Лекции по навигационной гидрометеорологии.

Часть 1. Метеорология. (Составитель: Тунеголовец в.П., 2002 г.)

 

Введение

Часть 1. Навигационная метеорология

I. ОСНОВЫ ДИНАМИЧЕСКОЙ МЕТЕОРОЛОГИИ

1.1. Общие сведения об атмосфере

1.1.1. Состав и строение атмосферы

1.1.2. Основные метеорологические величины.

1.1.3. Организация гидрометеорологических наблюдений на судах.

1.2. Тепловой режим атмосферы

1.2.1. Нагревание и охлаждение поверхности Земли и атмосферы.

1.2.2. Суточные и сезонные колебания температур.

1.2.3. Распределение температуры в тропосфере.

1.2.4. Географическое распределение температуры воздуха.

1.2.5. Обледение судов.

1.2.6. Измерение температуры воздуха на судне.

1.3. Пар в атмосфере

1.3.1. Кругооборот воды в природе.

1.3.2. Испарение и характеристики влажности.

1.3.3. Конденсация.

1.3.4. Туманы.

1.3.5. Облака.

1.3.6. Осадки.

1.4. Атмосферное давление и ветер

1.4.1. Формы барического рельефа.

1.4.2. Измерение атмосферного давления на судне.

1.4.3. Ветер. Причины ветра.

1.4.4. Геострофический ветер.

1.4.5. Приземный ветер

1.4.6. Градиентный и циклострофический ветер.

1.4.7. Пассаты, муссоны и местные ветры.

1.4.8. Наблюдения за ветром на судне.

1.5. Оптические, электрические и акустические явления в атмосфере

1.5.1. Оптическая атмосферная рефракция.

1.5.2. Видимость.

1.5.3. Рефракция электромагнитных волн в тропосфере.

1.5.4. Акустические явления в атмосфере.

1.5.5. Грозовое электричество.

II. ОСНОВЫ СИНОПТИЧЕСКОЙ МЕТЕОРОЛОГИИ

2.1. Формирование погоды

2.1.1. Воздушные массы.

2.1.2. Атмосферные фронты.

2.1.3. Циклоны и антициклоны.

2.1.4. Тропические циклоны.

2.2. Прогноз погоды

2.2.1. Синоптический метод изучения погоды.

2.2.2. Метеорологическая информация и ее источники.

2.2.3. Метеорологические коды.

2.2.4. Анализ синоптических карт и вспомогательных материалов.

2.2.5. Прогноз синоптического положения и условий погоды в районе нахождения судна.

2.2.6. Использование спутниковой информации в анализе и прогнозе погоды.

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Навигационные курсы, проложенные по картам ветров и морских течений Мори (1871 ????), позволили морякам на много дней сократить сроки рейсов. Так выявилась навигационная ценность этих карт. Моряки быстро осознали, что в их интересах не только усовершенствование самих карт, но и увеличение сведений обо всех аспектах системы океан—атмосфера. Поэтому они охотно взяли на себя задачу наблюдать и записывать погодные и морские условия и снабжали Мори копиями своих вахтенных журналов в обмен на карты ветров и течений, выдаваемые им гидрографической службой США, которой руководил Мори. Мори считал желательным, чтобы наблюдения производились и записывались согласно единому образцу, и вот в 1853 г. по его инициативе в Брюсселе состоялась конференция представителей нескольких морских держав с целью выработать код наблюдений.

Делегаты решили, что наблюдения следует производить каждые 2 ч и записывать в регистр под следующими заголовками:

широта и долгота (по наблюдениям и навигационному счислению);

течения (направление и скорость);

наблюдаемые магнитные вариации;

ветры (направление и сила по шкале Бофорта);

давление (высота ртутного столба);

туман, дождь, снег и град (время начала и конца);

состояние моря;

вода (температура поверхности, удельный вес, температура на глубине);

состояние погоды;

записи о бурях, торнадо, вихрях, тайфунах, ураганах, смерчах, дожде, граде, росе, тумане, пыли, высоте волн, сулое (Сулой — вид волнения на море, при котором на поверхности сочетаются волновые и вихревые движения. Перемещение частиц воды при сулое сходно с движением на поверхности кипящей воды. Сулой возникает вследствие резкого изменения скорости течения: 1) при встрече двух приливных потоков, 2) при вторжении приливного потока на мелководье, 3) при выходе приливного потока из узости, из-за мыса. Волны в сулое крутые и опасны для плавания небольших судов.), цвете океана, глубине (по измерениям с палубы), льде, падающих звездах, северных сияниях, гало, радугах, метеорах, птицах, насекомых, рыбах, водорослях, плавнике и приливах.

Интервалы между наблюдениями вскоре изменили с 2 на 4 ч, но в остальном схема не претерпела существенных изменений до сегодняшнего дня.

Моряки и ученые в равной мере извлекли пользу из морских наблюдений. Моряки, планируя рейсы, стали учитывать климатические нормы; они также научились распознавать приметы приближающегося шторма. Ученые получили данные для проверки гипотез. Как заметил Ролль, “для морской метеорологии так же, как и для любой естественной науки, необходимы соответствующие измерения, служащие одновременно базисом для эксперимента и пробным камнем для теории”.

 

Непременное условие накопления географических познаний есть путешествия. География имеет своим предметом изучение всех явлений, совершающихся на поверхности Земли, и, следовательно, этим географические науки отличаются от многих других, которые могут развиваться, не требуя путешествий по земной поверхности.

