Методы, применяемые в метеорологии и климатологии

Метеорология как наука. Предмет и задачи

Метеорология – от греч. meteora – нечто в небе, небесное явление и logos – слово, учение, наука. Современному содержанию науки об атмосфере более соответствовал бы термин «аэрология» (aeros – атмосфера, воздух)

Буквально – наука о метеорах (не метеоритах!).

Изучает:

· гидрометеоры (дождь, снег, град);

· воздушные метеоры (ветер, пыльные бури);

· литометеоры (пыль, пыльца);

· светящиеся метеоры (радуга, миражи);

· огненные метеоры (молния).

Метеорология – наука об атмосфере, ее строении, свойствах и протекающих в ней физических процессах; одна из геофизических наук (до середины XVIII в. включала климатологию).

Метеорология – наука о физических процессах и явлениях в атмосфере Земли в их взаимодействии с земной поверхностью и космической средой.

Структура метеорологии:

§ Физика атмосферы

§ Аэрология (учение о методах изучения свободной атмосферы – до высоты 40 км);

§ Аэрономия (физические и химические процессы в верхних слоях атмосферы, начиная с мезосферы или ионосферы). В настоящее время отдельная наука.

§ Синоптическая метеорология (учение о макромасштабных процессах и о предсказании погоды на основе их исследования);

§ Динамическая метеорология (изучение атмосферных движений и связанных с ними преобразований энергии);

§ Актинометрия (учение о солнечном, земном и атмосферном излучении в условиях атмосферы);

§ Атмосферная оптика (учение об оптических явлениях в атмосфере, вызываемых рассеянием, преломлением и дифракцией света);

§ Атмосферное электричество;

§ Прикладная метеорология (авиационная, медицинская, сельскохозяйственная, лесная и пр.). Использует информацию о погоде при решении оперативных задач промышленности, транспорта, с/х с целью оптимизировать деловые операции.

Задачи:

1) изучение состава и строения атмосферы;

2) изучение теплооборота и теплового режима в атмосфере и на земной поверхности;

3) изучение влагооборота и фазовых преобразований воды в атмосфере во взаимодействии с земной поверхностью;

4) изучение атмосферных движений – общей циркуляции атмосферы, частей ее механизма и местных циркуляций;

5) изучение электрического поля атмосферы;

6) изучение оптических и акустических явлений в атмосфере;

7) активное воздействие на атмосферу;

8) построение физико-математических теорий атмосферных процессов, имеющих конечной целью прогноз атмосферных явлений.

Климатология как наука. Предмет и задачи

Климатология (от греч. klima – наклон и logos – слово, учение, наука) – наука, посвященная изучению статистического режима состояния атмосферы (климата) и его колебаний, как в пространстве, так и во времени, проявляющихся в совокупности погодных условий за многолетний период. Наука географического цикла.

Климатология занимается не только описанием климата, но и исследованием его физических основ, а также многочисленными практическими приложениями знаний о климате. Климатология связана с астрономией Солнечной системы, океанографией, географией, геологией, геофизикой, биологией, медициной, математикой и др.

Структура климатологии:

· общая климатология;

· климатография – учение о климатических условиях различных мест земного шара;

· динамическая климатология (изучает физические законы, определяющие климат);

· учение о методах климатологической обработки метеорологических наблюдений;

· статистическая климатология (расчет вероятности возможных экстремальных условий);

· прикладная климатология:

- биоклиматология (учение о влиянии климата на живые организмы);

- сельскохозяйственная климатология;

- медицинская климатология;

Или:

· макроклиматология (планетарный масштаб);

· мезоклиматология (региональный масштаб);

· микроклиматология (наименьший масштаб).

