Метеорология — наука о физических процессах, происходящих в земной атмосфере. Метеорология изучает состав, плотность, температуру и влажность воздуха, лучистую энергию, движение и преобразование воздушных масс, облака, осадки, ураганы, заморозки, засухи и другие явления, происходящие в земной атмосфере, во взаимодействии с поверхностью суши и Мирового океана.
В нашей стране, как и в других странах мира, существует обширная сеть метеорологических наблюдений, которая включает приземные наблюдения на метеорологических станциях, постах, обсерваториях; аэрологические наблюдения с помощью радиозондов, метеорологических и геофизических ракет; радиолокационные наблюдения атмосферы; наблюдения на морях и океанах со специально оборудованных судов; спутниковые наблюдения и др.
Атмосфера — это газообразная оболочка Земли. Она состоит из смеси газов, называемой воздухом, в которой находятся во взвешенном состоянии жидкие и твердые частицы.Процентный состав сухого воздуха у земной поверхности постоянен и практически одинаков повсюду. Существенно может меняться только содержание углекислого газа.
Один кубический метр воздуха при г° = 4 °С и нормальном давлении имеет массу 1,293 кг. Следовательно, при данных условиях плотность воздуха 1,293 кг/м3. Это примерно в 800 раз меньше плотности воды.
Атмосферное давление — это сила, с которой давит на единицу площади земной поверхности столб воздуха, простирающийся от поверхности земли до верхней границы атмосферы.Атмосферное давление в метеорологии принято измерять высотой ртутного столба в трубке барометра. Давление атмосферы удерживает столб ртути в трубке на определенной высоте. На уровне моря эта высота составляет около 760 мм.
Для измерения атмосферного давления существуют различные виды батометров, часть из них приведена ниже.Барометр чашечный стационарный (рисЛЛа) служит для измерения атмосферного давления в стационарных условиях.
Общей циркуляцией атмосферы называют систему крупномасштабных воздушных течений над Земным шаром. Эти течения по своим размерам соизмеримы с большими частями материков и океанов.В большей части тропосферы, за исключением полярных и тропических широт, на высотах более 1-2 км преобладает западный перенос воздуха, т.е. перемещение его с запада на восток. В нижних слоях тропосферы, в том числе у земной поверхности, движение воздушных масс усложняется вследствие неоднородности земной поверхности, а также под влиянием областей повышенного и пониженного давления.
Большие объемы воздуха, сравнимые по своим горизонтальным размерам с размерами материков и океанов и обладающие определенными физическими свойствами, носят название воздушных масс. Воздушные массы отличаются одна от другой прежде всего своей температурой, влажностью, запыленностью, характером облачности. Свойства воздушных масс определяются особенностями того района, где они сформировались.
Смежные воздушные массы разделены между собой сравнительно узкими переходными зонами, сильно наклоненными к земной поверхности. Эти зоны носят название фронтов. Длина таких зон — тысячи километров, ширина — лишь десятки километров. Вверх фронты распространяются на несколько километров, нередко до самой стратосферы. При этом теплая масса лежит над холодной.
Ветром называют горизонтальное движение воздуха относительно земной поверхности. Ветер характеризуется направлением, скоростью и порывистостью. Непосредственной причиной возникновения ветра является различие атмосферного давления в разных точках земной поверхности, создающее горизонтальный барический градиент.
Ветер всегда обладает турбулентностью. В воздухе возникают многочисленные беспорядочно движущиеся вихри и струи разных размеров. Отдельные количества воздуха, увлекаемые этими вихрями и струями, так называемые элементы турбулентности, движутся по всем направлениям, в том числе перпендикулярно к среднему направлению ветра и даже против него. Эти элементы турбулентности имеют линейные размеры от нескольких сантиметров до десятков метров. Таким образом, на общий перенос воздуха в определенном направлении и с определенной скоростью налагается система хаотических, беспорядочных движений отдельных элементов турбулентности по сложным переплетающимся траекториям.
