А. В. Иванов

ЛЕСНАЯ МЕТЕОРОЛОГИЯ

МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ И НАБЛЮДЕНИЯ

Учебное пособие

Йошкар-Ола Марийский государственный технический университет

2009

УДК 551.51

ББК 26.23

И 20

Рецензенты: начальник Марийского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Л. С. Полищук; профессор кафедры садово-паркового строительства, ботаники и дендрологии МарГТУ В. Н. Карасев

Печатается по решению редакционно-издательского совета МарГТУ

Иванов, А.В.

И 20 Лесная метеорология. Метеорологические приборы и наблюдения: учебное пособие / А. В. Иванов. – Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2009. – 188 с.

Рассмотрены устройство метеорологических приборов, методы измерения солнечной радиации, температуры почвы, воды и воздуха, влажности воздуха, облачности, осадков и других атмосферных явлений. Изложены современные способы сбора, обработки метеорологической информации о состоянии погоды.

Для студентов специальности 250201.65 «Лесное хозяйство», направления 250100.62 «Лесное дело» очной и заочной форм обучения.

УДК 551.51 ББК 26.23

Учебное издание

ИВАНОВ Александр Владимирович

ЛЕСНАЯ МЕТЕОРОЛОГИЯ. МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ И НАБЛЮДЕНИЯ

Учебное пособие

Редактор П. Г. Павловская Компьютерный набор и верстка Е. В. Егошина, Е.А. Рыбакова

Подписано в печать 24.07.2009. Формат 60 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. п. л. 10,9. Уч.-изд. л. 8,5. Тираж 180 экз. Заказ № 4134.

Марийский государственный технический университет. 424000 Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3 Редакционно-издательский центр МарГТУ. 424006 Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17

технический университет, 2009

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие по дисциплине «Лесная метеорология» написано в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 250201.65 «Лесное хозяйство», направления 250100.62 «Лесное дело» очной и заочной форм обучения. Его цель – ознакомить студентов – будущих специалистов лесного хозяйства – с методами и средствами измерения параметров физического состояния атмосферы как составной части биосферы и одного из компонентов биогеоценоза.

Дисциплина «Лесная метеорология» тесно связана с изучением курсов «Физиология растений», «Дендрология», «Лесоведение», «Лесоводство», «Лесная пирология».

Лесная метеорология имеет прикладное значение. Студенты изучают устройство метеорологических приборов, методы измерения солнечной радиации, температуры почвы, воды и воздуха, влажности воздуха, облачности, осадков и других атмосферных явлений, современные способы сбора и обработки метеорологической информации о состоянии природы.

Только с использованием современных приборов можно изучить температурный, световой режимы и другие экологические факторы в пологе лесных фитоценозов, а также выявить влияние основных метеорологических величин на показатели продуктивности хозяйственно ценных древесных пород в различных типах условий произрастания.

3

ВВЕДЕНИЕ

Лесная метеорология изучает и выявляет взаимодействие метеорологических факторов и лесной растительности, определяет влияние их на рост и развитие леса.

Учебное пособие по дисциплине «Лесная метеорология» раскрывает содержание основных терминов, количественные и качественные показатели метеорологических величин, знакомит с методами и способами наблюдений за атмосферными явлениями.

Некоторые практические вопросы лесного хозяйства инженер может успешно решать лишь на основе глубокого изучения устройства и принципа действия метеорологических приборов, которые используются при изучении условий произрастания лесных культур. Это необходимо для определения оптимальных условий, параметров окружающей среды, влияющих на состояние и развитие леса.

Детальное исследование повышения продуктивности лесов невозможно без изучения температурного, светового режимов и других экологических факторов в пологе лесных фитоценозов, основывающегося на использовании даных, выявленных современными приборами.

Весьма актуальны многолетние комплексные периодические исследования с помощью автоматических метеорологических приборов, цель которых – выявить влияние основных метеорологических факторов на показатели продуктивности хозяйственно ценных древесных пород в различных типах условий произрастания.

