Физическая метеорология

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное 

образовательное учреждение высшего образования

«ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Н. А. Калинин

ФИЗИЧЕСКАЯ МЕТЕОРОЛОГИЯ

Допущено методическим советом 

Пермского государственного национального 
исследовательского университета в качестве 
учебного пособия для студентов, обучающихся 

по направлению подготовки бакалавров 

«Гидрометеорология»

Пермь 2023

УДК 551.5(075.8)
ББК 26.23я73

К172

К172

Калинин Н. А.

Физическая метеорология [Электронный ресурс] : учебное пособие /
Пермский государственный национальный исследовательский 
университет. – Электронные данные. – Пермь, 2023. – 4,75 Мб ; 
257 с. – Режим доступа: http://www.psu.ru/files/docs/science/books/
uchebnie-posobiya/Kalinin-Fizicheskaya-meteorologiya.pdf. – Заглавие с экрана.

ISBN 978-5-7944-3959-5

«Физическая метеорология» является базовой частью профессионального 

цикла дисциплин, предназначенных для подготовки студентов по направлению 
«Гидрометеорология». Учебное пособие охватывает круг вопросов, связанных 
с фундаментальными знаниями о строении атмосферы, ее общих свойствах и физических процессах, протекающих в атмосфере Земли, их качественного и количественного описания. 

Учебное пособие рассчитано на студентов, обучающихся по направлению 

подготовки бакалавров «Гидрометеорология» (профиль «Метеорология»), 
а также может быть использовано практиками, работающими в области метеорологии и других наук о Земле.

УДК 551.5(075.8)

ББК 26.23ч73

Издается по решению ученого совета географического факультета

Пермского государственного национального исследовательского университета

Рецензенты: кафедра метеорологии и климатологии Национального исследова
тельского Томского государственного университета (зав. каф. –
д-р геогр. наук, профессор В. П. Горбатенко);

профессор кафедры метеорологии, климатологии и экологии атмосферы Казанского (Приволжского) федерального университета, 
д-р геогр. наук, профессор Ю. П. Переведенцев

ISBN 978-5-7944-3959-5

© Калинин Н. А., 2023
© ПГНИУ, 2023

ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие современных наук об атмосфере и климате невозможно без фор
мирования фундаментальных основ знаний в области физической метеорологии, 
которая представляет собой необходимую базу для построения различных теорий и разработки практических рекомендаций по использованию метеорологической информации в различных отраслях экономики.

Основополагающий вклад в разработку научных и методических основ 

курса физической метеорологии внесли В.Н. Оболенский, П.Н. Тверской, А.Х. 
Хргиан, Б.А. Семенченко и Л.Т. Матвеев.

Основное внимание в данном учебном пособии, наряду с изложением ос
новных данных и фундаментальных законов, уделено построению теоретических моделей и разъяснению физической сущности тех атмосферных процессов 
и явлений, которые вносят наибольший вклад в формирование погоды и климата, 
оказывают существенное влияние на практическую деятельность человека. 

Учебное пособие, в первую очередь, рассчитано на студентов, обучающихся 

по направлению подготовки бакалавров «Гидрометеорология» (профиль «Метеорология»), а также может быть использовано практиками, работающими в области метеорологии и других наук о Земле. Кроме того, автор стремился максимально подробно изложить все математические преобразования, начиная от постановки задачи и заканчивая получением окончательных формул, поэтому 
учебное пособие может быть использовано всеми, кто пожелает изучить данный
материал самостоятельно.

Автором учтены замечания и большинство предложений, высказанных ре
цензентами учебного пособия — коллективом кафедры метеорологии и климатологии Национального исследовательского Томского государственного университета во главе с д-ром геогр. наук, проф. В.П. Горбатенко, а также д-ром 
геогр. наук, проф. Ю.П. Переведенцевым. Весьма конструктивными были обсуждения ряда вопросов данного учебного пособия с канд. геогр. наук, доц. А.Л. 
Ветровым, д-ром геогр. наук, доц. А.Н. Шиховым, д-ром физ.-мат. наук, проф. 
Б.Л. Смородиным. Всем им, а также Д.Н. Полину и И.Л. Лукину, оказавшим 
большую помощь в оформлении рисунков, автор выражает свою искреннюю 
признательность.

Наконец, я благодарен своей жене Нине, создавшей самые благоприятные 

условия для работы над этим учебным пособием.

1. ВВЕДЕНИЕ

1.1. Предмет и методы метеорологии

Земля как планета состоит из трех оболочек: твердой (литосфера), жидкой 

(гидросфера) и газообразной (атмосфера). Физические и химические процессы в 
этих оболочках изучаются многими науками, которые носят общее название 
«науки о Земле». 

