Структура и содержание дисциплины

Теоретическая часть курса (темы занятий, час)

Введение

Тема 1.Определение, предмет и методы метеорологии. Её связь с другими учебными дисциплинами. Краткий очерк становления и развития.

Метеорологические величины, атмосферные явления. (1 час)

Тема 2.Температура воздуха (определение, единицы измерения, понятие о термодинамических шкалах). Атмосферное давление (определение, единицы измерения). Нормальное и стандартное атмосферное давление. Характеристики влажности воздуха. Понятие о погоде и климате (2час).

Раздел 1. Общие сведения о воздушной оболочке Земли

Тема1.Состав, строение атмосферы. Основные принципы вертикального расслоения атмосферы. Характеристика каждого из выделенных слоёв. Понятие о воздушных массах и атмосферных фронтах. Циклоны, антициклоны (3час).

Тема2.Понятие об описании термодинамического состояния атмосферы. Основные параметры состояния. Уравнения состояния сухого и влажного воздуха. Виртуальная температура(3час).

Тема3.Уравнение статики атмосферы. Его физическое истолкования. Качественное описание изменения давления с высотой в атмосфере. Скорость уменьшения давления с высотой. Связь атмосферного давления с весом столба воздуха единичного сечения, расположенного выше произвольного уровня(3час).

Тема4.Барометрические формулы как интегралы уравнения статики атмосферы. Основная барометрическая формула в общем виде. Различные формы её представления. Барометрические формулы однородной, изотермической и политропной атмосферы. Применимость их к атмосфере. Высота однородной атмосферы. Распределение плотности воздуха по высоте (в общем случае, в случаях однородной, изотермической и политропной атмосферы). Барометрические формулы Лапласа. Основные задачи, решаемые с помощью барометрических формул. Понятие о стандартной атмосфере.(4час)

Тема5.Геопотенциал (абсолютный, относительный). Изобары, изогипсы, изотермы. Карты барической топографии.(2час)

Семинар

Контрольная работа по теме.

Раздел 2. Радиационный режим атмосферы

Тема1.Солнечная радиация. Основные законы излучения. Солнечная постоянная(2час).

Тема2.Ослабление солнечной радиации. Поглощение и рассеяние солнечной радиации в атмосфере. Законы ослабление солнечной радиации в атмосфере. Прямая, рассеянная, суммарная радиация, альбедо (4час).

Тема3.Излучение Земли и атмосферы. Закон Кирхгофа. Влияние облачности на встречное и эффективное излучение (4час).

Тема4.Радиационный баланс земной поверхности и атмосферы (4 час).

Семинар

Контрольная работа по теме.

Раздел 3.Тепловое состояние атмосферы

Тема1.Тепловой режим приземного слоя атмосферы (2 час).

Тема2.Распределение температуры по высоте в приземном слое. Методика расчета турбулентных потоков тепла в приземном слое атмосферы по данным градиентных наблюдений. (4 час).

Тема3.Суточный ход температуры воздуха в пограничном слое атмосферы. Распределение температуры по высоте в пограничном слое атмосферы и тропосфере. (4 час).

Семинар

Контрольная работа по теме.

КОНСПЕКТЫ ЛЕКЦИЙ

ВВЕДЕНИЕ

Предмет метеорологии

Земля как планета состоит из трех оболочек: твердой (литосферы), жидкой (гидросферы) и газообразной (атмосферы). Физические и химические процессы в этих оболочках изучаются многими науками, которые носят общее название «науки о Земле». Метеорология — наука о физических процессах и явлениях в атмосфере Земли в их взаимодействии с земной поверхностью и космической средой. Само слово «метеорология» произошло от двух "греческих слов: «метеор», что в древней Греции означало всякое небесное явление (движение звезд, облаков и т. п.), и «логос», т. е. изучение, познание. Современному содержанию науки об атмосфере более соответствовал бы термин-аэрология («аэрос» — атмосфера, воздух) /2-4/.