В настоящее время отсутствуют периодические наблюдения с определением лесоводственно-таксационных характеристик всего полога лесных фитоценозов и влияния на него комплекса метеорологических элементов. Наблюдения за атмосферными явлениями с помощью современных специальных автоматизированных комплексов позволит изучить микроклимат опытного участка лесного насаждения на основании достоверных научно обоснованных данных и выявить влияние метеорологических факторов на биологические процессы, происходящие в лесах. Метеорологические приборы помогут правильно определить класс пожарной опасности.

4

1. ОРГАНИЗАЦИЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ В РОССИИ

Атмосферные процессы, определяющие изменение погоды, развиваются на больших пространствах. Поэтому изучение их возможно, если метеорологические и аэрологические станции, ведущие наблюдения за атмосферными процессами, размещаются (по возможности равномерно) на таких же больших пространствах. Кроме того, изучение географического распределения метеорологических величин и сравнение состояния атмосферы (погоды и климата) в различных странах возможно при условии, что все метеорологические станции ведут наблюдения однотипными приборами, по единой методике и в определенные часы суток. Иными словами, станции в каждой стране и в мировом масштабе должны составлять единое целое сеть метеорологических станций, метеорологическую сеть. В России, как и в большинстве стран мира, существует основная государственная сеть метеорологических станций, отвечающая указанному выше требованию оснащению однотипными приборами, единообразной методикой наблюдений и согласованной по срокам работой.

Существуют и метеорологические станции специального назначения, связанные с различными потребностями науки и народного хозяйства, например, станции на курортах, в колхозах, на транспорте и т.п.

Метеорологические станции общегосударственной сети размещаются по возможности равномерно в местах, характерных для данного района. Это необходимо для того, чтобы показания станции были репрезентативными, т.е. показательными, не только для ее ближайших окрестностей, но и для возможно большего окружающего района. Метеорологические станции специального назначения размещают исходя из производственных задач.

Непрерывно происходящие изменения в состоянии погоды связаны в первую очередь с процессами общей циркуляции атмосферы. Смена дня и ночи вносит в погоду достаточно простые и регулярные изменения в виде суточного хода метеорологических элементов или в виде смены бризов и т.п. Но резкие и нерегулярные изменения, гораздо более характерные для погоды, являются результатом смены воздушных масс, прохождения разделяющих их фронтов, перемещения и эволюции циклонов и антициклонов. В тропиках эти изменения имеют иной характер, чем во внетропических широтах, потому что условия атмосферной циркуляции во многих районах здесь более устойчивые, а тропические циклоны сравнительно редки. Поэтому в тропиках, исключая тропические циклоны,

5

большее значение имеют не междусуточные изменения погоды, а долгосрочные ее проявления, такие, как засуха, наводнения и т.д.

В связи с сильной зависимостью человеческой деятельности от изменений погоды в течение последнего столетия практически во всех странах возникла национальная служба погоды. В ее задачи входит своевременная информация населения, административных и хозяйственных организаций о существующих условиях погоды и предсказание условий погоды на будущее время.

Национальные службы погоды опираются в своей работе на международную программу Всемирной метеорологической организации (ВМО) Всемирной службы погоды (ВСП). Всемирная служба погоды состоит из трех связанных между собой компонентов: глобальной системы наблюдений (ГСН), глобальной системы телесвязи (ГСТ) и глобальной системы обработки данных (ГСОД).

