5.2. Распределение учебного времени

Практическая часть курса	Часы
Практическая работа 1 Практическая работа 2 Практическая работа 3 Практическая работа 4 Практическая работа 5 Практическая работа 6 Практическая работа 7 Всего	7 7 4 6 4 4 2 34

6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

6.1. Рекомендуемая литература

Основная литература:

1. Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. – М. Изд. Московского университета. 1994.

2. Волошина А.П., Евнович Т.В., Земцова А.И. Руководство к лабораторным занятиям по метеорологии и климатологии. – М. Изд. Московского университета. 1995.

3. Монин А.С. Введение в теорию климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1982.

4. Будыко М.И. Климат в прошлом и будущем. – Л.: Гидрометеоиздат, 1980.

Дополнительная литература:

1. Круглов Н. М. Исследование температурного режима почвы в саду: Методические рекомендации. – Мичуринск, 1982. – 37 с.

2.Федосеев А. П. Агротехника и погода. – Л.: Гидрометеоиздат, 1979. – 240 с.

6.2.Средства обеспечения освоения дисциплины

Для самостоятельной работы и углубления знаний, кроме основной литературы, студенты могут использовать дополнительную учебную, научную литературу и монографии, рекомендуемые преподавателем. В учебном процессе необходимо применять наглядные и технические средства обучения (слайды, плакаты и компьютерные презентации), активные формы занятий.

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Для реализации примерной программы необходимы соответствующие гидрометеорологические приборы, макеты, стенды, лабораторные установки.

II. Основное содержание курса «Метеорология и климатология»

1. Введение в курс. Основные понятия

Метеорология – наука о земной атмосфере и происходящих в ней процессах. Метеорология изучает:

- состав и строение атмосферы;

- теплооборот и тепловой режим в атмосфере и на земной поверхности;

- влагооборот и фазовые превращения воды в атмосфере, движение воздушных масс;

- электрические, оптические и акустические явления в атмосфере.

Одна из главных задач метеорологии - прогноз погоды на различные сроки.

Основным разделом метеорологии является физика атмосферы – наука, изучающая физические свойства и процессы, происходящие в атмосфере. К метеорологии относятся:

- агрометеорология – наука, изучающая метеорологические, климатические и гидрологические условия, имеющие значение для сельского хозяйства;

- аэрология – раздел метеорологии, изучающий физические процессы и явления в свободной атмосфере (выше приземного слоя) и методы их исследования;

- аэрономия – раздел метеорологии, изучающий верхние слои атмосферы, где существенны диссоциация атмосферных газов и их ионизация;

- биометеорология – научная дисциплина, изучающая влияние физических и химических процессов, происходящих в атмосфере, воздействие климата и погоды на человека, животных и растения;

- динамическая метеорология – раздел метеорологии, занимающийся изучением атмосферных процессов в тропосфере и нижней атмосфере с целью численного прогноза погоды с использованием методов гидромеханики, термодинамики и теории излучения;

- синоптическая метеорология – раздел метеорологии, посвященный изучению крупномасштабных атмосферных процессов: возникновение и перемещение циклонов и антициклонов, воздушных масс и атмосферных фронтов;

- спутниковая метеорология – исследование атмосферных процессов планетарного масштаба с помощью искусственных спутников Земли, специально оборудованных и выведенных на определенные орбиты.

Климатология – наука о климате, его формировании, географическом распределении и изменении во времени. Климатология входит в систему географических наук, но опирается на выводы метеорологии.

Основные задачи климатологии состоят в изучении атмосферных процессов за длительный период, обобщении результатов измерений параметров погоды во всех пунктах наблюдений с определением их средних и экстремальных величин и повторяемости сочетаний отдельных метеорологических элементов.

Прикладными отраслями климатологии являются:

- биоклиматология – раздел климатологии, изучающий влияние климатических факторов на жизненные процессы и функции человека, животных и растений;

- динамическая климатология – раздел климатологии, рассматривающий климат как результат процессов общей циркуляции атмосферы;

- агроклиматология – раздел климатологии, связанный с практическими запросами сельского хозяйства и изучающий климат как фактор сельскохозяйственного производства;

- палеоклиматология – наука об истории изменений климата Земли.

