Метеорология и климотология • Лекций – часа. • Лабораторные занятия – часов. • Карпечко Юрий Васильевич • Учебники – Метеорология и климатология. Полякова Л. С. , Кашарин Д. В. 2004. • Метеорология и климатология. Хромов С. П. , Петросянц М. А. Изд. МГУ. 2006. http: //reslib. com/book/Meteorologiya_i_klimatologiya
Метеорология и климатология Метеорология - наука о земной атмосфере, о процессах и явлениях, происходящих в ней при взаимодействиях с земной поверхностью и космической средой. Климатология – наука о климатах земного шара
Метеорологические элементы • • Температура воздуха; влажность воздуха; атмосферное давление; ветер; количество и форма облачности; количество и вид атмосферных осадков; и другие.
Дисциплины, входящие в метеорологию • • Актинометрия; динамическая метеорология; синоптическая метеорология; аэрология; атмосферная оптика; атмосферное электричество и другие.
Прикладные метеорологические дисциплины • Авиационная метеорология; • сельскохозяйственная метеорология (агрометеорология); • медицинская метеорология; • космическая метеорология; • морская метеорология; • метеорология планет; • лесная метеорология
История метеорологии • Метеорологика - Аристотель – IV век до н. э. • Теория атмосферного электричества - М. В. Ломоносов первая половина VIII века. • Главная геофизическая обсерватория - 1849 г. • Фундаментальные работы по климатологии – А. И. Воейков – вторая половина XIX века. • М. В. Ломоносов, М. И. Менделеев, А. И. Воейков, Г. И. Вильд, М. А. Рыкачев, П. А. Молчанов, Л. С. Берг, М. И. Будыко и др. • Термометр – Галилей – 1603 г. • Ртутный Барометр – Торичелли – 1643 г. • Барометр-анероид – Лейбниц – 1700 г.
Задачи метеорологии • Сбор данных характеризующих состояние атмосферы; • изучение состава и строения атмосферы; • изучение теплооборота и теплового режима в атмосфере и на земной поверхности; • изучение влагооборота и фазовых преобразований воды в атмосфере; • изучение перемещений воздушных масс; • изучение электрического поля атмосферы; • изучение оптических и акустических явлений в атмосфере.
Атмосфера – воздушная оболочка Земли. • Воздух – смесь газов , образовавшаяся в ходе эволюции планеты Земля. • Высота атмосферы – 3 - 60 тыс. км; • масса атмосферы– 5. 2 1021 г
Состав воздуха • Газ Объемная концентрация, % • • • Азот (N 2) 78. 08 Кислород (О 2) 20. 95 Аргон (Ar) 0. 93 Углекислый газ (СО 2) 0. 036 Неон (Ne) Гелий (Не) Метан (СН 4) Криптон (Kr) Водород (Н 2) • Озон (О 3) • Водяной пар (Н 2 О)
Состав атмосферы
Состав атмосферы
Строение атмосферы
Строение атмосферы
Синоптическая карта
Физическое состояние атмосферы • PV = P/ ρ = RT - уравнение состояния, • • • d. P = -ρg dz - уравнение статики, ρ = ρ0 (P/ (P 0 (1 + t))), P 1 = P 0 exp(-g(z 1 – z 0)/RTm), • z = (16000 (1 + t) (P 1 - P 2))/ (P 1 + P 2), • h = 8000 (1 + t) / P.
Солнечная радиация • Солнце – раскаленный шар, снабжающий энергией Землю и ее атмосферу. • Диаметр Солнца - 1390600 км, в 109 раз больше диаметра Земли. • Масса - 1. 985 1027 т, что в 333000 раз больше массы Земли. Среднее расстояние между Землей и Солнцем равно около 149 600 000 км. • Видимый слой Солнца называется фотосферой. • Температура фотосферы в среднем составляет около 6000 К, а в глубоких слоях она достигает 40000000 К. • Солнечные пятна – одни из интересных проявлений процессов на Солнце, их температура на 1000 -15000 С ниже. • Количественная характеристика пятен – число Вольфа: • W = k (10 n + f).