Глобальная система наблюдений состоит из национальных сетей наблюдений за состоянием атмосферы, которые страны-члены Всемирной метеорологической организации содержат не только для национальных нужд, но и добровольно представляют для международного использования. ГСН состоит из подсистемы наземных наблюдений и космической подсистемы. Глобальная наземная подсистема имеет более 8000 метеорологических и около 800 аэрологических станций. Около 7000 коммерческих станций также ведут систематические метеорологические наблюдения. Кроме того, в 80-е годы было введено в эксплуатацию 350 автоматизированных или частично автоматизированных станций на суше, 100 заякоренных буев в качестве автоматических морских станций и несколько сотен дрейфующих буев, из которых в настоящее время работают около 200. Для предупреждений сильных штормов во всем мире используются около 600 метеорологических радиолокаторов.

Космическая подсистема наблюдений состоит из четырех полярноорбитальных и пяти геостационарных метеорологических спутников. На борту полярно-орбитальных спутников, вращающихся вокруг Земли на высоте от 800 до 1000 км, установлена аппаратура для автоматической передачи изображений в видимом и инфракрасном участках спектра. Спутники обеспечивают глобальные обзоры облачного покрова Земли, определение вертикальных профилей распределения температуры и влажности, оценку температуры земной и морской поверхностей, а также наблюдения за снежным и ледовым покровом. Пять иностранных геостационарных спутников находятся над экватором на высоте около 36000 км на меридианах 0, 74,140° в.д., 135 и 75° з.д. и вращаются с той же угловой скоростью, что и Земля. Таким образом, они все время как

6

бы подвешены над одной и той же точкой Земли. Своими наблюдениями они охватывают широтный пояс от 50° с.ш. до 50° ю.ш. и постоянно передают на Землю изображения облачности, температуры поверхности, величины вектора скорости ветра, определенного по движению облаков, а также служат центрами релейной телесвязи для сбора и распространения данных. ГСН представляет комплексную наблюдательную систему, так как ни одна отдельно взятая сеть не в состоянии обеспечить глобального слежения за состоянием атмосферы.

Главная сеть телесвязи включает 21 магистральную цепь, связывающую три мировых метеорологических центра (Вашингтон, Мельбурн, Москва) и 15 региональных узлов связи (Алжир, Бразилиа, Бракнелл, Буэнос-Айрес, Дакар, Джидда, Каир, Найроби, Нью-Дели, Оффенбах, Париж, Пекин, Прага, София, Токио).

Служба погоды ни одной страны, даже такой большой, как Россия, не в состоянии составить прогноз погоды, опираясь только на собственные наблюдения. Для прогнозирования погоды на сутки, например, в Белоруссии необходима метеорологическая информация всей Западной Европы, а еще лучше и Атлантического океана. Прогноз погоды на трое суток требует информации со всего полушария, а на большие сроки - со всего земного шара. Отсюда ясно, что для прогнозирования погоды на своей территории каждая национальная служба погоды должна была бы иметь сложные средства обработки метеорологической информации, чтобы выбрать необходимые для нее сведения из огромного потока информации, передаваемой ежедневно по каналам связи. Кроме того, расположенные по соседству государства во многом дублируют эту работу. Поэтому третий компонент ВСП глобальная система обработки данных обеспечивает рациональное распределение ответственности за сбор и обработку метеорологической информации по крупным районам, включая полушарие и земной шар, составление прогнозов полей метеорологических величин по району своей ответственности и предоставление этой продукции для всех стран-членов ВМО, используя каналы ГСТ.

Таким образом, национальная служба погоды каждой страны может использовать уже готовые анализы и прогнозы будущей синоптической ситуации, составленные в системе ГСОД, и интерпретировать их в терминах погоды для своей страны, минуя процедуры получения, выбора и обработки первичных наблюдений. ГСОД строится как трехступенчатая система центров, состоящая из мировых метеорологических центров (ММЦ), Региональных метеорологических центров (РМЦ) и национальных метеорологических центров (НМЦ).

7

В ГСОД имеется три ММЦ (Вашингтон, Мельбурн, Москва), которые получают глобальную информацию, составляют карты анализов и прогнозов для всего земного шара и (или) для полушария и распространяют свою продукцию по каналам связи для использования каждой национальной метеорологической службой для кратко-, средне- и долгосрочного прогнозирования погоды. В настоящее время три ММЦ ежедневно выпускают 350 анализов и прогнозов.

