Метеорология и климатология

Метеорология и климатология

(краткое содержание  лекционного курса 

для заочного обучения)

Раздел 1: Введение в метеорологию и климатологию

 

Тема 1 «Погода и климат».

Погода как физическое состояние приземного слоя в данный момент времени на определенной территории. Погодные явления и метеорологические величины. Характеристика атмосферных процессов и измерения метеорологических величин. Климат как закономерное изменение погодных условий на земной поверхности. 

 

Тема 2 «Метеорологические приборы и величины».

Требования к метеорологическим  приборам и метеорологической площадке. Измерение температуры. Измерение влажности воздуха. Измерение атмосферного давления. Определение скорости и направления ветра. Измерение атмосферных осадков и испарения. Наблюдение за облаками. Определение метеорологической дальности видимости. Актинометрические приборы и измерения. 

 

Тема 3 «Программа и методы метеорологических наблюдений».

Метеорологические наблюдения, организация измерений и регистрация  результатов. Метеорологические станции и посты. Дистанционные и автоматические системы метеорологических измерений. Тенденции развития технических средств для метеорологических наблюдений.

 

Раздел 2. Атмосфера  Земли и движение воздуха

Тема 4 «Строение атмосферы  и состав воздуха».

Вертикальное строение земной атмосферы. Приземный воздушный слой и тропосфера. Стратосфера, мезосфера, ионосфера. По температуре атмосферного воздуха:

Тропосфера – (экватор 15-17 км, умеренные 10-12 км, полюс 8-10 км). Температура с высотой падает от +26 до – 80% (градиент 0,6градС/100 м). Наличие облаков.

Тропопауза – верхняя граница тропосферы (постоянная температура).

Стратосфера – до высоты 50-55 км.

Температура с высотой растет до 0 град. Перламутровые (светящиеся) облака.

Озоновый слой (О3). Озоносфера (от 15 до 70 км), поглощение ультрафиолетовой (коротковолновой) радиации. Теплый воздух.

Мезосфера – до высоты 80 – 82 км.

Температура с высотой снова понижается до – 110^оС. Серебристые облака. Давление воздуха на верхней границе в 1000 раз меньше. 99,5% всей массы атмосферы.

Термосфера – до высоты 800-1000 км. Температура с высотой резко возрастает до 1500 – 3000^оС. Полярные сияния.

Экзосфера – внешняя атмосфера выше 1000 км до 3000 км, движение частиц воздуха около 11000 м/с (вторая космическая), атомы водорода и гелия покидают атмосферу Земли.

Магнитосфера  - до 20000 км «земная корона» около 1000 заряженных частиц/м3, на которые воздействует магнитное поле Земли.

Радиационный пояс – выше 20000 км до десятков тысяч км. Электрически заряженные частицы со скоростью 400 км/с, с энергией в сотни тысяч электрон-вольт. Солнечный ветер. Постоянный обмен заряженными частицами (корпускулами) с космическим пространством.

Изотермия и инверсия. Сфера рассеяния  и магнитные бури. Состав воздуха в нижних слоях атмосферы (азот, кислород, углекислый газ, водяной пар и аэрозоли). Состав воздуха в высоких слоях атмосферы. У земной поверхности атмосферный воздух: водяной пар (0,01% - 1%=0,2). Содержание водяного пара с высотой меняется и убывает вдвое быстрее, чем плотность воздуха (в 2 раза на высоте 1,5 – 2 км, в 10 раз на высоте 5-6 км, в 100 раз на высоте 10-12 км, выше 15 км – практически отсутствует). Сухой воздух: азот (78,08%), кислород (20,95%), аргон (0,93%), углекислый газ или диоксид углерода (0,03%). 0,01% - неон, гелий, метан, криптон, водород, закись азота, ксенон, озон, диоксид азота, аммиак, угарный газ, иод, радон и другие.