Солнечная постоянная, виды солнечной радиации • Энергия, излучаемая Солнцем и распространяемая в атмосфере в виде потока электромагнитных волн, называется солнечной радиацией. • Солнечная радиация является основным источником энергии на Земле. • Величина солнечной радиации на верхней границе атмосферы - называется солнечной постоянной и в среднем составляет 1367 Вт/м 2 (1. 98 кал/см 2 мин). • Солнечная радиация в атмосфере существенно изменяется: • часть ее поступает на Землю в виде прямой радиации, • часть – в виде рассеянной, • часть отражается облаками.
Виды солнечной радиации • Прямая солнечная радиация – поток лучистой энергии, распространяющийся от источника излучения со скоростью света. • Ослабление солнечной радиации прохождении атмосферы описывается законом Бугера: S = S 0 Pm • Рассеянная радиация возникает в результате взаимодействия прямой солнечной радиации и молекул воздуха или других мельчайших частиц. Интенсивность рассеяния описывается следующей формулой: • = С/ в • Отраженная радиация – это часть суммарной радиации, которая теряется в результате отражения от деятельной поверхности и в атмосфере (R ). • Альбедо - отношение величины потока, отраженного данной поверхностью, к потоку лучистой энергии поступившей на эту поверхность: A = 100 R/Q. • Эффективное излучение – это разница между излучением земли и излучением атмосферы.
Спектральный состав солнечной радиации • Спектр солнечной радиации представляет собой распределение лучистой энергии по длинам волн ( ). . Волны длиной менее 4 мкм (микрометров) относятся к коротким, а более 4 мкм – к длинным. • В зависимости от качественной характеристики солнечной радиации ее спектр разделяют на три большие области: • ультрафиолетовую ( 0. 40 мкм), • видимую (0. 40 0. 75 мкм) и • инфракрасную ( 0. 75 мкм). • Ультрафиолетовая часть лучистой энергии Солнца, достигающая поверхности Земли составляет около 7%, • видимая часть – 46% • и инфракрасная – 47%. • При температуре поверхности Солнца основное количество энергии излучается в виде коротких волн. На верхней границе атмосферы спектр солнечной радиации практически заключается в интервале 0. 17 – 4 мкм.
Радиационный баланс • B = S + D – R + Iа - Ie – радиационный баланс S – пря мая радиация; D – рассеянная радиация; R – отраженная радиация; Iа – излучение атмосферы; Ie – излучение Земли. B = Q (1 – A) - Ief , Q – суммарная радиация; A – альбедо; Ief - эффективное излучение. I = T 4 – закон Стефана –Больцмана; - коэффициент, характеризующий отличие свойств естественных излучающих поверхностей от свойств абсолютно черного тела; - постоянная Стефана-Больцмана; T - температура излучающей поверхности по шкале Кельвина.
Солнечная радиация • • Петрозаводск, МДж/м 2 I VI XII Год Суммарная сол. рад. 24 589 13 3126 Радиацион. Баланс -42 315 -37 1189 • Хибины • • • Суммарная сол. рад. 6 567 1 2955 Радиацион. Баланс -37 288 -37 910 Смоленск Суммарная сол. рад. 76 646 40 3789 Радиацион. Баланс -26 356 -23 1532
Тепловой режим почв и водоемов • Тепловой режим – распределение температуры в пространстве и во времени. • В = Ат + Р +LE - уравнение теплового баланса. • Ат – теплообмен почвогрунтов и водной поверхности с атмосферой; • Р – теплоаккумуляция почвой и водной массой; • LE – затраты тепла на испарение (выделение тепла при конденсации). • • • В = 2100 МДж/м 2 год - для суши; В = 3400 МДж/м 2 год - для океана; В = 3300 МДж/м 2 год – для Земли в целом; LE = 2760 МДж/м 2 год – для Земли в среднем; Ат = 540 МДж/м 2 год – для Земли в среднем.
