5913
.pdfотносятся 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.
Метеорология тесно связана с климатологией - наукой о климате, то есть о совокупности атмосферных условий, свойственных той или иной местности, в зависимости от ее географической обстановки.
Второй вопрос. Изучение атмосферных явлений, знание причин их возникновения, умение предсказывать эти явления имеет 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, медицина и др.
Научное изучение атмосферы ведет свое начало с XYII века - века бурного развития других естественных наук. Тогда были изобретены первые метеорологические приборы: термометр Галилея, 1597 г., барометр Торричелли, 1643 г., дождемер, флюгер и т.д.Эти приборы дали возможность проводит инструментальные исследования за температурой, давлением, осадками, ветром. В конце XYII в. - начале XYIII в. в некоторых европейских странах были сделаны попытки организовать одновременные наблюдения за погодой и климатом. В результате был получен большой материал.
Следующий этап развития метеорологии начинается работами гениального русского ученого М.В.Ломоносова. В середине XYIII века он изобрел и изготовил ряд метеорологических приборов, в том числе анемометр (прибор для измерения скорости ветра) и морской барометр. Ломоносов разработал схему образования грозы, высказал мысль о необходимости
21
создания самопишущих приборов для регистрации атмосферных явлений, указал на возможность предсказывать погоду.
Начало регулярных метеорологических наблюдений в России было положено при Петре I. Открытая в Петербурге в 1725 г. Академия обязана была «производить повсюду метеорологические наблюдения». В 1849 году в России открылось первое в мире научное метеорологическое учреждение - Главная физическая (ныне геофизическая) обсерватория. В XIX веке и в других странах также начинает развиваться сеть метеорологических станций, организуются научно-исследовательские институты и обсерватории.
Важным стимулом для развития метеорологии в XIX веке явилось открытие ряда физических законов (газовых, излучения, термодинамики, гидростатики и гидродинамики) и успешное применение их для объяснения многих атмосферных явлений. Так были заложены основы физики атмосферы,
авпоследствии и динамической метеорологии.
ВXX веке метеорология переходит в новую форму развития всвязи с дальнейшими успехами физических наук и общим техническим прогрессом. Благодаря изобретению радиозонда П. А.Молчановым в 1930 г. Наземные метеорологические наблюдения дополнились аэрологическими наблюдениями.
Вдвадцатых годах XX века усилиями норвежских ученых школы Бьеркнеса было создано учение о воздушных массах и атмосферных фронтах, которое впоследствии получило успешное развитие в нашей стране.
Вгоды Великой Отечественной войны метеорологи внесли свой вклад в планирование и обеспечение успешных боевых действий Красной Армии, за что большое число специалистов-метеорологов награждено орденами и медалями.
Впоследующие годы были достигнуты значительные успехи в исследовании атмосферы с помощью ракет и искусственных путников Земли. Получили дальнейшее развитие радиолокационные методы исследования атмосферы.
22
Тема № 6 «Синоптическая метеорология»
(2 часа)
1.Понятие синоптической метеорологии
2.Синоптический анализ
Основная литература
1. С. П. Хромов, М. А. Петросянц Метеорология и климатология : Учеб. для студентов вузов.- М. : Изд-во МГУ, 2001.
Дополнительная литература
1.Д.В. Бояркин Методические указания «Учение об атмосфере» - Н.Новгород: ННГАСУ, 2007.
2.Г.С. Соловьев, А.И. Родионов, Ю.П. Кузнецов Защита биосферы от промышленных выбросов. - М. : Химия, КолосС, 2005.
3.А.А. Исаев Экологическая климатология : Учеб. пособие для геогр. гидрометеорол. экол. спец. вузов и колледжей - М. : Науч. мир, 2003.
Контрольные вопросы к теме о составе атмосферы
1.Что такое синоптическая метеорология?
2.Что называется погодой?
3.Что такое синоптический анализ?
4.Назовите основные принципы синоптического анализа
Первый вопрос. Синоптической называется метеорология, изучающая закономерности развития атмосферных процессов для предсказания погоды.
