Тема 2. Метеорология и климатология

Метеорология

• наука об атмосфере, ее свойствах, составе, строении, физических и химических процессах в ней проходящих.

Задачи метеорологии:

• описание физического состояния атмосферы в данный момент времени

• прогноз ее состояния на различные сроки.

Климатология

• наука изучающая законы формирования Земного климата и его распределение по Земному шару.

Задачиклиматологии:

• изучение атмосферных процессов за длительный период времени,

• обобщение результатов измерений параметров погоды,

• изучение климатического режима территории.

Погода и климат

• Погода- состояние атмосферы у земной поверхности, а также в более высоких слоях (в сфере действия воздушного транспорта).

• Климат– многолетний режим погоды, типичный для данной местности.

• В отличие от погоды он обладает устойчивостью, постоянством, хотя ежегодно бывают отклонения в температуре, количестве и режиме осадков.

Атмосфера

• воздушная оболочка Земли, связанная с ней силой тяжести и движущаяся вместе с Землей в мировом пространстве как единое целое, и одновременно принимающая участие в ее суточном и годовом вращении.

Вертикальное строение атмосферы

По распределению температуры с высотой различают следующие слои:

• Тропосфера  

• Стратосфера

• Мезосфера

• Термосфера

• Ионосфера

• Экзосфера

Тропосфера

• Самый нижний и плотный слой атмосферы,

• Верхняя граница - 18 км (экватор) и 8-9 км (полюса),

• Температура убывает с высотой (0,65С/100 м), у верхней границы –55^оС.

• Развивается интенсивное вертикальное движение воздуха – конвекцияс образованием облаков,

• горизонтальное перемещение – ветер,

• сосредоточен почти весь водяной пар,

• формируются воздушные массы и фронты, развиваются циклоны и антициклоны.

Конвекция

Стратосфера

• Расположена на высоте от 8-16 км до 45-55 км.

• Температура с высотой в умеренных и полярных широтах мало изменяется до 25 км, но дальше начинает расти.

• Средняя температура на верхней границе ок. 0 ^оС.

• Типичны большие скорости ветра (до 80-100 м/с).

• Газовый состав воздуха сходен с тропосферным, но содержится меньше водяного пара и больше озона (наибольшая его концентрация на высоте от 25 до 35 км).

Мезосфера

• Расположена на высотах от 45-55 км до 80-85 км.

• Типично понижение средней температуры с высотой (до –90 ^оС у верхней границы).

• В верхней части образуются кристаллические серебристые облака.

• У верхней границы мезосферы давление воздуха в 1000 раз меньше, чем у земной поверхности.

Термосфера

• слой верхней атмосферы

• Расположен на высотах от 80 км до 300-800 км.

• Температура с высотой повышается до 1500 ^оС.

• Различают в ее пределах:

• ионосферу,

• экзосферу.

Ионосфера

• слой верхней атмосферы на высотах 80 – 400 км

• характеризуется высоким содержанием молекулярных и атомных ионов, а также свободных электронов.

• Ионизация происходит под воздействием ультрафиолетовой солнечной радиации, вызывающей диссоциацию молекул кислорода и азота.

• Наблюдаются полярные сияния и бури.

Экзосфера

• внешний, наиболее разреженный слой атмосферы от 700-800 км и выше;

• характеризуется постоянством температуры с высотой;

• состоит из гелия и водорода;

Состав воздуха в атмосфере

• Атмосферный воздух– механическая смесь газов со взвешенными каплями воды, пыли и кристаллами льда.

• В воздухе до h=100 км содержитсяпо объему:

• 78,08% - азот,

• 20,95% - кислород,

• Ок. 1% инертных газов (Ar,CO₂,Ne,He,O₃).

Солнечная радиация

• Прямая радиация– радиация, приходящая к земной поверхности в виде прямых лучей непосредственно от солнечного диска в ясный день.

• Максимальное количество радиации получает единица площади, расположенная перпендикулярно к солнечным лучам.  

• На единицу площади горизонтальной поверхности Земли приходится меньшее количество лучистой энергии I:

I=Isinh_о,

где I – энергетическая освещенность прямой радиацией,

h_о– высота Солнца.

• Рассеянная солнечная радиация - часть солнечной радиации, рассеянной в атмосфере и поступающей на земную поверхность со всего небесного свода.

• Спектральный состав радиации меняется.

• В пасмурные дни является единственным источником энергии в приземных слоях атмосферы.

• Всю солнечную радиацию, приходящую к земной поверхности – прямую и рассеянную – называют суммарной радиациейQ:

Q=Isinh_о+i,

где I– энергетическая освещенность прямой радиацией,

i– энергетическая освещенность рассеянной радиацией,

h_о – высота Солнца.

• Отношение количества отраженной радиации к общему количеству радиации, падающей на данную поверхность, называется альбедо поверхности А, выражается в % или долях от единицы.

• Величина альбедо зависит от характера подстилающей поверхности.

• Поглощенная радиация - часть радиации, поглощенная земной поверхностью и идущая на нагревание верхних слоев почвы и воды.