Метеорология — наука об атмосфере, ее строении, свойствах и протекаю
щих в ней физических процессах, и явлениях. Само слово «метеорология» произошло от двух греческих слов: «метеор», что в древней Греции означало всякое 
небесное явление (движение звезд, облаков, полярные сияния и т.п.), и «логос», 
т.е. изучение, познание. 

Метеорология существовала во многих древних государствах как умозри
тельная наука. Как наука об атмосферных явлениях она стала известна со времен 
Аристотеля. Тогда она была представлена в сохранившихся материалах в виде 
одного из физических трактатов «Метеорологика», написанного в IV в. до н.э., и 
снискавшего Аристотелю славу «отца метеорологии».

Как точная наука метеорология начала развиваться в средние века после 

изобретения термометра (Галилей, 1603 г.) и барометра (Торричелли, 1643 г.). 
Поскольку в то время все естественные науки объединяла физика, метеорология 
развивалась как один из ее разделов. 

Как самостоятельная наука метеорология сформировалась в начале XVIII в. 

Связи с физикой она не утратила, поскольку ее основные положения базируются 
на фундаментальных физических законах. Однако отождествлять метеорологию 
с физикой атмосферы неправильно, так как кроме теоретического (физического) 
аспекта в метеорологии важен и аспект прикладной (географический). Самостоятельность метеорологии определяется интерпретацией физических законов 
применительно к воздушной оболочке нашей планеты и происходящим в ней 
процессам и явлениям в различных географических условиях. Таким образом, 
объектом изучения метеорологии является атмосфера Земли.

Предметом изучения физической метеорологии является состав, строение 

и свойства воздушной оболочки, окружающей земной шар.  

Основная задача физической метеорологии — изучение общих закономер
ностей атмосферных процессов и явлений, установление связи между метеорологическими величинами и явлениями, качественное и количественное описание 
их внутренних закономерностей.

Метеорология — обобщенное определение науки об атмосфере. В процессе 

развития общества возникла необходимость детальной разработки ее отдельных 

разделов, как и в ранее единой физике. Так, наряду с физической метеорологией
развивается как важная часть единой науки синоптическая метеорология — учение о закономерностях распределения и изменения погоды на больших площадях и методах ее прогноза. В основе этой дисциплины лежит синоптический метод, который заключается 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. 

Необходимость построения на основе уравнений гидродинамики, термоди
намики, газовой динамики и теории излучения теоретических моделей процессов тепло-, влаго-, энерго- и массообмена, происходящих в атмосфере, с последующей экспериментальной проверкой этих моделей обусловила формирование 
динамической метеорологии, из которой, в свою очередь, выделилась такая 
научная дисциплина, как численные методы анализа и прогноза погоды, исповедующая гидродинамический метод в изучении атмосферных процессов и явлений.

В начале 30-х гг. ХХ в. профессором П.А. Молчановым был изобретен пер
вый в мире радиозонд, позволивший измерять температуру и влажность воздуха 
на высотах от земной поверхности до 30–35 км, что способствовало развитию 
аэрологии.  

Теоретические основы измерения метеорологических величин и наблюде
ния за атмосферными явлениями составляют содержание научной дисциплины
методы и средства метеорологических измерений, из которой в последние годы 
сформировались такие самостоятельные разделы, как радиометеорология и космические методы исследования атмосферы. 

Для обработки огромных объемов различной метеорологической информа
ции возникла необходимость использования методов математической статистики, а соответствующая дисциплина получила название методы статистической обработки и анализа метеорологических измерений.

С целью использования установленных в метеорологии закономерностей и 

данных наблюдений для удовлетворения нужд различных отраслей экономики и 
обороны страны в составе метеорологической науки сформировалась серия прикладных дисциплин, таких, как авиационная метеорология, агрометеорология, 
медицинская метеорология, морская метеорология.

Важнейшим условием проведения инструментальных наблюдений в раз
личных точках нашей планеты является их единообразие, которое необходимо 
для того, чтобы все получаемые при наблюдениях различия отражали реально 
существующие особенности физического состояния атмосферы, а не являлись 

спецификой наблюдений или приборов. Необходимость стандартизации наблюдений, обмена метеорологической информацией, унификации форм оперативного обеспечения метеорологической информацией и прогнозами привела к образованию в 1947 г. Всемирной метеорологической организации (ВМО) — специализированного агентства ООН. Международное сотрудничество метеорологов отличается от других полным взаимопониманием и заинтересованностью 
сторон, что основано на том, что атмосфера не знает государственных границ и 
политических режимов, а погода нужна всем. В 2020 г. членами ВМО являлись 
182 государства и 6 территорий. 

