Метеорология и климатология Татаринович Екатерина Валериевна 23 марта

Метеорология и климатология Татаринович Екатерина Валериевна 23 марта 2016 г.

Метеорология – наука об атмосфере, т. е. о её строении, свойствах и протекающих в ней физических и химических процессах. Климатология – наука о климате, т. е. о совокупности атмосферных условий за многолетний период, свойственной тому или иному месту в зависимости от его географической обстановки (широта и долгота места), наличия морских течений. Атмосфера – воздушная оболочка нашей планеты, состоящая из смеси газов, которые окружают нашу планету. Погода – 1) непрерывно изменяющееся состояние атмосферы в данном месте и в конкретный момент времени; 2) совокупность значений метеорологических элементов в данном месте, в конкретный момент времени. Климат – статистический, многолетний режим погоды.

Основные климатообразующие процессы I. Теплооборот 1) Радиационный теплообмен 2) Молекулярный и турбулентный теплообмен 3) Теплообмен, связанный с фазовыми переходами 4) Горизонтальный перенос тепла воздушными течениями 1) Испарение 2) Конденсация 3) Выпадение осадков 4) Адвекция 5) Сток по поверхности суши II. Влагооборот III. Атмосферная циркуляция

Географические факторы климата

Географические факторы климата

Географические факторы климата Задача Altitude: 3000 m. 2000 m. 1000 m. 500 m. West side of the Rocky Mountains East side of the Rocky Mountains

Географические факторы климата III. Неравномерное распределение суши и моря 1) Делит типы климата на 2 подтипа: морской и континентальный. 2) Нарушает зональность в распределении типов климата. IV. Орография Высота и направление оси горных хребтов по отношению к основным воздушным массам влияют на формирование погоды и климата. Индийский муссон

Географические факторы климата V. Океанические течения

Географические факторы климата VI. Снежный и ледяной покров 1) Низкая теплопроводность снежного покрова. 2) Высокое значение альбедо. 3) Большое количество тепла затрачивается на таяние снежного покрова в весеннее время. VII. Антропогенные факторы

Газовый состав атмосферы Азот (78 %) Кисород (21 %) Состав сухого воздуха у земной поверхности по объёму Аргон (0, 93 %) Углекислый газ (0, 03 %) Ксенон, криптон, гелий, водород озон и др. (0, 01 %)

Глобальное потепление с начала ХХ века составило 0, 74°С!

Изменение состава воздуха с высотой

Озон в атмосфере 15 - 30 км – максимальное содержание. Схема фотохимической реакции: Под действием УФ Если бы можно сосредоточить весь атмосферный озон под нормальным давлением (p = 1013 г. Па), то он образовал бы слой толщиной 3 мм – приведённая толщина озона. В современной метеорологии общее количество озона, приведённое к нормальному давлению, измеряют в единицах Добсона (е. Д). 1 мм = 100 е. Д, 3 мм = 300 е. Д

Озон в атмосфере Cтратосферный озон В атмосфере слои, которые интенсивно поглощают УФ, сильно нагреваются – озоновый нагрев стратосферы. Этот нагрев оказывает существенное влияние на стратосферную циркуляцию, т. к. к областям тепла и холода подстраивается атмосферное давление. Изменение планетарной циркуляции: летом над всем северным полушарием наблюдается циркумполярный восточный перенос, а зимой – циркумполярный великий западный перенос. Летний стратосферный антициклон в июле Таких сезонных изменений не наблюдается больше ни в одном слое!

Озон в атмосфере Проблема стратосферного озона В последние 20 -30 лет установлено истощение озонового слоя, как в СП, так и в ЮП. Впервые обнаружено над Антарктидой в 1985 г. (50 – 70 е. Д). В 1988 г. над Арктикой наблюдалось истощение на 50 %. В результате истощения озонового слоя в Антарктике и Антарктиде формируются озоновые дыры. Сентябрь 2012 г. Озоновая дыра – разрыв озоносферы (D > 1000 км), возникший в районе высоких широт и перемещающийся в умеренные широты.

Причины

Озон в атмосфере Физиологически вредное действие жёсткой УФ радиации Уменьшение концентрации стратосферного озона приводит к увеличению у поверхности Земли биологически активного излучения Солнца (жёсткой УФ радиации). 1) Ожоги кожи и слепота. 2) Губительное воздействие на водные экосистемы. 3) Подавление фотосинтеза растений, замедление их роста. Приземный озон Составляет 10 % от всего озона. Приземный озон – сильный окислитель, вредный газ, вызывающий загрязнение. Образование: нисходящий поток из стратосферы в условиях антициклональной циркуляции, усиленная грозовая деятельность.

