Зыков И.Н. Подписано в печать Сдано в производство 99.99.05

 

 

 

Подписано в печать Сдано в производство 99.99.05

Лицензия № 000283 от 19.10.98 г. Формат 60х84 1/16. Усл.-печ. 2,4

Уч.-изд.л. 2,3 Тираж 50 экз. Заказ № 229

Отпечатано в ИИЦ Ф ГОУ ВПО СПГУВК

198035, Санкт-Петербург, Межевой канал, д.2

Зыков И.Н.

 

МЕТЕОРОЛОГИЯ И КЛИМАТОЛОГИЯ

 

 

Учебное пособие

 

Санкт-Петербург

2009

 

Рецензенты:

Кандидат технических наук, доцент Санкт-Петербургского

государственного университета –

Зернов А.В.

 

Кандидат технических наук,

Генеральный директор ЗАО «Ленгипроречтранс»

А.В. Ребковец

 

Зыков И.Н.

Метеорология и климатология: Учебное пособие. – СПб.: СПГУВК, 2009. – 168 с.

 

Пособие соответствует дисциплине «Метеорология и климатология», предназначено для студентов II курса ГТФ, обучающихся по специальности 280302.65 «Комплексное использование и охрана водных ресурсов».

В учебном пособии рассмотрены состав, строение атмосферы и процессы, происходящие в ней. Климатические системы и структуры, также их формирование в период образования Земли как небесного тела до настоящего времени.

 

ã «Санкт-Петербургский государственный

университет водных коммуникаций», 2009

ã Зыков И.Н., 2009

ВВЕДЕНИЕ

 

Термин “метеорология” происходит от греческого слова meteoros, что означает поднятый вверх, небесный и logos – слово, понятие, учение. Метеорология – наука, изучающая атмосферу и происходящие в ней процессы, она относится к системе геофизических наук, рассматривающих все явления, связанные с Землей с точки зрения физики.

Основным разделом метеорологии является физика атмосферы, изучающая физические явления и процессы в атмосфере. В состав метеорологии входит также и химия атмосферы. Динамическая метеорология проводит теоретические исследования, опираясь на методы гидроаэромеханики. Важнейшая задача этого раздела метеорологии является разработка методики прогнозов погоды. Синоптическая метеорология является наукой о погоде и методах ее предсказания.

В состав физики атмосферы входят:

физика приземного слоя воздуха, изучающая процессы, происходящие в нижних слоях атмосферы;

аэрология, изучающая процессы в свободной атмосфере, где влияние земной поверхности менее существенно;

физика верхних слоев атмосферы, рассматривающая процессы, происходящие на высоте в сотни и тысячи километров, где плотность атмосферы очень мала;

аэрономия, изучающая атмосферные процессы с точки зрения атомных и молекулярных взаимодействий и влияние солнечного излучения на атомы и молекулы, входящие в состав воздуха;

актинометрия, исследующая солнечную радиацию в атмосфере и ее преобразования;

атмосферная оптика, занимающаяся оптическими явлениями в атмосфере;

атмосферное электричество, изучает электрические явления в атмосфере и ее электрические свойства;

атмосферная акустика, относящаяся к акустике и исследующая распространение и генерацию звука в атмосфере;

агрометеорология, прикладная метеорологическая дисциплина, изучающая метеорологические, климатические и гидрологические условия, имеющие значение для сельского хозяйства в их взаимодействии с процессами сельскохозяйственного производства.

К настоящему времени сформировался раздел метеорологии, связанный с изучением влияния атмосферных факторов на биологические процессы, называемый биометеорология и включающий в себя агрометеорологию и биометеорологию человека.

Объектом изучения в метеорологии является погода, состояние которой определяется методами инструментального и визуального определения составляющих ее метеорологических элементов и явлений. К этим элементам относятся: температура и влажность воздуха, скорость и направление ветра, осадки, горизонтальная и вертикальная видимость, а также температура почвы и поверхности воды, солнечная радиация, длинноволновое излучение Земли и атмосферы. К метеорологическим явлениям относятся грозы, метели, полярные сияния и другие оптические, электрические и акустические явления в атмосфере.

Метеорологические элементы и явления наблюдаются в установленные сроки в течение суток на метеорологических станциях и обсерваториях при помощи специальных приборов. Наблюдения за верхними слоями атмосферы ведутся на аэрологических станциях в те же сроки.

Изменения метеорологических элементов происходят в результате атмосферных процессов и определяют погоду и климат в данной местности.