Теплофизические характеристики почвогрунтов • Объемная теплоемкость – количества тепла, необходимого для нагревания единицы объема почвы на 10 К (Дж/м 3 К) (C). • Теплоемкость воды -- 4038 к. Дж/м 3 К, • ---------воздуха 1. 29 к. Дж/м 3 К, • --------- почв 800 – 1700 к. Дж/м 3 К. • Теплопроводность почвы характеризуется коэффициентом теплопроводности ( ). • Коэффициент теплопроводности - количество тепла, проходящее за единицу времени через единичное сечение почвы при градиенте температуре 1 К/м (Дж/м К с) (Вт/(м К). • Теплопроводность воды 0. 58 Вт/(м К), • -----------воздуха 0. 02 Вт/(м К), • -----------почв 0. 4 – 2. 5 Вт/(м К).
Теплофизические характеристики почвы • Температуропроводность – свойство тела, которое определяет скорость распространения в нем температурных изменений при нагревании и охлаждении. • Температуропроводность характеризуется коэффициентом температуропроводности (а = /С). • Температуропроводность воды 0. 14 м 2/с · 106, • ---------------воздуха 20. 5 м 2/с · 106, • --------------- песка 0. 24 м 2/с · 106, • --------------- глины 0. 18 м 2/с · 106, • --------------- торфа 0. 10 м 2/с · 106.
Законы теплопроводности • Период колебаний температуры почв не меняется с глубиной. • Амплитуда хода суточных (годовых) температур почв с глубиной уменьшается. • Сроки наступления одинаковых фаз (например, максимум температуры) с глубиной запаздывают пропорционально глубины. • Отношение глубин затухания суточных и годовых колебаний температур равно отношению квадратных корней из периодов (глубина проникновения годовых колебаний в 19 раз больше, чем суточных).
Теплопотери, теплоперенос, амплитуда • d. F = Cu d д T/ д t – изменение внутренней энергии поверхностного слоя земли • Cu = C/ - удельная теплоемкость, - плотность, d – толщина слоя • д T/ д t = a 2 д 2 T/ дz 2 – уравнение теплопроводности (Фурье) • Az = A 0 exp(-z(П/a )0. 5) • Az - амплитуда температуры почвы на глубине z; A 0 амплитуда температуры почвы на поверхности; a – коэффициент температуропроводности, м 2/с; - период колебаний • = z/2( /Пa) – запаздывание максимума с глубиной
Температура почвы
Термоизоплеты
Распределение температуры воды по глубине (Эпилимнион, металимнион, гиполимнион)
Процессы, формирующие тепловой режим атмосферы • 1. Процессы теплообмена между подстилающей поверхностью и атмосферой • • • Тепловая конвекция; Турбулентная теплопроводность; Радиационная теплопроводность; Молекулярная теплопроводность; Испарение с поверхности и конденсация в атмосфере; • 2. Адвекция воздушных масс • 3. Поглощение солнечной радиации
Термическая конвекция
Изменение температуры воздуха с высотой • • ВГТ=(Тн-Тв)/(Zв-Zн) Температура с высотой понижается (ВГТ>0)– типичный случай Температура с высотой повышается (ВГТ<0)– инверсия Температура с высотой не меняется (ВГТ=0) - изотермия ВГТ=1 – стратификация безразличная; ВГТ>1 – стратификация неустойчивая; ВГТ<1 – стратификация устойчивая.
Водяной пар и вода в атмосфере • Характеристики влажности воздуха • • • Парциальное давление водяного пара (е), г. Па Давление насыщенного водяного пара (Ем), г. Па Относительная влажность воздуха, % r =100 e/E Дефицит влажности воздуха, d=Eм-e Точка росы ( ), 0 С – температура, при которой содержащийся в воздухе водяной пар при данном атмосферном давлении становится насыщенным.
