Теоретическая часть к 1 практической работе

Теоретическая часть к 1 практической работе

Процессы, происходящие в атмосфере, изучаются целым комплексом наук, относящихся к различным областям знаний. Это физика атмосферы и её раздел аэpономия, посвящённый изучению верхних слоёв атмосферы (физических и динамических процессов и химических реакций в мезосфеpе и ионосфеpе), аэpология — учение о методах исследования физических процессов в свободной атмосфере, метеорология и климатология, изучающие процессы и явления, происходящие преимущественно в нижнем слое атмосферы – тропосфере. Атмосферный воздух - важнейший элемент среды обитания, поэтому трудно переоценить роль метеорологии и климатологии при решении экологических проблем.

Метеорологией называется наука об атмосфере, о ее составе, строении, свойствах и протекающих в ней физических и химических процессах (С.П.Хромов). Метеорология относится к комплексу геофизических наук, ибо изучение процессов в атмосфере основывается на общих законах физики. Главной задачей метеорологии является описание состояния атмосферы в данный физический момент времени и прогноз ее состояния на будущее.

Климатология - это наука о климате, то есть совокупности атмосферных условий, свойственных тому или иному месту в зависимости от его географической обстановки. Климатология изучает закономерности формирования климата, его изменения в прошлом и будущем. Поэтому климатология по существу является географической наукой. Климатология тесно связана с метеорологией, ибо понимание закономерностей формирования климата возможно лишь на основе понятий и законов метеорологии.

Происходящие в атмосфере процессы постоянно изменяют ее состояние. Физическое состояние атмосферы у земной поверхности и в нижних 30-40 км в данный момент времени называется погодой. Погода характеризуется метеорологическими величинами и атмосферными явлениями.

В каждой точке поверхности земли погода в разные годы меняется по-разному. Однако при всех различиях отдельных дней, месяцев и лет каждую местность можно охарактеризовать определенным климатом, который называют локальным. Под локальным климатом понимают совокупность атмосферных условий за многолетний период, свойственный тому или иному месту в зависимости от его географической обстановки. Локальный климат является одной из физико-географических характеристик местности. Глобальным климатом называется статистическая совокупность состояний, проходимых системой атмосфера - океан – суша – криосфера –биосфера за периоды времени в несколько десятилетий. Глобальный климат определяет устойчивость локального климата, географические закономерности распределения локальных климатов. Колебания климатической системы неизбежно ведут к изменениям локальных климатов и преобразованиям всей географической оболочки Земли.

Важным разделом метеорологии является актинометрия. Этот раздел изучает солнечное, земное и атмосферное излучение в условиях атмосферы. В настоящее время все большее значение приобретает раздел метеорологии, занимающийся изучением процессов, происходящих в более высоких слоях атмосферы. Теоретической разработкой некоторых вопросов метеорологии из области динамики и термодинамики атмосферы с широким применением математического анализа занимается динамическая метеорология.

Фактические сведения об атмосфере, погоде и климате получают из наблюдений, анализ которых служит в метеорологии и климатологии для выявления причинных связей в изучаемых явлениях.

Кроме наблюдений за процессами, происходящими в атмосфере, в метеорологии применяют натурный эксперимент и методы математического моделирования. Результаты наблюдений наносятся на синоптические карты, результаты статистической обработки данных наблюдений и результаты математического моделирования и прогнозирования наносят на климатические карты.

Метеорологические наблюдения — это измерения метеорологических величин и качественные оценки атмосферных явлений. Метеорологическими величинами являются температура и влажность воздуха, атмосферное давление, скорость и направление ветра, количество и высота облаков, количество осадков. К атмосферным явлениям относят туманы, метели, грозы, пыльные бури, такие оптические явления как радуга, венцы, голубой цвет неба. Осуществляется также измерения и наблюдения за природными явлениями и характеристиками, тесно связанными с метеорологическими элементами и важными для деятельности человека. Это температура почвы, или поверхностного слоя воды, испарение, высота и состояние снежного покрова, продолжительность солнечного сияния, иногда осуществляют наблюдения над солнечным и земным излучением, атмосферным электричеством.

