Тема: Метеорологія як наука. Основні етапи розвитку.
Лекція 1
План
· Метеорологія як наука та основні етапи історії її розвитку
· Погода та метеорологічні елементи.
· Спостереження за станом атмосфери, синоптика та служба погоди
Навколишнє середовище в якому відбувається наше життя, уявляє собою сукупність множини факторів, серед яких важливу роль відіграють погода та клімат.
Існування тваринності і рослинного світу, людської цивілізації значною мірою пов’язано зі зміною метеорологічних умов та клімату. Тому справжнє знання нашої планети і її природного середовища буде досягнуто лише тоді коли будуть відомі фундаментальні закономірності атмосферних процесів і про їх вплив на земну поверхню.
Метеорологія - наука про фізичний стан атмосфери та атмосферні явища. Це наукова система специфічних знань про закономірності, фізичних явищ,що відбуваються в атмосфері.
Об’єкти метеорології - стан атмосфери і фізичні процеси, що відбуваються в дай
Основні категорії метеорології: повітряні маси (потоки) і , повітряні фронти. сонячні і земна радіація, циркуляція вологості. ;
Основні поняття метеорології: клімат - метеорологічні умови, які властиві певній місцевості; погода - стан атмосфери у певній місцевості в певний час.
Основні метеорологічні елементи: температура повітря, атмосферний тиск, вологість повітря, швидкість і напрям вітру, хмарність, кількість опадів» електричний і оптичний стани атмосфери.
Методи дослідження.
1. Метод паралельних спостережень за метеорологічними елементами. На матеріалах польових та лабораторних спостережень встановлюють кількісні та якісні зв'язки між метеорологічними елементами та погодними умовами;
2. Методи дистанційного визначення параметрів атмосфери за допомогою приладів, які розташовані на метеорологічних зондах або на різних, видах наземного транспорту;
3. Картографічний метод полягає у використанні різноманітних карт для визначення кліматичних особливостей певної території;
4. Історичний метод базується на порівнянні станів кліматичних умов різних часів;
5. Математичні методи - математична статистика, математичний аналіз, теорія інформації; теорія графів, теорія вірогідності. . Метеорологічні умови є динамічними системами з численною кількістю зв’язків які описуються за допомогою однієї або декількох з перерахованих теорій
6. Метод математичного моделювання - за допомогою моделі описуються явища, що відбуваються в атмосфері.
Завдання метеорології
1. Проведення метеорологічних спостережень (візуальних та за допомогою приладів);
2. Визначення та опис метеорологічних умов та кліматичних факторів;
3. Розробка методів прогнозування погоди
Метеорологія уявляє собою наукову систему специфічних знань, об’єднаних законами, теорією, методами і поняттями. Вивчає склад, щільність, температуру та вологість повітря, променеву енергію сонця, виникнення хмар та опадів, рух і перетворення повітряних мас, причини ураганів, заморозків, посух та багато інших явищ, що виникають в атмосфері, називаються метеорологічними явищами.
Стан атмосфери, що безперервно змінюється називається погодою. У даному конкретному пункті і в окремий момент погода характеризується сукупністю метеорологічних величин. Метеорологічні величини –це різні характеристики стану повітря і деяких атмосферних процесів. До основних метеорологічних величин відносяться: атмосферний тиск, температура повітря, вологість повітря, хмарність, атмосферні опади, вітер. До метеорологічних величин можна також віднести характеристики променевої енергії (сонячна радіація, випромінювання Землі та атмосфери, тривалість сонячного сяйва. Кількісні і якісні значення метеорологічних величин за певний період часу характеризують метеорологічні умови(умовні погоди).
Багаторічний режим погоди у даній місцевості обумовлений її географічним положенням, називається кліматом.
Метеорологія, як наукова система знань поділяється на такі складові галузі:
Фізика атмосфери, що вивчає загальні фізичні закономірності атмосферних процесів;
Синоптичну метеорологію, що вивчає ці процеси з метою розробки методів прогнозу погоди;
Кліматологію, що досліджує процеси кліматоутворення, ресурси клімату і проблеми перетворення клімату теорій різного масштабу.
Метеорологія тісно пов’язана з такими науками як фізика, хімія, географія, ґрунтознавство, її розвиток значною мірою пов’язаний з науково-технічним прогресом.
Основні етапи історії розвитку агрометеорології.
Історія розвитку метеорології починаються з написання першої книжки з метеорології видатним вченим давньої Греції Аристотелем (384...322 р. р. до н. е) В цій книжці узагальнені спостереження древніх греків за явищами погоди та зроблені перші спроби їх тлумачення. Аристотель вперше відновив зв’язок змін погоди із зміною напрямку вітру.
