- •1. Предмет и метод метеорологии
- •2. Связь метеорологии с другими науками. Деление на научные дисциплины
- •3. Значение метеорологии для народного хозяйства и обороны страны
- •4. Особенности
- •6. Краткие сведения о достижениях метеорологической науки
- •7. Международное сотрудничество в области метеорологии
- •Глава 1
- •1.1. Состав воздуха вблизи земной поверхности
- •1.2. Состав воздуха
- •1.3. Уравнение состояния сухого воздуха
- •1.4. Уравнение состояния влажного воздуха
- •1.5. Характеристики влажности воздуха и связь между ними
- •2 Строение атмосферы
- •2.1. Основные сведения о Земле как планете
- •2.2. Принципы деления атмосферы на слои. Краткие сведения о методах исследования атмосферы
- •2.3. Тропосфера, стратосфера и мезосфера
- •2.4. Понятие о воздушных массах и фронтах
- •3 Статика атмосферы
- •3.1. Силы, действующие в атмосфере в состоянии равновесия
- •3.2. Уравнение статики атмосферы
- •3.3. Барометрические формулы
- •3.4. Барическая ступень
- •3.5. Вертикальный масштаб атмосферы
- •3.6. Геопотенциал. Абсолютная и относительная высота изобарических поверхностей
- •3.7. Стандартная атмосфера
- •Глава 4 Термодинамика атмосферы
- •4.1. Первое начало термодинамики применительно к атмосфере
- •4.2. Адиабатический процесс
- •4.3. Сухоадиабатический градиент
- •4.4. Потенциальная температура
- •4.5. Критерии устойчивости атмосферы по методу частицы
- •4.6. Изменение потенциальной температуры с высотой при различных видах стратификации атмосферы
- •4.7. Адиабатические процессы во влажном ненасыщенном воздухе
- •4.8. Влажноадиабатические процессы
- •4.9. Анализ состояния атмосферы с помощью термодинамических графиков
- •4.10. Стратификация атмосферы по отношению к влажноадиабатическому и сухоадиабатическому движению частицы
- •4.11. Метод слоя
- •Глава 5
- •5.2. Солнце и солнечная постоянная
- •Глава 6
- •6.1. Поглощение солнечной радиации в атмосфере Земли
- •6.2. Рассеяние солнечной радиации в атмосфере
- •6.3. Законы ослабления радиации в земной атмосфере
- •6.4. Прямая солнечная радиация
- •6.5. Рассеянная радиация
- •6.6. Суммарная радиация
- •6.7. Альбедо
- •Глава 7
- •7.1. Излучение земной поверхности
- •7.2. Излучение атмосферы
- •7.3. Полуэмпирические формулы для расчета излучения атмосферы и эффективного излучения земной поверхности
- •7.4. Влияние облачности на встречное и эффективное излучение
- •7.5. Суточный и годовой ход эффективного излучения
- •Глава 8
- •8.1. Радиационный баланс земной поверхности
- •Глава 9
- •9.1. Ламинарное и турбулентное состояние атмосферы
- •9.2. Простейшие характеристики турбулентности
- •9.3. Конвективный и турбулентный потоки тепла
- •Глава 11
- •11.1. Уравнение
- •Глава 12
- •12.1. Распределение температуры в тропосфере и нижней стратосфере
- •12.2. Инверсии температуры в атмосфере
- •Глава 14 Влажность воздуха
- •14.1. Уравнение переноса водяного пара в турбулентной атмосфере
- •14.2. Испарение
- •Глава 15
- •15.2. Зависимость теплоты фазового перехода и давления насыщенного водяного пара от температуры
- •Глава 16 Туманы
- •16.1. Физические условия образования и классификация туманов
- •Глава 17 Облака
- •Глава 18 Осадки
- •18.1. Классификация осадков
- •18.2. Процессы укрупнения облачных элементов и образования осадков
- •18.3. Наземная конденсация и осадки
- •Глава 19
- •19.1. Силы, действующие в атмосфере
- •19.2. Уравнения движения турбулентной атмосферы
- •Глава 21
- •21.1. Ветер в пограничном слое атмосферы
- •21.2. Местные ветры
- •Глава 22
- •22.1. Яркость небесного свода
- •22.3. Оптические явления в облаках, туманах и осадках
- •Глава 23
- •23.1. Ионизация атмосферы
- •23.3. Механизм образования электрических зарядов в грозовых облаках
- •23.4. Структура грозового облака. Рост града
- •23.5.. Полярные сияния
4. Особенности
атмосферных процессов как объекта изучения в метеорологии
Как уже отмечалось, одной из особенностей атмосферы является неоднородность ее свойств в пространстве и изменчивость их во времени. Это объясняется весьма сложным характером взаимодействия атмосферы с земной поверхностью, с космической средой и Солнцем. Непосредственно от Солнца атмосфера нагревается мало. В основном солнечная радиация поглощается земной поверхностью. Атмосфера же нагревается главным образом от земной поверхности. Неоднородность земной поверхности и различие в притоке солнечной радиации в разных географических районах создают неравномерность в нагревании воздуха, что приводит к возникновению движений в атмосфере, которые, в свою очередь, способствуют перераспределению тепла.