По своим свойствам атмосфера весьма неоднородна в пространстве и крайне изменчива во времени. Она постепенно переходит в межпланетную среду, поэтому ее верхняя граница достаточно неопределенна.

Практика ставит перед метеорологией задачу познания законов, управляющих атмосферными процессами. В метеорологии широко применяется экспериментальный метод, особенно для изучения процессов образования облаков и туманов, оптических и электрических явлений. Опыты проводятся как в лабораторных, так и в природных условиях. К исследованию атмосферных процессов и явлений широко привлекается математика и вычислительная техника.

Связь метеорологии с другими науками. Деление на научные дисциплины

При изучении атмосферы приходится опираться на ряд законов, установленных другими науками. В метеорологии особенно широко используются законы физики, в первую очередь таких ее разделов, как учение о теплоте, об электромагнитных колебаниях, о строении вещества. Для изучения метеорологии необходимо знать основы математики, теоретической механики, гидромеханики, географии и астрономии. Поскольку атмосферные процессы тесно связаны с процессами, происходящими в земной коре и водной оболочке, то отсюда ясна связь метеорологии с такими науками, как геофизика, физика моря, океанология и гидрология, с которыми ее роднит общность многих научных и практических задач.

Развитие метеорологии как науки привело к оформлению отдельных крупных ее разделов в самостоятельные научные дисциплины. Они различаются между собой изучаемыми объектами и особенностями методики их исследования (первый принцип деления метеорологии). К таким дисциплинам относятся:

Физика атмосферы (или общая метеорология) — учение об общих закономерностях атмосферных явлений и процессов. Она изучает структуру атмосферных явлений, устанавливает связь между метеорологическими величинами и явлениями, вскрывает внутренние закономерности этих явлений. Кроме того существует деление физики атмосферы на такие самостоятельные разделы, как динамика атмосферы, физика пограничного слоя, физика верхней атмосферы, физика облаков и осадков, учение о лучистой энергии Солнца и Земли (актинометрия), атмосферная оптика и атмосферное электричество.

Синоптическая метеорология—учение о закономерностях распределения и изменения погоды на больших площадях и методах ее предсказания. В основе этой дисциплины лежит синоптический метод, заключающийся в анализе атмосферных процессов с помощью синоптических карт, или карт погоды которые представляют собой географические карты с нанесенными, на них данными метеорологических наблюдений во многих точках обозреваемой территории. Оформились две научные дисциплины —долгосрочные прогнозы погоды и гидродинамические (численные) методы предсказания погоды.

Долгосрочным называют прогноз погоды, составляемый на промежуток времени не менее 3 суток. В основе гидродинамических методов прогноза погоды лежат системы уравнений, описывающие изменение атмосферных процессов и явлений во времени и пространстве. Решение этих систем осуществляется с помощью численных методов, а расчет искомых величин выполняется на ЭВМ большого быстродействия и памяти.

Климатология — учение о закономерностях формирования климата в различных географических районах и его колебаниях. Климатом называют многолетний, характерный для данного района режим погоды.

В соответствии со вторым принципом — использования установленных в метеорологии закономерностей и данных наблюдений для удовлетворения нужд различных отраслей экономики — в составе метеорологической науки оформилась серия прикладных дисциплин, таких, как авиационная метеорология, агрометеорология, морская метеорология, медицинская метеорология и др.

Теоретические основы измерения метеорологических величин и наблюдения за атмосферными явлениями составляют содержание научной дисциплины технические средства метеорологической службы. В составе этой дисциплины сформировались самостоятельные разделы, как радиометеорология и спутниковая метеорология.