Испарение • Формула Дальтона, Е = А (Ем-е) • Формула Августа, Е = А 1(Ем-е)/Р • Конденсация • Продукты конденсации на поверхности • Роса, иней, изморозь, гололед, жидкий и твердый налеты • Продукты конденсации в атмосфере • Туман, облака
Продукты конденсации • Роса – мельчайшие капельки воды, выделяющиеся из воздуха и осаждающиеся на деятельной поверхности. • Иней – частицы кристаллического льда, образующиеся путем сублимации водяного пара из воздуха и осаждающиеся на деятельной поверхности. • Изморозь – отложения льда на ветвях деревьев, проводах и т. п. в результате сублимации водяного пара. • Гололед – слой плотного льда, нарастающего на ветвях, проводах и поверхности земли. • Гололедица – лед на земной поверхности, образовавшийся при похолодании после оттепели или дождя. • Туман – скопление продуктов конденсации в воздухе над поверхностью земли. • Облака – скопление продуктов конденсации в атмосфере.
Туман и дымка • Видимость в тумане менее 1000 м. • При видимости от 1 до 10 км помутнение воздуха называется дымкой. • В зависимости от причин образования – различают туманы радиационные, адвективные, смешения, туманы испарения и др.
Капли
Образование облаков • По условиям образования различают • 1. Облака внутримассовые • 2. Облака фронтальные (облака восходящего скольжения) • Облака внутримассовые образуются в результате термической и динамической конвекции, турбулентности, волновых движений в атмосфере • Высота облаков и их строение определяются следующим: • • 1. Уровнем конденсации (нижняя граница облаков) 2. Уровнем нулевой изотермы 3. Уровнем замерзания 4. Уровнем конвекции (верхняя граница облаков)
Облака (4 семейства, 10 форм (родов)) • Семейство облаков верхнего яруса (> 6 км) • 1. Перистые – Cirrus (Ci), перисто-кучевые – Cirrocumulus (Cc), перисто-слоистые – Сirrostratus (Cs) • 2. Семейство облаков среднего яруса (2 -6 км) • Высококучевые – Altocumulus (Ac), высокослоистые – Altostratus (As) • 3. Семейства облаков нижнего яруса (< 2 км) • Слоисто-кучевые – Stratocumulus (Sc), слоистые – Stratus (St), слоисто-дождевые – Nimbostratus (Ns) • 4. Семейство облаков вертикального развития • Кучевые – Cumulus (Cu), кучево-дождевые – Cumulonimbus (Cb)
Режим осадков • Суточный ход осадков слабо выражен • Годовой ход осадков разделяется на экваториальный тип, тропический, субтропический, тип умеренных широт. • Экваториальный – за год выпадает около 2000 мм в год, два максимумам (конец марта-апрель и конец сентября-октябрь), два минимума (конец июня-июль и конец декабря-январь) • Тропический – дожди выпадают только за 4 летних месяца • Субтропический тип делится на влажные субтропики и сухие субтропики • Тип умеренных широт определяется особенностью циклонической циркуляцией.
Виды осадков • По фазовому составу: твердые, жидкие и смешанные. • По характеру выпадения: морось, обложные, ливневые осадки. • Морось – радиус капель менее 0. 5 мм, капли на лужах не оставляют следа. • Обложные осадки – выпадают из облаков нижнего яруса (слоисто-дождевые облака (Ns)). Мелкие капли, большая площадь орошения, продолжительные. • Ливни – выпадают из облаков вертикального развития (кучеводождевые (Cb)). Крупные капли, небольшая площадь орошения, кратковременные.