Климатология тесно связана с метеорологией. Понимание закономерностей климата возможно на основании тех общих закономерностей, которым подчинены атмосферные процессы. Поэтому при анализе причин возникновения различных типов климата и их распределения по Земному шару климатология исходит из понятий и законов метеорологии.

Атмосфера Земли – газовая оболочка, окружающая Землю и вращающаяся вместе с ней как единое целое. В атмосфере происходят многообразные физические процессы, непрерывно меняющие ее состояние.

Состояние атмосферы у земной поверхности, а также и в более высоких слоях называют погодой. Характеристики погоды, такие как температура и влажность воздуха, атмосферное давление, ветер, облачность, осадки, туманы, метели, грозы, видимость и прочее, носят название метеорологических элементов.

Изменения погоды у земной поверхности имеют большое значение для сельского хозяйства и многих других областей хозяйственной деятельности человека. Погода в более высоких слоях атмосферы влияет на работу авиации. Атмосферные процессы на разных высотах связаны между собой. Поэтому для полноценного изучения погоды у земной поверхности необходимо изучать как приземные, так и более высокие слои атмосферы.

В любом месте Земли погода в разные годы протекает по-разному. Однако при всех различиях отдельных дней, месяцев и лет в каждой местности можно различать вполне определенный климат.

Климат представляет собой совокупность атмосферных условий, присущую данной местности в зависимости от ее географической обстановки. Под географической обстановкой подразумевается не только положение местности, т. е. широта, долгота и высота над уровнем моря, но и характер земной поверхности, орография, почвенный покров и пр. Атмосферные условия более или менее сильно меняются в годовом ходе – от зимы к лету и от лета к зиме. Совокупность этих условий несколько меняется и от года к году. Но от одного многолетнего периода к другому совокупность атмосферных условий меняется лишь в самых ограниченных пределах, причем эти изменения имеют характер колебаний то в одном, то в другом направлении. Климат, таким образом, обладает устойчивостью. Поэтому климат и является одной из физико-геогра­фических характеристик местности, одной из составляющих географического ландшафта. А так как между атмосферными процессами и состоянием земной поверхности (включая и Мировой океан) существуют тесные связи, то и климат связан с другими географическими характеристиками, с другими составляющими географического ландшафта.

Фактические сведения об атмосфере, погоде и климате получают из наблюдений. Анализ результатов наблюдений служит в метеорологии и климатологии для выяснения причинных связей в изучаемых явлениях. Непрерывно наблюдая за атмосферными процессами, человек является зрителем и регистратором тех грандиозных опытов, которые ставит сама природа без его участия.

Метеорологические наблюдения – это измерения и качественные оценки метеорологических элементов: температуры и влажности воздуха, атмосферного давления, направления и скорости ветра, облачности, типа и интенсивности осадков, видимости. Совместно с метеорологическими элементами обычно определяются величины, непосредственно не отражающие свойств атмосферы, но тесно связанные с ними. Это температура почвы или поверхностного слоя воды, испарение, высота и состояние снежного покрова, продолжительность солнечного сияния и т. п. Производят также наблюдения над солнечным и земным излучением и над атмосферным электричеством.

Метеорологические наблюдения над состоянием атмосферы вне приземного слоя, до высот около 40 км, носят название аэрологических наблюдений. От них отличаются по методике наблюдения над состоянием высших слоев атмосферы, которым можно дать название аэрономических наблюдений.

Наиболее полные и точные наблюдения производятся в метеорологических и аэрологических обсерваториях, имеющихся во всех странах мира. Число таких обсерваторий, однако, невелико. Кроме метеорологических обсерваторий, наблюдения над основными метеорологическими элементами ведутся еще на многих тысячах метеорологических станций и многих сотнях аэрологических станций по всему Земному шару.

