Климатология и метеорологи

Климатология и метеорология

В предлагаемом пособии изложены основы метеорологии и климатологии, освещены климатообразующие факторы и закономерности климатообразования, географическое распределение климатов, общие сведения о микроклимате, а также важнейшие этапы естественной динамики климата в геологическом прошлом Земли и основные виды воздействия человека на климат.

ДИДАКТИЧЕСКИЙ ПЛАН

Метеорология как наука, предмет изучения в климатологии. Понятия климата и погоды. Метеорологические наблюдения. Метеорологическая служба. ВМО.

Климатообразующие факторы: астрономические, геофизические, метеорологические.

Климатообразующие процессы. Географические факторы климата: географическая широта, высота над уровнем моря, распределение суши и воды на поверхности земного шара, орография, океанические течения, растительный, снежный и ледяной покровы.

Солнечная радиация. Радиационный баланс земной поверхности. Географическое распределение суммарной радиации. Тепловой баланс земной поверхности. Континентальность климата. Барические системы. Облачность и осадки. Климатическое значение снежного покрова. Химия атмосферы. Основные циркуляционные системы. Циклоны и антициклоны.

Климатообразование, теории климата. Естественная динамика климата геологического прошлого. Современное изменение климата. Типы климатов.

Микроклимат как явление приземного слоя воздуха. Микроклимат города. Фитоклимат.

Антропогенные изменения климата. Метеорологические прогнозы: синоптический анализ, прогноз погоды. Прогноз и моделирование климата.

Метеорология и климатология

Метеорологией называется наука об атмосфере, о ее составе, строении, свойствах и проте-кающих в ней физических и химических процессах.

Теоретической основой метеорологии служат общие законы физики и химии, записанные применительно к атмосфере. Главными задачами метеорологии являются описание состояния атмосферы в данный физический момент времени и прогноз ее состояния на будущее. В некоторых случаях возникает необходимость восстановить состояние атмосферы в прошлом.

Климатологией называется раздел метеорологии, в котором изучаются закономерности формирования климатов, их распределения по Земному шару и изменения в прошлом и будущем.

Введение в научную литературу термина «климат», который дословно означает «наклонение, наклон», восходит ко II в. до н.э. Так назвал древнегреческий астроном Гиппарх из Никеи  (190–120 гг. до н.э.) каждую из пяти зон, на которые он разделил Землю. К этому времени греки знали, что Земля шарообразна, правильно представляли себе ее размеры и с большой точностью измерили расстояние от Земли до Луны. Гиппарх выделил на Земле 5 климатических зон, зависящих от наклона солнечных лучей.

Представления Гиппарха и его последователей о том, что природные или климатические условия зависят только от наклона солнечных лучей или высоты Солнца над горизонтом, господствовали вплоть до начала XIX в. А. Гумбольдт (1769–1859) в своем труде «Космос» дал новое определение понятия «климат», которое учитывало влияние океана с его течениями. Впоследствии была всесторонне развита и детализирована, прежде всего, в трудах В. Докучаева (1857–1903 гг.) теория широтной, а затем и вертикальной географической, в том числе и климатической, зональности поверхности суши.

Теперь, когда остроумное древнегреческое определение климата ушло в прошлое, стало необходимо сформулировать современное определение климата, которое было бы достаточным как для физического понимания, так и для численного моделирования климата. Таким образом, климатом называется статистическая совокупность состояний, проходимых системой «атмосфера–океан–суша–криосфера–биосфера» за периоды времени в несколько десятилетий. В таком пони-мании климат есть понятие глобальное. Под климатом в узком смысле слова, или локальным климатом, понимают совокупность атмосферных условий за многолетний период, свойственных тому или иному месту в зависимости от его географической обстановки. В таком понимании климат является одной из физико-географических характеристик местности.