Метеоpологические наблюдения над состоянием атмосферы осуществляются и для высоких слоев атмосферы. В этом случае они носят название аэpологических (до высот в 40 км) и аэpономических (для 40 и выше км). По методике они отличаются от обычных метеорологических и осуществляются с помощью специальных зондов и ракет.

Метеорологические наблюдения осуществляются по определенной программе в строго фиксированные сроки на специальных станциях, размещенных по всему земному шару. Самым важным условием проведения инструментальных наблюдений в различных точках земного шара является их единообразие. Это необходимо для того, чтобы все получаемые при наблюдениях данные отражали реально существующие особенности в физическом состоянии атмосферы, а не являлись спецификой наблюдений или приборов и были сопоставимы между собой. Наиболее полная программа наблюдений осуществляется в метеоpологических и аэpологических обсерваториях, но их немного. Основной массив данных поступает в результате наблюдений на метеорологических и аэpологических станциях, которые работают по единой методике, однотипным приборам и делают наблюдения в определенные часы суток (синхронно). Эти наблюдения проводятся в 00, 03, 06, 09,12, 15, 18, 21 час по единому - гринвичскому времени. Результаты метеорологических наблюдений передаются в органы службы погоды, где они служат основой для составления синоптических карт и прогноза погоды.

Не все метеорологические величины наблюдаются в каждый срок наблюдений. Например, количество осадков измеряется два раза в сутки (во втором часовом поясе – четыре раза), высота снежного покрова - один раз в сутки, плотность снега – один раз в декаду и т.д.

Порядок производства наблюдений в единые синхронные сроки устанавливается в зависимости от программы наблюдений конкретной станции. При этом обязательно для всех без исключения должны соблюдаться следующие условия:

− за 30 минут до срока все приборы и установки должны быть осмотрены и подготовлены к наблюдениям;

− измерения давления производятся не ранее, чем за 2 мин. до срока;

− метки на бланках термографа и гигрографа должны быть сделаны до измерений температуры и влажности воздуха; время смены бланка ленты должно указываться с точностью до минуты;

− если во время проведения наблюдений возникло опасное явление, необходимо прервать наблюдение, составить и передать штормовые телеграммы, после чего вновь провести наблюдения, предусмотренные программой станции;

− если для измерения характеристик ветра используется флюгер, наблюдения по нему производятся перед отсчетами по приборам в психрометрической будке;

− запись и обработка результатов наблюдений в книжках для их записи осуществляются во время наблюдений и сразу после них;

− запрещается передача информации о состоянии погоды до окончания срока (10-минутного интервала перед сроком).

На метеостанциях основного типа регистрируются следующие метеорологические величины:

• температура воздуха на высоте 2 м над земной поверхностью;

• атмосферное давление;

• влажность воздуха - парциальное давление водяного пара и относительная влажность;

• ветер - горизонтальное движение воздуха на высоте 10-12 м над земной поверхностью (скорость ветра и его направление);

• количество осадков, выпавших из облаков, их типы (дождь, снег, морось и т.д.);

• облачность - степень покрытия неба облаками, типы облаков, высота нижней границы облаков;

• наличие и интенсивность различных осадков, образующихся на земной поверхности и на

предметах (роса, иней, гололед);

• горизонтальная видимость - расстояние, на котором перестают различаться очертания предметов;

• продолжительность солнечного сияния;

• температура на поверхности почвы и на нескольких глубинах в почве;

• состояние поверхности почвы; высота и плотность снежного покрова.

Регистрируются также атмосферные явления: метели, шквалы, смерчи, мгла, пыльные бури, грозы, полярные сияния, радуга, миражи.

На береговых метеостанциях производятся также наблюдения над температурой воды и волнением водной поверхности. На морских судах программа наблюдений почти такая же, как на сухопутных метеостанциях. В программу специализированных станций, таких как агрометеорологические, авиационные, включают ряд дополнительный наблюдений, связанных с производственной необходимостью.

