120

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

"ЗАПОРІЗЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ"

МІНІСТЕРСТВА ОСВІТИ І НАУКИ, молоді та спорту УКРАЇНИ

Г.Ф. Дударєва

Метеорологія та кліматологія

Навчально-методичний посібник для студентів освітньо-кваліфікаційного рівня «бакалавр»

напряму підготовки "Екологія, охорона навколишнього середовища та раціонального природокористування"

денного відділення

Затверджено

вченою радою ЗНУ

Протокол № ____ від __________

Запоріжжя 2012

УДК 581.5:504,54:712.3

Дударєва Г.Ф. Метеорологія та кліматологія: навчально-методичний посібник для студентів освітньо-кваліфікаційного рівня «бакалавр» напряму підготовки "Екологія, охорона навколишнього середовища та раціонального природокористування" денного відділення. – Запоріжжя: ЗНУ, 2012.– 121 с.

Навчально-методичний посібник містить опис методик, які можуть бути широко використані на практиці для оцінки основних атмосферних явищ та процесів, що формують метеорологічний, кліматичний і екологічний стан планети та окремих її регіонів. Особливу увагу приділено актуальним проблемам потеплення клімату, погоді та її завбаченні сучасними засобами, основним методам, які використовуються в метеорологічній практиці. Наведені теоретичні відомості не виключають використання додаткових літературних джерел при підготовці до занять.

Навчально-методичний посібник включає теоретичний матеріал, розробки до лабораторних завдань, контрольні питання та завдання для самостійної роботи.

Видання розраховане на студентів напряму підготовки "Екологія, охорона навколишнього середовища та раціонального природокористування".

Рецензент

к.б.н., доц. О.Ф. Рильський

Відповідальний за випуск

д.б.н., проф. В.Д. Бовт

ЗМІСТ

Передмова……………………………………………………………………….. 4 Вступ в метеорологію…………………………………………………………....5 Модуль 1. Кліматологія……………………………………………………….....8 Тема1.Атмосфера та її основні властивості…………………………………….8 Лабораторна робота №1. Склад повітря та будова атмосфери……………….12 Лабораторна робота №2.Спостереження за атмосферним тиском………......19 Тема 2.Сонячна радіація та радіаційний баланс……………………………….21 Лабораторна робота № 3. Спостереження за сонячною, земною та атмосферною радіацією………………………………………………………….25 Тема 3.Температурний режим ґрунту та повітря………………………………29 Лабораторна робота №4.Вимірювання температури повітря, води та грунту.33 Лабораторна робота № 5. Побудова графіка термоізоплет…….......................39 Тема 4.Вода в атмосфері та ґрунті……………………………………………...40 Лабораторна робота № 6.Спостереження за вологістю повітря………………46 Лабораторна робота №7. Робота з психометричними таблицями……………49 Тема 5. Тумани, хмари, опади…………………………………………………...51 Лабораторна робота №8. Спостереження за хмарністю……………………....60 Лабораторна робота №9. Спостереження за опадами та сніговим покривом 65 Лабораторна робота №10.Визначити висоту і щільність снігу та запаси води в ньому……………………………………………………………………..67 Тема6. Баричне поле та вітер……………………………………………………69 Лабораторна робота №11. Вимірювання швидкості вітру та побудова «рози вітрів»……………………………………………………………………...75 Тема7. Циркуляція атмосфери…………………………………………………..77 Лабораторна робота №12. Циклони і антициклони…………………………....80 Модуль 2. Основи кліматології. Загальні закономірності формування клімату………………………………….81 Тема 8. Погода. Клімат……………………………………………. …………....90 Лабораторна робота №13. Аналіз та прогноз погоди…………………………. 91 Лабораторна робота № 14. Типи клімату в межах кліматичного поясу……...92 Тема 9. Великомасштабні зміни клімату……………………………………….93 Перелік контрольних питань і завдань для самостійної роботи…………….101 Теми рефератів……………………………………………………………….....105 Задачі для самостійної роботи………………………………………………...106 Термінологічний словник………………………………………………………108 Рекомендована література……………………………………………………...112 Додатки…………………………………………………………………….........114

ПЕРЕДМОВА

Курс «Метеорологія та кліматологія» є нормативною дисципліною, яка дає уяву про фізичні процеси, що відбуваються в атмосфері, основні методи аналізу та прогнозу метеорологічних величин та явищ, кліматичний режим атмосфери й фактори, що впливають на формування клімату, а також вплив атмосфери на природні сфери та екологічний стан навколишнього середовища в цілому.

