Niniejszy artykuł powstał na bazie rozmowy, którą przeprowadziliśmy pod koniec listopada z dr hab. Dorotą Matuszko, prof. UJ, wykładowcą z Zakładu Klimatologii Instytutu Geografii i Gospodarki Przestrzennej Uniwersytetu Jagiellońskiego. Dyskusja toczyła się nad tematem zjawiska chmur – pytaliśmy o to, czym są chmury, jak je rozpoznawać i klasyfikować oraz jakie zjawiska towarzyszące występują w ich pobliżu.
Chmura, to widoczny obraz ciągłych procesów parowania i kondensacji. Chmury widzimy dzięki rozpraszaniu światła słonecznego, gdy średnica cząstki chmury jest większa niż długość fali światła widzialnego, około 0,5 mikrona. (Haeckel 2004)
Chmura, czuły i efektywny wizualny wskaźnik stanu i zmian pogody (Warakomski 1969)
Chmura, łatwo uchwytny wzrokowo wynik oraz przejaw stanu i kierunku wielu procesów fizycznych zachodzących w atmosferze (Matuszko 2018).
Przewidywanie pogody na podstawie wyglądu chmur
Procesy fizyczne zachodzą w atmosferze nieustannie – ich wynik odczuwamy naszymi zmysłami, możemy je zmierzyć, zaobserwować. Procesy te bezpośrednio lub pośrednio oddziałują na wszystko co „zanurzone” w atmosferze, również na bezzałogowce. Stąd tak ważne jest zrozumienie tych procesów i świadomość ich zmienności oraz specyfiki.
Przy wykonywaniu lotów VLOS wystarczy krótkookresowa prognoza pogody z dobrego źródła i późniejsza świadoma obserwacja pogody w miejscu lotu. Jest to wystarczające, ponieważ loty VLOS rzadko kiedy są dłuższe niż 30 minut, a zmienność pogody nie jest aż tak gwałtowna, by drastycznie w tym czasie pogorszyły się warunki lotu. Najczęściej, loty VLOS wykonywane są multikopterami, dość odpornymi na działania wiatru (oczywiście w pewnym zakresie prędkości), zatem zawsze mamy czas na adekwatną reakcję, gdy oddziaływanie atmosfery zagrozi bezpieczeństwu lotu.
Przy lotach BVLOS, czyli zdecydowanie dalej niż w zasięgu wzroku, które są wykonywane zwyczajowo przy użyciu różnorakich odmian płatowców, trafne i świadome przewidywanie pogody zaczyna nabierać zupełnie innego znaczenia.
Właściwe rozpoznanie stanu atmosfery oraz przewidywania w zakresie kierunku zmian tego stanu mają kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa lotu. Stąd tak ważne jest przewidywanie pogody i umiejętne rozpoznawanie zjawisk atmosferycznych w kontekście zasięgu oddziaływania, czasu, przyczyn i skutków.
Oczywiście, sama obserwacja zachmurzenia nie wystarcza do podania wiarygodnej prognozy pogody, a jedynie może być uzupełnieniem prognozy sporządzonej przez synoptyka przy zastosowania nowoczesnych metod wykorzystywanych w służbie meteorologicznej.
Tutaj warto mieć sprawdzone żródło informacji meteo.
Zdarzają się jednak sytuacje synoptyczne, na przykład występowanie frontów atmosferycznych, które pozwalają z dużym prawdopodobieństwem przewidzieć zmianę pogody na podstawie obserwacji chmur.
Typowym zwiastunem pogorszenia pogody jest pojawienie się po zachodniej stronie nieba Cirrus uncinus. Na ogół zapowiada on nadejście frontu ciepłego i opady. Chmury Cirrus uncinus gęstnieją, obniżają się i kolejno po nich występują chmury Cirrostratus, Altostratus i najpóźniej następnego dnia Nimbostratus, które przynoszą opady ciągłe. Przed frontem ciepłym, w miejscu, gdzie ustępuje chłodne powietrze, tworzą się mgły, wiatr zmienia kierunek z południowo-wschodniego na południowo-zachodni lub zachodni.