На метеорологических станциях, для определения направления и скорости ветра у поверхности земли служит флюгер. Он устанавливается на высоте 10-12 м над земной поверхностью. Для определения скорости ветра в поле служит ручной анемометр. На метеостанциях широко используются также электрические анемометры и анеморумбометры, а также самопишущие приборы для непрерывной регистрации направления и скорости ветра — анеморумбографы.
Основным источником энергии физических процессов происходящих в атмосфере и на поверхности Земли является лучистая энергия Солнца. Солнце — раскаленный газовый шар, объем которого в 1,3 • 106 больше объема Земли, а масса составляет 99,87 % массы всей Солнечной системы. Солнце излучает в окружающее пространство энергию, равную примерно 3,71 • 1026 Вт. Из этого количества до Земли доходит лишь около одной двухмиллиардной части, что составляет примерно 3,3 • 108 Вт на 1 км2 земной поверхности. Такое количество энергии соответствует мощности около 33 • 104 кВт. Для сравнения, мощность Братской ГЭС (около 4 • 106 кВт) примерно равна мощности солнечного излучения, поступающего всего на 12 км2 земной поверхности.
Энергетическая освещенность, создаваемая излучением, поступающим на Землю непосредственно от солнечного диска в виде пучка параллельных солнечных лучей, называется прямой солнечной радиацией.Солнца 149,5 • 10 км £<? составляет около 1400 Вт/м .
Около 25 % энергии общего потока солнечной радиации проходя через атмосферу, рассеивается молекулами атмосферных газов и аэрозолем и превращается в атмосфере в рассеянную радиацию. Рассеянная радиация приходит к земной поверхности не от солнечного диска, а от всего небесного свода. Рассеянная радиация отлична от прямой по спектральному составу, т.к. лучи различных длин волн рассеиваются в разной степени.
Часть суммарной радиации, приходящей к земной поверхности, отражается от нее. Эта часть радиации называется отраженной коротковолновой солнечной радиацией.Альбедо поверхности зависит от ее цвета, шероховатости, влажности и других свойств. Альбедо водных поверхностей при высоте Солнца свыше 60° меньше, чем альбедо суши, поскольку солнечные лучи, проникая в воду, в значительной мере поглощаются и рассеиваются в ней.
Т — абсолютная температура земной поверхности.Излучение земной поверхности происходит непрерывно. Чем выше температура излучающей поверхности, тем интенсивнее ее излучение. Оно направлено в атмосферу и почти полностью поглощается ею.
Для измерения прямой солнечной радиации может использоваться актинометр термоэлектрический М3 (АТ-50). Устройство прибора показано на рис 3.3.Рисунок 3.3-Актинометр термоэлектрический М-3 (АТ- 50) Приемником актинометра служит почерненный диск, выполненный из сусального серебра толщиной 0,001 мм и диаметрам И мм, который помещается в трубку. Обращенная к Солнцу сторона его покрыта матовочерной эмалью, а к обратной стороне приклеена папиросная бумага. Диск помещен внутри корпуса трубки.
Солнечная радиация, поглощенная поверхностью суши, преобразуется в тепло. Часть этого тепла затрачивается на нагревание приземного слоя атмосферы, растений, на испарение воды, а часть тепла передается в нижележащие слои почвы.
Изменение температуры почвы в течение суток называется суточным ходом. Суточный ход температуры обычно имеет один максимум и один минимум. Минимум температуры поверхности почвы при ясной погоде наблюдается перед восходом Солнца, когда радиационный баланс еще отрицателен, а обмен теплом между воздухом и почвой незначителен. С восходом Солнца температура поверхности почвы возрастает, особенно при ясной погоде. Максимум температуры наблюдается около 13 часов, затем температура начинает понижаться, что продолжается до утреннего минимума. В отдельные дни указанный суточный ход температуры почвы нарушается под влиянием облачности, осадков и других факторов. При этом максимум и минимум могут смещаться на другое время (рис.4.2).