Климат, являясь одной из физико-географических характеристик среды, окружающей человека, решающе влияет на хозяйственную деятельность людей: на специализацию сельского хозяйства, размещение промышленных предприятий, воздушный, водный и наземный транспорт и т.п. Знание основ метеорологии и климатологии необходимо для подготовки географа любой специальности.

Использование в метеорологии и климатологии точных физических законов и сложного математического аппарата роднит эту науку с физико-математическими науками. В то же время все атмосферные движения протекают на планете Земля с характерными только для нее очерта-ниями материков и океанов, строением рельефа, распределением рек, морей, ледникового, снежного покровов и растительности. Это определяет географичность метеорологии и климатологии и их вхождение в комплекс географических наук.

Атмосфера, погода, климат

Атмосфера – это газовая оболочка Земли с содержащимися в ней аэрозольными частицами, движущаяся вместе с Землей в мировом пространстве как единое целое и одновременно принимающая участие во вращении Земли. На дне атмосферы в основном протекает вся жизнь.

Воздух – газ – в отличие от воды, сжимаем. Поэтому с высотой плотность его убывает и атмосфера постепенно сходит на нет (переходит в космическое пространство) без резкой границы. Половина всей массы атмосферы сосредоточена в нижних 5 км, три четверти – в нижних 10 км, девять десятых – в нижних 20 км. Но присутствие воздуха – чем выше, тем все более разреженного – обнаруживается до очень больших высот.

Полярные сияния указывают на наличие атмосферы на высотах 1000 км и более. Полеты спутников на высотах в несколько тысяч километров также происходят в атмосфере, хотя и чрезвычайно разреженной.

Атмосферные процессы вблизи земной поверхности и в нижних 30–40 км атмосферы особенно важны с практической точки зрения и наиболее изучены; именно эти процессы будут излагаться в данном курсе. Но и высокие слои атмосферы, отдаленные от земной поверхности на десятки, сотни и тысячи километров, приобрели большое практическое значение.

В высоких слоях происходит поглощение ультрафиолетового и корпускулярного солнечного излучения, которое вызывает различные фотохимические реакции разложения нейтральных газовых молекул на электрически заряженные атомы. Поэтому высокие слои сильно ионизированы и обладают очень большой электрической проводимостью. В этих слоях наблюдаются такие явления, как полярные сияния и постоянное свечение воздуха, создающие так называемый ночной свет неба; электрическое состояние высоких слоев определяет условия распространения радиоволн, в них происходят сложные микрофизические процессы, связанные с космическим излучением. Методы изучения процессов, происходящих в высоких слоях, существенно отличаются от применяющихся для исследования нижних слоев атмосферы (30–40 км), но тесно связаны с методами изучения земного магнетизма.

В атмосфере происходят многообразные физические процессы, непрерывно изменяющие ее состояние. Физическое состояние атмосферы у земной поверхности и в нижних 30–40 км в данный момент времени называется погодой. Погода характеризуется метеорологическими величинами (температура, давление, влажность воздуха, ветер, облачность, атмосферные осадки) и атмосферными явлениями (гроза, туман, пыльная буря, метель и др.). Изменения погоды у земной поверхности влияют на очень многие области хозяйственной деятельности человека и особенно на сельское хозяйство. Погода в более высоких слоях влияет на работу авиации. Атмосферные процессы на разных высотах связаны между собой, поэтому для понимания причин изменения погоды у земной поверхности необходимо изучать всю толщу атмосферы, по крайней мере до 30–40 км.

В любом месте земли погода в разные годы меняется по-разному. Однако при всех различиях отдельных дней, месяцев и лет каждую местность можно характеризовать вполне определенным климатом. Как уже было сказано, локальным климатом называют совокупность атмосферных условий за многолетний период, 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 др. Атмосферные условия, определяющие климат каждого места, испытывают периодические изменения в годовом ходе – от зимы к лету и от лета к зиме. Кроме периодических изменений совокупность атмосферных условий несколько изменяется от года к году. Это так называемая межгодовая изменчивость атмосферных условий.