Кроме метеостанций, наблюдения осуществляются на метеопостах, на которых регистрируется в основном количество осадков и высота снежного покрова и в обсерваториях, в программу которых входят наблюдения над солнечной радиацией, земным излучением, отражательными свойствами земли и воды, наблюдения над температурой и влажностью воздуха на разных высотах, измерение содержания аэрозольных примесей и ионизацией воздуха.

В программы наблюдений обсерваторий и ряда специальных станций входят еще актинометрические наблюдения над солнечной радиацией, земным излучением, отражательными свойствами земли и воды; наблюдения

На метеостанциях используются однотипные, простые в использовании и калиброванные приборы, которые обеспечивают сопоставимость получаемых измерений. Метеоприборы устанавливаются на метеоплощадках под открытым небом или в метеобудке. Для определения многих величин используют самопишущие приборы, которые позволяют осуществлять непрерывную автоматическую регистрацию наблюдений метеорологических величин. Метеостанции каждой страны образуют единую государственную метеорологическую сеть, которая является частью метеорологической службы страны. В настоящее время метеостанции образуют систему в несколько тысяч станций на суше и на моpе (коpабли погоды). Все они объединены pадиосвязью, с помощью которой информация поступает в региональные и мировые центры погоды (Москва, Вашингтон и Мельбуpн). Кроме метеостанций в метеослужбу входят специализированные станции, оперативные и научные метеорологические учреждения. Задачами государственной метеорологической службы являются;

• развитие научных исследований атмосферы;

• практическое обслуживание потребностей хозяйства и населения информацией о погоде и климате;

• составление и распространение прогнозов погоды и прогнозов опасных явлений погоды.

В России во главе метеослужбы стоит Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет). В его систему, кроме сети станций, входят научно-исследовательские институты, гидрометеорологические центры, обсерватории, авиаметеорологические станции, центры по изучению и контролю загрязнения природной среды. Научно-исследовательские институты системы Росгидромета специализируются в различных областях метеорологии. Главная геофизическая обсерватория имени А.И.Воейкова близ С.-.Петербурга, основанная в 1849 году, отвечает за климатические исследования и службу контроля загрязнений атмосферы, Российский гидрометеорологических центр в Москве, созданный в 1930 году, - за все виды метеорологических прогнозов, Центральная аэрологические обсерватория в г. Долгопрудном - за методы аэрологических исследований, Российский научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации в г. Обнинске - за хранение, систематизацию и распространение гидрометеорологической информации. Организацией Академии наук и Росгидромета является Институт глобального климата и экологии, задача которого - наблюдения за изменениями климата и окружающей среды под влиянием антропогенных воздействий.

• Метеорологическая служба каждой страны тесно сотрудничает с метеослужбами других стран, обмениваясь информацией и согласовывая методику метеорологических наблюдений.

• В ограниченных пределах в метеорологии применяется натурный эксперимент. К числу метеорологических экспериментов относятся опыты осаждения облаков и рассеивания туманов путём физико-химических воздействий на них, воздействия на грозовые облака с целью пpедупpеждения выпадения града.

• В последние годы стали применяться методы математического моделирования некоторых атмосферных процессов. Моделирование опирается на физико-математический анализ атмосферных процессов, которые, являясь физическими по своей природе, описываются законами общей физики. Опираясь на эти законы, в частности на законы движения в сплошной среде, составляются дифференциальные уравнения, описывающие те или иные атмосферные процессы. Затем, используя фактические данные в качестве начальных, решают эти уравнения численными методами с помощью ЭВМ. При этом учитывают, что в силу сложности атмосферных процессов, точного их описания одной системой уравнений составить невозможно, поэтому равнения упрощают путем построения моделей атмосферы различной сложности, в которых сохраняют главные факторы, определяющие атмосферные процессы. Таким путем находят количественные закономерности атмосферных процессов и прогнозируют их развитие. Модельная картина сравнивается с фактической и на этом основании судят о степени правильности описания реальной атмосферы. Этот метод моделирования приобрел сейчас широкое распространение и используется как в прогнозе погоды, так и в теории климата.