У середні віки відомості про різні переважно небезпечні явища погоди заносилися од літописців. Багато таких відомостей мається і у давньоруських літописах.
Новий етап у розвитку метеорології – інструментальні спостереження – почався в XVIст, коли Галілей винайшов термометр (1593р), а потім Торрічеллі створив барометр (1643). Винаходи цих приладів дали змогу оцінювати кілько важливих характеристик погоди – тиску і температури повітря – дозволило спів ставити їх значення при спостереженнях в різних місцях.
В Росії, історія якої тісно переплетена з історією нашої країни, регулярні метеорологічні спостереження почались за указом Петра І у Петербурзі (1722р.)
Багато зробив для розвитку метеорології видатний російський вчений М.В. Ломоносов. Він Створив ряд метеорологічних приладів, організував метеорологічні спостереження в різних пунктах Росії, сформулював ідею про всесвітню службу погоди для мореплавців, вказав на вказав на важливість обліку та прогнозу метеорологічних умов для сільського господарства.
Подальший розвиток метеорології в Росії був пов’язаний з діяльністю Головної фізичної обсерваторії (ГФО) організованої у Петербурзі у 1849р. Вона виявилась першим в світі державним науковим закладом, що керувала мережею метеорологічних станцій, обробляла та видавала матеріали спостережень. У 1872р. В ГФО був складений перший в Росії прогноз погоди.
Наприкінці ХІХ ст.. російські вчені А.І.Воєйков та П.І.Броунов заклали основи агрометеорології як науки. Воєйков А.І. показав важливість використання кліматичних даних для сільського господарства, організував у 1885р. мережу агроекономічних сеансів. Броунов П.І. сформулював принципові основи методики агрометеорологічних спостережень, а у 1897р. він організував метеорологічне бюро при міністерстві землеробів – перший науковий агрометеорологічний заклад.
Розвиток метеорології і Радянському Союзі, до складу якого входила й Україна, відбувався в основному в системі Гідрометеорологічної служби. За цей час створена база метеорологічної науки, що спирається на досягнення науково-технічного прогресу. Метеорологічні дослідження почали проводитись з використанням новітньої апаратури, дистанційних приладів, фітотронів , авіації, штучних супутників Землі. Матеріали спостережень і досліджень стали оброблятися на електронних обчислювальних машинах.
Після розпаду Радянського Союзу, Україна в числі його правонаступників, є членом Всесвітньої метеорологічної організації.(ВМО) при Організації Об’єднаних Націй. Державний комітет країни з гідрометеорології приймає участь в роботі ВМО, в цьому числі і в діяльності Всесвітньої Службі Погоди ( ВСП) і Комісії з сільськогосподарської метеорології (КСГМ).
В Україні служба погоди працює у рамках державного комітету з гідрометеорології.
Короткотермінові прогнози погоди на 1...3дні складаються у Гідрометцентрі, у обласних центрах з гідрометеорології. Виправдовуються ці прогни в середньому на 85%. На авіаційних метеостанціях цілодобово дається сотні, тисячі прогнозів погоди по маршрутам польотів,такі прогнози мають точність біля 99%. Прогнози погоди на 7....10 днів мають точність 80%, а прогнози на місяць тільки на 65%.
Всесвітня служба погоди (ВСП), створена при Всесвітній метеорологічній організації, має головною метою вдосконалення спостережень за природою, а також покращення збору та обміну метеорологічною інформацією між усіма країнами для того, щоб інформація про погоду на всьому земному шарі могла бути за 2..3г. передана у світові центри метеоданих.
Перш ніж вивчати фізичні закони, яким підпорядковуються атмосферні процеси, треба вивчити основні метеорологічні елементи і прилади, за допомогою яких їх вимірюють. Як було відмічено раніше до основних метеорологічних елементів відносять:
Температуру - фізичну величину, яка характеризує тепловий стан тіла. Якщо в результаті теплового обміну між двома тілами одне тіло втрачає тепло, а інше його здобуває, то говорять, що температура першого тіла вище, ніж температура другого Якщо ж обидва тіла не втрачають і не набувають тепла, то говорять, що вони мають однакову температуру. Наявність чи втрату тепла тілом можна встановити різними методами, але найбільш поширеною є шкала Цельсія та абсолютна шкала Кельвіна, між якими існує співвідношення: Т(К) = 1°С+273°.
Для вимірювання температури застосовують родинні (ртутний,спиртовий), металеві, газові термометри а також термометри опору. Для постійних спостережень температури повітря використовують також термографи;
Атмосферний тиск - фізична величина, яка характеризує дію сили тяжіння вертикального стовпа атмосфери на земну поверхню площею 1м2.
