na ogół potocznie utożsamiane z dobrą pogodą, tzn. słoneczną, bez opadów. Dobra żeglarska pogoda wymaga jeszcze wiatru o sile 2 4 o B (dla dużego żaglowca na morzu 4 6 o B). Ale przecież wszyscy znamy też określenie pieska pogoda (niektórzy mówią:,,barowa ), gdy pada albo wiatr zmiata z głów kapelusze, lub mróz i śnieżna zawieja paraliżują komunikację. Pamiętajmy więc, że pogoda jest zawsze, kwestia tylko jaka. Klimat jest to całokształt warunków pogodowych charakterystyczny dla danego obszaru lub miejsca, wynikający z położenia geograficznego i właściwości fizycznych 7
Rozdział 1 Pogodowe elementy atmosfery danego obszaru. O klimacie decyduje przede wszystkim szerokość geograficzna, wysokość nad poziomem morza, odległość od mórz i oceanów oraz ukształtowanie i pokrycie terenu. W dużym uproszczeniu klimat można utożsamić z przeciętną pogodą panującą w pewnym okresie na danym obszarze. W przeciwieństwie do pogody klimat charakteryzuje się stabilnością czasową i powtarzalnością nawet w wymiarze stuleci, aczkolwiek może się zmieniać okresowo wraz ze zmianą pór roku. Obszarem z danym klimatem może być wielki region geograficzny obejmujący kilka krajów lub niewielka dolina czy wyżyna. Nawet na obszarze Polski można zauważyć różnice klimatyczne między południowo-wschodnimi regionami o klimacie zbliżonym do kontynentalnego a wybrzeżem, gdzie przeważa klimat morski, nie mówiąc już np. o tzw. mikroklimacie Rabki. Generalnie strefy klimatyczne Ziemi czyli obszary o charakterystycznym, stabilnym klimacie rozciągają się równoleżnikowo, symetrycznie od równika po bieguny i przechodzą łagodnie jedna w drugą. Rozróżnia się następujące strefy klimatyczne: równikowa gorąca, o małych rocznych zmianach temperatur, wilgotna, z maksymalnymi opadami przy zenitalnym położeniu Słońca, z zaznaczeniem pór suchych; podzwrotnikowa bardzo gorąca latem, ciepła zimą, o zróżnicowanej ilości opadów i czasie ich występowania, okresowo lub stale sucha; umiarkowana o znacznym zróżnicowaniu temperatury i opadów; arktyczna czyli okołobiegunowa zimna i sucha. W każdej z tych stref, zależnie od wysokości i odległości od oceanów, istnieją różne typy klimatów: górski chłodny, z własnymi piętrami klimatycznymi, zwykle bardziej wilgotny niż na nizinach; morski o niewielkich wahaniach temperatury i dość dużych opadach (maksymalnych w zimie); śródziemnomorski ciepły, z suchym latem i deszczową zimą; monsunowy ciepły z suchą zimą i deszczowym latem, występuje w strefie podzwrotnikowej i umiarkowanej; kontynentalny o dużych rocznych wahaniach temperatury, bardzo niskiej temperaturze zimą, o niewielkich opadach (największych w lecie), charakterystyczny dla strefy podzwrotnikowej; pustynny skrajnie suchy, zwłaszcza w strefie zwrotnikowej i w głębi kontynentów strefy podzwrotnikowej i umiarkowanej. 1.1.2. Budowa atmosfery Kulę ziemską otacza warstwa powietrza o grubości sięgającej prawie tysiąca kilometrów, określana mianem atmosfery (rys. 1.1.). Gęstość powietrza szybko maleje ze zwiększaniem wysokości, tak że w dolnej części atmosfery, zwanej troposferą, znajduje się ok. 75% całej masy powietrza. Troposfera, której grubość wynosi ok. 8 km nad biegunem i dwukrotnie więcej nad równikiem, 8