Задачи климатологии:

1) выяснение генезиса формирования климата (климатообразования) в результате климатообразующих процессов и под влиянием географических факторов климата;

2) описание климатов различных областей земного шара, их классификация и изучение распространения;

3) изучение климатов исторического и геологического прошлого (палеоклиматология);

4) прогноз изменений климата;

5) установление закономерностей формирования микроклимата и его классификация;

6) создание моделей изменения климата в будущем.

Методы, применяемые в метеорологии и климатологии

1. Наблюдения, т.е. измерение и качественная оценка процессов, протекающих в природной обстановке.

2. Эксперимент применяется в ограниченных пределах. Например: опыт осаждения облаков, рассеивание туманов, насаждение лесополос, создание водохранилищ, орошение местности.

3. Статистический анализ применяется широко, получают средние многолетние значения (показателей) метеорологических величин, средние из ежегодных отклонений от средних многолетних величин, повторяемость тех или иных явлений, средние и крайние сроки наступления явлений.

4. Физико-математический анализ создание дифференцированных уравнений, описывающих атмосферные процессы.

5. Моделирование, в т. ч. с использованием ЭВМ. Создание климатических моделей – модель общей циркуляции атмосферы (МОЦА) и др.

6. Картографический – составление и анализ синоптических и климатических карт

Метеорологические наблюдения – измерение и качественная оценка метеорологических величин.

Наблюдения могут быть прямыми и косвенными. Прямые наблюдения – непосредственные измерения. Косвенныенаблюдения – оценка одних параметров посредствам измерения других (скорость ветра на высотах по облакам, качественный состав атмосферного воздуха по цвету полярных сияний).

Кроме метеорологических величин (температура воздуха, давление, влажность и т.д.) измеряют и такие величины, которые непосредственно не отражают свойства атмосферы или атмосферных процессов, но тесно с ними связаны. Это температура почвы, испарение, характеристики снегового покрова.

В метеорологической практике выполняются наблюдения 4 типов:

1) климатологические наблюдения – включают измерения характеристик погоды в определенном месте в течение длительного периода;

2) синоптические наблюдения – производится над большими площадями (в идеале на ряде высот над всем земным шаром) несколько раз в течение суток. Данные служат основой для прогноза погоды;

3) оперативные наблюдения – специальные наблюдения, которые осуществляются для решения задач управления некоторыми видами деятельности (авиации);

4) исследовательские наблюдения – в них могут применяться любые типы наблюдений, а кроме того – специальная аппаратура.

Метеорологические наблюдения проводятся на метеостанциях.

Метеорологическая станция – это учреждение для производства метеонаблюдений на месте, выбранном с учетом определенных требований в отношении рельефа местности, близости зданий и населенных пунктов.

Метеорологическая станция состоит из метеоплощадки (26×26 м), где расположены основные приборы для метеонаблюдений, и отапливаемого здания, где устанавливаются барометры и барографы, содержится запасной инвентарь и ведется обработка наблюдений.

Метеорологическая станция оборудуется стандартной для данной сети аппаратурой, с помощью которой производятся наблюдения в установленные сроки и в определенной последовательности.

Метеорологические станции в Беларуси делятся на 3 разряда.

Метеорологические станции І разряда производят и обрабатывают наблюдения; осуществляют техническое руководство работой прикрепленных к ней метеорологических станций ІІ и ІІІ разрядов и метеопостов; производит обслуживание заинтересованных организаций, предприятий и учреждений сведениями о метеоусловиях и материалами по климату (обсерватория, самопишущие приборы).

Метеорологические станции ІІ разряда проводят круглосуточные наблюдения по полной программе во все сроки (кроме актинометрических, аэрологических и атмосферно-электрических наблюдений), обрабатывают их, передают информацию по результатам наблюдений на стации І разряда.

Метеорологические станции ІІІ разряда – проводят наблюдения по сокращенной программе и в меньше число сроков.

На метеостанциях во всем мире производятся синхронные наблюдения через каждые 3 часа по всемирному времени, начиная с 0 часов (всего 8 раз в сутки).