Распределение температуры в атмосфере определяется главным образом ее теплообменом с земной поверхности и поглощением солнечной радиации. Нижние слои атмосферы поглощают радиацию значительно слабее, чем верхние. Основным источником нагревания тропосферы, особенно ее нижних слоев, является тепло деятельной поверхности Земли.
Суточный и годовой ход температуры воздуха в приземном слое атмосферы определяется по температуре на высоте 2 м. В основном этот ход обусловлен соответствующим ходом температуры деятельной поверхности. Особенности хода температуры воздуха определяются его экстремумами, т.е. наибольшими и наименьшими температурами. Разность между этими температурами называют амплитудой хода температуры воздуха. Закономерность суточного и годового хода температуры воздуха выявляется при осреднении результатов многолетних наблюдений. Она связана с периодическими колебаниями. Непериодические нарушения суточного и годового хода, обусловленные вторжением теплых или холодных воздушных масс, искажают нормальный ход температуры воздуха.
Для измерения температуры среды применяют различные виды термометров: жидкостные, деформационные, термоэлектрические.Жидкостные термометры основаны на принципе изменения объема жидкости с изменением температуры, В качестве жидкости в таких термометрах используется ртуть или спирт. Ртутные термометры более чувствительны, но ртуть замерзает при -38,9°. Поэтому для измерения низких температур пользуются спиртовыми термометрами.
Для измерения температуры среды в срок наблюдений применяется срочный термометр (рис. 4.7 а). Пределы измерения температуры от -31 °С до +50°С или от -35°С до +41°С.Для определения максимальной температуры среды за промежуток времени между сроками наблюдений служит термометр ртутный максимальный. Пределы измерения температур от -35°С до +50°С или от -20°С до +70°С. Отличается от срочного тем, что в дно его резервуара 2 впаян штифт 7 (рис. 4.7, в), верхний конец которого входит в капилляр 8. оставляя в нем узкое кольцеобразное отверстие. При повышении температуры расширяющаяся ртуть преодолевает суженное место и поднимается вверх. При понижении температуры объем ртути в резервуаре уменьшается, и в этот момент происходит разрыв столбика ртути в суженном месте капилляра. После разрыва столбик ртути остается на месте и показывает максимальную температуру.
Термометры ртутные коленчатые (Савинова) предназначены для измерения температуры почвы на глубинах 5,10,15,20 см в пределах от -10°С до +50 °С. Термометры выпускаются в комплекте из четырех штук, отличающихся длинной: 290, 350, 450 и 500мм за счет разной длины под-шкальной части. Цена деления - 0,5°С. Вблизи резервуара термометр изогнут под углом 135°. Резервуар тонирован от шкалы теплоизоляционной оболочкой, что позволяет более точно измерить температуру на глубине установки резервуара.
На метеорологических станциях измеряют средние значения температуры (период осреднения несколько минут) небольшого слоя воздуха (толщиной 10-20 см), середина которого расположена на высоте 2 м от поверхности земли.
На испарение воды с океанов, морей и суши затрачивается в среднем 23% солнечной радиации, приходящей на земную поверхность. Часть испарившейся влаги конденсируется над океаном, образует осадки и возвращается в океан, совершив так называемый малый круговорот.
Влажность воздуха — это содержание водяного пара в воздухе. В нижних слоях атмосферы всегда содержится водяной пар. Как и всякий газ, он обладает упругостью (парциальным давлением). Парциальное давление может быть измерено в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.), миллибарах (мб) и гектопаскалях (гПа). Предельным значением парциального давления водяного пара, находящегося в воздухе, является парциальное давление насыщенного пара, называемое также упругостью насыщения.
Этот отток водяного пара уже не успевает компенсироваться испарением, в результате чего влагосодержание и, следовательно, упругость водяного пара в приземном слое уменьшаются и достигают второго минимума в 15... 16 ч. В предвечерние часы турбулентность ослабевает, тогда как довольно интенсивное поступление водяного пара в атмосферу путем испарения еще продолжается. Упругость пара и абсолютная влажность в воздухе начинают увеличиваться и в 20...22 ч достигают второго максимума. В ночные часы испарение почти прекращается, в результате чего содержание водяного пара уменьшается.