Погодой называется состояние атмосферы в определенный момент или промежуток времени над любым пунктом или районом земного шара. Погода характеризуется совокупностью значений метеорологических величин, важнейшими из которых являются давление, температура и влажность воздуха, ветер, облачность, атмосферные осадки, и особых явлений, таких, как туман, гроза, метель, пыльная (песчаная) буря и др.
Изменения погоды можно предвидеть, как правило, только на основе изучения распределения метеорологических величин над географическими районами глобального масштаба, то есть соизмеримыми с размерами океанов и
23
континентов. Для анализа погоды в глобальном масштабе на географические карты специальными условными знаками и цифрами наносятся значения метеорологических величин, а также особые явления погоды, определяемые в единый момент времени на обширной сети метеорологических станций. Такие карты получили название синоптических карт. В настоящее время вместо термина «синоптическая карта» применяется термин «карта погоды». Карта погоды составляется как по наблюдению у поверхности Земли, так и по аэрологическим наблюдениям для различных уровней или поверхностей. Это дает возможность проводить трехмерный анализ.
Второй вопрос. Синоптические карты дали название синоптическому методу изучения и предсказания погоды, основанному на выявлении физических закономерностей развития атмосферных процессов с помощью этих карт. Синоптический метод является мощным средством изучения атмосферных процессов крупного масштаба. Являясь географическим по форме, этот метод имеет глубокую физическую сущность: он позволяет на основе законов физики атмосферы исследовать и выявлять причины изменения погоды.
В настоящее время синоптический метод получает новое содержание в связи с созданием объективных форм анализа и гидродинамических (численных) методов прогноза полей метеорологических элементов.
Основным приемом синоптического анализа является сопоставление характеристик погоды, нанесенных на карты погоды. При этом сопоставляются:
−значения одной и той же метеорологической величины в разных пунктах, на разных высотах за один и тот же момент времени;
−значение различных метеорологических величин в одном и том же пункте, в разных пунктах, на разных высотах за один и тот же момент времени;
−значения одного или различных метеорологических элементов в последовательные моменты времени как в одном, так и в разных пунктах.
Основными принципами синоптического анализа являются:
−Комплексность анализа.
24
−Трехмерность анализа.
−Историческая последовательность анализа.
При правильном анализе не должна нарушаться логическая последовательность развития атмосферных процессов. Важнейшими достоинствами синоптического метода являются его наглядность и оперативность.
Тема № 7 «Радиация в атмосфере»
(2 часа)
1.Радиация в атмосфере
2.Спектральный состав солнечной радиации
Основная литература
1. С. П. Хромов, М. А. Петросянц Метеорология и климатология : Учеб. для студентов вузов.- М. : Изд-во МГУ, 2001.
Дополнительная литература
1.Д.В. Бояркин Методические указания «Учение об атмосфере» - Н.Новгород: ННГАСУ, 2007.
2.Г.С. Соловьев, А.И. Родионов, Ю.П. Кузнецов Защита биосферы от промышленных выбросов. - М. : Химия, КолосС, 2005.
3.А.А. Исаев Экологическая климатология : Учеб. пособие для геогр. гидрометеорол. экол. спец. вузов и колледжей - М. : Науч. мир, 2003.
Контрольные вопросы к теме о составе атмосферы
1.Что такое электромагнитная радиация
2.какова длина волны электромагнитных волн
3.Что такое синоптический анализ?
4.Назовите основные принципы синоптического анализа
Первый вопрос. Электромагнитная радиация, которую просто называют солнечной радиацией, радиацией или излучением, есть форма материи, отличная от вещества. Частным случаем ее является видимый свет, но к ней относят также не воспринимаемые глазом гамма-лучи, рентгеновы лучи,
25
ультрафиолетовые, инфракрасные лучи, радиоволны.
Радиация распространяется по всем направлениям от источника радиации, излучателя, в виде электромагнитных волн разной длины, со скоростью, очень близкой к 300000 км/сек. Электромагнитными волнами называются распространяющиеся в пространстве колебания, то есть периодические изменения электрических и магнитных сил; они вызываются движением электрических зарядов в излучателе.