Мета дисципліни полягає в тому, щоб вивчити основні атмосферні явища та процеси, що формують метеорологічний, кліматичний і екологічний стан планети та окремих її регіонів.

У результаті вивчення дисципліни студент повинен знати: будову та загальні особливості атмосфери Землі, основні фізичні процеси, що в ній відбуваються; фізичні процеси і географічні чинники, які формують клімат Землі; причини формування парникового ефекту; причини формування погодних умов, прогнозування погоди.

Вміти: визначати атмосферний тиск за допомогою ртутного барометра, анероїда та барографа; вимірювати температуру ґрунту, води, повітря; вимірювати характеристики вологості повітря за допомогою психрометричних гігрометрів, волосяних гігрометрів та гігрографів; визначати напрямок та швидкість вітру за флюгером, анеморумбографом, ручним та цифровим анемометром; визначати кількість та форми хмарності за допомогою Атласу хмар; вимірювати кількість опадів за дощоміром та їх інтенсивність за плювіографом; вимірювати висоти, щільності та водності снігового покриву за допомогою снігомірних рейок та вагового снігоміра; складати графіки річного ходу основних метеорологічних елементів для одного або двох пунктів та аналізувати ці графіки; застосовувати метеорологічні знання при вирішенні завдань щодо оцінки об'єктів, напрямків і швидкостей атмосферної міграції різноманітних забруднювачів довкілля; проводити обробку та аналіз кліматологічних спостережень, виявляти зв'язки між кліматичними та екологічними процесами. Цим питанням і присвячено навчальний посібник з курсу «Метеорологія та кліматологія».

В посібнику зібрані матеріали, які дають змогу теоретично та практично ознайомитись з курсом «Метеорологія та кліматологія», як інтегральною навчальною дисципліною. Значна увага приділена актуальним проблемам потеплення клімату, погоді та її завбаченні сучасними засобами, основним методам, які використовуються в метеорологічній практиці. Посібник включає питання для самоперевірки, методичні рекомендації для лабораторних робіт та завдання для самостійної роботи. В кінці посібника міститься термінологічний словник, список рекомендованої навчальної літератури з курсу «Метеорологія та кліматологія».

Напрям підготовки: “Екологія, охорона навколишнього середовища та збалансоване природокористування”.

ВСТУП В МЕТЕОРОЛОГІЮ

Метеорологія - це наука про фізичні процеси та явища в атмосфері Землі в їх взаємодії з земною поверхнею й космічним середовищем.

В атмосфері Землі має місце величезна різноманітність процесів та явищ, які до того відбуваються з великими швидкостями й розвиваються на грані нестійкого стану. Для вивчення атмосферних процесів і явищ перегідь використовують широкий набір емпіричних і теоретичних методів, спеціально пристосованих для вирішення тих чи інших завдань метеорології. Так, для оцінки стану атмосфери використовують спеціальні методи спостережень і вимірювань, результати яких, знову ж таки, спеціальними методами узагальнюються й аналізуються, що дозволяє отримати уявлення про процеси, які відбуваються в атмосфері.

Сьогодні метеорологія, досліджуючи атмосферні процеси та явища кладе в основу діалектичний метод пізнання, ґрунтуючись на таких засадах:

1. Жодне атмосферне явище не можна глибоко вивчити й зрозуміти, не беручи до уваги складних процесів взаємодії атмосферних об’єктів один з одним, а також із земною поверхнею і космічним середовищем.

2. Будь-яке атмосферне явище можна зрозуміти, якщо знати причини його виникнення, розвитку і зникнення.

3. Кількісні зміни в атмосфері можуть привести до якісних, причому цей перехід часто здійснюється стрибкоподібно.

4. Причиною дії будь-якого атмосферного процесу є дія суперечливих чинників.