Древнейшие цивилизации имели место среди народов, не обладавших стремлением к мореходству, и потому никаких сведений о морях и океанах они собрать не могли. Первым мореходным народом древности, сведения о котором дошли до нас (6000 лет до н.э.), были финикияне, поселявшиеся на берегах Сирии. Финикиняне были могущественным морским и торговым народом, который распространял свои колонии далеко на запад по берегам Средиземного моря. Одной из древнейших колоний (около 1100 лет до н.э.) был Гадир (Кадис – по-современному) или Тартесс. Эта колония много способствовала знакомству финикинян с океаном. Другая колония – Карфаген, была основана немного позже там, где лежит теперешний Тунис, ее жители сделали много для изучения географии, и от них до нас дошло описание морского путешествия финикинян.

Когда финикийское владычество в восточной части Средиземного моря стало падать, их место заняли греки (800 лет до н.э.). Будучи другого характера и наклонностей, греки при своих плаваниях по морям и океанам стали изучать природу. Им принадлежит первое изложение идеи о сферичности земли (сама идея, по-видимому, была заимствована Талесом от египтян), первые попытки изображения земной поверхности на плоскости (Гомер – 10 столетие до н.э. и Анаксимандр – 7 столетие до н.э.).

Совокупность накопившихся материалов по различным отраслям наук дала возможность появиться ученому, который впервые их обработал и создал картину сведений, которой владели греки того времени. Геродот (450-420 гг. до н.э.) был не только ученый, но и путешественник и наблюдательный исследователь. Его собственный опыт и все, им собранное от других, позволило ему высказать твердое убеждение в единстве Индийского и Атлантического океанов.

В 5 в до н.э. географическая карта в Греции уже не представляла новости. С этим способом изображения земной поверхности греческих образованный мир был знаком уже настолько, что о географических картах упоминается уже в комедиях Аристофана.

Не дошедшие до нас в оригинале труды греческого философа Эудокса (4 в до н.э.) содержали полное описание земного шара в девяти книгах, что свидетельствует о большом развитии греков и о значительном интересе их к географическим исследованиям.

В знаменитом труде великого греческого ученого Аристотеля (384-321 гг. до н.э.) "Метеорологике" имелась глава, посвященная океану. В ней он говорил о распределении суши и воды. Аристотель считал, что океан, омывающий сушу, един и указывал, что названия Атлантический и Эритрейский (Индийский) только принадлежат различным его частям. Аристотель был современником Александра Македонского, и, несомненно, пользовался массой обстоятельных сведений, которые были собраны при походах этого величайшего завоевателя и государственного деятеля древности.

В 1 в. н.э. александрийский мореплаватель Гиппал открыл существование муссонов и способ ими пользоваться для плавания в Индию и обратно, чем облегчил и ускорил сношения европейцев с востоком.

В 7 в. на юге Средиземного моря появился новый народ-завоеватель – арабы, сумевшие за 100 лет создать империю, простиравшуюся от Индии до Атлантического океана. Однако, несмотря на свои путешествия, арабы на своих картах повторяли ошибку Птолемея, продолжая изображать Индийский океан замкнутым морем.

В 1486 г. португальцами была снаряжена экспедиция под командой Бартоломеу Диаша, который открыл южную оконечность Африки, названную им мысом Бурь (позднее король Португалии изменил это название на мыс Доброй Надежды во имя будущего открытия морского пути в Азию). Таким образом легенда о возможности обогнуть Африку с юга, зародившаяся еще в 4 в. до н.э. (Аристотель), получила подтверждение только в конце 15 в., т.е. через 2000 лет.

Совокупность экономических и политических причин заставляла европейцев искать самостоятельные пути на восток, поэтому неудивительно, что эпоха подготовила человека, выполнившего эту задачу. Таким человеком оказался Христофор Колумб, или Колон родом из Генуи (1456-1506 гг.). Переписка Колумба с Тосканелли, знакомство его с картой, которая определяла ширину Атлантического океана до Азии не более трети окружности земли, известные Колумбу случаи находок разных предметов у берегов Европы – все это доказывало ему существование на западе земли.

3 августа 1492 г. Колумб вышел в море и пошел прямо на запад. По пути он открыл пассаты, Северное экваториальное течение, Саргассово море и впервые заметил существование склонения магнитной стрелки. Ему принадлежит первая попытка объяснения экваториальных течений: воды океана в своем движении к западу следуют за небесным сводом. Через 70 дней после выхода из Испании была открыта первая земля (средний из группы Багамских островов).

В это же время другой итальянец, сын выходца из Венеции, переселившегося в Англию, Себастьян Кабот, предпринял плавание на запад тоже для открытия пути в Китай. Правильно предположив, что в большей широте переход будет короче, он вышел весной 1497 г. из Бристоля и открыл Лабладор. Во второе плавание 1498 г. Кабот открыл Ньюфаундленд, заметил Лабладорское холодное течение и, обследовав берега Америки до м. Хаттерас, вернулся в Англию. Себастьян Кабот был первым из мореплавателей, который сознательно воспользовался для ускорения плавания течением Гольфстрима.

Магеллан 20 сентября 1519 г. во главе эскадры из пяти судов он вышел в плавание и 27 ноября после многих трудностей дошел до выхода в Тихий океан. Необыкновенно тихая погода за весь огромный переход через океан (99 дней) навели Магеллана на мысль дать этому новому океану название Тихого. 16 марта Магеллан достиг Филиппинских островов и здесь в битве с туземцами 27 апреля он погиб.