Температурную радиацию с длинами волн от 0,002 до 0,4 мк называют ультрафиолетовой. Она невидима, то есть не воспринимается глазом. Радиация от 0,4 до 0,75 мк - это видимый свет, воспринимаемый глазом.
Свет с длиной волны около 0,40 мк - фиолетовый, с длиной волны около 0,75 мк - красный. На промежуточные длины волн приходится свет всех цветов спектра. Радиация с длинами волн более 0,75 мк и до нескольких сотен микронов называется инфракрасной; она, также как и ультрафиолетовая, невидима.
Коротковолновая радиация располагается в диапазоне коротких волн длиной от 0,1 до 4 мк. Данная радиация включает в себя видимый человеческому глазу свет (0,4 - 0,75 мк), ближайшие к нему по длине волны ультрафиолетовую и инфракрасную радиацию.
Второй вопрос. Радиацию, приходящую к земной поверхности непосредственно от Солнца, называют прямой солнечной радиацией, в отличие от радиации, рассеянной в атмосфере.
Проходя сквозь атмосферу, солнечная радиация частично рассеивается атмосферными газами и аэрозольными примесями и переходит в особую форму рассеянной радиации. Она частично поглощается молекулами газов и примесями и переходит в теплоту, то есть идет на нагревание атмосферы, а частично достигает земную поверхность и нагревает ее. Какая-то часть рассеянной радиации, отражаясь, уходит в межпланетное пространство.
Приток солнечной радиации в кал. на земную поверхность или на любой вышележащий уровень в атмосфере характеризуется интенсивностью радиации
26
I, то есть количеством лучистой энергии, поступающей за единицу времени (одну мин) на единицу площади (кв.см), перпендикулярной солнечным лучам. Эту величину называют еще потоком радиации, а также плотностью потока радиации.
Приток солнечной радиации на горизонтальную поверхность часто называют инсоляцией, хотя этот термин применяется и в более общем значении.
Интенсивность солнечной радиации перед ее вступлением в атмосферу (на верхней границе атмосферы) называют солнечной постоянной. Она не зависит от поглощения и рассеяния радиации в атмосфере, поскольку на нее атмосфера не влияет. Солнечная постоянная зависит, таким образом, только от излучательной способности Солнца и от расстояния между Землей и Солнцем.
В каждом месте поглощение меняется с течением времени в зависимости
от:
−переменного содержания в воздухе примесей;
−высоты Солнца над горизонтом, то есть от толщины слоя воздуха, проходимого лучами сквозь атмосферу на пути к земной поверхности.
Тема №8 «Тепловой режим атмосферы»
(2 часа)
1.Понятие теплового режима
2.Годовой ход температур
Основная литература
1. С. П. Хромов, М. А. Петросянц Метеорология и климатология : Учеб. для студентов вузов.- М. : Изд-во МГУ, 2001.
Дополнительная литература
1.Д.В. Бояркин Методические указания «Учение об атмосфере» - Н.Новгород: ННГАСУ, 2007.
2.Г.С. Соловьев, А.И. Родионов, Ю.П. Кузнецов Защита биосферы от
27
промышленных выбросов. - М. : Химия, КолосС, 2005.
3. А.А. Исаев Экологическая климатология : Учеб. пособие для геогр. гидрометеорол. экол. спец. вузов и колледжей - М. : Науч. мир, 2003.
Контрольные вопросы к теме о составе атмосферы
1.Что называют тепловым режимом атмосферы?
2.За счет чего осуществляется перенос тепла
3.Что называют уровнем конвенции?
Первый вопрос. Тепловым режимом атмосферы называют характер распределения и изменения температуры в атмосфере. Он определяется главным образом тепловым обменом с окружающей средой, то есть с поверхностью и космическим пространством.
