М етеорология

 

Изучением атмосферы занимается метеорология - геофизическая наука, основной задачей которой является физическое объяснение происходящих в атмосфере процессов, установление причинно-следственных связей и закономерностей.

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, 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.

Расширение и углубление наших знаний об атмосфере привело к выделению ряда самостоятельных наук, имеющих свои объекты изучения со своими приемами и методами исследований. К таким наукам прежде всего относятся 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.

В атмосфере происходят разнообразные физические процессы, непрерывно меняющие ее состояние. В связи с этими состояниями атмосферы у земной поверхности, в так называемом пограничном слое (высотой до 1, 5 км), выделена физика пограничного слоя атмосферы. Более высокие слои атмосферы (как правило, в сфере действия воздушного транспорта) изучает аэрология или физика свободной атмосферы.

В связи с интенсивным развитием космонавтики 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 некоторые отрасли метеорологии: сельскохозяйственная метеорология, авиационная, морская, медицинская, военная и другие прикладные метеорологии.

 

 

Практическая направленность метеорологии

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.

Можно ли до минимума сократить ущерб от неблагоприятных погодных условий? Естественно, если использовать их в интересах людей, с одной стороны, и мерами борьбы ослабить причиняемый ими вред, с другой стороны.

Например, развитие и продуктивность сельскохозяйственных культур в значительной степени зависит от влажности почвы и воздуха, количества осадков, света и тепла. Наблюдение за этими условиями, оценка их совокупности и выдача рекомендаций – компетенция метеорологов. Это важно для выбора сроков сева, внесения удобрений, уборки урожая. Опыт показывает, что при правильном учете метеорологических условий урожай тех же зерновых культур повышается на 15-20 процентов. А защита ценных сельскохозяйственных культур от града с помощью искусственного воздействия на градовые процессы показывает, что сохранность культур гарантирована.

При проектировании и строительстве аэродромов, выборе воздушных трасс необходимы данные о погодных и климатических условиях, о наиболее вероятных направлениях и скорости ветра у земли и на различных высотах, о частоте появления туманов…Для каждого типа самолета существует строго определенный минимум высоты облачности и дальность видимости на взлетно-посадочной полосе, к тому же встречный ветер уменьшает длину пробега самолета и т.д. и т.п.

Подробное описание метеорологических условий каждого моря и каждого района Мирового океана содержится в различных справочниках, пособиях, на картах. Это помогает осуществлять морские перевозки в оптимальные сроки и безаварийно. Для этого существует также обеспечение судов прогнозами погоды и штормовыми предупреждениями. По метеосводкам со всей акватории океанов и фотографиям, получаемым с метеорологических спутников, составляются рекомендации о наиболее выгодных и безопасных курсах морских судов.

Метеорологическая информация и прогнозы погоды широко используют работники всех видов транспорта, строительства, коммунального хозяйства, энергетики и т.д. Выработка энергии, распределение топлива и водных ресурсов, защита от наводнений, предупреждения о буранах, сильных морозах, гололеде и т.д. – все это позволяет значительно рациональнее хозяйствовать и предотвращать большой ущерб от непогоды.

 

Из плена лет…

Упоминания о различных атмосферных явлениях встречаются у большинства культурных народов древности. Из летописей средневековья до нас дошли сведения о различных явлениях природы, в том числе бурях, грозах, ранних снегопадах, сильных морозах, наводнениях и т.д. Подобные записи содержатся и в древнерусских летописях. В эпоху великих географических открытий (ХY – ХY века) появились климатические описания открываемых стран.

Научное изучение атмосферы ведет свое начало с ХYII 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 проводить инструментальные исследования за температурой, давлением, осадками, ветром.

В конце ХYII в. - начале ХYIII 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 ХYIII 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 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 ХIХ веке и в других странах также начинает развиваться сеть метеорологических станций, организуются научно-исследовательские институты и обсерватории.