Одной из особенностей атмосферы является неоднородность ее свойств в пространстве и изменчивость их во времени. Это объясняется весьма сложным характером взаи­модействия атмосферы с земной поверхностью, с космической средой и с Солнцем. Непосредственно от Солнца атмосфера нагревается мало. В основном солнечная радиация поглощается земной поверхностью. Атмосфера же нагревается главным образом от земной поверхности. Неоднородность земной поверхности и различие в притоке солнечной радиации в разных географических районах создают неравномерность в нагревании воздуха, что приводит к возникновению движений в атмосфере, которые в свою очередь способствуют перераспределению тепла.

Вторая особенность атмосферных процессов связана с наличием водяного пара в атмосфере. При определенных условиях водяной пар конденсируется, образуются туманы и облака. Облака же в свою очередь служат источником многих атмосферных явлений — осадков, гроз и целого ряда оптических явлений. Облака, кроме того, существенно изменяют энергетические ресурсы в атмосфере, поскольку при конденсации водяного пара выделяется большое количество тепла, а появление облаков заметно понижает приток солнечной радиации к земной поверхности и уменьшает потерю тепла ею за счет излучения. Эти особенности чрезвычайно осложняют изучение атмосферных процессов и их предсказание.

Третья особенность атмосферных процессов состоит том, что в каждый момент времени они развиваются над всей территорией земного шара. Это требует соответствующей организации наблю­дений за состоянием атмосферы. Во всех государствах мира организована сеть метеорологических станций, космические наблюдения Их достоинство заключается и том, что они могут охватить наблюдением практически всю территорию земного шара.

Наконец, четвертой особенностью атмосферных процессов является их многомасштабность. Масштаб (размер) атмосферных явлений и процессов изменяется от нескольких метров до многих тысяч километров. Если же учесть процессы образования облаков и осадков, то этот интервал масштабов необходимо расширить в сторону меньших размеров до 10^-6—10^-7 м (таковы размеры зародышевых капель). Так, отдельные облака, смерчи и др. имеют размеры от нескольких десятков метров до 100 км, облачные системы фронтов, воздушные массы, циклоны и антициклоны — от сотен километров до 1000 -2000 км. Наиболее крупными объектами являются спиралеобразные облачные системы, открытые с помощью ИСЗ, струйные течения и так называемые длинные волны, масштаб которых сравним с радиусом Земли.

Градиент метеорологических величин

Метеорологические величины изменяются как во времени, так и в пространстве, т. е, являются функциями координат точки x, y, z и времени t:

f=f (x, y, z)

где f—произвольная метеорологическая величина.

Совокупность значений метеорологической величины во всем пространстве (или ограниченной области его) называют полем этой величины.

Для характеристики пространственного распределения метеорологических величин в фиксированный момент времени вводится понятие зквискалярной поверхности, в каждой точке которой, согласно определению, метеорологическая величина сохраняет постоянное значение:

f (x, y, z)=С,

где С — постоянная для данной эквискалярной поверхности. Эта постоянная различна для разных поверхностей. Эквискалярные поверхности различных метеорологических величин носят название: давления — изобарические, температуры — изотермические, плотности — изопикнические и т. д.

Кривые пересечения эквискалярных поверхностей с любой другой поверхностью (в частности, с поверхностью уровня моря) называют изолиниями величины f. Применительно к давлению это изобары, к температуре — изотермы и т. д.

Количественной мерой изменения метеорологической величины в пространстве служит градиент этой величины. Градиентом (grad f) величины f называют вектор, который по направлению совпадает с нормалью N к эквискалярной поверхности (положительное направление — в сторону уменьшения f), а по модулю равен производной от f по N, но с обратным знаком:

Наибольший практический интерес представляют горизонтальная и вертикальная проекции grad f. Горизонтальную и вертикальную проекции градиента принято называть соответственно горизонтальным и вертикальным градиентами.

Поскольку п (нормаль к изолиниям) направлена в сторону убывания f, то горизонтальный градиент всегда положителен: —дf/дп > 0. Вертикальный градиент может быть как положительным, так и отрицательным. Справедливо следующее общее правило: если величина f убывает с высотой, то вертикальный градиент ее положителен: —дf/дz > 0; если величина f растет с высотой, то вертикальный градиент этой величины отрицателен: : —дf/дz < 0.