Отже, відображення стану атмосфери здійснюється через метеорологічні спостереження та вимірювання з застосуванням візуальних, інструментальних, телеметричних, радіолокаційних, ракетних і супутникових засобів, а відображення реальних атмосферних процесів виконується за допомогою складання й аналізу синоптичних карт, графіків, діаграм, фізичного й математичного моделювання й т. п.

Метеорологія - багатогалузева наука. Кожна її дисципліна своєрідна і спеціалізується на вивченні певних питань. Так, фахівці з кліматології - важливої галузі метеорології вивчають клімати земної кулі (загальна кліматологія), встановлюють причини й особливості їх формування, можливі зміни (генетична кліматологія), вплив рельєфу, водойм, міст, лісів на клімат (мікрокліматологія).

Розділ метеорології - фізика атмосфери - вивчає фізичний механізм метеорологічних явищ і процесів. Фахівці досліджують процеси конденсації водяної пари, утворення хмар, висхідні та низхідні рухи повітря, механізм утворення опадів, туманів тощо. Фізичні процеси у приземному шарі повітря, зокрема теплообмін між підстилаючою поверхнею та атмосферою, тепловий режим, розвиток турбулентних та вертикальних рухів, випаровування і конденсація - питання фізики приземного шару повітря. Предметом вивчення актинометрії є сонячне, земне, атмосферне випромінювання (радіація). Спеціалісти вимірюють пряму розсіяну радіацію, ефективне випромінювання, альбедо - складові радіаційного балансу, розглядають розподіл сонячної радіації по земній кулі.

Фахівці з метеорологічної оптики вивчають вплив щільності і прозорості різних шарів повітря на проникання променів світла. Адже відомо, що від розсіювання, поглинання, заломлення, рефракції та дифракції світла залежать колір неба, мерехтіння зірок, явище присмерків, райдуга, гало, несправжні сонця, міражі та інші незвичайні оптичні явища. Акустична метеорологія вивчає інтенсивність поширення звуків в атмосфері залежно від її щільності, досліджує відбиття звукових хвиль, без чого неможливим був би радіозв'язок на великі відстані.

Електричне поле атмосфери, явища іонізації та електропровідності повітря, електричні заряди хмар та опадів, струм і розряди в атмосфері досліджують метеорологи, фахом яких є атмосферна електрика.

Найпоширеніші такі засоби, як піднімання метеорологічних приладів у повітря за допомогою повітряних зміїв, радіозондів, куль-пілотів, літаків, метеорологічних ракет займаються фахівці з аерології. З нових засобів аерологічних спостережень застосовуються радіолокаційні та лазерні.

В окрему галузь виділилась космічна метеорологія, яка виникла невдовзі після перших запусків штучних метеорологічних супутників землі і займається спостереженням зі станом хмарності, льодовиків, температурою на верхній межі хмар. Основне практичне завдання - розробити методи числового прогнозу погоди. Великим розділом метеорології є синоптична, в тому числі авіаційна, метеорологія. Синоптики займаються складанням прогнозів погоди на строки від кількох годин до кількох місяців (сезон). Нині метеорологи-науковці працюють над розробкою методів наддовгострокових прогнозів погоди - на один - два роки.

Дисципліною метеорології є контроль за станом забруднення атмосфери. Виділяються ще прикладні метеорологічні науки. Вони досліджують залежність господарської діяльності людини від умов погоди. Це агрометеорологія, що вивчає взаємозв'язок між фізичними і хімічними процесами в атмосфері та живими істотами - тваринами, рослинами.

Предметом вивчання медичної метеорології є вплив атмосферних процесів на розвиток певних захворювань, залежність хронічних та епідемічних хвороб від погодних умов, а також можливості й наслідки клімату тощо.

Від метеорології уже в наш час відокремилась аерономія, як учення про фізичні та хімічні процеси у верхніх шарах атмосфери, починаючи з мезосфери.

До складу метеорології органічно входить аерологія - вчення про методи дослідження вільної атмосфери до висот 20 - 25 км (зона польотів цивільної авіації).

Великий розділ метеорології, присвячений клімату, виділився в більш-менш самостійну дисципліну - кліматологію, яка відноситься по своїй суті до географічних наук.

Термін "кліматологія" застосовувався в стародавності, ще до Аристотеля, якому належить трактат під цією назвою про атмосферні явища і називався він "Метеорологіка". Це була робота про метеори - дощ, сніг, град, вітер, блискавки, веселки тощо.

