Физическая метеорология
Покупка
Новинка
Тематика:
Метеорология. Климатология
Издательство:
ПГНИУ
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 257
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7944-3959-5
Артикул: 836860.01.99
«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.
Тематика:
ББК:
УДК:
- 551: Общая геология. Метеорология. Климатология. Историческая геология. Стратиграфия. Палеогеография
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 05.03.04: Гидрометеорология
- 05.03.05: Прикладная гидрометеорология
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
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).