Следующая ступень 25 РМЦ, которые составляют анализы и прогнозы по крупным географическим районам, например Атлантика и Европа, Евразия и т.д. Эти материалы могут использоваться в НМЦ для более детальных прогнозов и составления специализированных прогнозов для потребителей. Наконец, НМЦ отвечают за анализы и прогнозы для своей страны и за передачу метеорологической информации по ГСТ.

Помимо продукции ММЦ, РМЦ и НМЦ существуют и специализированные центры, такие как Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды (ЕЦСПП), составляющий прогнозы крупномасштабных полей давления и температуры с шестидневной заблаговременностью, а также центры зональных прогнозов, которые функционируют в рамках Всемирной системы обслуживания гражданской авиации в тесном сотрудничестве с Международной организацией гражданской авиации (ИКАО).

В нашей стране функции ММЦ выполняются Российским гидрометеорологическим центром в Москве (ГМЦ). В исполнение этих функций ГМЦ выполняет анализы по Северному полушарию, тропической зоне и Южному полушарию и прогноз барических полей на срок до пяти суток по Северному полушарию. Помимо этого гидрометеорологические центры в Ташкенте, Новосибирске и Хабаровске выполняют функции РМЦ, 25 территориальных гидрометеорологических центров ведут гидрометеорологическое обслуживание в союзных и автономных республиках, а также в экономических районах и областях. Кроме того, при аэропортах имеются аэрометеорологические станции, удовлетворяющие потребности авиации в информации о погоде и ее прогнозах. Прогностические группы существуют также в морских портах и т.д.

Сведения о погоде передаются со станций в центры службы погоды зашифрованными с помощью международно-согласованных цифровых кодов. В ММЦ и РМЦ они поступают в ЭВМ, которая по специальным программам их сортирует, проводит контроль правильности данных и далее с помощью графопостроителей эти сведения наносятся цифрами и условными знаками на синоптические карты погоды. Параллельно эти

8

сведения заносятся в память машины для последующего объективного анализа метеорологической информации, о существе которого мы скажем несколько ниже.

В настоящее время, когда синоптические карты, на которые наносятся данные тысяч станций, охватывают все полушарие и даже весь земной шар и когда кроме приземных карт составляются также и высотные карты (барической топографии и др.), объем этой систематизированной информации об атмосферных условиях очень велик. Как указывалось выше, в целях экономии усилий и средств составление и анализ синоптических карт выполняются в ММЦ или РМЦ, откуда карты распространяются путем факсимильной передачи по проводам или по радио в органы службы погоды на местах. Прием синоптических карт по радио возможен и в воздухе, и на судах в открытом океане. Во многих службах погоды используются возможности, представляемые современной вычислительной техникой: передаются не изображения карт, а цифровая информация, которая превращается в графическую информацию на экране дисплея. Прогнозист, работая на персональном компьютере, может просмотреть на экране дисплея все необходимые ему карты и выдать необходимую карту на печать.

Органом государственного управления в России, обеспечивающим развитие и функционирование системы наблюдений, является Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.

Решение метеорологических задач осуществляется на основе применения автоматизированных средств наблюдений, быстродействующих систем связи и современных средств обработки информации. Этa система у нас в стране развивается и совершенствуется.

Контрольные вопросы

1.Какие экспериментальные методы исследования атмосферы применяются в настоящее время?

2.Каково значение метеорологии для различных отраслей народного хозяйства?

3.Каковы основные задачи гидрометеорологической службы России.

4.Какова структура гидрометеорологической службы России?

5.Что является основой работы гидрометеорологической службы России?

6.Каковы экономические основы и чем определяется эффективность работы гидрометслужбы?

7.Когда и с какой целью была создана Всемирная метеорологическая организация?

9