Плавание Магеллана заканчивает одну эпоху и начинает другую. Промежуток времени от 1487 по 1522 г., когда было открыто более половины земной поверхности, по заслугам называется Эпохой Великих Географических Открытий.

Плавание Магеллана обратило внимание ученых на океаны. Первым критически рассмотрел существовавшие названия океанов был Варений (1622-1650 гг.). Он окончательно утвердил названия: Атлантический – океан, лежащий между Старым и Новым Светом; Тихий – между Азией и Америкой, Гиперборейский – лежащий около северного полюса, Южный – вокруг южного материка, к нему был отнесен и Индийский океан. Делиль позднее (1700 г.) в своем атласе принял названия: Северного моря (для всего Атлантического океана), Индийского океана и Южного моря или Тихого океана.

Первый атлас, основанный на современных данных, появился в 1579 г., он был составлен фламандцем Ортелием. А его современник и друг Меркатор (Гергарт Кремер) обратил внимание на математическую сторону картографии – способы проекций и изобрел свою проекцию, употребляемую до сих пор.

18 столетие отличается усиленным развитием наук и вместе с тем и большей требовательностью к характеру работ – требуется серьезное и обстоятельное изучение. К этому времени океаны вообще, а Тихий особенно, оставались почти на той же ступени обследования, на какой они были после плаваний Магеллана.

Начало плаваний с научной целью открывается экспедицией Джеймса Кука (1768-1771 гг.). Первое плавание Кука показало, что в умеренных широтах южного Тихого океана нет ожидавшегося Полярного материка. Вторая его экспедиция, которая совершила первое плавание в больших южных широтах, доходила до 71 ю.ш. и убедилась, что Южный материк лежит за пределами полярного круга. Последнее плавание Кука, окончившееся гибелью мореплавателя на Сандвичевых островах при улаживании споров между туземцами 14 февраля 1779 г., прибавило многое для знакомства с берегами Северной Америки от р. Колумбия до Берингова пролива, и далее – части Северного Ледовитого океана, прилегающей к проливу, и берегов Азии до оконечности Камчатки.

Плавания Кука положили начало научным морским экспедициям. В числе этих экспедиций отметим плавания русских судов первой половины 19 в.: Надежда (Крузернштерн), Нева (Лисянский), Диана, Камчатка (Головнин), Рюрик, Предприятие (Коцебу), Восток (Беллинсгаузен), Мирный (Лазарев), Кроткий (Врангель), Сенявин (Литке), Байкал (Невельской) и другие. Из числа 29 кругосветных экспедиций было 11 великобританских, 8 русских, 7 французских, по 1 – германских, США, австрийских. Одними из самых замечательных были экспедиции военных шлюпов Восток и Мирный (1819-1821 гг.) в Антарктику.

В 1845 г. Королевское географическое общество в Лондоне установило границы океанов, которые до начала 20 столетия признавались всеми в науке. Главное отличие от современного состояло в выделении Южного Полярного океана, ныне разделяемого между тремя другими океанами. Большой вклад в установлении границ океанов в 19 в. внесли французские ученые Флерье и Мальте-Бренон.

Рельеф дна океанов, за исключением северной части Атлантики, до плавания Challenger (Великобритания, с 1872 г.) оставался почти неизвестным. Труды Challenger составляли новую эпоху в изучении океанов, результаты, полученные во время плавания корвета, обрабатывались 70-десятью учеными в течение 20 лет и были изданы в 1895 г. объемом в 50 томов. Работы, производимые на Challenger, а затем на Gazelle (1874-1876 гг.) и Tuscarora (1874 г.) дали в совокупности достаточный материал для составления общей физико-географической картины для всего Мирового океана.

В настоящее время имеется большое число исследований, опубликованных в различных, к сожалению, весьма разрозненных источниках и посвященных отдельным элементам климата дальневосточных морей – температуре и влажности воздуха, направлению и скорости ветра, облачности, осадкам.

На основании обобщения судовых гидрометеорологических наблюдений за различные периоды составлены соответствующие Атласы, где приводятся важнейшие климатические и гидрологические характеристики морей, а также распределение опасных для мореплавания и рыболовства гидрометеорологических явлений – штормового ветра и волнения, ограниченной видимости по различным градациям и др. Эти научно-прикладные исследования, несомненно, имеют большую практическую ценность. К сожалению, многие из этих изданий стали в настоящее время библиографической редкостью.

В настоящее время наблюдения за системой океан—атмосфера ведутся на нескольких тысячах торговых судов всех стран. Тем не менее, площадь, охваченная наблюдениями, еще далеко не достаточна. Большинство судов следует хорошо изученными коммерческими курсами и редко посещает отдаленные районы; кроме того, по различным причинам ежедневные сводки поступают не от всех судов, а менее чем от 1000. Согласно Роллю, “достаточно густая и квазиравномерная сеть наблюдений существует только в определенных частях Северной Атлантики и в прилегающих к ней морях”. Почти половина всех морских наблюдений выполнена в Северной Атлантике и лишь около 10%—в южном полушарии. За исключением наиболее часто посещаемых районов Северной Атлантики, густота синоптических наблюдений на океанах даже ниже, чем в тропических пустынях и на полярных ледяных шапках. Более того, в последнее время судоходство в Северной Атлантике и северной части Тихого океана все чаще приурочивается к благоприятным сезонам, в связи с чем число наблюдений в условиях плохой погоды непропорционально уменьшается.