Результаты наблюдений на больших теppитоpиях, сделанные в один и тот же момент, наносятся на карты, называемые синоптическими. Они позволяют видеть, как распределялись условия погоды и, следовательно, каковы были свойства атмосферы и характер атмосферных процессов в этот момент времени на большой теppитоpии. При нанесении на картографическую основу результатов статистической обработки многолетних наблюдений получают климатологические карты.

Фактические характеристики состояния атмосферы все время меняются в зависимости от развития атмосферных процессов, времени года, суток и т. д. В практической деятельности оказалось необходимым и удобным средние значения этих характеристик принимать за постоянные.

Условные постоянные значения основных характеристик состояния атмосферы на разных высотах – атмосферного давления, температуры, плотности воздуха, вязкости, теплопроводности и других, – неизменные независимо от времени года или суток, сведены в таблицы стандартной атмосферы (СА).

Существуют национальные и международные таблицы, есть таблицы СА для отдельных географических районов (например, тропическая СА) и сезонов (летняя арктическая СА, зимняя арктическая СА). На территории Советского Союза действует обязательный для всех ГОСТ СА. Последнее издание таблиц СА носит сокращенное название ГОСТ СА 4401-81. Таблицы содержат официальные данные для высот от 2000 до 1 200 000 м.

Стандартная атмосфера предназначена для использования при расчетах и проектировании самолетов, вертолетов, двигателей и оборудования, а также при решении других научно-технических задач.

Исходя из СА можно сопоставлять результаты инструментальных измерений, произведенных в атмосферном воздухе в разное время, можно объективно оценить качества различных летательных аппаратов, например их способность развивать максимальную скорость или подниматься на предельно достижимую высоту. Для этого надо данные, полученные любым летательным аппаратом в любое время, привести к стандартным условиям СА.

Во всех таблицах СА, за исключением таблиц для тропической и арктической зон, на уровне моря приняты следующие значения основных параметров атмосферы:

атмосферное давление Р = 760 мм рт. ст. = 1013,25 гПа;

температура воздуха Т = 288,15 К, 15,0° C;

относительная влажность воздуха f = 0%;

плотность воздуха ρ = 1,225 кг/м³;

ускорение свободного падения g = 9,8066 м/с².

2. Метеорологические приборы

Набор измерительных средств, используемых для наблюдений за состоянием атмосферы, почвы, снега и для их исследования, необычайно широк. Они сравнительно просты, но удовлетворяют условиям однотипности, позволяющим сравнивать наблюдения разных станций. Метеорологические приборы устанавливаются на площадке станции под открытым небом. Только приборы для измерения атмосферного давления (барометры) устанавливаются в помещении станции.

Приборы для определения температуры и влажности воздуха должны быть защищены от действия солнечной радиации, осадков и порывов ветра. Поэтому их помещают в метеорологические жалюзийные будки. На станциях устанавливаются также самопишущие приборы, дающие непрерывную автоматическую регистрацию важнейших метеорологических величин (температуры и влажности воздуха, атмосферного давления и ветра). Самопишущие приборы нередко сконструированы так, что их датчики находятся на площадке или крыше здания на открытом воздухе, а регистрирующие части – внутри здания.

- 5 -

Результаты наблюдений за эти, так называемые синоптические сроки, записываются в специальные метеорологические книжки и немедленно передаются средствами связи в органы службы погоды, где по ним составляются синоптические карты и другие материалы, использующиеся для предсказания погоды.

Метеорологическая станция (метеостанция) - учреждение, в котором круглосуточно проводятся регулярные наблюдения за состоянием атмосферы и атмосферными процессами, в том числе отслеживаются изменения отдельных метеорологических элементов. На станции имеются метеорологическая площадка, где расположены основные метеорологические приборы, и закрытое помещение для обработки наблюдений. Метеорологические станции страны, области, района составляют метеорологическую сеть.