Аэрозоли – твёрдые и жидкие частицы в воздухе. Твёрдые аэрозоли естественного происхождения 1) вулканическая пыль 2) частицы дыма и сажи 3) частицы пыли почв. и органического происхождения + 4) кристаллы льда; 5) космическая пыль Жидкие аэрозоли естественного происхождения Аэрозоли антропогенного происхождения капельки морской воды, попадающие в воздух при разбрызгивании морской воды Частицы дыма, сажи, золы, попадающие в атмосферу при сжигании топлива и работе промышленных предприятий, а также частицы почвы, поднятые ветром при распахивании земель

Аэрозоли Попадая в атмосферу эти и другие газы в результате различных реакций вместе с присутствующими в атмосфере частицами водяного пара образуют частицы кислот: серной, соляной, фтористо-водородной, азотной и др. Эти кислоты затем вымываются из атмосферы осадками, образуя так называемые кислотные дожди, оказывающие губительное действие на растительный и животный мир.

Аэрозоли Стратосферные аэрозоли Масса в 50 р. меньше всей массы слоя. Максимальная концентрация на высоте 18 км. Слой Юнге 14 -25 км. Причины 1) Сильные вулканические извержения. 2) Занос ядер конденсации при сильной конвекции из стратосферы. 3) Действие реактивной авиации в стратосфере. 4) Космическая пыль. Перенос аэрозольных частиц 1) Воздушные течения ОЦА. 2) Верхнетропосферные восточные ветры. 3) Распространение в стратосфере, окутывая весь земной шар. Примеры: извержение Кракатау в 1883 г. , Эль-Чичон в 1982 г.

Строение атмосферы

Радиация в атмосфере Спектральный состав солнечной радиации 47 % - видимый свет 44 % - ИК 9 % - УФ Принято выделять коротковолновую (0, 1 – 4 мкм, включает видимый свет, УФ и ИК) и длинноволновую (4 – 100 мкм, излучается земной поверхностью и атмосферой) радиацию. Солнечная радиация на 99 % является коротковолновой.

Радиация в атмосфере Количественной мерой солнечной радиации, поступающей на некоторую поверхность, служит энергетическая освещённость или плотность потока (интенсивность прямой солнечной радиации). Солнечная постоянная – энергетическая освещённость солнечной радиации, падающей на ВГА на единицу площади, перпендикулярной к солнечным лучам, при среднем расстоянии от Земли до Солнца. Виды солнечной радиации

Радиация в атмосфере Прямая радиация – приходит к земной поверхности непосредственно от диска Солнца. Принято считать, что солнечная радиация распространяется от Солнца по всем направлениям, но расстояние от Земли до Солнца так велико, что прямая радиация поступает на земную поверхность в виде пучка параллельных лучей.

Радиация в атмосфере Ослабление прямой солнечной радиации в атмосфере происходит за счёт процессов поглощения и рассеяния. Поглощение Основной поглотитель - водяной пар. Также облака и аэрозольные примеси. В каждом отдельном месте поглощение меняется с течением времени и в большой степени зависит от высоты Солнца над горизонтом.

Радиация в атмосфере Рассеяние – преобразование части прямой солнечной радиации, которая до рассеяния распространяется в виде пучка в определённом направлении, в радиацию, идущую по всем направлениям. 26 % энергии потока прямой солнечной радиации превращается в атмосфере в рассеянную. Из них 2/3 возвращается к Земле. Возвращённая к Земле радиация представляет другой вид радиации: 1) приходит от всего небесного свода; 2) отличается от прямой по спектральному составу, т. к. лучи различных длин волн рассеиваются с разной степенью интенсивности. При этом законы рассеяния для чистого воздуха (молекулярное рассеяние) существенно отличаются от загрязнённого. з. Рэлея: рассеяние обратно пропорционально 4 -й степени длины волны рассеянного излучения. В спектре рассеянной радиации лучи коротковолновой части спектра преобладают по энергии!

Радиация в атмосфере Рассеяние на крупных частицах (D > 1 -2 мкм) – пыль, аэрозоли 1) Не подчиняется з. Рэлея 2) Уже не называется рассеянием, а - диффузным отражением, при котором свет отражается частицами, как маленькими зеркалами, поэтому диффузное отражение представляет белый свет. Облака, на которые падает свет, кажутся белыми. Рассеяние солнечной радиации в атмосфере имеет огромное практическое значение, т. к. создаёт рассеянный свет в дневное время. При его отсутствии в атмосфере было бы светло только там, куда бы попадали прямые солнечные лучи.

Радиация в атмосфере Суммарная солнечная радиация инсоляция диффузная радиация Частичная облачность, не закрывающаяся солнечный диск, особенно облака кучевых форм, увеличивает солнечную радиацию по сравнению с безоблачным небом! Полная облачность (8 -10 б) существенно понижает суммарную солнечную радиацию. При пасмурной погоде суммарная радиация = диффузионному отражению.