Zatem w przypadku frontu ciepłego mamy najcześciej możliwość zaobserwowania i przewidzenia kierunku zmian pogody na 24h w przód.
Z nieco krótszym wyprzedzeniem możemy przewidzieć nadejście frontu chłodnego przynoszącego opady przelotne, burze, spadek temperatury, wzrost ciśnienia i zmianę kierunku wiatru. Zapowiedzią takiej zmiany jest chaotyczny wygląd nieba: najwyżej występują chmury Cirrus i Cirrocumulus, porozrzucane w różnych kierunkach, poniżej znajdują się Altocumulus lenticularis i Castellanus. W ciągu kilku godzin cięższe, chłodne powietrze wtłacza się pod lżejsze, ciepłe powietrze i wypycha je gwałtownie do góry, co powoduje pojawienie się rozbudowanych chmur kłębiastych. Stopniowo Cumulus mediocris przekształcają się w Cumulus congestus, niebo przybiera coraz groźniejszy wygląd, na horyzoncie pojawiają się niskie, ciemnosine chmury Cumulonimbus.
Jeśli różnica temperatury między powietrzem chłodnym a ciepłym jest silnie zaznaczona, wówczas Cumulonimbus są potężnie rozbudowane i towarzyszą im wyładowania elektryczne, silne porywy wiatru, oraz zależnie od pory roku, ulewne deszcze, śnieżyce, czasami nawet i grad.
Widzimy zatem, że chmury Cumulonimbus, tak niebezpieczne dla lotnictwa, mogą pojawiać się nie tylko latem, gdy mamy gorące dni i ciepłe noce, ale również zimą. Warto zatem o tym pamiętać planując latanie w zimnej porze roku.
Tworzenie się chmur kłębiastych (Cumulus) nie zawsze prowadzi do ich silnego rozbudowania w pionie, ale często, jeśli są to chmury Cumulus humilis, stanowi to potwierdzenie słonecznej, wyżowej pogody. Wówczas, powietrze z wyższych wysokości osiada, hamując rozwój prądów termicznych do określonej wysokości. Chmury takie przeważnie pojawiają się wcześnie rano, stopniowo rozwijając się z początkowej chmury Cumulus fractus, i zanikają w godzinach przedpołudniowych.
Dobrą pogodę zapowiadają także przejaśnienia za ustępującymi chmurami Stratocumulus bardzo wyraźnie odcinającymi się od czystego nieba. Gwarancją zachowania dobrej pogody są chmury rozrzucone na niebie i poruszające się powoli.
Wysokości poszczególnych rodzajów chmur
| Piętro/Rodzina | Rodzaj chmur | Obszary występowania |
|---|---|---|
| Wysokie | Cirrus Cirrocumulus Cirrostratus |
– polarne: 3-8km – strefa umiarkowana: 5-13km – strefa zwrotnikowa: 6-18km |
| Średnie | Altocumulus Altostratus Nimbostratus |
– polarne: 2-4km – strefa umiarkowana: 2-7km – strefa zwrotnikowa: 2-8km |
| Niskie | Stratus Stratocumulus |
– polarne: 0-2km – strefa umiarkowana: 0-2km – strefa zwrotnikowa: 0-2km |
| Cumulus Cumulonimbus |
Chmury o budowie pionowej |
Widzimy, że w każdej szerokości geograficznej występują wszystkie rodzaje chmur. Jednak im bardziej na południe, tym piętra średnie i wysokie zwiększają swą podstawę i szerokość.
Wystarczy zatem zapoznać się ze specyfiką i naturą występowania danych rodzajów chmur, by z większym bądź mniejszym prawdopodobieństwem przewidzieć zachowanie atmosfery, a co za tym idzie, świadomie wpłynąć na bezpieczeństwo lotów UAV.