Для изучения географического распределения метеорологических элементов и сравнения состояния атмосферы (погоды и климата) в различных местах Земли необходимо, чтобы метеорологические станции в каждой стране и во всех странах мира вели наблюдения по возможности однотипными приборами, по единой методике, в определенные часы суток. Поэтому станции в каждой стране и в мировом масштабе должны составлять единое целое – сеть метеорологических станций, метеорологическую сеть. В каждой стране, в том числе и в России, существует государственная сеть метеорологических станций, отвечающая указанному выше требованию – единообразной и согласованной работе. Государственные метеорологические сети строятся таким образом, чтобы для любой точки территории страны можно было с достаточной точностью получить данные о текущих условиях погоды и климате местности. В равнинных условиях для получения достаточно полной характеристики погоды необходимо иметь сеть станций, расположенных на расстоянии 50 км друг от друга, в горных местностях – меньше 30-40 км.

Сейчас на Земном шаре имеются многие тысячи метеорологических станций. Наблюдения производятся также и на тысячах торговых судов. Для регулярных наблюдений в океанах применяются специальные корабли погоды (метеорологические суда), находящиеся в определенных районах Мирового океана. В настоящее время существуют и автоматические станции, длительное время работающие без вмешательства человека.

Для успешного прогнозирования погоды синоптикам необходимо оперативно получать текущую информацию о погоде со всего мира. С этой целью в 1968 году была создана Всемирная служба погоды. На сегодняшний день почти 9000 метеорологических станций мира участвуют в международном обмене данными. Ежедневно каждые три часа в строго определенные сроки: 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18 и 21 час по всемирному времени на всех метеорологических станциях регистрируется скорость ветра, облачность, температура воздуха и атмосферное давление. Отмечается общий характер погоды, например, наличие дождя или тумана в данной местности. После этого данные зашифровываются специальным синоптическим кодом и передаются в региональные или областные Гидрометцентры. Оттуда данные поступают в межрегиональные центры и, в конце концов, оказываются в трех мировых центрах данных (Москва, Вашингтон, Мельбурн). Оттуда все эти сведения передаются метеослужбам всех стран мира для анализа, изучения, включения в модельные расчеты, построения синоптических карт и разработки прогнозов погоды.

Основные положения, на которых строится деятельность гидрометеорологической службы, разрабатываются и утверждаются Всемирной службой погоды, работу которой координирует Всемирная метеорологическая организация (ВМО). Эта организация возникла как мировое сообщество метеорологов в 1873 г. ВМО осуществляет обмен метеорологической информацией между всеми службами, следит за соблюдением единства методов наблюдений, заботится о распространении и обмене результатами научных исследований в области метеорологии. Сегодня Всемирная метеорологическая организация является одним из специализированных агентств Организации Объединенных Наций. 23 марта 1950 г. вступила в силу Конвенция Всемирной метеорологической организации, и бывшая неправительственная организация была преобразована в межправительственную. Теперь каждый год 23 марта празднуется Всемирный день метеоролога. Празднование этого дня привлекает внимание населения к той пользе, которую метеорология приносит для социально-экономического развития стран во всем мире.

Метеорология и связь с другими науками. В земной атмосфере происходят различные тепловые явления, движения воздуха в горизонтальном и вертикальном направлениях, конденса­ция водяного пара, приводящая к образованию облаков и осадков; в атмосфере наблюдаются также электрические, све­товые и звуковые явления. Все эти явления совершаются в атмосфере не изолированно, а в тесном взаимодействии с процессами, происходящими на поверхности почвы, воды, ра­стительного покрова и т. д. Такая поверхность называется подстилающей. Между ней и атмосферой происходит непре­рывный обмен теплом и влагой. Термин «Метеорология» происходит от греческих слов «метеор» – небес­ное явление и «логос» – учение.

Предметом изучения метеорологии является атмо­сфера – воздушная оболочка, окружающая земной шар.