Вимірюється у Паскалях (Па) або гектопаскалях (гПа), міліметрах ртутного стовпчика (мм. рт. ст.), атмосферах (атм), а також у мілібарах (мб). Атмосферний тиск змінюється і висотою, можна вважати що на кожні 8м він спадає на ІООПа. Від значення і розподілу атмосферного тиску залежать напрямок і сила вітру. Вимірюється за допомогою барометрів - ртутного, металевого (анероїда) а також барографом (постійне спостереження за тиском)
Швидкість і напрям вітру. Переміщення повітря відносно земної поверхні називається вітром. Його характеристиками є швидкість і напрямок, поривчастість. Швидкість вітру може бути визначена зі спостережень за окремими хмарами, кулями-пілотами й іншими об'єктами, що переміщуються вітром; шляхом виміру тиску вітру на плоску поверхню, що знаходиться перпендикулярно до вітру; а також великою кількістю інших методів. Найбільш зручним приладом для виміру швидкості вітру в даний час є чашковий анемометр Робінзона . Цей прилад показує середню швидкість вітру (м/с) за деякий проміжок часу.
Напрям вітру визначається в румбах чи градусах геодезичного азимута. Напрямок вітру в метеорологічній практиці, завжди означає напрямок, відкіля дує вітер у певному місці. Він може бути визначений за рухом диму чи хмар, за допомогою флюгера , вимпела та інших простих методів , існують також прилади для автоматичної реєстрації напряму вітру ;
Вологість наявність водяної пари в атмосфері. Кількість водяної пари залежить від місця і моменту часу. Абсолютна вологість фактична кількість у грамах водяної пари в 1м3 повітря. Відносна вологість показує як близько водяна пара знаходиться до насичення і вимірюється у процентах. Дефіцит вологості визначається як різниця між пружністю водяної пари, що насичує простір, і пружністю пари, що мається в повітрі. Вимірюють вологість за допомогою гігрометрів і психрометрів які мають різну будову.
Хмарність - це характеристика, що застосовується для описання закритості небосхилу хмарами. Вона виражається в десятих частках площі всього небосхилу; кількість хмар нижнього ярусу визначається окремо. Форми хмар, що маються на небі, грають для аналізу стану атмосфери більш важливу роль, чим кількість хмар. Відповідно до сучасної міжнародної класифікації, хмари поділяються на 10 основних пологів, що групуються в 4 сімейства по висоті над поверхнею землі.
Опади - атмосферна волога, що випадає на землю. Кількість рідких опадів виміряється товщиною шару води (мм), що випала на горизонтальну поверхню. Кількість твердих опадів, снігу чи граду вимірюється товщиною шару рідини, що вийшла від танення опадів. Деталі методики виміру опадів досить різноманітні, в більшості випадків використовують дощомір - циліндричне відро, в якому накопичуються опади протягом 6 або 2 годин.
Випаровування виміряється товщиною шару води (мм), що випарувалася з даної поверхні. Для виміру випаровування існують різні прилади. Деякі з них імітують поверхню листів чи повторюють випаровування у природних умовах. Було зроблено багато спроб знайти теоретичним шляхом точне рівняння, що зв'язує швидкість випаровування з факторами, від яких вона залежить: формою поверхні, розмірами поверхні, температурою поверхневого шару, температурою повітря, вологістю, атмосферним тиском, швидкістю вітру і т.п., але всі вони потерпали невдачу. У природі поверхні мають неправильні обриси, і усі фактори, від яких залежить випаровування, так взаємодіють між собою і так мінливі за величиною. Тому випаровування необхідно спостерігати і вимірювати тому, що воно не піддається обчисленню за формулою. Існує декілька приладів для вимірювання випаровування - лізиметри, випаровувателі, а також декілька методів для обчислення випаровування, наприклад, метод Костянтинова та метод Будико.
Сонячне сяйво - світло, що випромінює Сонце. Його можна виразити як час його фактичної тривалості, так і в процентному виношенні до його максимально можливої тривалості. Воно реєструється або геліографами різної будови.
Радіація - це випромінювання від будь-якого тіла. Велике значення в атмосфері має випромінювання від трьох джерел: Сонця, небесного схилу і Землі. Кожна з цих радіації може бути обмірювана інтегрально а для окремих частин спектральне. Інтегральні виміри проводяться приладами типу піргеліометра, а енергія окремих частин спектра (Сонця і небесного схилу) виміряється за допомогою болометра. Інтенсивність сонячної радіації вимірюється за допомогою геліографу, Альбедо і ефективне випромінювання виміряють альбедометром-піранометром.