Качество данных, полученных на морских судах, тоже сомнительно, потому что, во-первых, моряки, как правило, слабо обучены производству наблюдений и обращению с инструментами и, во-вторых, суда обычно вносят возмущения в поле ветра и другие атмосферные характеристики, а также являются источниками конвективного и радиационного тепла, что уменьшает ценность добываемой информации.

После второй мировой войны была создана постоянная сеть морских станций погоды в Северной Атлантике и северной части Тихого океана. В их задачи вошли наблюдения за погодой, аэрологическое и гидрологическое зондирования, а также выполнение по возможности других научных программ. Увы, состояние экономики привело к тому, что в Северной Атлантике сейчас осталось только четыре станции; ранее их было девять.

За последние годы возрос интерес к плавучим автоматическим станциям погоды, так как есть надежда, что со временем на них можно будет возложить получение данных в районах, до сих пор плохо охваченных наблюдениями

Для получения детальной информации об атмосферных и океанских явлениях необходимы специальные исследования. Экспедиция Челленджера (1870-1872) была первым крупным предприятием такого рода. За прошедшее столетие научный рейс стал привычной частью программ морских исследований. Современные проекты предусматривают международное сотрудничество с использованием научных судов и самолетов. Самолетная разведка погоды используется уже в течение многих лет, особенно для обнаружения тропических ураганов и слежения за ними. Однако в настоящее время все большее значение приобретают новые более эффективные средства наблюдения за атмосферой и океаном, получившие развитие в течение примерно 30-35 последних лет, а именно искусственные спутники Земли. Спутниковые наблюдения за облаками уже приносят большую пользу; ожидают, что спутниковые измерения различных элементов системы океан—атмосфера скоро войдут в общепринятую практику. Более того, спутники будут собирать данные наблюдений с плавучих станций. Несомненно, внедрение спутников окажется одним из самых значительных технических достижений в истории морских исследований.

Новая эра в гидрометеорологии связана с преобразованием Международной метеорологической организации (ММО) из неправительственного органа, созданного в 1873 г в Вене, в межправительственную Всемирную Метеорологическую Организацию (ВМО), образованную 23 марта 1950 г. В 1951 г ВМО стала специализированным агентством Организации Объединенных Наций.

Выполняя роль первопроходца, ММО содействовала международному сотрудничеству в области метеорологии, которое осуществлялось усилиями нескольких поколений дальновидных метеорологов. Такое сотрудничество дополнительно стимулировалось технической революцией и научным прогрессом ХХ-го века ВМО опиралась на эти достижения, содействуя продвижению вперед метеорологии, гидрологии и связанных с ними геофизических наук, а также их применению на благо человечества В настоящее время ВМО признана в системе ООН авторитетным органом по вопросам состояния и поведения земной атмосферы, ее взаимодействия с поверхностью суши и океанами, образуемого ими климата, и формирующегося в результате этого распределения водных ресурсов.

Корни и источник эффективности ВМО заключены в глобальном сотрудничестве, поскольку погода и климат не признают политических или экономических границ. Особенной чертой ВМО является то, что страны-члены добровольно вносят свой вклад в научную и оперативную работу Организации. ВМО была основана для содействия всемирному сотрудничеству в проведении метеорологических, гидрологических и связанных с ними геофизических наблюдений; стандартизации полученных данных и обмену ими, а также для их практического применения в поддержку чувствительных к погоде социально-экономических секторов, например, таких как сельское хозяйство, использование водных ресурсов, авиация и судоходство. Поддержка, оказываемая ВМО научным исследованиям, подготовке кадров и техническому сотрудничеству, стала необходимой в стремлении Организации к наращиванию потенциала и к обеспечению того, чтобы национальные метеорологические и гидрологические службы (НМГС) каждой из ее 185 стран-членов и далее вносили свой вклад в эти глобальные усилия и извлекали пользу из них.

Основным импульсом в процессе создания наблюдательных сетей стало появление спутниковой технологии, которая побудила в 1961 г. Организацию Объединенных Наций принять резолюцию о международном сотрудничестве в мирном использовании космического пространства. Данная резолюция привела к созданию в 1963 г. Всемирной службы погоды (ВСП), ставшей основной Программой ВМО. В настоящее время ВСП координирует сбор, обработку и распространение стандартизированных метеорологических и океанографических данных и информации, поступающих с системы полярно-орбитальных и геостационарных метеорологических спутников, 10 000 станций, расположенных на суше, 1 000 аэрологических станций, 7 300 судов, 300 заякоренных и 600 дрейфующих буев, а также с 3 000 воздушных судов, которые предоставляют дополнительно более 70000 наблюдений ежесуточно. Уникальная сеть, состоящая из трех мировых метеорологических центров, 34 региональных специализированных метеорологических центров и 185 национальных метеорологических центров, - ежесуточно и по всему миру собирает, обрабатывает и передает в режиме реального времени данные объемом более 15 млн. символов и 2 000 карт погоды. ВСП также поддерживает ряд международных программ по геофизике и окружающей среде. В частности, она содействует эффективному и своевременному распространению информации о сейсмической активности, цунами, движении вулканического пепла и радиоактивных веществ, появляющихся в результате аварийных выбросов. Улучшения в проведении наблюдений в атмосфере и на земной поверхности, в телесвязи, спутниковых и компьютерных технологиях непрерывно внедряются в ВСП и в другие программы ВМО в целях осуществления мониторинга, понимания и предсказания погоды и климата.