С качественной и количественной стороны физическое сос­тояние атмосферы и процессы, совершающиеся в ней, харак­теризуются так называемыми метеорологическими элемента­ми. Наиболее важными для жизни и хозяйственной деятель­ности человека являются следующие элементы: температура и влажность почвы, давление воздуха, температура и влаж­ность воздуха, облачность, осадки, ветер и др. Часто эти эле­менты называются элементами погоды. Они находятся меж­ду собой в тесной взаимной связи и всегда действуют сов­местно, проявляясь в весьма сложных и изменчивых сочета­ниях.

В атмосфере постоянно осуществляется преобразование лу­чистой энергии; происходит круговорот тепла, влаги и различ­ных примесей; развиваются оптические, электрические и многие другие явления.

Одной из основных задач метеорологии является физическое объяснение явлений и процессов, происходящих в атмосфере, установление их причинно-следственных связей и закономерно­стей развития.

Процессы, происходящие в атмосфере, возникают и разви­ваются в основном в результате превращений энергии, посту­пающей к Земле от Солнца. При изучении этих процессов широко используются законы, установленные в различных об­ластях физики (гидромеханике, термодинамике, учении о лучи­стой энергии и т. д.). Поскольку атмосфера находится в посто­янном взаимодействии с поверхностью Земли, при изучении процессов, происходящих в ней, учитывается также влияние географических факторов (характера поверхности, особенностей рельефа и т. д.). Это сближает метеорологию – науку в основном физическую – с географическими науками. Кроме того, метеорология тесно связана с гидрологией и океанологией, с которыми ее роднит взаимосвязь процессов, происходящих в жидкой и газообразной оболочках Земли, а также с рядом дисциплин прикладного характера.

Наблюдения над погодой за многолетний период времени позволяют определить климат данной местности. Климат с количественной стороны обычно характеризуется средними величинами метеорологических элементов и предельными зна­чениями их, выведенными на основании многолетних наблюдений.

Метеорология и климатология связаны с рядом других дисциплин. Особенно большая связь существует между метеорологией и физикой, поскольку метеорология изучает физические процессы, совершающиеся в атмосфере. При изуче­нии этих процессов метеорология широко использует современные методы физического исследования. Поэтому развитие метеорологии самым тесным образом связано с развитием физики.

Задачи современной метеорологии не ограничиваются объяснением физической сущности атмосферных явлений и процессов. Достижения передовой науки должны быть направлены на удовлетворение практических потребностей человека. В связи с этим практическими задачами метеорологии являются:

1) обеспече­ние народного хозяйства метеорологической информацией с целью наиболее полного и эффективного использования благоприятных условий погоды и климата и сокращения до минимума ущерба от опасных метеорологических явлений;

2) повышение оправдываемости увеличения заблаговременности про­гнозов метеорологических условий, в том числе опасных метео­рологических явлений.

Расширение и углубление наших знаний о процессах и явле­ниях, происходящих в атмосфере, привело к выделению ряда самостоятельных наук (научных дисциплин), имеющих свои объекты изучения и выработавших свои методы и приемы ис­следований. К таким наукам относятся прежде всего: физика атмосферы, изучающая физические закономерности атмосфер­ных явлений и процессов; синоптическая метеорология, изучаю­щая погоду и методы ее предсказания; динамическая метеоро­логия, изучающая теоретические вопросы физики атмосферы с широким использованием современного математического аппа­рата; климатология, изучающая средний режим погоды отдель­ных районов в зависимости от их географического положения и физико-географических особенностей.

В связи с определяющим влиянием земной поверхности на физические процессы, происходящие в атмосфере и особенно в ее нижнем, так называемом пограничном, слое (высотой до 1,5 км), выделена физика пограничного слоя атмосферы. Про­цессы, происходящие в более высоких слоях атмосферы (до не­скольких десятков километров), изучает аэрология или физика свободной атмосферы. Наконец, в связи с интенсивным разви­тием космонавтики в последние годы значительное развитие получила аэрономия - наука, изучающая высокие слои атмосферы (более 100 км) с помощью метеорологических и геофи­зических ракет и искусственных спутников Земли.

В процессе практического использования метеорологических сведений выделились и продолжают выделяться некоторые прикладные отрасли метеорологии. Важнейшие из них: сельскохо­зяйственная метеорология, авиационная метеорология, космиче­ская метеорология, морская метеорология, медицинская метео­рология, военная метеорология и др.