Кліматологія – це вчення про закономірності формування клімату та його коливання на землі та в різних географічних районах.

До завдань кліматології відносять з’ясування генезису клімату в результаті кліматологічних процесів і під впливом географічних чинників клімату, а також кліматографію Землі та окремих її районів.

Хід метеорологічних процесів оказує вплив на всі сторони життя суспільства: визначає гідрологічний режим водних об’єктів; метеорологічна інформація потрібна авіації, морському, жілізнодорожному транспорту; від погодних умов залежать комунальні служби місць, сільськогосподарське виробництво. Погода впливає на самопочуття людей та їх працездатність.

В задачі сучасної метеорології входять: повсюдні і безперервні метеорологічні спостереження; узагальнення і вивчення матеріалів спостережень з метою встановлення причин змін метеорологічних елементів і явищ погоди, встановлення законів, що керують їх розвитком; розробка методів прогнозу погоди; забезпечення галузей народного господарства інформацією про теперішній стан погодних умов, їх прогноз на майбутнє.

Удосконалення методів прогнозування дає великий економічний ефект, поперед всього у результаті попередження про такі опасні явища, як повені, урагани, посуха та ін.

В останні часи в метеорології вирішається завдання активного впливу на атмосферу з метою покращення клімату та управління погодою. На метеорологію покладена також задача контролю забруднення навколишнього середовища. Таким чином знання основ метеорології та кліматології конче необхідні для підготовки фахівців в галузі “Екологія, охорона навколишнього середовища та збалансоване природокористування”.

Модуль 1. Кліматологія.

Тема1: Атмосфера та її основні властивості

План:

1. Атмосфера. Її будова та загальні відомості про параметри, які характеризують її стан.

2. Поділ атмосфери на шари.

3. Атмосферний тиск. Одиниці виміру.

4. Прилади для вимірювання атмосферного тиску.

1.1. Атмосфера. Її будова та загальні відомості про параметри, які характеризують її стан

Атмосфера Землі є суцільною оболонкою, оточує нашу планету і являє собою суміш газів, хмар та ін. частинок, що знаходяться в повітрі й називаються аерозолями. Основні гази атмосфери – азот (78,084 %) кисень (20,946 %), аргон (0,033 %) та інші, що сукупно являють «коктейль» характерний для Землі.

Таблиця 1.1 - Відсотковий вміст об'ємів механічної суміші газів атмосферного сухого повітря

№	Хімічна характеристика газу	Відсоткова частка (%) об’єму даного газу в суміші
1	Азот (N2)	78,084000
2	Кисень (O2)	20,947000
3	Аргон (Ar)	0,934000
4	Вуглекислий газ (CO2)	0,031400
5	Неон	0,001818
6	Гелій	0,000524
7	Криптон	0,000114
8	Ксенон	0,000087
9	Водень	0,000050
10	Окис азоту	0,000050
11	Метан	0,0002
12	Озон влітку	Від 0 до 0,000007
13	Озон взимку	Від 0 до 0,000002
14	Двоокис сірки	Від 0 до 0,0001
15	Двоокис азоту	Від 0до 0,000002
16	Йод (І)	Від 0 до 0,000001

Наведений у таблиці 1.1 відсотковий вміст об'ємів механічної суміші газів атмосферного сухого повітря в цілому зберігається до висот 90-96 км. Вище, внаслідок дисоціації газових молекул ультрафіолетовим випромінюванням Сонця склад атмосферного повітря змінюється.

Азот — один з головних елементів ґрунтового харчування рослин. Він входить до складу рослинних і тваринних білків. Вільний азот атмосфери зв'язується деякими ґрунтовими й клубеньковими бактеріями, що збагачує ґрунт з'єднаннями азоту, легко засвоюваними рослинами. Для поліпшення ґрунтового харчування рослин мінеральні й органічні сполуки азоту вносять у ґрунт у вигляді добрив. Невелика кількість зв'язаного азоту (3-4 кг/га в рік) попадає в ґрунт із атмосферними опадами.