На метеостанциях основного типа регистрируют следующие величины:

· температура воздуха;

· атмосферное давление;

· ветер;

· влажность воздуха;

· облачность;

· количество осадков, их характер, длительность, интенсивность;

· горизонтальная видимость;

· продолжительность солнечного сияния;

· температура на поверхности почвы;

· состояние поверхности почвы;

· высота и плотность снежного покрова.

Кроме этого регистрируются метели, шквалы, смерчи, мгла, грозы, полярные сияния, оптические явления в атмосферы.

Количество осадков измеряют 4 раза в сутки, высота снежного покрова – 1 раз в сутки, плотность снега – 1 раз в 5 дней.

Для измерения метеовеличин применяют метеоприборы – механические средства. К метеоприборам предъявляют ряд требований:

1. точность, надежность, простота в эксплуатации;

2. правильная экспозиция (дождемер, ведро которого имеет диаметр 25,4 см., характеризует осадки, выпадающие на территории радиусом более 8 км);

3. доступность и преобразование информации (фактор времени);

4. однотипность.

Метеоприборы устанавливают на метеоплощадке станции под открытым небом, за исключением барометров, которые помещают в здании станции. Приборы для измерения температуры и влажности воздуха защищают от действия прямой солнечной радиации, осадков и ветра, для чего их устанавливают в метеобудке (рисунок 1). Самопишущие приборы нередко конструируют так, что приемная часть размещается на площадке, а пишущая – в здании.

Принципы строения многих приборов были предложены еще в 17–19 вв. В настоящее время наблюдается быстрый прогресс в приборостроении (тепло- и фотоэлементы, радиолокация, полупроводники, радиосвязь, лазер).

Оптимальное расстояние между метеостанциями для прогноза погоды на 36 часов – 100–150 км.

Кроме приземных наблюдений на метеостанциях проводят также наблюдения за более высокими слоями атмосферы:

· аэрологические (до высоты 40 км);

· аэрономические (от мезосферы и выше).

Для аэрологических наблюдений применяют радиозонд. Радиозонд был создан в 30-х гг. 20 в. русским исследователем Молчановым. Это легкая миниатюрная станция для измерения метеоэлементов, которая имеет радиосвязь с землей и поднимается вверх воздушным шаром. Комплекс для радиозондирования состоит из воздушного шара, радиозонда, наземного оборудования, радиотеодолита.

Метеорадары используются для наблюдений за дождем, градом или снегом. Позволяют определить место и интенсивность выпадения осадков.

Для аэрономических наблюдений применяют метеоспутники и геофизические ракеты. Метеоспутники (с 1957 г.) делятся на 2 группы:

1) спутники, запускаемые на геостационарную орбиту, летают на высоте 36000 км над экватором. Время оборота вокруг земли 24 часа, то есть они наблюдают за одним и тем же участком земной поверхности (рисунок 2);

2) спутники, запущенные на полярную орбиту, облетают Землю от полюса до полюса на высоте 850 км. Оборот вокруг Земли за 100 мин. за это время Земля совершает поворот на 25º по долготе, т.е. на каждом витке наблюдения ведутся над новой точкой (рисунок 3).

Современная система метеорологических спутников, осуществляющих оперативные наблюдения за состоянием атмосферы, океанов и суши. Эта система состоит из 8 геостационарных спутников (США, России, Индии, Японии, Китая и Европейского космического агентства) и полярных спутников США и России (рисунок 4).

В практику наземных наблюдений в ХХ в. были введены автоматические метеостанции. Для наблюдений за погодной над поверхностью океана применяют метеобуи (с 1970-х гг.), используют оборудование, установленное на бортах судов.

Рисунок 2 – Метеоспутник NOAA-12 (http://www.cnews.ru/news/top/print.shtml?2007/08/30/264383)

Рисунок 3 – Метеокомплекс «Электро-Л» (http://www.hnet.ru/files/1(399).jpg)