Радиация в атмосфере Отражение солнечной радиации. Поглощённая радиация. Альбедо Попадая на земную поверхность, суммарная радиация отражается от поверхности, но большей частью поглощается почвой и водой. Альбедо – отношение количества отражённой радиации к общему количеству солнечной радиации, падающему на данную поверхность. Планетарное альбедо – отношение уходящей в космос отражённой, рассеянной солнечной радиации к общему количеству солнечной радиации, поступающему к земной поверхности.

Радиация в атмосфере Длинноволновая радиация

Радиация в атмосфере Эффективное излучение - разность между собственным излучением Земли и встречным излучением атмосферы Т. о. эффективное излучение – чистая потеря лучистой энергии, а, следовательно, и тепла земной поверхности в ночное время. Эффективное излучение существует и днём, но компенсируется приходом солнечной радиации. В облачную погоду эффективное излучение – незначительно, достигает небольших значений. В ясную погоду, в арктическом воздухе, при крайне низком его влагосодержании эффективное излучение достигает максимальных значений.

Радиация в атмосфере Радиационный баланс земной поверхности Летом в ночные часы отрицателен. Радиационный баланс переходит от ночных отрицательных к дневным положительным после всхода Солнца и его поднятия на высоту 10 -15°. Тепловой баланс земной поверхности Механизмы передачи тепла: 1. Лучистый теплообмен (B). 2. Молекулярный, турбулентный теплообмен (P). 3. Поток тепла в почву (A). 4. Расходы тепла, связанные с фазовыми превращениями воды (LE). Уравнение теплового баланса земной поверхности Радиационный баланс уравновешивается нерадиационной передачей тепла!

Распространение тепла вглубь почвы. Законы Фурье I З. ФУРЬЕ Чем больше плотность и влажность почвы, тем лучше она проводит тепло, тем быстрее распространяется в глубину и тем глубже проникают колебания температуры. Независимо от типа почвы период колебаний температуры не изменяется с глубиной – не только на поверхности, но и на глубинах сохраняется суточный ход (24 ч) и годовой ход (12 мес). II З. ФУРЬЕ Амплитуда колебаний с глубиной убывает. Рост глубины в арифметической прогрессии – убывание амплитуды в геометрической. На некоторой глубине (70 -100 см) находится слой постоянной суточной температуры. Годовые колебания распространяются до большей глубины. В Арктике – до 30 м, в тропиках – до 10 м, в Москве – 15 -20 м. Суточный экстремум на каждые 10 см глубины запаздывает на 3 ч. На глубине 50 см суточный max наблюдается в разгар ночи. Годовые максимумы запаздывают на 1 мес на каждый метр глубины. IV З. ФУРЬЕ Глубины слоёв постоянной суточной и годовой температуры относятся между собой как квадратные корни периодов колебаний: Осложнения в выполнимости законов Фурье вызываются неоднородностью состава и структуры почвы. Кроме того, тепло распространяется вглубь почвы вместе с просачивающимися осадками.

Барическое поле – пространственное распределение атмосферного давления. На плоскости представляется линиями равного значения давления – изобарами. Барическое поле, представленное изобарами на картах погоды, постоянно расчленяется на области повышенного и пониженного давления – барические системы. В последующем анализе эти барические системы – их форма, локализация и интенсивность – используются для характеристики атмосферной циркуляции (над данным районом в конкретный момент времени). Типы барических систем Барические системы с замкнутыми изобарами Промежуточные барические системы ( не имеющие замкнутых изобар)

Ветер возникает в связи с неравномерным распределением атмосферного давления (горизонтальных разностей давления). Если бы давление в каждой горизонтальной поверхности было бы одинаковым - не было бы горизонтального переноса. Мерой неравномерного распределения давления является горизонтальный барический градиент сила горизонтального барического градиента Только G приводит воздух в движение и увеличивает его скорость. Все другие силы, проявляющиеся при движении воздуха, могут лишь тормозить движение и отклонять его от направления градиента. Если бы на воздух действовала только G, то движение воздуха было бы направлено из ВД в НД и было бы равноускоренным. В действительности, действуют другие силы, которые уравновешивают G. cила Кориолиса Отклоняющая сила вращения Земли имеет такой же порядок, как и сила горизонтального барического градиента!

Ветер Градиентный ветер – равномерное движение воздуха по круговым траекториям без влияния трения. циклон антициклон Реальный ветер в свободной атмосфере (выше 1 км) близок к градиентному ветру в циклонической и антициклонической областях.