Климатология является наукой о климате, о его типах, принципах его формирования, распределении по земной поверхности и изменении во времени. Название науки “климатология” происходит от греческого слова klima, т.е. наклон, что в данном случае обозначает наклон солнечных лучей к земной поверхности.

Климатом называется многолетний режим погоды, свойственный той или иной местности на Земле и являющийся одной из географических характеристик ее. Под многолетним режимом погоды подразумевается совокупность всех условий погоды в данной местности за период в несколько десятков лет; типичная годовая смена этих условий и возможные отклонения от них в отдельные годы; сочетание условий погоды, характерные для различных ее аномалий (засухи, дождливые периоды, похолодания и пр.).

Для выявления особенностей климата, как типичных, так и редко наблюдаемых, необходимы многолетние ряды метеорологических наблюдений. В умеренных широтах используются 25-50-летние ряды, в тропиках их длительность может быть меньше. Продолжительность наблюдений в Антарктиде и в высоких слоях атмосферы ограничена, поскольку систематические наблюдения там начались сравнительно недавно. При изучении климата океанов используются наблюдения на островах, разрозненные наблюдения на транспортных судах и регулярные наблюдения на кораблях погоды.

Климатические характеристики представляют собой статистические выводы из многолетних рядов наблюдений над основными метеорологическими элементами. Многолетние средние значения метеорологических элементов (годовые, сезонные, месячные, суточные и т.д.), их суммы, повторяемости и другие характеристики называются климатическими нормами. Конкретные значения этих элементов для отдельных лет, месяцев и дней рассматриваются как отклонения от этих норм.

На начальной стадии своего развития климатология являлась составной частью метеорологии, но к началу 20 века выделилась в самостоятельную научную дисциплину, входящую в систему географических наук. Вследствие того, что основные климатообразующие процессы имеют геофизическую природу, климатология опирается на результаты метеорологических исследований, связывая их с географическими факторами. Климатологию иногда определяют как географическую часть метеорологии.

Фактический материал о типах климата и их распределение по земному шару, полученный на основе статистической обработки многолетних рядов результатов метеорологических наблюдений является содержанием климатографии.

Учение о генезисе климата, его физической обусловленности является предметом физической климатологии, которая опирается в первую очередь на исследования теплового и водного баланса земной поверхности и атмосферы и определяет роль этих факторов в процессе формирования климата. Отдельным разделом физической климатологии является динамическая климатология, рассматривающая климаты и их распределение по поверхности земного шара в зависимости от общей циркуляции атмосферы.

Изучение климатов высоких слоев атмосферы является предметом аэроклиматологии, а изучение климата приземных слоев воздуха входит в задачу микроклиматологии. Особое положение среди наук о климате занимает палеоклиматология, изучающая климаты геологического прошлого Земли. Этот раздел климатологии тесно связан с исторической геологией.

Большое практическое значение климатологии привело к возникновению целого ряда прикладных климатологических дисциплин, связанных с другими науками и направлениями человеческой деятельности. К ним относятся: биоклиматология, изучающая влияние климата на живую природу и человека, агроклиматология, прикладная климатология, связанная с наземным и водным транспортом, авиацией, промышленным строительством и другими направлениями инженерной деятельности.

Первые исследования в области метеорологии относятся к античному периоду. Этому вопросу посвящен трактат Аристотеля (384–322 до н. э.) “О метеорологических вопросах”.

В становлении современной метеорологии необходимо отметить роль Н. Коперника (1473-1543), сформировавшем гелиоцентрическую систему мира. В соответствии с учением Коперника Земля является одной из планет Солнечной системы, а само Солнце является звездой, а не планетой, т.к. светит не отраженным, а собственным светом. Система Коперника отвергла геоцентрическое учение Птолемея (2 в.), согласно которому Земля является центром Вселенной, а на небесном своде располагается “блуждающие” звезды (планеты) и неподвижные. Взгляды Птолемея были основополагающими в течение 12 веков. Сочинения Коперника “Об обращении небесных сфер” (1543) в 1616 г. было внесено инквизицией в “Индекс запрещенных книг” и “впредь до исправления” оставалось под запретом до 1828 г.

До 17 в. в метеорологии использовались в основном визуальные наблюдения, описывающие явления и процессы только с качественной стороны. Изобретение термометра Г. Галилеем (1564-1642) и барометра Э. Торричелли (1608-1647) значительно расширило возможности метеорологии и положило начало инструментальным наблюдениям.