Даже заниженные оценки показывают, что средний коэффициент экономической эффективности затрат на метеорологическую и климатическую информацию в большинстве стран составляет 10:1. Улучшенные прогнозы являются неоценимыми для обширного ряда видов социально-экономической деятельности, а также для предоставления ранних предупреждений о стихийных бедствиях, связанных с погодой и климатом. Оценивается, что каждый год стихийные бедствия уносят около 250 000 человеческих жизней, а размеры ущерба, наносимого имуществу, лежат в пределах 50-100 млрд. долл. США. Статистические данные за столетие показывают, что около 70% всех стихийных бедствий, включая наводнения, засухи и тропические циклоны, а также оползни, лесные пожары и нашествия вредных насекомых, происходят за счет метеорологических и гидрологических факторов.

Созданная в 1971 г. Программа ВМО по тропическим циклонам внесла важный вклад в расширение возможностей стран-членов сотрудничать в разработке и оценке улучшенных прогнозов тропических циклонов, что выразилось в результате в эффективном распространении предупреждений, а также в более широкой осведомленности и подготовленности уязвимых групп населения. Главным компонентом данной Программы является назначение пяти региональных специализированных метеорологических центров по тропическим циклонам, обязанность которых - предоставление общего прогноза погоды в тропиках, а также руководство и координация деятельности, связанной с предупреждениями. Например, в Бангладеш при тропических циклонах аналогичной интенсивности, благодаря такой деятельности, число погибших снизилось до 200 - в 1994 г. в сравнении с 138 тысяч - в 1991 г. и 300 тысяч - в 1971 г. В контексте своего Плана действий по Международному десятилетию по уменьшению опасности стихийных бедствий (МДУОСБ) ВМО осуществила ряд проектов, связанных с наращиванием потенциала и передачей технологий.

ВМО внесла важные вклады в продовольственную безопасность. В некоторых странах для оказания помощи в разработке экономически эффективных и устойчивых сельскохозяйственных систем успешно применяются агрометеорологические практики. В этом отношении ВМО также активно поддержала Конвенцию ООН по борьбе с опустыниванием, разрабатывая соответствующие стратегии для смягчения последствий засух путем их предсказания, осуществления мер по готовности к ним и наращивания потенциала. Однако согласно оценкам, к 2010 г. около 700 млн. людей будут недоедать. ВМО будет продолжать сотрудничество с соответствующими организациями в решении этого важного вопроса.

На протяжении прошедших пятидесяти лет количество стран-членов ВМО возросло от 30 до 185, при этом к Организации присоединились страны Африки, Восточной и Центральной Европы, а также юго-западной части Тихого океана. ВМО предоставляет активную поддержку развитию служб этих стран, касающуюся как инфраструктуры, так и трудовых ресурсов. В последнем десятилетии ВМО осуществила программы объемом в 200 млн. долл. США в поддержку технических проектов и проектов регионального развития, которые внесли свой вклад в сокращение разрыва между развивающимися и развитыми государствами, в особенности через Программу по техническому сотрудничеству. ВМО содействует полноценному партнерству стран-членов в региональном и глобальном сотрудничестве. В этой связи ВМО учредила Программу добровольного сотрудничества, которая продолжает оказывать поддержку различным программам ВМО.

 

Навигационная гидрометеорология (HГМ) - прикладная наука к вопросам навигации и управления судном, изучающая физические процессы в атмосфере и океана и влияние их на судоходство и промысел. НГМ объединяет вопросы как метеорологии, так и океанографии.

Метеорологией называется наука об атмосфере – воздушной оболочке земли. Метеорология изучает физические явления и процессы атмосферы. Это прежде всего процессы нагревания и охлаждения воздуха, изменение содержания влаги в атмосфере, условия конденсации водяного пара я появление тумана и облаков, возникновение систем воздушных течений.

Метеорология состоит из ряда разделов, самостоятельных научных дисциплин, важнейшими из которых являются:

- физика атмосферы - изучает вопросы динамики к термодинамики атмосферы, атмосферную оптику, атмосферное электричество;

- климатология - изучает процессы климатообразования, взаимодействия климатологических факторов и характеристики климатов Земли;

- синоптическая метеорология - изучает атмосферные процессы м причины изменения погоды в целях ее предсказания;

- аэрономия- изучает верхние слои атмосферы;

- актинометрия - изучает солнечную радиацию на Земле.

Океанография - изучает состав и свойства морской воды, физические процессы и явления в океане, взаимодействие океана с атмосферой и материками.

Океанографию, - как единую науку о Мировом океане, подразделяют на такие частные науки:

- физику моря, изучающую общие закономерности физического состояния и динамику вод океана;

- региональную океанографию , изучающую конкретные характеристики вод мирового океана в различных его районах;

- методы гидрологических прогнозов океанографических характеристик и параметров;

- морскую гидрометрию, занимающуюся разработкой методов и технических средств океанографических исследований;

- геологию моря, изучающую геологические особенности морского дна;

- химию моря, изучающую состав морских вод океана;

- промысловую океанологию, изучающую влияние океанологических факторов на жизнь промысловых морских животных.