Важным стимулом для развития метеорологии в ХIХ 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, а впоследствии и динамической метеорологии.

В ХХ 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.

В двадцатых годах ХХ века усилиями норвежских ученых школы Бьеркнеса было создано учение о воздушных массах и атмосферных фронтах, которое впоследствии получило успешное развитие в нашей стране. На основе этого учения были разработаны и внедрены в практику новые методы предсказания погоды. Большое значение имеет метод долгосрочных прогнозов, разработанный Б.П.Мультановским и развитый затем его учениками.

Одновременно с углублением и расширением учения об атмосфере происходит выделение и развитие некоторых частных разделов метеорологии: актиномии (учение об измерении и превращениях лучистой энергии в атмосфере), физики облаков и осадков, оптики атмосферы, атмосферного электричества и др.

В 1921 году В.И.Ленин подписал декрет «Об организации метеорологической службы в РСФСР». В 1929 году Совет Народных Комиссаров СССР принял решение об объединении метеорологической и гидрологической служб и создании Единой государственной гидрометеорологической службы. Перед ней были поставлены задачи систематического наблюдения над метеорологическими явлениями и обеспечение всех государственных организаций информацией, прогнозами и предупреждениями об опсных явлениях. Для решения этих задач в нашей стране была создана опорная сеть метеорологических станций и постов, выполнен большой объем научно-исследовательских работ, разработаны новые технические средства и приборы, налажено обслуживание гидрометеорологической информацией всех звеньев государственного аппарата, народного хозяйства.

В годы 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.

В последующие годы были достигнуты значительные успехи в исследовании атмосферы с помощью ракет и искусственных путников Земли. Получили дальнейшее развитие радиолокационные методы исследования атмосферы. Были выполнены фундаментальные задачи по изучению взаимодействия атмосферы с подстилающей поверхностью. Разработаны и продолжают совершенствоваться методы искусственных воздействий на атмосферные процессы. Проблема борьбы с загрязнением окружающей природной среды потребовала получения дополнительной информации о свойствах и поведении атмосферы под действием как естественных, так и антропогенных факторов.

 

Наблюдения и эксперимент в метеорологии

Метеорология, как и другие геофизические науки, широко пользуется физическими методами исследований. Основными из них являются: 1) методы наблюдений; 2) метод экспериментов; 3) теоретический метод.

Фактические сведения об атмосфере, погоде и климате получают из наблюдений. Анализ их результатов выясняет причинные связи атмосферных явлений, помогает прогнозировать погоду.

Наблюдения – это измерения и качественная оценка процессов, протекающих в природной обстановке.

Эксперимент применяется в метеорологии ограниченно. Например, опыты осаждения облаков, рассеивания туманов и т.п.

Для изучения атмосферных явлений используется также метод моделирования некоторых природных процессов в лабораториях. Однако возможности данного метода сильно ограничены.

Результаты различных наблюдений подвергаются анализу, прежде всего – статистическому, для того, чтобы отсеять случайные явления и показать существенные особенности.

Особое значение имеет сопоставление наблюдений на географических картах для последующего анализа пространственного распределения выявленных особенностей.

Карта, на которой нанесены фактические результаты наблюдений атмосферных явлений, называется синоптической.

Карта, на которую нанесены результаты статистической обработки многолетних наблюдений, называется климатологической. Например, карта среднего распределения температур, карта повторяемости гроз…

Метеорологические наблюдения

Данный вид наблюдений представляет из себя инструментальные измерения и визуальные (зрительные) оценки метеорологических величин и явлений. Для своевременного обнаружения возникающих метеорологических явлений и слежения за их дальнейшим развитием необходимо, чтобы метеорологические наблюдения были непрерывными во времени и пространстве. Достигается это за счет множества пунктов, в которых проводятся регулярные наблюдения по единой программе и с помощью однотипных приборов.