В 17-18 вв. были изобретены и усовершенствованы приборы для измерения скорости ветра и количество выпадающих осадков. В этот же период М. В. Ломоносовым (1711-1765) и Б. Франклином (1706-1790) выполнены первые исследования атмосферного электричества. Тогда же начались систематические наблюдения за состоянием атмосферы на метеорологических станциях. К середине 19 в., благодаря изобретению телеграфа, а впоследствии и радио, сложилась мировая сеть метеорологических станций. В 1849 г. в России под руководством Г. Вильда (1833-1902) была создана Главная физическая обсерватория, ныне Главная геофизическая обсерватория. В 1871 г. была создана Международная метеорологическая организация, которая в 1947 г. была преобразована во Всемирную метеорологическую организацию при ООН.

Одной из серьезнейших проблем изучения атмосферы в течение длительного времени являлась измерение метеорологических элементов на различных высотах. Первоначально для этой цели создавались метеорологические станции в горных районах. В начале 18 в. стали использоваться воздушные шары и аэростаты. В конце 19 в. были произведены первые запуски шар-пилотов, представлявших собой небольшой резиновый шар, наполненный водородом и выпускаемый в свободный полет для определения скорости и направления ветра на различных высотах до того момента, когда шар лопнет или скроется в облаках. Впоследствии его заменил шар-зонд, в котором к шар-пилоту подвешивался прибор, записывающий параметры состояния атмосферы. После разрыва оболочки записывающий прибор на парашюте опускался на землю. В 1930 г. профессор П.А. Молчанов (1893–1941) изобрел радиозонд, позволяющий передавать сведения о состоянии погоды на различных высотах при помощи закодированных радиосигналов. Современный шар-пилот с радиозондом поднимается на высоту до 40 км и обеспечивает передачу радиосигнала на расстояние до 150–200 км.

К середине 20 в. сложилась сеть актинометрических станций, на которых ведутся наблюдения за солнечной радиацией и ее преобразованиями на земной поверхности.

Современные методы исследования атмосферы включают в себя использование метеорологических ракет и спутников Земли, а также авиации. В наземных методах широко используется радиолокация.

В настоящее время разработаны и применяются методы активного воздействия на погоду. Они имеют целью разрушение облачных систем, из которых возможно выпадение града, а также защиту от выпадения осадков местности, на которой проводятся какие-либо массовые мероприятия, например, спортивные соревнования.

Климатология как самостоятельная наука сложилась лишь к началу 20 в., однако, начальные предположения о климате и его закономерностях сформировались еще в Древней Греции.

В 17 и 18 вв. появляются первые описания климатов на базе инструментальных метеорологических наблюдений. Первые соображения о влиянии атмосферной циркуляции на климат были высказаны Э. Галлеем (1656–1742), Д. Хедли (1682–1744) и М. В. Ломоносовым (1711–1765).

В начале 19 в. немецкий естествоиспытатель А. Гумбольдт (1769–1859) положил начало систематическому описанию и объяснению климатов Земли и построил первые климатические карты.

Во второй половине 19 в. климатологические исследования активно развивались в России А.В. Воейковым (1842–1916) и его последователями А.А. Каминским (1863–1936), В.Ю. Визе (1886–1954) и Л.С. Бергом (1876–1950). Ими был выполнен целый ряд исследований, обосновывающих климат как географическую закономерность, и его геофизическую природу.

В 1900–1920 гг. выпускник Санкт-Петербургского университета В.П. Кеппен (1846–1940) разработал широко распространенную до настоящего времени классификацию климатов. В ее основании лежит выделение климатологических зон по соотношению годичных режимов приземной температуры воздуха и осадков. Он заложил основу исследований о связи климата с солнечной активностью.

В 20 в. в связи с бурным ростом объема метеорологической информации и появлением сведений о результатах измерения метеорологических элементов в верхних слоях атмосферы, появилось большое количество справочной литературы, посвященной различным аспектам климатологии.

На базе современных исследований Б.П. Алисовым в 1952 году была разработана классификация климатов земного шара, основанная на анализе циркуляционных условий в атмосфере. Предложенная им классификация широко распространена в настоящее время.

В связи с бурным ростом больших городов и быстрым изменением во многих регионах условий природной среды резко вырос интерес микроклимату и местному климату, поскольку на этом уровне в первую очередь ненаправленные антропогенные изменения климата. В настоящее время активно развиваются различного рода прикладные направления климатологии.