Несмотря на то, что НГМ состоит из целого ряда: научных дисциплин, она является единой наукой, и ее нельзя рассматривать как простую, сумму отдельных дисциплин. Все части навигационной гидрометеорологии тесно связаны между собой общей направленностью исследований, вытекающей из запросов мореплавания м морского промысла, а .также общностью физических процессов и географическим единством атмосферы и океана.

Основы морской метеорологии и океанографии по существу заложены трудами моряков.

В настоящее время исследование Мирового океана и дальнейшее развитие океанографии и морской метеорологии перешло в руки специалистов - ученых. Но необходимый успех в развитии науки, как и в прошлом, может обеспечить только тесное содружество моряков и ученых.

При изучения судоводителями НГМ наиболее важно:

- понимать основы физических процессов и явлений в атмосфере и океана;

- знать влияние гидрометеорологических условий непосредственно на судно и на судоходство в целом;

- уметь производить судовые гидрометеорологические наблюдения, их кодирование и передачу в органы гидрометслужбы;

- приобрести навык анализа и прогноза погоды по факсимильным картам с интерпретацией визуальных (местных) признаков погоды;

- определять наивыгоднейшие пути плавания или района лова в зависимости от гидрометеорологических условий.

Несмотря на то, что в настоящее время морской флот располагает первоклассными судами, оснащенными разнообразной современной техникой, безопасное плавание судов в море сейчас и в будущем в значительной степени зависит от туманов, обледенения судов и конечно, штормовых ветров. Умение ориентироваться в гидрометеорологической обстановке особенно важно для штурманов флота рыбной промышленности, так как их работа тесно связана с морем. Правильная оценка гидрометеообстановки может содействовать более рациональному использованию промыслового времени, сохранению орудий лова от гибели и повреждений, своевременному выводу судна из районов с наиболее опасными погодными явлениями, могущими привести к гибели судна (тайфун, обледенение, сжатие льдов и т.д.).

Умение работать с картами погоды и знание визуальных (местных) признаков погоды позволит самостоятельно прогнозировать погоду в своем районе промысла или на маршруте перехода и корректировать полученные прогнозы с берега.

На следующем этапе нашей работы мы приступим к изучению той части НГМ, которая касается непосредственно метеорологии. Вспомним, что метеорологией называется наука об атмосфере – воздушной оболочке земли. Наблюдения ведутся на метеорологических станциях и постах, где фиксируются метеорологические величины и атмосферные явления.

Методы и средства изучения атмосферы и океана

Методами исследования атмосферы и океана являются:

1. Натурные наблюдения (основной метод). Они производятся:

- на опорных гидрометеостанциях (ГМС), которых насчитывается около 10 тыс., и временных, к которым относятся и станции на судах, находящихся в море.

-в экспедициях, которые проводят комплексные исследования атмосферы и океана с научно-исследовательских судов и на полярных станциях;

- с искусственных спутников Земли (ИСЗ).

2. Эксперимент. К числу метеорологических экспериментов относятся опыты осаждения облаков и рассеяние туманов путем различных физико-химических воздействий на них. Такие опыты предусматривают практические цели, но они позволяют также глубже разобраться в природе явления Насаждение лесных полос, создание водохранилищ, сооружение плотин в морских проливах, орошение местности и т.п. вносят некоторые изменения в состояние приземного слоя воздуха, тем самим и они в которой степени являются средствами метеорологического эксперимента.

3. Синоптический метод. На карту условными значками наносятся результаты натурных наблюдений опорной сети ГУС за один и тот же срок. Такая карта называется синоптической. Она позволяет видеть, как распределились условия погоды и каковы были свойства атмосферы и характер атмосферных процессов в этот момент над большой территорией. Составляя синоптические карты для последовательных сроков наблюдений можно проследить развитие атмосферных процессов во времени и пространстве и делать выводы о будущей погоде. В основу этого метода положено учение о погодообразующих системах атмосферы: воздушных массах, атмосферных фронтах, циклонах, антициклонах.

4. Теоретический метод. На основе законов физики составляются системы дифференциальных уравнений, описывавших атмосферные процессы. Подставляя в эти уравнения исходные натурные данные, полученные из наблюдений, решив систему уравнений, можно найти количественные значения атмосферных параметров на будущее, т.е. спрогнозировать их значение.

5. Климатология. Оперирует многолетними данными, например: средняя температура, среднее количество осадков, дни с туманами и т.п. Если нанести на карты результаты статистической обработки многолетних наблюдений, то получим климатологические карты. Климатологические карты облегчают дальнейший анализ фактов, позволяют делать выводы о пространственном распределении особенностей или типов климата. Главное их назначение - выбор наиболее выгодных морских путей и сроков промысла.

 

Вопросы для самопроверки

1. Какие задачи решает навигационная и промысловая гидрометеорология?

2. Какова роль отечественных и зарубежных мореплавателей в развитии гидрометеорологических знаний?

3.Международная организация метеорологической службы и ее функции. Основные задачи гидрометеорологического обеспечения морского и рыбопромыслового флота СССР.

4. Что представляют собой судовые гидрометеорологические наблюдения?

К оглавлению.