Кроме метеостанций, в метеосеть входят метеопосты, на которых проводятся наблюдения только за осадками и снежным покровом и обсерватории. Каждая метеостанция является научной единицей обширной сети станций. Результаты наблюдений каждой станции, уже использованные в текущей оперативной работе, имеют ценность и как дневник метеорологических процессов, который может подвергнуться дальнейшей научной обработке. Наблюдения на каждой станции должны проводиться со всей тщательностью и точностью. Приборы должны быть отрегулированы, проверены. Метеостанция должна иметь необходимые для работы бланки, книжки, таблицы, инструкции.

Метеорологическая площадка должна находиться на открытой местности на значительном расстоянии от леса и жилой застройки, особенно многоэтажной. Размещение приборов вдали от здания позволяет исключить ошибки измерений, связанные с переизлучением зданий или высоких предметов, правильно измерять скорость и направление ветра и обеспечить нормальный сбор осадков.

Стандартная метеорологическая площадка имеет размер 26x26 метров и ее стороны чётко ориентированы на север, юг, запад, восток (если площадка прямоугольная, то ориентация длинной стороны - с севера на юг). Место для площадки должно быть типичным для окружающей местности радиусом 20-30 км, расстояние до невысоких строений, отдельно стоящих деревьев должно быть не менее 10-кратной их высоты, а расстояние от сплошного леса или городской застройки - не менее 20-кратной, до оврагов, обрывов, уреза воды - не менее 100 м. Во избежание нарушения естественного покрова на метеоплощадке разрешается ходить только по дорожкам. Если травяной покров на площадке летом сильно разрастается, то траву скашивают или подстригают, оставляя не более 30-40 см.

Все приборы на метеорологической площадке размещаются по единой схеме, которая предусматривает одинаковую ориентацию к сторонам света, определённую высоту над поверхностью земли и другие параметры. Ограда площадки и всё вспомогательное оборудование (подставки, будки, лестницы, столбы, мачты и т.п.) окрашиваются в белый цвет для предотвращения их чрезмерного нагревания солнечными лучами, что может повлиять на точность измерений.

На метеорологических станциях помимо измерений с помощью приборов (температура воздуха и земли, направление и скорость ветра, атмосферное давление, количество осадков), производятся визуальные наблюдения за облаками, дальностью видимости.

Снежный покров на площадке не трогают, весной его удаляют или ускоряют его таяние путем разбрасывания или увоза снега с площадки. С крыш будок и из защитной воронки осадкомера снег счищается.

Приборы на площадке должны быть так размещены, чтобы они не затеняли друг друга. Дверца метеобудки должна быть обращена на север. Лестница не должна соприкасаться с будкой. На метеоплощадках основного типа используются следующие приборы:

• термометры для измерения температуры воздуха (в том числе горизонтальные минимальные и горизонтальные максимальные) и почвы (они имеют наклон для удобства считывания показаний);

• барометры различного типа (чаще всего - барометры-анероиды для измерения давления воздуха). Они могут размещаться в помещении, а не на открытой площадке, так как давление воздуха одинаково и в помещении, и снаружи;

• психрометры и гигрометры для определения влажности атмосферы;

• анеморумбометры для определения скорости ветра и направления ветра

• индикаторы высоты облаков (например, ИВО-1М);

• самопишущие приборы (термограф, гигрограф, плювиограф)

• осадкомеры и снегомеры; на метеостанциях чаще всего применяют осадкомеры Третьякова.

Кроме перечисленных показателей, на метеостанциях регистрируются облачность (степень покрытия неба облаками, тип облаков); наличие и интенсивность различных осадков (росы, инея, гололеда), а также тумана; горизонтальная видимость; продолжительность солнечного сияния; состояние поверхности почвы; высота и плотность снежного покрова. На метеостанции регистрируются также метели, шквалы, смерчи, мгла, бури, грозы, радуги.