Wiadomości wstępne Rys. 1.1. Podział atmosfery charakteryzuje się obniżaniem temperatury w miarę zwiększania wysokości. Warstwę, w której temperatura przestaje się obniżać, osiągając poziom od ok. -45 do ok. -80 o C, zależnie od pory roku i szerokości geograficznej, nazywamy tropopauzą. Grubość tropopauzy wynosi l 2 km i charakteryzuje się stałością temperatury w przekroju pionowym. Wyżej, aż do ok. 50 km rozciąga się stratosfera. Temperatura stratosfery ze wzrostem wysokości do ok. 25 km prawie nie wzrasta, utrzymując się na poziomie -55 o C, ale potem szybko podnosi się aż do ok. 0 o C w położonej na wysokości ok. 50 km stratopauzie. Ten wzrost tłumaczy się tym, że w stratopauzie i górnej części stratosfery 9
Rozdział 1 Pogodowe elementy atmosfery skupiają się największe ilości ozonu, tworząc tzw. ozonosferę, w której pod wpływem promieniowania słonecznego zachodzi egzotermiczna reakcja przekształcania tlenu O 2 w ozon O 3. Strefa ta stanowi drugie źródło energii ogrzewającej atmosferę (pierwszym i najistotniejszym jest nagrzewana Słońcem powierzchnia Ziemi). Ponad stratopauzą rozciąga się mezosfera, położona w granicach wysokości ok. 50 85 km. W miarę oddalania się od dolnej granicy mezosfery temperatura znów obniża się aż do ok. -80 o C w kolejnej strefie przejściowej, zwanej mezopauzą. Wyżej leży termosfera, której górna granica, sięgająca 800 km, jest uważana jednocześnie za granicę atmosfery. W wyniku absorbcji promieniowania słonecznego w zakresie najmniejszej długości fal, termosfera jest strefą ciągłego wzrostu temperatury, która w górnej warstwie tej strefy przekracza 1000 o C. Obszar leżący jeszcze wyżej jest strefą gazów bardzo rozrzedzonych i nosi nazwę egzosfery. W egzosferze temperatura poczyna się obniżać, by w przestrzeni międzyplanetarnej spaść do temperatury zera bezwzględnego, czyli ok. -273 o C. W obrębie mezosfery i większej części atmosfery czyli między ok. 50 a 400 km wysokości rozciąga się jonosfera. Jest to strefa dużej koncentracji swobodnych elektronów oraz jonów tlenu, azotu i tlenku azotu. Można wyróżnić kilka warstw maksymalnej jonizacji. Poniżej wysokości 90 km występuje tzw. warstwa D, między 90 a 160 km warstwa E, a między 160 a 400 km warstwa F. Wysokość i gęstość tych warstw zależą od pory doby, aktywności Słońca, promieniowania kosmicznego. Warstwy te odbijają fale radiowe i w związku z tym stan jonosfery ma ogromny wpływ na jakość i zasięg odbioru radiowego (patrz rozdz. 2.9.). Stan pogody zależy od procesów zachodzących w powietrzu troposfery. Wpływ wyższych warstw atmosfery na pogodę jest minimalny. Powietrze składa się w 78% z azotu i w 21% z tlenu. Reszta to dwutlenek i tlenek węgla, para wodna, ozon oraz gazy szlachetne: hel, neon, krypton, ksenon. Skład ten w obrębie troposfery, wciąż mieszanej prądami powietrznymi, jest w zasadzie stały. Wyjątek stanowi zmienna ilość pyłów oraz pary wodnej, której zawartość wynosi ok. 0,1% w okolicach biegunów i ok. 4% nad oceanami. Obydwa te składniki powietrza mają ogromny wpływ na kształtowanie pogody. 1.2. Ciepło i temperatura 1.2.1. Mechanizm nagrzewania się Ziemi i atmosfery Praprzyczyną wszelkich zjawisk pogodowych są zmiany temperatury zachodzące w atmosferze oraz ruch obrotowy Ziemi. Źródłem ciepła otrzymywanego przez Ziemię i jej atmosferę jest promieniowanie słoneczne. Promieniowanie to, przenikając przez prawie przezroczystą atmosferę, praktycznie biorąc, nie nagrzewa jej, nagrzewa natomiast powierzchnię Ziemi i dopiero ona przekazuje powietrzu energię cieplną. Dolne warstwy powietrza nagrzewają się przez przewodnictwo, a następnie jako lżejsze są unoszone do góry i ustępują miejsca zimnym, a więc cięższym warstwom. W ten sposób, drogą konwekcji, ogrzewa się atmosfera. Pewne ilości ciepła powstają 10