Фактические данные показывают, что до XX в. чередование атмосферных условий в конкретных районах в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен лет меняется лишь в самых ограниченных пределах, причем изменения часто носят характер колебаний. Величина многолетних колебаний оказывается значительно меньше межгодовой изменчивости атмосферных условий.

Таким образом, в естественных условиях в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен лет локальный климат обладает определенной устойчивостью. Поэтому он и является одной из физико-географических характеристик местности, одной из составляющих географического ландшафта. Климат связан с другими составляющими географического ландшафта благодаря существованию тесных зависимостей между атмосферными процессами и состоянием земной поверхности, включая и Мировой океан. Однако локальный климат устойчив, если географическое распределение климатов на земном шаре, определяемое состоянием глобальной климатической системы, сравнительно мало меняется. Главными задачами климатологии являются изучение глобальной климатической системы и прогноз возможных изменений глобального и локального климатов на ближайшее время и на далекую перспективу.

Метеорологические наблюдения

Метеорологические наблюдения – это измерения метеорологических величин, а также регистрация атмосферных явлений.

К метеорологическим величинам относятся: температура и влажность воздуха, атмосферное давление, скорость и направление ветра, количество и высота облаков, количество осадков, потоки тепла и др. К ним присоединяются величины, непосредственно не отражающие свойств атмосферы или атмосферных процессов, но тесно связанные с ними. Таковы температура почвы и поверх-ностного слоя волы, испарение, высота и состояние снежного покрова, продолжительность солнечного сияния и т.п. На некоторых станциях проводят наблюдения над солнечным и земным излучениями и над атмосферным электричеством.

К атмосферным явлениям относятся: гроза, метель, пыльная буря, туман, ряд оптических явлений, таких как голубой цвет неба, радуга, венцы и т.д.

Метеорологические наблюдения над состоянием атмосферы вне приземного слоя и до высот около 40 км носят название аэрологических наблюдений. Наблюдения над состоянием высоких слоев атмосферы можно назвать аэрономическими. Они отличаются от аэрологических наблюдений как по методике, так и по наблюдаемым параметрам.

Наиболее полные и точные наблюдения проводят в метеорологических и аэрологических обсерваториях. Число таких обсерваторий, однако, невелико. Кроме того, даже самые точные наблюдения, но производимые в небольшом числе пунктов, не могут дать исчерпывающего представления о состоянии всей атмосферы, поскольку атмосферные процессы протекают и разной географической обстановке по-разному. Поэтому кроме метеорологических обсерваторий наблюде-ния над основными метеорологическими величинами ведутся еще примерно на 3500 метеорологических и 750 аэрологических станциях, размещенных по всему земному шару.

Атмосферные процессы, определяющие изменения погоды, развиваются на больших пространствах. Поэтому изучение их возможно, если метеорологические и аэрологические станции, ведущие наблюдения за атмосферными процессами, размещаются (по возможности равномерно) на таких же больших пространствах. Кроме того, изучение географического распределения метеорологических величин и сравнение состояния атмосферы (погоды и климата) в различных местах Земли возможно при условии, что метеорологические станции в каждой стране и во всех странах мира ведут наблюдении однотипными приборами, по единой методике и в определенные часы суток. Станции в каждой стране и в мировом масштабе составляют единое целое – сеть метеорологических станций, т.е. метеорологическую сеть. В России так же, как и в большинстве стран мира, существует основная государственная сеть метеорологических станций, отвечающая указанному выше требованию – оснащению однотипными приборами, единообразной методикой наблюдений и согласованной по срокам работой.

Метеорологические станции общегосударственной сети размещаются по возможности равно-мерно в местах, характерных для данного района. Это необходимо для того, чтобы показания станции были репрезентативными, т.е. показательными не только для ее ближайших окрестностей, но и для возможно большего окружающего района. Метеорологические станции специального назначения размещают, исходя из производственных задач.