Метод наблюдений с помощью приборов позволяет непрерывно регистрировать значения основных метеорологических величин. В настоящее время у метеорологов имеются на вооружении дистанционные автоматические гидрометеорологические станции, радиолокаторы, лидары, суда погоды, самолеты, вертолет, метеорологические ракеты, искусственные спутники Земли.

Метеорологические наблюдения в нижних слоях атмосферы проводятся также с помощью приборов, установленных на высотных зданиях, башнях и мачтах. Одной из первых для этой цели была использована Эйфелева башня в Париже. В России комплексные метеорологические наблюдения проводятся на 300-метровой мачте в г.Обнинске, на 533-метровой Останкинской телебашне в Москве и на ряде других телевизионных мачт.

Для изучения атмосферы на больших высотах организуются высокогорные обсерватории и станции. Однако число их невелико и расположены они на высотах, не превышающих 4-5 км. Для исследования более высоких слоев атмосферы используются шар-пилот и радиозонд, достигающие 35 км. Широко используется аэростатное, самолетное и вертолетное зондирование атмосферы. Успешно применяются метеорологические и геофизические ракеты, достигающие высот порядка 400 м. Они позволяют изучать граничащее с атмосферой космическое пространство.

Широкое распространение получили радиолокационные методы исследования атмосферы. Их цель – обнаружение с помощью радиоэха различных метеорологических объектов и определение их координат. С помощью данных радаров проводятся наблюдения за развитием и движением облаков, грозами, образованием града, количеством выпавших осадков.

Большие перспективы в изучении загрязнения атмосферы открывает внедрение лазерной техники. Лазерный локатор (лидар) в отличие от радиолокатора излучает более короткие волны оптического диапазона. Распространяясь в атмосфере, лазерный луч взаимодействует с загрязняющими атмосферу аэрозолями (частицы пыли, сажи и т.п.) и газами и позволяет измерять даже незначительные их концентрации.

Наряду с прямыми инструментальными наблюдениями метеорологи пользуются также косвенными наблюдениями. Например, по данным наблюдений за движением облаков можно судить о скорости ветра, по результатам наблюдений за полярным сиянием можно определить газовый состав воздуха в высоких слоях атмосферы и т.д. Таким способом были изучены процессы обмена энергией и массой между стратосферой и тропосферой, влияние рельефа на метеорологические процессы;: были получены значения коэффициентов диффузии при крупномасштабном распространении примесей в атмосфере; был изучен обмен воздушными массами между северным и южным полушариями Земли.

Наблюдения за метеорологическими явлениями в естественных условиях долго оставались единственным методом изучения атмосферы. Однако сейчас в практику метеорологических исследований вводится эксперимент и опыт в природных условиях. Опыты по моделированию физических процессов в облаках проводится 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, имеющихся на высоте 5-6 км. При исследовании 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 локации все чаще используются в качестве экспериментальных методов исследования атмосферы.

Одним из наиболее эффективных современных средств воспроизведении структуры и динамики реального объекта, в том числе и атмосферы, является математическое моделирование. Математическая модель представляет из себя систему формул и уравнений, позволяющих получать числовую и графическую информацию об объекте. В настоящее время составление всех видов прогнозов погоды (краткосрочных и долгосрочных) немыслимо без использования моделирования.

Результатом данного рода наблюдений являются измерения и качественные оценки метеорологических элементов, к которым относятся:

температура и влажность воздуха;

атмосферное давление;

облачность;

количество тех или иных осадков;

видимость;

грозы, туманы, метели.

К метеорологическим наблюдениям также относятся тесно связанные с атмосферой величины: температура почвы или воды, испарение, высота и состояние снежного покрова, солнечное и земное излучения, атмосферное электричество.

В настоящее время можно выделить следующие системы получения метеорологической информации:

1) наземная сеть синоптических и аэрологических станций;

2) судовые, стационарные и дрейфующие автоматические буйковые морские гидрометеорологические станции;

3) метеорологические радиолокационные станции;

4) метеорологическая космическая система;

5) авиационная разведка погоды.