Давление воздуха (Р)

Основной единицей давления, согласно Международной системе единиц (СИ), служит паскаль (Па); 1 Па = 1 Н/м² — 1 кг/(м с²).

На синоптических картах изобары проводят через 5 гПа. Горизонтальный градиент давления рассчитывают чаще всего в гПа на 100 км, его значение в условиях атмосферы обычно колеблется от 1 до 5 гПа/ 100 км. Так как давление всегда падает е высотой, вертикальный градиент давления всегда положителен. В атмосфере вертикальный барический градиент в десятки и сотни раз больше горизонтального т. е. давление с высотой изменяется значительно быстрее, чем в горизонтальном направлении.

Температура воздуха (Т). Единицей температуры в шкале Кельвина служит кельвин (К), в шкалах МПТШ и Цельсия — градус Цельсия (⁰С).

Горизонтальный градиент температуры чаще всего рассчитывают на 100 км. Обычно он составляет несколько градусов Цельсия на 100 км. Вертикальный градиент температуры () или, как его еще называют,вертикальный градиент стратификации, колеблется в условия атмосферы (в различных слоях и в разные моменты времени) в широких пределах. Он может быть как положительным, таки отрицательным. Если > 0, то температура в данном слое падает с высотой; если=0, то температура постоянна (изотермия); если< 0, то температура растет с высотой (инверсия температуры). Кривую распределения температуры по высоте, или кривую стратификации, обычно строят по данным измерений с помощью радиозонда. Точки на графике соединяют отрезками прямой. Построенная таким образом ломаная линия и будет представлять собой кривую стратификации.

Понятие о барических системах. Метеорологические станции, на которых производится измерение давления и других метеорологических величин, расположены, на различной высоте над уровнем моря. Так как давление изменяется с высотой, то измеренные на станциях значения его будут различаться прежде всего под влиянием разности высот. Оценить изменение давления в горизонтальном направлении (в частности, рассчитать горизонтальный градиент давления) можно, очевидно, только тогда, когда давление приведено (т. е. пересчитано) к какому-либо одному уровню. В качестве такого уровни обычно уровень моря. Приведенное к уровню моря давление и другие метеорологические величины (температура, точка росы, скорость ветра, количество высота и форма облачности и др.) наносятся на бланки географических карт, которые называются приземными картами погоды. Изобарические поверхности должны понижаться в сторону низкого давления.

Если провести изобары на достаточно обширной территории, то окажется, что они имеют различную форму. В зависимости от последней различают следующие виды барических образований. Область низкого давления, ограниченная замкнутыми изобарами, называется циклоном, а область высокого давления — антициклоном. Области с У-образными изобарами на периферии циклонов носят название ложбин, а на периферии антициклонов — гребней. Седловина представляет собой область, заключенную между двумя накрест расположенными циклонами и антициклонами. В некоторых районах изобары имеют форму, близкую к прямолинейной. Подчеркнем, что под низким и высоким давлением понимается относительное значение давления (по сравнению с давлением в соседних областях). Из приведенных рассуждений следует, что изобарические поверхности над циклоном вогнуты по направлению к земной поверхности, а над антициклоном выпуклы.

Горизонтальные размеры барических систем (циклонов и антициклонов в первую очередь) колеблются между несколькими сотнями и несколькими тысячами километров. Их вертикальная протяженность составляет несколько километров. Различают низкие и высокие циклоны и антициклоны. Первые распространяются вверх на 2—3 км, вторые, как правило, — на всю тропосферу. В принципе можно рассчитать значение давления и построить карту его распределения не только на уровне моря, но и на других уровнях (например, 1, 3, 5, 9, 13, 16 км) /2-4/.