• Собственное излучение земной поверхности - длинноволновая радиация, которую излучают верхние слои почвы и воды, снежный покров и растительность.

Радиационный баланс

R=(Isin h_о+i)(1-A)-Eс,

где R– радиационный баланс,

I – энергетическая освещенность прямой радиацией,

i– энергетическая освещенность рассеянной радиацией,

h_о– высота Солнца,

А – альбедо земной поверхности,

Eс – собственное излучение земной поверхности.

Тепловой баланс

• Тепловой баланс атмосферы- распределение температуры воздуха в атмосфере и непрерывные изменения этого распределения.

• Определяется теплообменоммежду атмосферным воздухом и окружающей средой.

Теплообмен осуществляется:

• Радиационным путем (радиационный баланс, R) - приход или потеря тепла от солнечного диска;

• Приходом/отдачей тепла из/в воздуха путем теплопроводности (Р);

• Приходом/расходом путем теплообмена с более глубокими слоями почвы и воды (W);

• Приходом/потерей тепла при конденсации/испарении с земной поверхности (LE, гдеL– удельная теплота испарения,E– масса испарившейся или сконденсировавшейся воды).

Тепловой баланс

• Алгебраическая сумма всех приходов и расходов тепла на земной поверхности должна быть равной нулю.

• Это и выражается уравнением теплового балансаземной поверхности.

Уравнение теплового баланса

 

R + P + W + LE = 0 

• Таким образом, радиационный баланс на земной поверхности уравновешивается нерадиационной передачей тепла.

Температура воздуха

• Температура воздуха (воды и почвы) в большинстве стран измеряется в градусах Цельсия.

• Нуль приходится на температуру, при которой тает лед, 100 ^оС - на температуру кипения воды (при нормальном атмосферном давлении).

• Шкала Реомюра

• Шкала Фаренгейта

• Изменение температуры с высотой – в среднем температура падает на 0,6 С каждые 100 м подъема.

• Определить температуру на уровне моря, зная данные станции наблюдения, можно по формуле:

t₀=t_ст+ 0,610^-2z_cт,

где z_ст– высота станции над уровнем моря в метрах;

t_ст– температура воздуха на станции, ^оС;

t₀– температура воздуха на уровне моря,^оС.

Годовой ход температуры воздуха

• а) – экваториальный, Маникоре; б) – тропический, Гонконг; в) – умеренный, Москва; г) – полярный, Барроу.

Испарение и испаряемость

• Испарение– отрыв отдельных молекулы воды от водной поверхности или от влажной почвы и переход в воздух как молекулы водяного пара.

• Транспирация– испарение с поверхности растений.

• Испарение и транспирацию вместе называют суммарным испарением.

• Испаряемость – максимально возможное испарение, не ограниченное запасами влаги.

Коэффициент увлажнения

• Коэффициент увлажнения(К) – отношение осадков к испаряемости за один и тот же период времени, выражается дробью или в %.

• По характеру увлажнения определяют зоны:

• избыточного увлажнения (К>1),

• нормального увлажнения (К около 1),

• недостаточного увлажнения (К<1).

• …. и тип природно-растительных зон:

• при К > 1 произрастают леса,

• К около 1 – 0,6 – лесостепи, саванны,

• К от 0,6 до 0,3 – луговые и сухие степи,

• К от 0,3 до 0,12 – полупустыни,

• К < 0,12 – пустыни.

Влажность воздуха

• Относительная влажность- отношение фактического давления водяного пара, находящегося в воздухе, к давлению насыщенного пара при данной температуре воздуха, выраженное в процентах:

f=(e/E)100%,

где f– относительная влажность,

е – фактическое давление водяного пара,

Е – давление насыщенного пара.

• Относительная влажность воздуха может принимать все значения, от нуля, в случае сухого воздуха (е=0) до 100% для состояния насыщения (е=Е).

Облака

• Облака - результат конденсации водяного пара (капли и кристаллы) в атмосфере, переносимые воздушными течениями.

• При уменьшении относительной влажности воздуха облака испаряются.

По фазовому состояниюоблака делятся на:

• Водяные (капельные)

• состоят только из водяных капель; могут существовать при положительных и при отрицательных температурах.

• Смешанные

• состоят из смеси переохлажденных капель и ледяных кристаллов; существуют при tот –10^одо –40^оС.

• Ледяные (кристаллические)

• состоят только из ледяных кристаллов; существуют при температурах ниже –40 ^оС.

Облака

• Формыоблаков очень разнообразны, в международной классификации они делятся на 10 основных форм по внешнему виду.

Перистые

Перисто-кучевые

Перисто-слоистые

Высоко-кучевые

Высоко-слоистые

Слоисто-кучевые

Слоистые

Слоисто-дождевые

Кучевые

Кучево-дождевые

Облачность

Осадки: типы по условиям образования

• Обложные осадки

• из слоисто-дождевых и высоко-слоистых облаков, связанных с фронтами; средней интенсивности, выпадают сразу на больших площадях, распространяются равномерно, продолжаются длительное время. Типичны для умеренных широт.