Основной задачей ВМО является деятельность по поддержанию на долж
ном уровне функционирования Всемирной службы погоды (ВСП). Все метеорологические станции, созданные на территориях отдельных государств и в 
нейтральных водах Мирового океана, Арктики и Антарктики, входят в состав 
ВСП и ведут наблюдения в синхронные сроки однотипными приборами. Наблюдения во всем мире проводятся каждые 3 часа по всемирному согласованному 
времени (ВСВ) (гринвичскому) и служат базой для построения синоптических 
карт и повседневной практики в обеспечении данными о погоде различных отраслей экономики. 

Под эгидой ВМО и на основе международного сотрудничества реализуются 

также крупные проекты по согласованным программам, направленные на изучение особенностей формирования погоды в различных районах земного шара, что 
делается для более полного понимания физических процессов, происходящих в 
атмосфере, а также поисков путей совершенствования прогнозов погоды с различной заблаговременностью.

1.2. Метеорологические величины и атмосферные явления

Для количественной характеристики состояния атмосферы вводится поня
тие метеорологической величины –– это температура, давление, плотность и 
влажность воздуха; скорость и направление ветра; количество, высота и толщина 
облаков; интенсивность осадков; метеорологическая дальность видимости; водность туманов, облаков и осадков; потоки лучистой энергии и тепла и др. До 1970 
г. их называли метеорологическими элементами. Однако ГОСТ-16263-70 («Метрология. Термины и определения») разрешает употреблять только термин «величина».

Рассмотрим основные метеорологические величины, характеризующие со
стояние воздуха, атмосферных процессов и радиационного режима, уделяя особое внимание единицам, точности измерений и обработки. Под точностью изме

рений будем понимать наименьшее значение, которое можно определить с уверенностью в правильности получаемых результатов. Основанием для такой уверенности служит оценка погрешностей.

Температура воздуха (Т или t). Единицей измерения температуры по шкале 

Кельвина служит кельвин (K), по шкале Цельсия –– градус Цельсия (°С); 1 K = 
1°С. Температуры по шкале Кельвина (Т) и шкале Цельсия (t) связаны между 
собой следующим соотношением: 

.
15
,
273
t
Т



Температура определяется с точностью до 0,1°С. На шкале Цельсия репер
ными точками являются 0°C (таяние льда) и +100°С (кипение воды). 

В некоторых странах, например, США, используется шкала Фаренгейта (F), 

в которой интервал между точками таяния льда и кипения воды разделен на 180º, 
причем точке таяния льда соответствует значение +32º, а точке кипения воды —
+212º. Переход от одной шкалы к другой рассчитывается по следующим формулам:

.
32
C
5
9
),
32
(
9
5
C








t
F
t
F
t
t

Давление воздуха (p). Основной единицей измерения давления, согласно 

Международной системе единиц (СИ), служит паскаль (Па): 1 Па = 1 Н/м2 = 1 
кг/(м∙с2). В метеорологии в качестве единицы давления используется гектопаскаль (гПа): 1 гПа = 102 Па. Гектопаскаль эквивалентен миллибару, однако последний (как и миллиметр ртутного столба (1 гПа ≈ 0,75 мм Hg)) является внесистемной единицей и в современной научной литературе неприменим. Атмосферное давление определяется с точностью до 0,1 гПа.  

Парциальное давление водяного пара (е). Парциальное давление водяного 

пара выражается в тех же единицах, что и атмосферное давление с точностью до 
0,1 гПа.

Относительная влажность воздуха (f) — отношение фактической влажно
сти к влажности насыщения при той же температуре. Вычисляется до целых процентов. Более высокой точности определения относительной влажности не могут обеспечить и ее прямые измерения с помощью гигрометров.

Абсолютная влажность воздуха (а). Рассчитывается в г/м3 и равна плотно
сти водяного пара (ρп, кг/м3), умноженной на 103. Вычисляется с точностью до 
0,1 г/м3. 

Массовая доля водяного пара (q) — отношение плотности водяного пара ρп

к плотности влажного воздуха ρ в этом же объеме. Отношение смеси (r) —
отношение плотности водяного пара ρп в определенном объеме воздуха к плотности сухого воздуха (ρс) в том же объеме. Обе характеристики вычисляются с 

точностью до 0, 0001.

Скорость ветра (V) измеряется с помощью анеморумбометра с точностью 

до 1 м/с и до 0,1 м/с с помощью ручных анемометров. 

Направление ветра по анеморумбометру определяется с точностью до 5°. 

Направление ветра по флюгеру определяется с точностью до румба.

Осадки измеряются с точностью до 0,1 мм.
Количество облаков определяется в баллах с точностью до 1 балла, а в долях 

единицы –– до 0,1.

Метеорологическая дальность видимости оценивается в баллах или в ки
лометрах (до 0,1 км).

Продолжительность солнечного сияния по гелиографу определяется с точ
ностью до 5 мин.