За исключением верхних слоев атмосфера поглощает солнечную энергию сравнительно слабо. Основным источником нагревания нижних слоев атмосферы является тепло, получаемое ими от деятельной поверхности. В дневные часы, когда приход радиации преобладает над излучением, деятельная поверхность нагревается, становится теплее воздуха, и тепло передается от нее к воздуху. Ночью происходит обратный процесс.
Перенос тепла между поверхностью и атмосферой осуществляется за
счет:
−молекулярной теплопроводности, то есть при непосредственном соприкосновении воздуха и поверхности;
−турбулентного перемешивания, когда тепло переходит от поверхности
ввоздух при его хаотическом, неупорядоченном, вихревом движении;
−тепловой конвекции, то есть при упорядоченном переносе отдельных объемов тепла в вертикальном направлении, возникающем в результате сильного нагрева нижнего слоя атмосферы;
−радиационной теплопроводности, при излучении деятельной поверхностью длинноволновой радиации, поглощаемой нижними слоями атмосферы;
28
−испарения влаги с деятельной поверхности и последующей конденсации водяного пара в атмосфере, в процессе чего тепло переходит в атмосферу (так называемая сублимация).
Из пяти перечисленных процессов превалирующую роль в данном теплообмене играют турбулентность и конвекция. Высота слоя атмосферы, до которого поднимается теплый воздух в результате конвекции, называется уровнем конвекции.
Амплитуда суточного хода температуры воздуха зависит от:
−широты места - с ее увеличением амплитуда убывает и наибольшая наблюдается в тропических широтах;
−времени года - в умеренных широтах амплитуда меньше зимой, а наибольшая - летом;
−характера деятельной поверхности - над водой меньше, чем над сушей (это также выражено, но более слабо над озерами, болотами, местами с обильной растительностью), наибольшая амплитуда - в сухих местах, степях и пустынях;
−облачности - амплитуда в ясные дни больше, чем в облачные;
−рельефа местности - амплитуда увеличивается, так как в вогнутых формах рельефа воздух днем застаивается, нагреваясь, а ночью, напротив, сильнее охлаждается;
−высоты над уровнем моря - с ее увеличением амплитуда уменьшается. Заморозки - это понижение температуры до 0 0 С и ниже при
положительных среднесуточных температурах. Заморозки, как правило, наблюдаются в переходные времена года. При заморозках температура на высоте 2-х м иногда может оставаться положительной.
Второй вопрос. Годовой ход, как и суточный, связан с приходом и расходом тепла и определяется главным образом радиационными факторами. Удобнее всего проследить за данным ходом по среднемесячным значениям температуры почвы.
В северном полушарии максимальные среднемесячные температуры
29
поверхности почвы наблюдаются в июле-августе, а минимальные - в январе - феврале.
Разность между наибольшей и наименьшей среднемесячными температурами за год называется амплитудой годового хода температуры почвы. Она в наибольшей степени зависит от широты места: в полярных широтах амплитуда наибольшая.
Суточные и годовые колебания температуры поверхности почвы постепенно распространяются в более глубокие ее слои. Слой почвы или воды, температура которого испытывает суточные и годовые колебания, называется активным.
Распространение температурных колебаний в глубь почвы описывается тремя законами Фурье:
−Первый из них гласит, что период колебаний с глубиной не изменяется;
−Второй говорит о том, что амплитуда колебаний температуры почвы с глубиной уменьшается в геометрической прогрессии;
−Третий закон Фурье устанавливает, что максимальные и минимальные температуры на глубинах наступают позднее, чем на поверхности почвы, причем запаздывание прямо пропорционально глубине.
Тема № 9 «Вода в атмосфере. Влагооборот»
(2 часа)
1.Понятие влагооборота
2.Водяной пар в воздухе
3.Изменение состава воздуха на высоте
Основная литература
1. С. П. Хромов, М. А. Петросянц Метеорология и климатология : Учеб. для студентов вузов.- М. : Изд-во МГУ, 2001.
Дополнительная литература
1. Д.В. Бояркин Методические указания «Учение об атмосфере» - Н.Новгород: ННГАСУ, 2007.
30