Важнейшие требования к сетевым метеорологическим наблюдениям помимо синхронности – их длительность и непрерывность. Ход атмосферных процессов каждого года отличается от их хода в предыдущем и в последующем годах. Этим определяется необходимость при изучении климата иметь многолетние ряды систематических наблюдений. Для изучения изменений климата метеорологические наблюдения должны проводиться вообще неограниченно долго. Важно также, чтобы станции как можно дольше не меняли своего местоположения: перенос станции в другое место обрывает многолетний ряд наблюдений или, во всяком случае, нарушает его однородность. Вредно сказываются на однородность рядов наблюдений застройка местности и другие изменения строения земной поверхности вокруг станции.

Для предсказания погоды также необходимо вести метеорологические наблюдения постоянно и непрерывно: каждый день и час в атмосфере наблюдаются все новые, бесконечно разнообразные условия, за ходом которых необходимо следить, потому что прогноз погоды на будущее опирается на фактическую погоду в настоящем и погоду в прошлом.

Во всем мире на наземных метеорологических станциях проводят одновременные (синхронные) наблюдения в 00, 03, 06, 09, 12, 15, 18, 21 ч по единому – гринвичскому – времени (времени нулевого пояса). Результаты наблюдений за эти так называемые синоптические сроки немедленно передают по телефону, телеграфу, радио или интернету в органы службы погоды, где по ним составляют синоптические карты и другие материалы, использующиеся для предсказания погоды.

На метеорологических станциях основного типа регистрируют следующие метеорологические величины:

• температуру воздуха на высоте 2 м над земной поверхностью;

• атмосферное давление;

• влажность воздуха – парциальное давление водяного пара;

• в воздухе и относительную влажность;

• ветер – горизонтальное движение воздуха на высоте 10–12 м над земной поверхностью (измеряют его скорость и определяют направление, откуда дует ветер);

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

• облачность – степень покрытия неба облаками, типы облаков по международной классификации, высоту нижней границы облаков;

• наличие и интенсивность различных осадков, образующихся на земной поверхности и на предметах (росы, инея, гололеда и пр.), а также тумана;

• горизонтальную видимость – расстояние, на котором перестают различаться очертания предметов;

• продолжительность солнечного сияния;

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

• состояние поверхности почвы;

• высоту и плотность снежного покрова.

На некоторых станциях измеряют испарение воды с водных поверхностей или с почвы.

Регистрируют также метеорологические и оптические явления: метели, шквалы, смерчи, мглу, пыльные бури, грозы, тихие электрические разряды, полярные сияния, радугу, круги и венцы вокруг дисков светил, миражи и др.

На береговых метеорологических станциях проводят также наблюдения над температурой воды и волнением водной поверхности. Программа наблюдений на судах отличается от наблю-дений на сухопутных станциях только в деталях. В программу работы станций, имеющих определенный производственный профиль, например агрометеорологических, авиационных и др., включаются дополнительные наблюдения, связанные со спецификой обслуживания соответствующей отрасли хозяйственной деятельности (сельского хозяйства, авиации и т.п.).

Не все метеорологические величины наблюдают в каждый срок наблюдений. Например, количество осадков измеряется четыре раза в сутки, высота снежного покрова – один раз в сутки, плотность снега – один раз в пять или десять дней и т.д.

Кроме метеорологических станций существует гораздо более многочисленная сеть метеороло-гических постов, на которых проводят наблюдения только над осадками и снежным покровом, так как для оценки распределения этих величин нужна более густая сеть наблюдений.

В программы наблюдений обсерваторий и ряда специальных станций входят еще наблюдения над солнечной радиацией, земным излучением, отражательными свойствами поверхности земли и воды; наблюдения над температурой и влажностью воздуха на разных высотах в приземном слое воздуха (градиентные наблюдения); измерения содержания в воздухе озона, пыли, химических примесей, радиоактивных продуктов и др.; атмосферно-электрические наблюдения над ионизацией воздуха, т.е. над содержанием в нем электрически заряженных частиц, и над измерениями электрического поля атмосферы.