Ветер Влияние трения на скорость и направление ветра. Действительный ветер (вблизи поверхности Земли) У поверхности Земли на движение воздуха большое влияние оказывает сила трения. Это сила, которая сообщает уже существующему движению воздуха отрицательное ускорение (замедляет) и меняет направление. Сила трения наиболее велика у земной поверхности. На высоте 1 км равна нулю. Начиная с этой высоты ей пренебрегают. Ветер отклоняется в сторону низкого давления: над сушей на 30 40° над морем на 10 ° Конвергенция – сходимость воздушных масс в центр

Фронты Атмосферный фронт – переходная зона между двумя воздушными массами. Воздушная масса – количество воздуха в тропосфере, соизмеримое по площади с большими частями материков или океанов, обладающие общими свойствами температуры и влажности и перемещающиеся в одном из течений общей ОЦА. АФ (арктический фронт) ПФ (полярный фронт) ВЗК (внутритропическая зона конвергенции) пассатная муссонная

Фронты Синоптические аспекты фронтов Каждый атмосферный фронт связан с циклонами, а с каждым циклоном 2 типа фронтов: тёплый и холодный Признаки фронта 1) Барические (ложбина; перед ТФ – область падения давления, в тыловой части давление растёт) 2) В зоне фронта резко меняется направление ветра 3) Резкий скачок температуры 4) Меняется горизонтальная дальность видимости (после прохождения ТФ видимость ухудшается, за ХФ усиливается) 5) Каждый фронт имеет свою систему облаков и осадков

Фронты Схема осадков ТФ в вертикальном разрезе

Фронты Схема ХФ 1 -го рода в вертикальном разрезе Медленно движущиеся или замедляющие свое движение фронты, преимущественно на периферии циклонических областей в глубоких барических ложбинах. Схема ХФ 2 -го рода в вертикальном разрезе Быстро движущиеся холодные фронты в цикл

Атмосферная циркуляция Общая циркуляция атмосферы (ОЦА) – система крупномасштабных воздушных течений, размеры которых соизмеримы с размерами океанов и материков (несколько тыс. км), высота – до 8 -12 км. В тропосфере к ней относятся пассаты, муссоны и воздушные течения, связанные с циклонами и антициклонами. Самая важная черта ОЦА – образование, развитие и перемещение крупномасштабных атмосферных вихрей, циклонов и антициклонов. Образование циклонов и антициклонов в атмосфере делают систему ОЦА исключительно сложной. Сходимость пассатов обусловлена деятельностью субтропических антициклонов. Наиболее выражены над океанами. Схема ОЦА в нижней и средней тропосфере

Атмосферная циркуляция Муссоны С. П. : Индийский, муссон Юго-Восточной Азии, Дальневосточный, Восточного побережья Америки.

Атмосферная циркуляция Задача 1. Indicate on the worksheet map the location of major atmospheric pressure areas in the month of July in East Asia and Australia. Use the letter H to show the location of the high pressure and the letter L to show the location of the low pressure. 2. Explain why both the H-pressure area and the L-pressure developed in the indicated location in the month of July. 3. On the same worksheet map, use arrows to show the direction of the prevailing winds in July. 4. Write on the worksheet map if the wind in each pressure system is dry (dry) or if it brings rain (wet).

Атмосферная циркуляция Местные ветры От течений ОЦА, которые имеют планетарный характер, следует отличать местные ветры, характерные только для определённых географических районов. Происхождение 1. Проявление местных циркуляций, возникающих в системе ОЦА при слабых крупномасштабных воздушных течениях: бризы, горно долинные циркуляции. 2. Местные изменения (возмущения) течений общей циркуляции атмосферы под влиянием орографии или топографии местности: фён, бора. Фён: Гармсиль (Копетдаг), чинук (Скалистые горы) Бора: Новороссийская, Новоземельская, сарма (Байкал), норд (Баку), мистраль (Средиземноморское побережье Франции), норстер (Мексиканский залив). 3. Ветры в некотором районе, которые, по существу, являются течениями ОЦА: сирокко, самум, хамсин, афганец.

Атмосферная циркуляция Вопрос Что представляют собой следующие природные явления: хамсин, самум, харматтан, сирокко? В чем их сходство и отличия? В каком районе мира можно наблюдать каждое из этих явлений? 1 2 3

Типы климатов Классификация Б. П. Алисова: условия ОЦА + климатообразующее влияние определённых географических типов воздушных масс

Климат Тверской области Характерно господство континентальных воздушных масс и циклоническая деятельность. Основным процессом в зимний сезон является перенос ВМ, а в летний — формирование континентального воздуха умеренных широт. Пример задания На территории Смоленской области большая часть годовой суммы осадков выпадает в теплое время года в виде дождя. Из вестно, что выпадение осадков тесно связано с циклонами; однако зимой над этой территорией циклонов бывает больше, чем летом. Объясните этот парадокс.