На синоптических станциях проводятся наблюдения за атмосферным давлением, температурой и влажностью воздуха, скоростью и направлением ветра, количеством, формой и высотой нижней границы облаков, дальностью видимости в горизонтальном направлении, видом и количеством атмосферных осадков, особыми атмосферными явлениями (туман, гроза, пыльная буря, гололед и т.д.). Таким образом, синоптические станции осуществляют большой комплекс измерений (наблюдений) с высокой степенью точности.

На аэрологических станциях осуществляют вертикальное зондирование атмосферы с помощью телеметрических приборов – радиозондов. В результате получают данные о давлении, температуре, влажности, скорости и направлении ветра на различных высотах.

Синоптические и аэрологические станции, проводящие регулярные наблюдения в интересах службы погоды, образуют наземную сеть синоптических станций. Данные станции должны отвечать определенным условиям, и только в этом случае они могут выполнять свое предназначение. К этим условиям относятся:

1) точное определение географической широты и долготы станции, а также высоты ее над уровнем моря (последнее условие вызвано тем, что для сравнимости анализа измеренное на каждой станции давление приводится к уровню моря);

2) обслуживание станции квалифицированным персоналом, способным производить как инструментальные измерения, так и визуальные наблюдения;

3) оснащение станции необходимым минимумом стандартных поверенных приборов;

4) проведение наблюдений по однотипной программе и в определенном порядке, согласованном с международными метеорологическими организациями;

5) оснащение станций совершенными средствами связи (телефон, телеграф, радио) для немедленной передачи результатов наблюдений в установленные адреса (иначе даже самые точные наблюдения, пригодные, например, для климатологических целей, полностью теряют свое значение для службы погоды);

6) наблюдения станции должны быть характерными для данного района.

Синоптические станции наземной сети проводят синхронные метеорологические наблюдения в 00, 03, 06, 09, 12, 15,! 8 и 21 час московского декретного времени. Основными сроками являются 03, 09, 15 и 21 час, остальные сроки называются дополнительными.

Аэрологические станции, входящие в наземную сеть, производят зондирование атмосферы в 03, 09, 15 и 21 час московского декретного времени. Основными в данном случае являются сроки 03 и 15 часов.

Синоптические станции рассеяны по всему миру. Для того, чтобы установить, к какой станции относятся результаты наблюдений, каждой из них присвоен номер, называемый индексом станции. Первые две цифры означают номер большого географического района, в котором расположена синоптическая станция. Последние три цифры – это порядковый номер станции в пределах данного района. На бланках карт порядковый номер синоптической станции помещен рядом с кружком, обозначающим станцию.

Результаты наблюдений синоптических станций кодируются цифрами и отправляются в установленные адреса в виде телеграмм, состоящих из нескольких пятизначных групп. Кодирование результатов наблюдений производится в соответствии с существующими документами – международными метеорологическими кодами, согласованными между большинством государств мира.

Синоптические и аэрологические станции, принадлежащие данному государству, образуют государственную наземную синоптическую сеть.

Часть станций государственной сети каждой страны задействованы в единую мировую синоптическую сеть, которая в настоящее время состоит примерно из 8000 станций. Наземная сеть не лишена некоторых недостатков, например, все еще мала плотность сети в ряде районов мира и дискретность наблюдений.

Для сравнения состояния атмосферы в разных местах Земли метеорологические станции ведут наблюдения по однотипным приборам, единой методике в определенные часы суток. Важнейшее условие деятельности станций – синхронность, длительность и непрерывность, постоянное местоположение. Результаты наблюдений немедленно передаются в службы погоды. В Советском Союзе, а ныне в России, наблюдения также проводились и проводятся по местному среднему солнечному времени каждой станции (01, 07, 13, 19).

Существуют также метеорологические станции специального назначения, например, станции на сельскохозяйственных предприятиях, на транспорте, курортах и т.д.

