Как и чем метеорологи измеряют параметры облачного покрова?

Облака влияют на температуру воздуха, количество поступающей солнечной радиации, формирование осадков и циркуляцию атмосферы. Поэтому метеорологам важно знать не только то, какие облака находятся над определённой территорией, но и насколько плотно они закрывают небо, на какой высоте располагаются и как изменяются со временем. Ведь даже небольшое изменение площади облачного покрова способно повлиять на энергетический баланс атмосферы: плотные облака могут ограничивать поступление солнечного света днём, но одновременно препятствовать потере тепла земной поверхностью в ночное время.

В наше время для изучения облачного покрова используются автоматические приборы, лазерные установки, метеорологические радиолокаторы и спутники. Однако ещё пару столетий назад наблюдателям приходилось обходиться преимущественно собственными глазами, зарисовками и сравнением увиденного с описаниями.

Под облачным покровом понимают совокупность всех видов облаков, наблюдаемых над определённой местностью в конкретный момент времени. При его исследовании обычно определяют несколько основных характеристик:

• Облачность — долю небосвода, закрытую облаками. Её выражают в процентах, баллах или октантах.
• Высоту нижней границы облаков — расстояние от поверхности земли до основания облачного слоя.
• Высоту верхней границы — положение верхней части облачного массива.
• Количество облачных слоёв — число различимых по высоте и структуре облачных ярусов.
• Форму и тип облаков — например, перистые, слоистые, кучевые, кучево-дождевые и т.д.
• Оптические характеристики — способность облаков отражать, поглощать и пропускать солнечное излучение.

На большинстве современных метеостанций мира одним из наиболее распространённых устройств для определения высоты нижней границы облаков служит цеилометр (ceilometer). Принцип его работы основан на технологии лидара. Прибор посылает короткий лазерный импульс вертикально вверх. Достигнув облака, свет рассеивается на капельках воды и кристаллах льда. Часть излучения возвращается обратно (отражённый сигнал). Измерив время между отправкой импульса и получением отражённого сигнала, прибор вычисляет расстояние до облачного основания. Современные цеилометры способны обнаруживать несколько облачных слоёв одновременно.

Если цеилометр преимущественно используется для измерения высоты нижней границы облаков, то более сложные системы позволяют изучать их вертикальную структуру. Так, метеорологические лидары исследуют атмосферу с помощью лазерного излучения. Они дают информацию о распределении облачных частиц и аэрозолей, позволяют определять границы облачных слоёв и исследовать тонкие высокие облака, состоящие преимущественно из ледяных кристаллов.

Другой тип устройств – облачные радиолокаторы, - используют радиоволны, отражающиеся от облачных капель и ледяных частиц. Они позволяют оценивать вертикальную протяжённость облаков, особенности их внутренней структуры, движение частиц и некоторые характеристики осадков.

Особое место в современных исследованиях занимают спутники. Наземная станция наблюдает только сравнительно небольшую область неба, тогда как спутниковая аппаратура позволяет получать информацию об облачности над огромными территориями. Оптические приборы на метеоспутниках регистрируют отражённое солнечное излучение. По полученным изображениям можно определить расположение облачных массивов, их форму и площадь. Инфракрасные датчики измеряют тепловое излучение облаков и земной поверхности. Это помогает оценивать температуру верхней границы облаков, а с использованием атмосферных моделей и дополнительных данных — определять её высоту.

Спутниковые наблюдения позволяют:

• определять долю облачного покрова на больших территориях;
• отслеживать перемещение циклонов и атмосферных фронтов;
• наблюдать за развитием мощных грозовых облаков;
• изучать сезонные и многолетние изменения облачности.

Однако у спутникового метода есть ограничения: например, высокие облака могут закрывать расположенные ниже слои, а высоту нижней границы облаков по обычному спутниковому изображению определить затруднительно. Поэтому спутниковые данные дополняют наземными измерениями.