Typowe obszary/powierzchnie jakie zajmują poszczególne rodzaje chmur – od czego zależy rozległość chmur
Wszystkie zjawiska atmosferyczne dzieją się w czasie. Ich zmienność, zmienność pogody czy zachmurzenia zależy od prędkości wiatru (czynnika, który przesuwa chmury po niebie), jak też obszaru jaki zajmują dane rodzaje chmur, a więc drogi, którą muszą pokonać w konkretnym czasie, aby sceneria pogodowa nieba uległa zmianie.
Od czego zatem zależy ten obszar? Najprościej ujmując, zależy on od sytuacji synoptycznej, czyli od tego, czy dany obszar jest w strefie oddziaływania wyżu czy niżu oraz jakie wraz z nimi występują fronty atmosferyczne.
Grubość chmur Stratus (St) i Stratocumulus (Sc) to około 500m, Cumulus (Cu) i Cumulonimbus (Cb) to około 3-4km. Z uwagi na to, że Cumulonimbus, to chmura o budowie pionowej, potrafi mieć ona grubość nawet powyżej 9-10km.
Altostratus (As) Nimbostratus (Ns) mają grubość ok 5-7km w pobliżu linii frontu, i 1-2km przy małej aktywności frontów.
Chmury strefy frontu ciepłego mogą mieć powierzchnię od 400km nawet do 1000km. Stąd, gdy np. nad Polskę dociera front ciepły, to kilka dni mamy zachmurzenie i opady, które trwają, dopóki cała rozległa na 1000 km masa, nie opuści granic naszego kraju.
Należy pamiętać o tym, że nad wzniesieniami podstawa chmur ulega obniżeniu. Często możemy zaobserwować tę sytuację w górach, gdy znajdujemy się na odpowiedniej wysokości w okolicach szczytu gdzie panuje piękna pogoda, a poniżej widzimy gęste morze chmur.
Trudne do przewidzenia ruchy powietrza/chmury występujące w terenie górskim (zachowania pogody trudne do przewidzenia na poszczególnych terenach – równinach, wyżynach, górach itp)
Dotychczas, powiedzieliśmy sobie o zjawiskach atmosferycznych i chmurach, które są w miarę długoterminowe. Są jednak zjawiska nagłe w swej naturze, występujące lokalnie i charakterystyczne dla określonego rodzaju obszaru.
Chmury orograficzne mogą tworzyć się poniżej poziomu wierzchołka przeszkody, na jego poziomie lub powyżej. Ich wygląd może się różnić od postaci każdego z 10 rodzajów chmur, ale zawsze są one zaliczane do któregoś z tych rodzajów. Najczęściej, są to chmury rodzaju Altocumulus, Stratocumulus, Cumulus lub Stratus.
Wał fenowy
Wydłużone wzgórza lub pasma górskie mogą powodować tworzenie się po ich stronie dowietrznej chmur opadowych, które powstają wskutek kondensacji powietrza wznoszącego się po stoku. Tworzy się wówczas czapa z chmur, ściśle przylegająca do grani masywu górskiego (rzadziej przylega tylko do najwyższych szczytów grani). Istotną cechą wału fenowego, odróżniającego go od innych formacji chmur, jest istnienie rozległych warstw chmur po stronie dowietrznej oraz gwałtowne „ucięcie” chmur po stronie zawietrznej.
Wał fenowy zazwyczaj bywa klasyfikowany jako Stratocumulus, ponieważ często charakteryzuje się skłębieniem i jednoczesnym wygładzeniem wierzchołków silnym wiatrem. Przyjmuje zatem formę warstwy o strukturze kłębiastej, układającej się równolegle do przebiegu grzbietu górskiego w postaci długiej bariery (warstwy).
Chmura sztandarowa
Chmura ta powstaje zawsze po zawietrznej stronie góry wskutek podciśnienia wywołanego opływaniem przez powietrze masywu górskiego. Gwałtowne obniżanie ciśnienia związane z silnym przepływem powietrza sprzyja kondensacji pary wodnej i powstaniu chmury.