Время начала и конца атмосферных явлений фиксируется наблюдателем до 

целых минут.

Радиационные потоки измеряются в Вт/м2 с точностью до 10 Вт/м2.
Оптические характеристики атмосферы –– коэффициент прозрачности, 

фактор мутности, оптическая толщина и оптическая плотность вычисляются 
с точностью до 0,01.

В метеорологии достаточно широко распространено также понятие атмо
сферного явления (или просто явления), под которым имеют в виду определенный физический процесс, сопровождающийся резким качественным изменением 
состояния атмосферы. К атмосферным явлениям относят: туман, грозу, гололед, 
пыльную (песчаную) бурю, шквал, метель, изморозь, росу, иней, обледенение, 
осадки, облака, полярные сияния и др.

Все наблюдения за состоянием атмосферы обобщаются в понятии погода. 

Погода в данном месте в данный момент времени характеризуется совокупностью метеорологических величин и атмосферных явлений. При этом можно говорить о погоде в определенной точке пространства, o погоде района, o погоде 
по маршруту и т.п.

Характерный для данного района многолетний режим погоды называется

климатом. 

1.3. Градиент метеорологической величины

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

),
,
,
(
z
y
x
f
f 

где f — произвольная метеорологическая величина.

Совокупность значений метеорологической величины во всем пространстве 

или его ограниченной области называют полем этой величины.

Для характеристики пространственного распределения метеорологических 

величин в фиксированный момент времени вводится понятие эквискалярной поверхности. Эквискалярной называется поверхность, в каждой точке которой метеорологическая величина сохраняет постоянное значение

,
)
,
,
(
С
z
y
x
f


где C –– величина, постоянная для данной эквискалярной поверхности. 

Эквискалярные поверхности различных метеорологических величин носят 

следующие названия: например, в случае давления — изобарические; температуры — изотермические; плотности –– изопикнические и т.д.

Кривые пересечения эквискалярных поверхностей с любой другой поверх
ностью (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 про
странстве 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 с 
обратным знаком:

.
N
d

f
d
f
grad



Проекции градиента на оси координат х, у, z равны
,
/
,
/
y
f
x
f







z
f 


/
(плоскость хоу — горизонтальная, совпадающая с уровенной поверх
ностью; ось z направлена по вертикали вверх).

Наибольший интерес представляют горизонтальная и вертикальная проек
ции grad f:

,
,
z
f
f
grad
n
d

f
d
f
grad
z
n







где n –– нормаль к изолиниям величины f на уровенной поверхности (в частности, к изобарам или изотермам).

Горизонтальную и вертикальную проекции градиента принято называть со
ответственно горизонтальным и вертикальным градиентами. Поскольку нормаль n направлена в сторону убывания f, то горизонтальный градиент всегда положителен:
.0
/




n
f
Вертикальный градиент может быть как положитель
ным, так и отрицательным, поскольку ось z всегда направлена по вертикали 

вверх. При этом справедливо следующее общее правило: если величина f убывает с высотой, то вертикальный градиент ее положителен (




z
f /
0); если 

величина f возрастает с высотой, то вертикальный градиент этой величины отрицателен (




z
f /
0). 

На практике при расчете градиентов истинные производные от метеороло
гических величин заменяют отношением конечных разностей, т.е. полагают

,
,
z
f

z
f

n
f

n
f













где Δ f — приращение величины f вдоль нормалей Δn и Δz.

Обозначим вертикальный и горизонтальный градиенты давления через G1 и 

G2 соответственно:

,
1
z
p
G




или 
,
1
z
p
G





,
2
n
p
G




или 
.
2
n
p
G





Поскольку давление всегда падает с высотой, вертикальный градиент дав
ления всегда положителен, т.е. G1 > 0. Отметим, что в атмосфере G1 в десятки и 
сотни тысяч раз больше G2 , т.е. давление с высотой изменяется значительно 
быстрее, чем в горизонтальном направлении.

Горизонтальный и вертикальный градиенты температуры обозначим соот
ветственно

n
Т
Г



и 
.
z
Т






Горизонтальный градиент температуры Г чаще всего рассчитывают в граду
сах Цельсия нa 100 км. Обычно Г составляет несколько градусов Цельсия на 100 
км. Вертикальный градиент температуры 
колеблется в условиях атмосферы (в 

различных слоях и в разные моменты времени) в широких пределах. Он может 
быть как положительным, так и отрицательным. Вертикальный градиент температуры  чаще всего рассчитывают в градусах Цельсия нa 100 м.

На практике  рассчитывают для различных слоев по формуле

,
z
Т







где ΔТ = T2 – T1, Δz = z2 – z1 –– приращения температуры и высоты; T1 — температура на высоте z1, T2 — температура на высоте z2 (рис. 1.1).