Значение метеорологии для практической деятельности человека Изучение атмосферных явлений, знание причин их возникнове­ния, а также умение предсказывать эти явления имеют боль­шое практическое значение. Это, в свою очередь, является мощ­ным стимулом развития метеорологии.

Физическое состояние атмосферы в большой степени влияет на все виды деятельности людей, а в некоторых случаях является решающим фактором. В наибольшей зависимости от атмосферных процессов нахо­дятся сельское и водное хозяйства, авиация, мореплавание, ры­боловство, все виды транспорта, энергетика, строительство, коммунальное хозяйство, здравоохранение и др.

По данным некоторых ученых, ущерб, который наносят народному хозяйству нашей страны наводнения, засухи, бури, лавины, составляет 5-7 млрд. руб. в год. Убытки от замороз­ков, градобитий, пыльных бурь и селей ежегодно составляют примерно 1 млрд. руб. Трудно подсчитать ущерб, который на­носят народному хозяйству метели, снежные заносы, гололед, туманы. На борьбу с этими явлениями затрачиваются крупные денежные средства. Из-за неблагоприятной погоды большие убытки несет транспорт, в частности авиация.

Естественно, возникает вопрос, можно ли сократить до мини­мума ущерб от неблагоприятных условий погоды. В этой связи рассмотрим, как в практической деятельности, с одной стороны, используются благоприятные погодные условия, а с другой сто­роны, учитываются неблагоприятные погодные условия для того, чтобы путем соответствующих мер борьбы ослабить при­чиняемый ими вред.

Сельское хозяйство. Развитие и продуктивность сельскохо­зяйственных культур в значительной степени определяются влажностью почвы и воздуха, количеством осадков, света, тепла. Наблюдение за этими условиями, оценка всей их сово­купности и выдача соответствующих рекомендаций являются компетенцией метеорологов. Современная метеорологическая информация помогает сельскохозяйственным организациям разумно планировать различные сельскохозяйственные работы. Оценка метеорологических условий важна для выбора сроков сева, введения удобрений и уборки урожая. Опыт показывает, что правильный учет метеорологических условий при определе­нии сроков сева и при внесении удобрений увеличивает урожаи на 15-25 %. Большое значение для экономики страны имеет долгосрочный прогноз урожая. Такие прогнозы заблаговременностью в несколько месяцев оправдываются вполне удовлетво­рительно: в среднем на 90 % для озимых культур и несколько ниже для яровых.

В последние годы в нашей стране и за ру­бежом проводится защита ценных сельскохозяйственных куль­тур от градобитий с помощью искусственных воздействий на градовые процессы, происходящие в облаках. Сейчас под противоградовой защитой в нашей стране находится площадь около 7 млн. га. Как показывает опыт, регулярные воздействия на градовые облака уменьшают потери урожая в 3-4 раза.

Авиация. При строительстве аэродромов и выборе воздуш­ных трасс необходимо иметь данные о погодных и климатических условиях: о наиболее вероятных направлениях и скорости ветра у земли и на различных высотах, о частоте появления тумана и др. Учет метеорологических факторов крайне важен при выборе маршрута и режима полета и позволяет увеличить безопасность полета и создать более комфортабельные условия для пассажиров. При полетах необходимы сведения о наличии облаков, о возможности сильного обледенения, о возникнове­нии электрических разрядов, способных поразить самолет. Важное значение для обеспечения безопасности полета имеют дальность видимости, облачность, скорость и направление ветра. Для каждого типа самолета существует строго опреде­ленный минимум высоты облачности и дальность видимости на взлетно-посадочной полосе. Поэтому необходимо точно пред­сказывать за несколько часов высоту нижней границы облаков и дальность видимости. При взлете и посадке встречный ветер уменьшает длину пробега самолета. Особенно большое значе­ние имеет учет струйных течений на высотах около 9-11 км, где скорость ветра превышает 100 км/ч. Скорость самолетов Ту-154 и Ил-62 под влиянием температуры воздуха может изменяться на 40–50 км/ч, а у сверхзвуковых самолетов при полете в стратосфере повышение температуры может привести к изменению скорости более чем на 100 км/ч.