Гомосфера - до высоты 100 км состав воздуха не меняется и не расслаивается по удельному весу, постоянно находится в перемешанном состоянии благодаря непрерывному движению воздуха.

Гетеросфера – часть атмосферы (выше 100 км до 800 км) с непрерывным изменением состава воздуха как по слоям, так и во времени.

Ионосфера – часть атмосферы (термосферы) 800-1000 км с повышенным содержанием ионов. Полярные сияния

 Диссоциация и гравитационное разделение газов.

Состав воздуха в лесу.  

 

Тема 5 «Атмосферное давление и циркуляция атмосферы».

Барическое поле и его характеристики. Изобарические поверхности. Барические системы (циклон и антициклон, ложбина и гребень). Вертикальный, горизонтальный и полный градиенты давления. Суточный и годовой ход атмосферного давления. Континентальный, океанический, полярный и субполярный типы. Географическое распределение атмосферного давления на уровне моря. Атмосферное давление – сила на единицу площади p = F/S. СИ – 1 паскаль (1 Н на 1 кв м). В метеорологии миллибар 1мбар= 100 Па= 1 гПа (1 гектапаскаль). Внесистемная – 1 мм рт. ст. (вес 1 мм столба ртути на 1 кв м) = 133,3Па; нормальное давление на широте 45 град – 760 мм рт. ст.= 1013,3 гПа.

Барометр – прибор для измерения давления (ртутный, анероид, барограф, метеорографы, радиозонды, деформационные). Ртутный барометр – вес столба ртути на единицу площади уравновешивает атмосферное давление. Анероид – деформация упругой пустой внутри металлической коробки. Барограф – непрерывная запись колебаний атмосферного давления. Метеорограф – соединение барографа, термографа, гигрографа, иногда анемографа – аэрологический прибор для регистрации метеорологических величин на шарах-зондах, самолетах, аэростатах. Радиозонд – передача метеорологических данных с помощью радиосигналов.                                                          

 Атмосферное давление на высоте, гПа:

- уровень моря -  1014

- 5 км – 538

- 10 -     262

- 15 -      120

- 20 -       56.

Плотность воздуха  меняется с высотой: 1,25 кг/м3 у земной поверхности, 0,74 – на высоте 5 км, 0,41 – 10 км, 0,09 – 20 км, до высоты 20 тыс. км плотность воздуха еще значительно выше, чем плотность межпланетного вещества. Высота 8000 м – высота однородной атмосферы. 

Масса нижних слоев  атмосферы: 50% в 5км, 75% - в 10 км, 95% - в 20 км.

 

Тема 6 «Характеристика  ветра».

Ветер – горизонтальное перемещение воздуха относительно земной поверхности. Скорость – характеристика силы ветра (м/сек, км/час, баллы, морские узлы); измерение – средняя скорость (м/с за 10 мин), максимальная или порыв (м/с за 10 мин), максимальная за указанный период; направление ветра - осредненное за 2 мин; направление – откуда дует ветер, (румб,  азимут); анемометр – прибор для измерения скорости ветра; анеморумбометр – прибор для измерения скорости и направления ветра; флюгер – механическое измерение средней скорости, максимальных порывов и направления ветра (указатель направления, флюгарка с указателем скорости). 

Воздушные течения в атмосфере. Характеристики ветра (направление, скорость, порывистость, линия тока, роза ветров). Движение воздуха в атмосфере  – движущие силы. Горизонтальный градиент, силы Кориолиса, сила трения. Уравнения  силы и направления ветра. Суточный и годовой ход ветра у земной поверхности. Общая циркуляция атмосферы. Циркуляция в тропических широтах, пассаты, муссоны, струйные течения. Местные ветры (бризы, горно-долинные ветры, фен, бора). Суховеи. Взаимовлияние леса и ветра. 

 

Раздел 3: Радиация и тепловой режим

Тема 7 «Радиационный баланс земной поверхности».