Применение карт

Чтобы получить представление об условиях погоды и характеристиках климата, естественно воспользоваться картами, с помощью которых можно сопоставлять наблюдения, проводимые в разных пунктах, что даст пространственное распределение этих величин.

Обычно на карту условными знаками и цифрами наносят фактические результаты наблюдений на метеорологических станциях, сделанные в один физический момент времени, такая карта называется синоптической, или картой погоды. Она позволяет видеть, как распределялись условия погоды и, следовательно, каковы были свойства атмосферы и характер атмосферных процессов в момент наблюдений над большой территорией, например над Северным полушарием. Составляя синоптические карты для последовательных моментов времени, например сроков метеорологических наблюдений, можно прослеживать развитие атмосферных процессов и делать выводы о будущей погоде.

На карты можно наносить результаты статистической обработки многолетних метеорологи-ческих наблюдений; тогда мы получим климатологические карты. Можно составить, например, карты многолетнего среднего распределения температуры или осадков над определенной территорией за тот или иной месяц, карты средних дат установления снежного покрова, карты повторяемости гроз, карты наибольших или наименьших температур, наблюдавшихся на этой территории, и др. Климатологические карты позволяют делать выводы о пространственном распределении особен-ностей или типов климата, получать представление о климатических характеристиках в местах, где нет наблюдений, анализировать причинно-следственные связи, определяющие климатические особенности.

Метеорологическая служба и Всемирная Метеорологическая Организация (ВМО)

Во всех странах существуют специальные государственные организации, так называемые метеорологические службы. В состав таких служб входят государственные сети метеорологических, аэрологических и других специализированных станций, оперативные и научные метеорологи-ческие учреждения. Задачами метеорологической службы являются: развитие научных исследований атмосферы, практическое обслуживание народного хозяйства и населения информацией о погоде и климате, составление и распространение прогнозов погоды и прогнозов опасных явлений погоды. В России руководство метеорологической службой осуществляет Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет). В его систему кроме сети станций входят: научно-исследовательские институты, гидрометеорологические центры и обсерватории, авиаметеорологические станции, центры по изучению и контролю загрязнения природной среды и т.п. Научно-исследовательские институты несут ответственность за различные области метеорологии. Так, Главная геофизическая обсерватория имени А.И. Воейкова в С.-Петербурге, основанная в 1849 г., отвечает за организацию климатических исследований и службу загрязнений атмосферы; Российский гидрометеорологический центр в Москве, созданный в 1930 г., – за все виды метеорологических прогнозов, Центральная аэрологическая обсерватория в г. Долгопрудном – за методы аэрологических измерений, изучение физических свойств атмосферы, включая облака; Российский научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации в Обнинске – за хранение, систематизацию и распространение гидрометеорологической информации; Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт в С.-Петербурге – за метеорологическое изучение Арктики и Антарктики. Метеорологические и климатологические исследования ведутся также в Институте прикладной геофизики им. Е.К. Федорова, Институте экспериментальной метеорологии, Государственном океанографическом институте, в региональных научно-исследо-вательских институтах (в Нальчике, Новосибирске, Владивостоке), в гидрометеорологических обсерваториях. Специалисты метеорологи готовятся в Российском гидрометеорологическом университете в С.-Петербурге, в Московском, С.-Петербургском, Казанском, Саратовском, Пермском, Томском, Владивостокском государственных университетах.

Фундаментальные проблемы климата разрабатываются в Институте вычислительной математики и Институте физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, изучение взаимодействия океана и атмо-сферы ведется в Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН, проблемы палеоклиматологии исследуются в Институте географии РАН. Организацией Академии наук и Росгидромета является Институт глобального климата и экологии, задача которого – наблюдение за изменениями климата и окружающей среды и их изменениями под влиянием антропогенных воздействий.