• Ливневые осадки

• из кучево-дождевых облаков, связанных с конвекцией, интенсивные, но мало продолжительные (связаны с узкими зонами облаков). Типичны для тропических и экваториальных широт, летом – в умеренных.

• Моросящие осадки

• внутримассовые осадки, выпадают из слоистых и слоисто-кучевых облаков, типичны для теплых или местных устойчивых воздушных масс. Жидкие осадки состоят из мелких капель, при t< 0 могут давать снежные зерна или мелкие снежинки.

Осадки: типы по происхождению

• Конвективныеосадки

• характерны для жаркого пояса, где есть интенсивный нагрев и испарение. Летом нередки и в умеренном поясе.

• Фронтальныеосадки

• образуются при встрече двух воздушных масс с разной температурой и физическими свойствами, выпадают из более теплого воздуха, образующего циклонические вихри, типичны для умеренного и холодного поясов.

• Орографические осадки

• выпадают на наветренных склонах гор. Связаны со столкновением воздушной массы с препятствием, вызывающим выпадение осадков. Они обильны, если воздух идет со стороны теплого моря и обладает большой абсолютной и относительной влажностью.

Осадки

• Годовой ход осадков, т.е. изменение их количества по месяцам, в разных местах Земли неодинаков, зависит как от общей циркуляции атмосферы, так и от местных физико-географических условий.

• Выделяется несколько различных типов годового хода осадков :

• а) – экваториальный, Пуэрто-Айсен (Чили);

• б) – муссонный, Владивосток;

• в) – средиземноморский, Афины (Греция);

• г) – континентальный умеренных широт, Москва;

• д) – морской континентальный умеренных широт, Калининград 

Гроза

Атмосферное давление

• Давление в 1 мм рт. ст.– давление, оказываемое столбом ртути высотой 1 мм с основанием 1 м²на площадку 1 м²на уровне моря и широте 45.

• За нормальное атмосферное давлениепринято давление ртутного столба высотой 76 см с сечением в 1 см²на уровне моря на широте 45^опри температуре 0^оС. Оно равно 760 мм рт.ст., или 1013 мбар (1013 гПа).

• Области пониженного и повышенного давления, на которые постоянно расчленяется барическое поле атмосферы, называют барическими системами.

• Циклон или барический минимум - система замкнутых изобар с пониженным давлением в центре.

• Антициклон или барический максимум – система замкнутых изобар с повышенным давлением в центре.

Ветер

• Ветер – движение масс воздуха в горизонтальном направлении вызываемое неравномерным распределением давления у земной поверхности.

• Всегда дует из области повышенного давления в область пониженного давления.

• Обладает скоростью и направлением.

• Под скоростью ветрапонимают путь, проходимый индивидуальным объемом воздуха относительно земной поверхности за единицу времени.

• Скорость ветра измеряется в м/с, в км/ч и в узлах (морская миля в час).

• Чем больше разница в давлении, тем ветер сильнее.

• Для характеристики скорости ветра применяется шкала Бофорта, где сила ветра оценивается в баллах: от 0 до 12

• Направление вектора скорости называется направлением ветра.

• Направление ветра определяется по той стороне горизонта, откуда дует ветер (северный дует с севера).

• Для указания направления ветра используется 16 румбов: 8 основных (северный, северо-восточный, восточный, юго-восточный и т.д.) и 8 промежуточных (северо-северо-восточный, восточный-северо-восточный, северо-северо-западный, юго-юго-западный и т.д.).

Местные ветра

• Местные ветра – ветры, отличающиеся какими-либо особенностями от главного характера общей циркуляции атмосферы, но закономерно повторяющиеся и оказывающие заметное влияние на режим погоды в данной местности.

• Бризы- ветры, возникающие по берегам крупных водоемов, дважды в сутки меняют направление на противоположное из-за различного нагревания суши и воды.

Воздушные массы

• Под воздушной массой (ВМ)понимают крупный объем воздуха, обладающий относительно однородными свойствами и движущийся как одно целое.

• Выделяются четырезональных типавоздушных масс в зависимости от районов формирования:

• экваториальные воздушные массы,

• тропические,

• умеренных широт,

• полярные и арктические-антарктические.

• Они различаются, прежде всего, по температуре.

• Все типы, кроме экваториального делятся на подтипы: морской и континентальный в зависимости от характера поверхности, над которой формируется воздух.

Атмосферные фронты

• Смежные воздушные массы разделены сравнительно узкими переходными зонами, сильно наклоненными к земной поверхности (фронтами).

• Длина – тысячи км, ширина – десятки км. Вверх фронты прослеживаются на несколько км.

• Плоскость раздела между воздушными массами (фронтальная поверхность)всегда наклонена в сторону холодного воздуха, который располагается под фронтальной поверхностью, а менее плотный и более легкий теплый воздух – над нею.

• С фронтами связаны особые типы погоды.

Климатообразующие факторы

Формирование климата на территории России

Климатические пояса