Государственные сети метеорологических станций возникли в ХIХ веке. В Советском Союзе было основано около четырех тысяч станций основного типа с полной программой наблюдений, и еще несколько тысяч метеорологических постов для наблюдений за осадками и снежным покровом.

Мировой океан занимает более 3/5 поверхности нашей планеты и играет важнейшую роль в развитии атмосферных процессов. Он является главным поставщиком влаги в атмосферу, огромным тепловым резервуаром, его взаимодействие с прилегающим слоем атмосферы оказывает существенное влияние на изменение ее состояния.

Большое значение принадлежит океану в формировании общей циркуляции атмосферы, во влаго- и теплообмене и т.д.

Естественно, что служба погоды крайне заинтересована в получении с акватории мирового океана надежной синоптической информации.

Постоянно действующая система получения синоптической информации с океана включает в себя в качестве основных островные гидрометеорологические станции и суда погоды.

Островные гидрометеорологические станции в основном не отличаются от наземных синоптических станций. Они осуществляют ту же программу наблюдений и обладают теми же достоинствами и недостатками. Однако, вместе с тем, они не могут решить задачу освещения метеорологическими данными акваторию Мирового океана из-за малочисленности островных станций и удаленности их друг от друга)в том числе –неравномерности расположения по мировому океану).

Поэтому для более широких океанических наблюдений применяются специальные корабли погоды (метеорологические суда) – постоянно действующие объекты, оснащенные всей необходимой специальной гидрометеорологической аппаратурой и средствами связи. С этих судов проводятся регулярное зондирование атмосферы, а с некоторых и ракетное зондирование. На судах погоды проводятся, кроме синоптических наблюдений, также и комплексные гидрологические наблюдения.

В интересах службы погоды синоптические наблюдения проводятся также на тысячах торговых судов.

В настоящее время широкое распространение получила авиационная разведка погоды. Ее разновидностями являются:

1) аэродромное зондирование атмосферы – наблюдения за условиями погоды по заданной высоте в районе аэродрома;

2) маршрутное зондирование атмосферы - наблюдения за условиями погоды по выбранному маршруту;

3) попутные визуальные наблюдения за условиями погоды на рейсовых самолетах.

При авиационной разведке погоды прежде всего получают сведения об облачности (о нижней и верхней ее границах, прослойках в облаках, турбулентности, обледенении, фазовом состоянии), наклонной и полетной дальности видимости и т.д. Наиболее полный комплекс наблюдений при этом обеспечивают специальные самолеты–лаборатории.

В программы наблюдений обсерваторий и отдельных станций включаются и актинометрические наблюдения над солнечной радиацией, земным излучением, отражательными свойствами поверхности земли и воды, температурой и влажностью на разных высотах, содержанием пыли и химических примесей в воздухе, радиоактивными продуктами.

Метеорологические приборы на станциях устанавливаются под открытым небом..

Повсеместно используется информация, получаемая от метеорологических спутников Земли. Анализ данных материалов позволяет выявлять крупные атмосферные образования: воздушные массы, разделяющие их фронты, циклоны и антициклоны, с движением и эволюцией которых связаны основные изменения погоды.

Контрольные вопросы к разделу о метеорологии:

1. Что называется атмосферой?

2. Что изучает метеорология?

3. Что называется метеорологическими элементами?

1. Что такое синоптическая метеорология?

2. Каковы методы исследования атмосферы?

3. Основные атмосферные явления.

4. Задачи Гидрометеорологической службы РФ.

5. Краткое описание развития метеорологии.

6. Косвенные методы исследования атмосферы.

7. Экспериментальные методы исследования атмосферы.

8. Что такое погода?

9. Требования, предъявляемые к метеорологическим станциям.

10. Что такое аэрономия?

11. Прикладные метеорологические науки.

12. Практическое значение метеорологии.

13. Международная метеорологическая служба.

14. Основные принципы метеорологических наблюдений.

15. Что такое зондирование атмосферы?