Коммунальное хо­зяйство, энергетика, транспорт и строительство. Метеорологическая информация и прогнозы широко используются министерствами и ведомствами для планирова­ния выработки электроэнергии, распределения топлива, водных ресурсов, принятия мер защиты от наводнений, планирования работы речного флота и обеспечения бесперебойной работы ав­томобильного и железнодорожного транспорта в сложных ме­теорологических условиях.

Предприятиям энергетики необходимо иметь прогнозы среднесуточной температуры воздуха для составления планов выработки электроэнергии и расходов топлива. Для ре­гулирования работы магистральных газопроводов и распределе­ния подачи газа промышленным предприятиям и населению в зависимости от ожидаемых погодных условий требуются ре­гулярные данные о максимальной и минимальной температуре воздуха.

Большое значение имеет метеорологическая информация о заморозках, резких понижениях температуры воздуха, сильных ветрах, метелях, гололеде, наводнениях, дождевых и селе­вых паводках и снежных лавинах. Своевременные предупреж­дения соответствующих народнохозяйственных организаций и населения о возникновении этих явлений позволяют значительно уменьшить ущерб от них и в ряде случаев предотвра­тить человеческие жертвы.

Метеорология и контроль состояния природной среды. В современную эпоху научно-технического прогресса, роста производства и потребления проблема сохранности природной среды и рационального использования природных ресурсов при­обретает важнейшее значение. Решение этой проблемы состоит в нахождении оптимальных форм взаимодействия человека с природой в процессе его хозяйственной деятельности, т. е. в научно обоснованном потреблении природных ресурсов и це­лесообразном преобразовании природной среды. В этом важном деле метеорология призвана сыграть значительную роль.

Некоторые из происходящих сейчас изменений природной среды очевидны. К ним относятся загрязнение воздуха городов вредными примесями, загрязнение рек сточными водами, а мо­рей – нефтью, гибель лесов и т. д. Вместе с этим в природной среде под влиянием антропогенных факторов происходят бо­лее сложные, хотя и менее очевидные, изменения. Например, увеличение выбросов двуокиси серы (SO₂) и соответственно увеличение продуктов ее превращения и распространение их в атмосфере и т.д.

Наблюдения за метеорологическими явлениями в естествен­ных условиях долго оставались единственным методом изуче­ния атмосферы. Однако сейчас в практику метеорологических исследований начинают быстро входить лабораторный экспе­римент и опыты в природных условиях. Опыты по моделирова­нию физических процессов в облаках проводятся в специальных камерах, в которых можно создавать искусственные облака и в течение долгого времени наблюдать за их развитием. Здесь можно также имитировать восходящие и нисходящие потоки воздуха вместе с каплями и ледяными кристаллами при температуре и давлении, имеющиеся на высотах 5-6 км. Путем исследования прохождения звуковых волн от искусственных взрывов на земной поверхности и на больших высотах можно получить представление о строении атмосферы, а также о рас­пределении плотности и температуры воздуха по высоте. Прожекторное зондирование, радиолокация, лазерная локация все чаще используются в качестве экспериментальных методов ис­следования атмосферы.

Наконец, рассмотрим одно из наиболее эффективных совре­менных средств воспроизведения структуры и динамики реального объекта (в нашем случае–атмосферы) – математическое моделирование. Математическая модель представляет собой систему формул и уравнений, позволяющих получать числовую и графическую информацию об объекте. Эта система обычно настолько сложна, что для ее решения приходится использо­вать аппарат вычислительной математики и быстродействующие электронные вычислительные машины. Сейчас составление всех видов прогнозов погоды (краткосрочных и долгосрочных) не­мыслимо без использования моделирования. На очереди созда­ние математической модели взаимодействия океана и атмо­сферы, которая позволит глубже понять сложный механизм, формирующий погоду и климат нашей планеты.