Кисень необхідний для подиху. При взаємодії органічних речовин з киснем (окислюванні) у клітинах живих організмів виділяється енергія, що забезпечує життєдіяльність тварин і рослин. Тому збагачення ґрунту киснем, що досягається при поліпшенні аерації ґрунту, сприяє діяльності ґрунтових бактерій, росту кореневої системи й, отже, поліпшенню ґрунтового харчування рослин.

Вуглекислий газ — джерело повітряного харчування рослин, найважливіший фактор формування врожаю сільськогосподарських культур. Зелені рослини за допомогою світлової енергії в процесі фотосинтезу створюють із вуглекислого газу й води органічну речовину. При диханні тварин і рослин, горінні й гниттю органічної речовини вуглекислий газ виділяється в атмосферу. Вуглекислий газ має також важливе значення для теплового балансу Землі, зменшуючи її охолодження. У промислових центрах, де спалюється величезна кількість палива, у не провітрюваних житлових приміщеннях зміст вуглекислого газу різко зростає. У поверхні ґрунту в повітрі втримується в 2—3 рази більше вуглекислого газу, чим над рослинним покривом, тобто концентрація О₂ змінюється в часі й у просторі.

В ґрунті в процесі гниття органічної речовини постійно відбувається виділення вуглекислого газу й поглинання кисню. Кисень і азот у ґрунті поглинаються в процесі життєдіяльності бактерій. Тому склад ґрунтового повітря значно відрізняється від складу повітря атмосфери. Зміст СО₂ може досягати в ньому 1,0—1,2 % (у заболочених ґрунтах до 6 %), а зміст кисню опускатися нижче 20 %.

Між атмосферою, ґрунтом, водоймами й рослинним покривом іде безперервний повітрообмін. Обмін ґрунтового повітря із приземним повітрям приводить до збагачення останнього вуглекислим газом.

Спостереження показують, що зміст вуглекислоти в атмосфері за останнє сторіччя збільшилося на 10-12 %. Причиною тому є швидке зростання кількості палива, що спалює в промисловості, на транспорті й ін.

Водяний пар — важлива ланка круговороту води в природі. Він обумовлює утворення хмар, випадання опадів і т.п. Зміст водяного пару в атмосфері називають вологістю повітря. Зміст водяного пару в повітрі в земної поверхні коливається від тисячних часток відсотка до 4 % обсягу. У середньому кількість водяного пару становить у полярних широтах близько 0,02 %, а в тропічних 2,5 % обсягу, тобто змінюється більш ніж в 100 разів. Щільність водяного пару з висотою убуває швидше, ніж щільність основних газів, що становлять повітря. Вже на висоті 1,5-2 км щільність водяного пару вдвічі менше, ніж у приземному шарі атмосфери. Вище 10-15 км залишаються лише незначні сліди водяного пару.

В атмосфері втримуються різні газові домішки. Вони попадають в атмосферу в результаті виверження вулканів, лісових пожеж, діяльності промисловості, авіації, автомобільного транспорту (вихлопні гази). Деякі з газових домішок (двоокис сірки, окисли азоту, окис вуглецю й ін.) згубно діють на людину, тварин і рослини. Загальна кількість шкідливих домішок в атмосфері незначнаfішок в атмосфері незначноСонця,000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000, але у великих промислових центрах їхній зміст часом може перевищувати санітарні норми.

Атмосферний аерозоль становлять часточки, що перебувають у зваженому стані, ґрунтового, виробничого й космічного пилу, диму, морської солі, а також мікроорганізми, спори рослин, водяні крапельки й крижані кристали. Число часток пилу, диму, сажі в повітрі більших міст досягає десятків тисяч в 1 см³. У лісах і над океанами воно в сотні разів менше.

Приведені дані про склад атмосфери ставилися переважно до її нижніх шарів. На висотах від 10 до 60 км під впливом ультрафіолетових променів Сонця утвориться озон – трьохатомний кисень (О₃). У порівнянні з киснем (О₂) зміст озону дуже невеликий, але його значення для життя на Землі величезне. Озон поглинає більшу частину ультрафіолетових променів, згубних для живих організмів. Основна маса озону перебуває на висотах від 25 до 50 км. З висотою склад атмосфери поступово змінюється. На висотах більше 1000 км починають переважати легкі гази - спочатку гелій, а потім водень.