Атмосферные процессы не знают государственных границ. Воздух, сегодня, например, распо-ложенный над Скандинавией, завтра может оказаться над Северным Кавказом или Поволжьем. Неблагоприятные условия погоды наносят ущерб хозяйству любой страны, поэтому метеороло-гические наблюдения и исследования ведутся во всех странах. Именно поэтому существует настоятельная необходимость в обмене метеорологической информацией между странами, в еди-нообразии методики наблюдений и их обработки, в унификации форм оперативного обслуживания метеорологической информацией и прогнозами, а следовательно, в согласовании работы метеоро-логических служб всего мира. Такой организацией является Всемирная метеорологическая организация (ВМО).

Международное сотрудничество в области метеорологии началось во второй половине XIX в. В 1873 г. в Вене состоялся Первый международный метеорологический конгресс, принявший решение по вопросам градуировки и проверки метеорологических приборов, сроков наблюдений, единиц измерений, взаимного обмена информацией по телеграфу и заложивший основы Международной метеорологической организации. Для придания постоянного характера междуна-родному сотрудничеству было решено учредить Постоянный комитет, который должен был координировать деятельность метеорологических служб в промежутках между регулярно созывав-шимися конференциями директоров метеорологических служб, а также учреждать международные комиссии по разным вопросам метеорологии. Второй Международный метеорологический конгресс собрался в 1879 г., его участником был Д.И. Менделеев. На этом конгрессе была одобрена идея проведения Первого Международного полярного года (1882–1883), заложившего начало последующих грандиозных международных научных экспериментов XX в.

После Второй мировой войны сотрудничество метеорологических служб было восстановлено на новой основе: была создана Всемирная метеорологическая организация (ВМО) – специализи-рованное межправительственное агентство ООН. Высшим органом ВМО является Конгресс, который собирается раз в четыре года, утверждает бюджет, избирает президента, трех вице-президентов и Исполнительный совет, состоящий из 26 директоров национальных метеорологических или гидро-метеорологических служб. В Исполнительный совет входят по должности также президенты шести региональных ассоциаций ВМО, которые объединяют метеорологические службы Африки, Азии, Южной Америки, Северной Америки, Австралии, Океании и Европы. Техническую деятельность организации осуществляют восемь технических комиссий, а также Секретариат ВМО, который находится в Женеве.

Одной из важнейших программ ВМО является поддержание на должном уровне функциони-рования Всемирной службы погоды (ВСП), другой важной программой ВМО, учрежденной в 1979 г., является Всемирная климатическая программа, задачами которой являются изучение изменений климата, построение теории климата и его изменений под влиянием естественных и антропогенных факторов, а также возможных последствий для человечества таких изменений.

Климатообразующие процессы

Существуют три основных цикла атмосферных процессов, участвующих в формировании погоды и определяющих климат. Это так называемые климатообразующие процессы – теплооборот, влагооборот и атмосферная циркуляция.

Термин «теплооборот» описывает сложные процессы получения, передачи, переноса и потери тепла в системе «земля-атмосфера». Поток солнечной радиации, идущий от Солнца к Земле, частично отражается воздухом, облаками и примесями назад в мировое пространство. Эта энергия безвозвратно теряется для Земли. Другая часть проходит сквозь атмосферу. Атмосфера частично и в сравнительно небольшой степени поглощает солнечную радиацию, преобразуя ее в теплоту, частично рассеивает ее, изменяя спектральный состав.

Прямая солнечная радиация, прошедшая сквозь атмосферу, и рассеянная радиация, падая на земную поверхность, частично от нее отражаются, но в большей части поглощаются ею и нагре-вают верхние слои почвы и водоемов. Земная поверхность сама испускает невидимую инфракрасную радиацию, которую в большей части поглощает атмосфера, и нагревается. Атмосфера в свою очередь излучает инфракрасную радиацию, большую часть которой поглощает земная поверхность. В то же время земная и атмосферная радиации непрерывно излучаются в мировое пространство и вместе с отраженной солнечной радиацией уравновешивают приток солнечной радиации к Земле.