Przypomina ona powiewającą chorągiew, ściśle przylega do wierzchołkowej części masywu i potrafi ciągnąć się nieraz na znaczą odległość od szczytu góry. W literaturze polskiej stosowane są również nazwy „sztandar chmurowy”, „chmura flagowa” , „chorągiew chmurowa”, “dymienie gór”.
Chmura czapowa
Często obserwowaną chmurą orograficzną przykrywającą wierzchołek odosobnionej góry jest czapa chmurowa. Ma ona kształt kapelusza, dysku lub spodka. Od chmury sztandarowej różni się tym, że otacza szczyt góry ze wszystkich stron i bardzo często jest symetryczna. Tylko pozornie czapa chmurowa wydaje się być nieruchoma i zawieszona. Obserwując ją przez dłuższy czas, dość szybko można zauważyć przemieszczające się postrzępione drobne elementy. Czapa chmurowa bywa podobna do zjawiska towarzyszącego pileus, lecz to ostanie zawsze powstaje bezpośrednio nad chmurami Cumulus i Cumulonimbus . W początkowej fazie rozwoju kapelusz chmurowy tworzą chmury Stratus fractus lub Cumulus fractus. Dojrzała forma, przyjmująca kształt dysku, z reguły jest opisywana przez obserwatorów jako Stratocumulus lenticularis. Niekiedy można spotkać też odmianę duplicatus, która składa się z dwóch lub większej liczby warstw usytuowanych jedna nad drugą (Matuszko, Soroka 2013).
Chmury falowe
Modyfikacja prądów powietrznych przez masywy górskie sięga do środkowej i wyższej części troposfery. Silny przepływ powietrza oraz istnienie dwóch sąsiadujących odmiennych mas powietrza powodują pojawianie się chmur flagowych z gatunku lenticularis. Są to chmury typowe dla sytuacji fenowej. W zależności od wysokości, na której pojawia się zafalowanie, mogą to być chmury Stratocumulus, Altocumulus, a sporadycznie także Cirrocumulus. W specyficznych warunkach chmury z gatunku lenticularis mogą pojawić się w odmianie duplicatus – przypominają wówczas stos/stertę talerzy (pile d’assittes).
Chmury stokowe i grzbietowe
Chmury te mogą przyjmować bardzo zróżnicowane formy, od nieregularnych strzępów, przez skłębione bryły, aż po długie walce. Zazwyczaj chmurami stokowymi (zboczowymi) są chmury Stratus fractus oraz Cumulus fractus lub humilis. W przypadku sprzyjającej konwekcji na zboczu mogą wykształcić się chmury Cumulus mediocris, a sporadycznie także Cumulus congestus. Zanik prądów wstępujących wzdłuż zboczy prowadzi do przekształcenia wymienionych chmur w Stratocumulus cumulogenitus.
Jak mawiali starożytni „panta rei” – wszystko płynie… i dobitnie widać to po zmienności i ogromie ilości czynników, których wypadkową nazywamy pogodą. Choćby ogólna świadomość prawidłowości i zależności przyczynowo-skutkowej w stanie atmosfery, może nas uchronić od błędnych decyzji w zakresie bezpieczeństwa lotów UAV. Świadomość ta może też pomóc świadomie planować loty, by pogoda nie była przypadkowym „towarzyszem” podniebnych wędrówek, a sprzymierzeńcem w uzyskiwaniu określonych i zaplanowanych efektów. Bo przecież chmury i pogoda nie tylko wpływają na bezzałogowce, ale też często pięknie wyglądają, a to w odpowiednich okolicznościach przyrody może dostarczyć niezapomnianych widoków. Warto więc czasem nie tylko latać ale i spojrzeć w niebo…
Na tym kończymy pierwszą część, ogólną i zarazem wstępną poradnika analizy pogody dla operatora UAV, i… podniebnego fotografa. 😉
.
Pilot UAV, partner firmy SPH Engineering z Łotwy - producenta rozwiązań technologicznych UAV dla przemysłu, nauki i nie tylko, programu do planowania misji autonomicznych UgCS i "Tańczących dronów".
Świetna pierwsza część poradnika. Oczekuję na ciąg dalszy z niecierpliwością.