Стационарный психрометр (рис. 5.5) состоит из двух психрометрических термометров, которые устанавливаются в психрометрической будке. Резервуар правого термометра обвязывается кусочком батиста, конец которого погружен в воду, заполняющую стаканчик как показано на рис 5.5. При этом обеспечивается поступление воды к поверхности резервуара термометра по батисту и в то же время создается возможность свободного обмена воздуха у резервуара.
Для крепления прибора в металлической раме есть отверстия 9 и лапки 10. Стрелку гигрометра устанавливают на заданную влажность воздуха винтом <5.Пленочный гигрометр — прибор относительный, Поэтому в его показания, как и в показания волосного гигрометра, вводятся поправки, полученные сравнением показаний пленочного гигрометра с показаниями психрометра.
Сумма испарения воды с поверхности почвы и растениями называется суммарным испарением. Суммарное испарение сельскохозяйственных полей обусловлено также мощностью растительного покрова, биологическими особенностями растений, глубиной корнеобитаемого слоя, агротехническими приемами возделывания растений и т.д.
Водяной пар, находящийся в атмосфере, при определенных условиях конденсируется, то есть переходит в жидкое состояние. При этом выделяется теплота, которая была затрачена на испарение. Одним из условий начала конденсации является охлаждение воздуха. При понижении его температуры до точки росы пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным. При дальнейшем понижении температуры излишек пара сверх насыщенного его количества конденсируется.
Выпадение осадков из облаков происходит вследствие укрупнения облачных элементов (капелек воды, кристаллов льда) до размеров, при которых они уже не могут оставаться во взвешенном состоянии и начинают падать. Рост капель происходит преимущественно вследствие их слияния.
В годовом ходе осадков различают четыре основных типа: экваториальный, тропический, субтропический и тип умеренных широт.В экваториальном поясе (10° ю.ш. — 10° с.ш.) выпадает наибольшее количество осадков (годовая сумма 2000 мм, местами на островах Тихого океана — до 5000-6000 мм). Здесь наблюдается два максимума осадков (после весеннего и осеннего равноденствия) и два минимума (после летнего и зимнего солнцестояния).
Количество осадков выражают высотой слоя воды (в миллиметрах), который образовался бы на поверхности, если бы выпавшие осадки не стекали, не испарялись и не просачивались вглубь.Для измерения количества жидких и твердых осадков на метеорологических станциях и постах применяют осадкомер Третьякова 0-1 (рис. 6.1). В комплект осадкомера Третьякова входит два металлических ведра с площадью приемной поверхности 200 см , планочная защита из 16 планок, предохраняющая осадки, попавшие в ведро, от выдувания; таган для установки ведра на столбе в строго вертикальном положении. Внутри ведра впаяна диафрагма, часть которой представляет съемную воронку. Эта воронка летом предохраняет осадки от испарения, а на зиму снимается, чтобы твердые осадки попадали на дно ведра, где они защищены от выдувания. Для слива осадков ведро имеет носик, закрываемый колпачком.
Погодой называется непрерывно меняющееся состояние атмосферы. В данном месте и в данный момент погода характеризуется совокупностью значений метеорологических элементов. Погода отличается большим разнообразием и изменчивостью. Различают периодические и непериодические изменения погоды.
Формирование и перемещение воздушных масс, расположение и траектории движения циклонов и антициклонов имеют большое значение для составления прогнозов погоды. Наглядное представление о состоянии погоды в данный момент на обширной территории дает синоптическая карта.
Анализ синоптических карт состоит в следующем. По сведениям, нанесенным на карту, устанавливают фактическое состояние атмосферы в момент наблюдений: распределение и характер воздушных масс и фронтов, расположение и свойства атмосферных возмущений, расположение и характер облачности и осадков, распределение температуры и т.д. для данных условий атмосферной циркуляции. Составляя карты для разных сроков можно следить по ним за изменениями состояния атмосферы, в частности за перемещением и эволюцией атмосферных возмущений, перемещением, трансформацией и взаимодействием воздушных масс и пр. Представление атмосферных условий на синоптических картах дает удобную возможность для информации о состоянии погоды.