 

ЧАСТЬ 1. НАВИГАЦИОННАЯ МЕТЕОРОЛОГИЯ

1. ОСНОВЫ ДИНАМИЧЕСКОЙ МЕТЕОРОЛОГИИ

1.1. Общие сведения об атмосфере

1.1.1. Состав и строение атмосферы

Атмосфера – газообразная оболочка Земли, ее нижней границей является земная поверхность, точной верхней границы указать нельзя, так как плотность атмосферы, непрерывно убывая, с высотой приближается к плотности вещества межпланетного пространства. Поэтому о высоте атмосферы можно говорить лишь условно. По последним данным разреженные слои атмосферы простираются до высоты 1500-2000 км, - выше этого расположена магнитосфера. В противоположную от солнца сторону простирается так называемый "газовый хвост", шлейф магнитосферы длиной на многие сотни тысяч километров. В целом атмосфера — система не замкнутая. Масса атмосферы составляет 5,3 10¹⁵ т. Это в миллион раз меньше массы Земли и в 250 раз меньше массы гидросферы.

Небольшая толщина основного слоя атмосферы приводит к тому, что вертикальные масштабы процессов в ней значительно меньше горизонтальных. Атмосферу следует рассматривать как тонкую воздушную плену вокруг земного шара.

Состав воздуха, его физические характеристики

Воздух представляет собой механическую смесь газов. До высоты около 100 км, в пределах слоя, называемого гомосфера, процентное соотношение газов в сухом воздухе остается таким же, как у земной поверхности: азота (N₂) - 78,08%; кислорода ( 0₂ ) - 20,95%; аргона (Ag) - 0,93%, остальные 0,04% приходятся на различные природные (водород, гелий, озон и др.) и промышленные газы.

Постоянство состава атмосферного воздуха объясняется перемешиванием атмосферы в этом слое.

Водяной пар (Н₂О), его количество в атмосфере колеблется от 0 до 7%. Поднимаясь вверх, водяной пар конденсируется, поэтому его количество с высотой быстро уменьшается и выше 10-15 км содержание водяного пара ничтожно. Роль водяного пера в атмосфере большая, так как, во-первых, при его конденсации образуются облака; во-вторых, переход воды из одного агрегатного состояния в другое сопровождается поглощением (выделением) большого количества тепла и, в-третьих, водяной пар сильно поглощает инфракрасную радиацию земной поверхности и атмосферы. Все эти процессы оказывают существенное влияние на тепловой режим системы Земля-атмосфера.

Углекислый газ (СО₂) поступает в атмосферу при процессах окисления. В крупных промышленных центрах его количество может достигать 0,05 %, В среднем у поверхности Земли количество углекислого газа около 0,033 %. Углекислый газ хорошо поглощает длинноволновую тепловую радиацию, усиливая тепличный эффект. Считают, что увеличение углекислого газа в атмосфере приведет к повышению температуры воздуха. Углекислота энергично потребляется растениями при фотосинтезе. Значительное количество углекислого газа поглощается океаном, в котором его растворено примерно в 50 раз больше, чем находится в атмосфере.

Растворимость углекислоты, как и всякого газа, в морской воде убывает с ростом температуры, поэтому холодные течения, идущие из полярных в тропические широты, выделяют в воздух некоторое количество СО₂ и повышают в тропиках его концентрацию, а теплые течения, охлаждающиеся в высоких широтах, поглощают СО₂ из атмосферы, уменьшая его концентрацию.

Кроме того, в течение года в северном полушарии концентрация СО₂ уменьшается детом от мая к октябрю из-за поглощения его растениями в вегетационный период.

Озон (О₃) составляет в атмосфере в среднем 4*10^-5%. В нижних слоях атмосферы образуется при грозовых разрядах и при окислении некоторых органических веществ, в верхних слоях - в результате фотохимического действия ультрафиолетовых лучей солнца на кислород. При этом молекулы кислорода разлагаются на атомы; соединяясь с молекулярным кислородом они образуют озон. Затем он вновь превращается в кислород в результате реакций с различными компонентами атмосферы.

Озон образуется, в основном, в экваториальной зоне в верхней стратосфере, а затем переносится к полюсам, где он может накапливаться особенно интенсивно зимой. Более 90 % озона сосредоточено в слое, удаленном от поверхности нашей планеты на 10-50 км с максимальной концентрацией на высотах 20-35 км. Слой этот иногда называют -озоносферой. Если весь озон в вертикальном столбе атмосферы привести к температуре 0 °С и давлению 1000 гПа, то толщина слоя окажется в пределах 2 мм на экваторе и до 4 мм в полярных областях. Основным, весьма важным для жизни на Земле, свойством озона является его способность поглощать ультрафиолетовые лучи Солнца, губительные для живой клетки.

Аэрозоль. Совокупность взвешенных в атмосферном воздухе частичек объединяют под общим названием "аэрозоль". Это взвешенные в воздухе капли воды, кристаллы льда, частички морской соли, золы и пыли. С высотой количество частичек значительно убывает. Некоторые из них (продукты неполного сгорания, соль морской вода и т.п.) обладают свойством собирать (абсорбировать) на себе влагу, такие частички называют ядрами конденсации, они играют роль центров при образования водяных капель из пара.

В верхних слоях атмосферы (выше 100 км) в гетеросфере под влиянием ультрафиолетового излучения происходит диссоциация молекул кислорода на атомы, и на высотах более 100 км кислород почти полностью диссоциирован. Вследствие этого относительная молекулярная масса воздуха начинает уменьшаться с высотой. Предполагается, что выше 400-500 км все газы, составляющие атмосферу, находятся в атомарном состоянии. Здесь наблюдается значительная ионизация газов.

