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.