Электромагнитное излучение  солнца. Спектральный состав солнечной  радиации. Прямая, рассеянная и суммарная  радиация. Радиационный баланс земной поверхности. Отражение и поглощение солнечной радиации. Эффективное излучение. Уравнения радиационного баланса земной поверхности.    

 

Тема 8 «Температура и тепловой режим атмосферы» 

Температура – физическая величина, единица измерения, числовое значение, размерность, произошло от субъективных ощущений тепло и холодно, степень нагретости тела, функция распределения молекул по скоростям, функция распределения энергии излучения по длинам волн, средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул. Зависимость длины и объема от температуры, опорные точки. Термоскоп Герона – расширение воздуха в открытом сосуде с водой (130 гг) в Византии. Термоскоп Галилея - расширение воздуха в закрытом сосуде с водой (1592 гг). Термометр спиртовой – 1657 во Флоренции. Амонтонс – первая температурная шкала 6:5 отношение давлений летом и зимой в Париже 1704 г. 1799 – единица длины, ¼ часть меридиана на 10^-7 (Французская Академия наук). 1868 г. - закон Стефана – Больцмана w = aT⁴. 1887 г – единица температуры. Абсолютная шкала температур совпадает с термодинамической (все температуры положительны). Пока мы не располагаем никакими методами прямого измерении температуры. Гей-Люссак обнаружил, что все газы при повышении температуры расширяются одинаково. Закон Бойля-Мариотта (Бойль – 1662 г., Мариотт в 1676 г) pV = const при T = const. Общий закон Менделеева-Клайперона – зависимость объема газа от давления и температуры pV = C(1 + at), где p – давление газа, V - объем, t - температура, а – коэффициент температурной шкалы, С – коэффициент характеристики газа. Закон Авогадро pV = m/M RT, где T – абсолютная температура, m - масса газа, M - молярная масса, R - универсальная газовая постоянная.

1714 г - Шкала Фаренгейта (F) – интервал на 64 части между температурой таяния льда и температуру человеческой крови (96F); точка таяния льда 32F , а точка кипения воды 212F, т.е. этот интервал делится на 180 частей – сперва спиртовой, позднее ртутный термометр; нулевая точка - смесь нашатыря и смесь вода лед – известная в то время самая низкая температура. 1730 г - Шкала Реомюра (R) – интервал (Q) между точкой таяния льда (0^оR) и точкой кипения воды (80^оR) при давлении 1 атм разделен на 80 частей; смесь спирта и воды с коэффициентом объемного расширения 8 %. 1742 г - Шкала Цельсия (t – обозначение температуры), 100^оС – точка таяния льда, 0^оС – точка кипения воды; позднее Штрёмер ввел обратное обозначение. C или K – обозначения температурных интервалов, измеренных в градусах Цельсия или кельвинах. 1C = Q/100, 1R = Q/80, 1F = Q/180.

1848 г (лорд Кельвин - Томсон) - Шкала термодинамическая определяет температуру как измеряемую физическую величину и устанавливает ее единицу кельвин - единица температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Международная система единиц (СИ) – температура, кельвин (К); 1 кельвин составляет 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды с 1967 г.

Тройная точка воды – называется такая точка, при которой находятся в равновесии все три фазы воды: лед, вода (жидкая) и насыщенный пар. По стоградусной шкале тройная точка воды равна + 0,01^оС при давлении 1 атм.

Измерение температуры:

1. жидкостные (спиртовые до +78,5^оС, ртутные от +356,9^оС до – 38,9^оС, толуол до +110,5^оС);
2. деформационные (изменение линейных размеров твердых тел – биметаллические, инвар и сталь с различными коэффициентами теплового расширения);
3. электрические (меняется электрическая проводимость материалов).

Термометры: обычные (ртутные), низкоградусные (спиртовые), максимальные, минимальные, термометр-пращ, почвенные (коленчатые), термометр-щуп, термограф.