Принципы сетевых метеорологических измерений

Единство метеорологических наблюдений

На сети метеорологических станций производятся систематические измерения основных величин и качественные наблюдения за метеорологическими явлениями, представляющие собой различные физические процессы в атмосфере. Эти виды работ станций объединяются в понятие метеорологические наблюдения.

Чтобы результаты наблюдений были сравнимы между собой и могли, как объективные, использоваться на практике, они должны обладать единством качества.

Единство качества метеорологических наблюдений достигается единством средств и методов производства наблюдений.

Единство средств метеорологических наблюдений достигается тем, что используемое оборудование должно отвечать требованиям ГОСТов и ТУ на их производство и эксплуатацию. Все приборы периодически проверяются в бюро поверки (или на станциях), т.е. сравниваются с эталонными (образцовыми) приборами, показания которых принимаются за истинные. Результаты такого сравнения оформляются в виде поверочных свидетельств - сертификатов, которые устанавливают годность прибора к работе и содержат значение поправок, которые надо вводить к показаниям приборов (отсчетам).

Единство методов измерений обеспечивается проведением их по единой методике, изложенной в «Наставлении», положения которого являются обязательными при производстве всех наблюдений.

В настоящее время на станциях, входящих в международную сеть, метеорологические наблюдения производятся в физически единые моменты в 00, 03, 06, 09, 12, 15, 18 и 21 час по среднему гринвичскому времени. Эти моменты времени называются сроками метеорологических наблюдений. Более точно под сроками понимается 10-минутный интервал времени, оканчивающийся в срочный час.

Измерение температуры воздуха и почвы

Измерение температуры воздуха производится на высоте 2 метра в однотипных метеорологических будках.

Измерение температуры почвы включает в себя измерения на оголенной поверхности почвы (снега), а также на глубинах 5, 10, 15 и 20 см (теплая половина года) и 20, 40, 80, 160, 240 и 320 см (круглый год). Программа этих наблюдений определяется для каждой станции отдельно.

Для измерения температуры воздуха и почвы применяются преимущественно стеклянно-жидкостные (ртуть, спирт) термометры.

Для измерения температуры выше -35⁰С используются ртутные (температура замерзания ртути - 38,9⁰С), а ниже -35⁰С — спиртовые термометры.

Основным термометром для измерения температуры воздуха является ртутный психрометрический со шкалами температур -35 +40⁰ С или +35 —: -55⁰ С, с ценой деления 0,2⁰С.

В качестве дополнительного термометра к ртутному психрометрическому служит низкоградусный спиртовый с ценой деления 0,2⁰ С и шкалой, от — 71 до +21⁰ С или от -81 до +11⁰ С. Применять спиртовые термометры при температуре выше +25⁰С не рекомендуется, т. к. спирт частично переходит в парообразное состояние (температура кипения +78,5⁰С).

Для измерения максимальных и минимальных температур применяются ртутные максимальные термометры специальной конструкции (со шкалами от -35 до+50⁰С или от -20 до +70⁰С и ценой деления — 0,5⁰С) и спиртовые минимальные термометры (со шкалами от -41 до +21⁰С или от -75 до +30⁰С и ценой деления 0,5⁰С). Регистрация максимальной и минимальной температуры за промежуток времени между наблюдениями обеспечивается за счет особой конструкции соответствующих термометров.

В максимальном термометре в самом начале капиллярной трубки, около резервуара, сделано сужение. Оно достигается тем, что в капилляр входит конец стеклянного штифта, припаянного к внутренней стенке резервуара; в этом случае проход из резервуара в капилляр сужается. При повышении температуры избыток ртути из резервуара вытесняется в капилляр через узкое кольцеобразное отверстие между штифтом и стенками капилляра и остается там и при понижении температуры (так как в капилляре вакуум) (рис. 1).

Таким образом, положение конца столбика ртути относительно шкалы соответствует значению максимальной температуры. Для подготовки термометра к последующему измерению его несколько раз сильно встряхивают. Максимальный термометр устанавливается с небольшим наклоном резервуара вниз.