Ветер • Ветер – движение воздуха с преобладанием горизонтальной составляющей скорости. • Ветер характеризуется скоростью и направлением. Существует еще характеристика – порывистость ветра. • Порывистость ветра – мгновенные изменения скорости и направления. • Скорость измеряется в м/с, редко км/час. Кроме того, для оценки скорости используют шкалу Бофорта. • Направление ветра измеряют в угловых градусах, отсчитывая от направления на север по часовой стрелке. Кроме того, направление определяется румбом или азимутом той точки горизонта, откуда дует ветер.
Роза ветров
Причины движения воздуха • • • Сила тяжести Сила горизонтального барического градиента, G = P/ Сила Кориолиса, С = 2 V sin Сила трения, F = - k. V Центробежная сила, Y = V 2 / r Сила барического градиента приводит воздух в движение, сообщая ему ускорение • Сила Кориолиса направлена перпендикулярно движению воздуха и изменяет только его направление • Сила трения замедляет движение и меняет направление
Схема определения направления ветра
Воздушные течения • Общая циркуляция атмосферы - Система крупномасштабных воздушных течений над земным шаром, размеры которой соизмеримы с размерами материков. Важнейший элемент общей циркуляции – пассаты. • Муссоны – устойчивые воздушные сезонные течения, которые два раза в год меняют направление на противоположное. • Местные ветры
Местные ветры • Воздушные течения, которые возникают или приобретают типичные свойства под влиянием физико-географических условий ограниченного района • Факторы, формирующие местные ветры: радиационный, циркуляционный, ландшафтный, орографический • Виды местных ветров: бризы, горно-долинные, фен, бора
Общая циркуляция атмосферы
Воздушные массы • Воздушная масса – огромный объем воздуха, сравнимый по своим горизонтальным размерам с размерами материков и океанов, обладающий определенными, сравнительно однородными физическими свойствами у земной поверхности и характерным для данной массы изменением физических свойств с высотой. • Важная характеристика сформировавшейся воздушной массы – температура во времени не меняется. • Процесс изменения характеристик воздушной массы при ее перемещении – называется трансформацией воздушной массы. • Воздушные массы классифицируют по термическому и географическому признакам.
Географическая классификация воздушных масс • 1. Арктические или антарктические воздушные массы • 2. Воздушные массы умеренных широт • 3. Тропические воздушные массы • 4. Экваториальные воздушные массы • Каждый из этих типов делится на морские и континентальные (кроме экваториальных)
Фронты
Движение воздуха в циклоне и в антициклоне
Развитие циклона
Климат Статистический режим атмосферных условий (условий погоды), характерный для каждого данного места Земли в силу его географического положения. Состояние природной среды, обусловленное компонентами климатической системы и характеризуемое многолетними значениями метеорологических элементов в каждом месте Земли. Климатическая система: атмосфера, гидросфера, криосфера, поверхность суши (литосфера), биосфера.
Задачи климатологии • Изучение климатообразующих факторов и процессов; • изучение факторов, определяющих географическое распределение климатов; • районирование климатов (классификация); • изучение климатов прошедших эпох; • прогноз возможных изменений климатов.
Климатообразующие факторы • Солнечная радиация (количество поступающей на поверхность земли энергии); • Подстилающая поверхность (рельеф, высота над уровнем моря, экспозиция склонов, близость морей и океанов и т. д. ); • Общая циркуляция атмосферы (перенос воздушных масс, с различными свойствами). • Формирование микроклимата зависит от местных особенностей рельефа, распределения растительного покрова, увлажненности подстилающей поверхности и т. д.
Классификация климатов • Классификация климатов – это выявление типов климатов и изучение распределения этих типов по Земле. • В зависимости от принятых критериев разработано несколько классификаций климата (Берга, Будыко, Кеппена, Торндайка, Алисова). • Выбор типизации производится специалистом в зависимости от решаемой задачи.
Факторы изменения климата • • Изменение параметров орбиты Земли Изменение состава атмосферы Изменение солнечного излучения Извержения вулканов
Эль-Ниньо