Тепловой баланс земной атмосферы. Географическое распределение потоков  радиации. Фотосинтетически активная радиация. Закономерности распределения солнечной радиации в лесной среде. Уравнения теплового баланса. Процессы нагревания и охлаждения воздуха. Влияние суши и водоемов на температуру воздуха. Суточный и годовой ход температуры воздуха. Поздневесенние и раннеосенние заморозки. Особенности температурного режима воздуха в лесной среде.

 

Тема 9 «Тепловой  режим литосферы и гидросферы».

Тепловой режим земной поверхности (почв и водоемов). Нагревание и охлаждение почв. Теплоемкость и  теплопроводность. Суточный и годовой  ход температуры почвы. Инсоляция  и излучение. Особенности нагревания и охлаждения водоемов. Промерзание  и оттаивание почв, вечная мерзлота. Особенности теплового режима лесных почв. 

 

Раздел 4: Влажность  и водный режим

Тема 10 «Влажность воздуха и влагообмен».

Характеристики влажности воздуха. Парциальное давление, абсолютная влажность, относительная влажность, дефицит влажности и точка росы. Испарение и конденсация. Давление насыщенного водяного пара. Поступление водяного пара в атмосферу, испарение с поверхности воды, испарение с поверхности почв, транспирация. Суточный и годовой ход давления водяного пара и относительной влажности воздуха. Уравнения влагообмена. Особенности влагообмена в лесной среде.  

 

Тема 11 «Влагооборот и облачность атмосферы».

Конденсация водяного пара в атмосфере. Туманы (водяные и ледяные) – водяной пар в приземной поверхности: сильный - дальность видимости до 50 м, умеренный - 50 – 500 м, слабый - 500 – 1000 м; по высоте: поземные - до 2 м, низкие - 2-10 м, средние - 10-100 м, высокие – более 100 м. Дымка (разреженный водяной пар в жидком или твердом состоянии, слабая - дальность видимости 2 – 10 км, умеренная – 1 – 2 км). Мгла. Смог. Облака – густой (видимый) водяной пар в атмосфере. Классификация облаков. Облака верхнего яруса (перистые, перисто-кучевые, перисто-слоистые). Облака среднего яруса (высококучевые, высокослоистые). Облака нижнего яруса (слоисто-кучевые, слоистые, слоисто-дождевые). Облака вертикального развития (кучевые, кучево-дождевые). Условия образования облаков (облака термической конвекции, облака динамической конвекции, облака турбулентности, волнистообразные облака, фронтальные облака).

 

Тема 12 «Режим осадков  и водный баланс».

Осадки. Количество и интенсивность  осадков. Вертикальные, горизонтальные и смешанные осадки. Твердые, жидкие и смешанные осадки. Обложные, ливневые и моросящие осадки. Режим формирование жидких, тверды и смешанных садков. Особенности водного баланса в лесной среде.

Плювиограф (дождеписец, осадкограф) – самописец для регистрации количества, интенсивности и времени выпадения жидких осадков; приемный сосуд, сливная трубка, цилиндрический сосуд с поплавком, стрелка с пером, лента самописца, часовой механизм, контрольный сосуд.

Снегомер весовой (плотномер) прибор для определения плотности снега.

Снегомерная рейка (постоянная, переносная) – для измерения высоты снежного покрова в см.

Снегомерная съемка – измерение высоты снежного покрова на больших площадях

 

Тема 13 «Классификация и наблюдение осадков»

Роса и иней. Изморозь, жидкий и  твердый налеты. Гололед. Снег, снежные  зерна снежная крупа, ледяная  крупа, ледяной дождь, град. Дождь, морось. Мокрый снег. Образование дождя, снега, крупы и града. Снежный покров. Суточный и годовой ход осадков. Континентальный и береговой типы осадков. Типы годового хода осадков: экваториальный, тропический, субтропический и умеренных широт. Засуха. Активные воздействия на облака и туманы. Гроза и молния. Влияние лесной среды на перераспределение осадков.