Строение атмосферы по вертикали

Наиболее часто атмосферу по вертикали делят на слои по значению вертикального градиента температуры. По этому признаку в атмосфере выделяется пять основных слоев-сфер: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, экзосфера. Между ними имеются небольшие по толщине переходные слои-паузы: тропопауза, стратопауза, мезопауза и термопауза (рис. 2).

Тропосфера - нижний слой атмосферы, прилегающий непосредственно к земной поверхности. Высота ее в высоких широтах 6-7 км; в средних - 10-12 км в тропиках - 17-18 км.

Рис. 1.1. Строение атмосферы

 

Характерной особенностью тропосферы является уменьшение температуры с высотой: в среднем она понижается на 0,66 К на каждые 100 м. Но в тропосфере встречается и слои, в которых температура с высотой не меняется или даже растет. Эти слои называется изотермическими и инверсионными - соответственно.

В тропосфере образуется туманы, облака, осадки, так как здесь содержится почти весь водяной пар.

Тропопауза - переходный слой к стратосфере, характеризуется изотермией. Ниже тропопаузы наблюдается максимальные скорости ветра в виде струйных течений. Высота тропопаузы испытывает периодические (сезонные и суточные) и непериодические колебания, связанные с похолоданиями и потеплениями в тропосфере.

Стратосфера (11-50 км) - слой над тропосферой, в котором температура на высоте до 25 км постоянная, а выше и до ее верхней границы (50 км) растет и повышается в среднем до 0 °С. Это объясняется поглощением ультрафиолетовой радиации озоном, основная масса которого находится в этом слое.

В стратосфере водяного пара очень мало и облака там не образуются. Однако на высотах 22-27 км иногда появляется тонкие светящиеся ночью облака, называемые перламутровыми. Эти облака никакого отношения к погоде не имеют.

Стратосфера сверху ограничивается стратопаузой.

Мезосфера (50-80 км) - слой над стратосферой с верхней границей - мезопаузой, находящейся примерно на высоте 80 км. Здесь наблюдается понижение температуры с высотой в среднем 0,3 К на 100 м и на верхней границе она равна в среднем - 85-90 °С. Это самая низкая температура на Земле. Для мезосферы так же как и для тропосферы, характерна значительная турбулентность и вертикальное перемешивание воздуха, плотность которого здесь незначительна.

Вблизи верхней границы мезосферы в сумерки летом при ясной погоде наблюдаются блестящие тонкие облака, ярко освещаемые солнцем, находящимся за горизонтом, которые называются серебристыми.

Термосфера (90-450 км)- очень мощный слой, расположенный выше мезопаузы. Для термосферы характерен рост температуры с высотой, который связан с поглощением солнечной энергии атмосферным кислородом; на высоте 200-250 км она достигает от 1000 до 2000 К. Однако следует помнить, что тело, помещенное в весьма разреженной (в 10¹²-10¹⁴раз) газовой среде этого слоя, не может принять температуру окружавшего воздуха, так как общая энергия разреженного газа очень мала. Здесь термодинамическое значение температуры теряет смысл. Температуру в данном случав не измеряют, а вычисляют. Переходный слой между термосферой и вышележащей экзосферой называют термопаузой.

Экзосфера - слой выше термосферы, ее характерной чертой является рассеяние атомов атмосферных газов в ее верхней части в межпланетное пространство. В основном наблюдается рассеяние наиболее легких газов - водорода и гелия, которые могут достигать критической скорости (11,2 км/с) и, преодолевая силу земного тяготения, ускользать из атмосферы, поэтому экзосферу называют также сферой рассеяния.

По электрическому состоянию атмосферу делят на две части:

- относительно плохо проводящую - нижние слои до высот примерно 40 км - нейтросферу;

- ионизированную область выше 60-30 км - ионосферу.

Ионосфера состоит из ряда слоев-областей (D, Е, F₁, F₂,), в которых наблюдаются максимумы концентрации ионов. Каждый из этих слоев играет определенную роль при распространении радиоволн различной длины.

Отражение средних и коротких волн от областей ионосферы к Земле и затем от Земли снова к ионосфере, повторение этих циклов способствует распространению радиоволн на большие расстояния вдоль поверхности Земли. Ультракороткие волны (УКВ) длиной менее 10 м почти пронизывают ионосферу и используются для радиосвязи со спутниками и космическими кораблями. В полярных и околополярных областях высокие слои атмосферы под влиянием бомбардировки корпускулярными потоками Солнца начинают светиться, возникают полярные сияния. Верхняя граница полярных сияний может находиться на высоте 2000-1200 км, а нижняя всего на 60 км.

 

Тропосфера как сфера погода

В тропосфере находится 80% массы всей атмосферы, практически вся атмосферная вода, весь аэрозоль и вся углекислота. Эти факты обуславливают процессы атмосферы, приводящие к образованию продуктов конденсации: облаков, туманов, осадков. Фазовое превращение в атмосфере воды - испарение, конденсация является основным механизмом передачи тепла от океана в атмосферу.

В тропосфере протекают основные погодообразующие процессы, т.е. тропосфера - сфера погоды.

В вертикальном строении тропосферы выделяют три основных сдоя:

- приземный слой толщиной 50-100 м,

- планетарный слой трения, толщиной от 500 м при устойчивой стратификации и до 2 км при развитой конвекции и турбулентности.

- свободная атмосфера, слой тропосферы выше слоя трения - до верхней границы тропосферы. Трением о подстилающую поверхность здесь можно пренебречь.