Некоторые явления погоды могут причинить большой ущерб объектам сельскохозяйственного производства, поэтому они называются неблагоприятными метеорологическими явлениями. Основные из них — заморозки, засухи, суховеи, пыльные бури, град, сильные ливни, а также сильные морозы, ледяные корки и др. Для разработки методов прогноза и эффективных мер борьбы с этими явлениями, необходимо их изучение.
Более 70 % пахотных земель в России расположено в районах недостаточного и неустойчивого увлажнения, где засухи и суховеи все еще наносят ущерб сельскому хозяйству.Засуха — сложное явление, которое возникает при длительном отсутствии осадков в сочетании с высокой испаряемостью, что обуславливает иссушение корнеобитаемого слоя почвы и нарушает водоснабжение растений. В результате растения резко снижают свою продуктивность. В зоне пустынь и полупустынь такие условия наблюдаются постоянно, что свойственно климату этих районов. В степной и лесостепной зонах засуха бывает не ежегодно и возникает под влиянием разных причин. К возникновению засухи может привести недостаточное пополнение запасов почвенной влаги весной при таянии снежного покрова или недостаточное количество осадков в весенне-летний период. В этом случае растения будут испытывать недостаток влаги даже при сравнительно невысокой испаряемости. Такая засуха называется почвенной.
Пыльные бури — одно из наиболее опасных для сельского хозяйства метеорологических явлений. Они возникают под влиянием как природных, так и антропогенных факторов и нередко связаны с формами земледелия, не соответствующими данной климатической зоне. Воздействию пыльных бурь подвержены многие районы степной зоны России.
Град образуется в теплое время года, когда развиваются мощные фронтальные и внутримассовые кучево-дождевые облака. В этих облаках над уровнем максимальной скорости восходящих воздушных потоков образуется зона (над средней частью облака), в которой происходит накопление крупных капель. Если максимальная скорость восходящих потоков более 10 м/с, а вершина облака имеет температуру -20°, -25°С в облаке может образоваться град.
В зимний период для многолетних растений и озимых посевов метеорологические условия могут складываться неблагоприятно и вызывать вымерзание, выпревание, вымокание озимых посевов и трав, повреждение их ледяной коркой и т.д.
Горные массивы меняют направление воздушных потоков, определяют изменение климата по вертикали (вертикальная зональность), обуславливают перераспределение осадков (на наветренных склонах осадков выпадает больше, чем на подветренных). В зависимости от крутизны склонов различен и приход солнечной радиации. Крупные горные системы (Памир, Гималаи, Кавказ и др.) оказывают заметное влияние на климат прилегающих районов.
Особенности микроклимата проявляются наиболее заметно в приземном слое воздуха. При резко пересеченном рельефе уже на расстоянии нескольких десятков метров по горизонтали создаются заметные различия в температуре почвы и нижнего слоя воздуха. Эти различия, уменьшаясь с высотой, проявляются в слое толщиной до нескольких метров, а затем сглаживаются под влиянием турбулентного перемешивания воздуха.
Климат подвержен длительным закономерным изменениям, которые происходят в течение десятилетий, веков и более длительных периодов. В процессе таких изменений климат какой-либо местности может стать более холодным, или более теплым более влажным или более сухим. Известно, например, что в Арктике в начале третичного периода был теплый климат, росли леса, образовавшие залежи каменного угля (Шпицберген, Воркута и др.). Следы изменений климата проявляются в колебаниях уровня озер и бессточных морей (Каспийское, Аральское), в смене состава растительности, в ширине колец годичного прироста деревьев и т.д.
Различные сочетания климатообразующих факторов создают большое разнообразие климатов на Земле. Для изучения климатов нашей планеты и ее отдельных крупных районов установлены различные сочетания определенных признаков и по ним классифицированы климаты. Существует много классификаций климатов.