Вторая особенность атмосферных процессов связана с наличием в атмосфере водяного пара. При определенных условиях водяной пар конденсируется, образуя туманы и облака. Облака же служат источником многих атмосферных явлений — осадков, гроз и целого ряда оптических явлений. Кроме того, облака существенно изменяют энергетические ресурсы в атмосфере, поскольку при конденсации водяного пара выделяется большое количество тепла, а появление облаков заметно уменьшает как приток солнечной радиации к земной поверхности, так и потерю тепла ею за счет излучения. Эти особенности чрезвычайно осложняют изучение атмосферных процессов и их предсказание.
Третья особенность атмосферных процессов состоит в том, что в каждый момент времени они развиваются над всей территорией земного шара. Это требует соответствующей организации наблюдений за состоянием атмосферы. Во всех государствах мира организована сеть метеорологических станций. Сведения о состоянии атмосферы над морями и океанами получают с помощью наблюдений на судах. В настоящее время для наблюдений все шире применяются искусственные спутники Земли. Их достоинство заключается в том, что они могут охватить наблюдением практически всю территорию земного шара.
Наконец, четвертой особенностью атмосферных процессов является их многомасштабность. Масштаб (размер) атмосферных явлений и процессов изменяется от нескольких метров до многих тысяч километров. Если же учесть процессы образования облаков и осадков, то этот интервал масштабов необходимо расширить в сторону научно-исследовательский центр по изучению природных ресурсов и Росгидрометцентр, а также несколько региональных гидрометеорологических центров.
Оперативную работу по составлению прогнозов погоды, по руководству сетью метеорологических станций и постов, обеспечению народного хозяйства гидрометеорологической информацией по отдельным крупным районам страны осуществляет несколько десятков территориальных гидрометеорологических центров.
6. Краткие сведения о достижениях метеорологической науки
С развитием науки и техники в общем уменьшается зависимость человека от природных явлений, однако достигается это на основе глубокого изучения и тщательного учета их особенностей. Основные усилия ученых в области физики атмосферы сосредоточены на построении теории и методов расчета всех важнейших атмосферных явлений и процессов. Уже в 20—30-х годах А. А. Фридманом, академиком Н. Е. Кочиным, И. А. Кибелем, академиком А. А. Дородницыным, Е. Н. Блиновой были выполнены крупные теоретические исследования по общей циркуляции атмосферы, устойчивости фронтальных поверхностей, обтеканию гор воздушным потоком и др.
Первые попытки разработать количественные методы прогноза погоды относятся к первым десятилетиям XX века. Еще в 1904 г. известный норвежский ученый В. Бьеркнес опубликовал работу „Проблема предсказания погоды, рассматриваемая с точки зрения математики и механики", в которой дана математическая постановка этой задачи. В 1922 г. английский ученый Ричардсон выпустил в свет труд „Предсказание погоды с помощью численного процесса", в котором изложена методика расчета будущей погоды на основе численного решения уравнений динамики атмосферы. Однако составленный после длительных расчетов прогноз погоды на одни сутки вперед (на 20 мая 1910 г.) оказался неудачным, что объясняется неполнотой исходных данных, сложностью положенных в основу расчета уравнений и несовершенством расчетной схемы решения этих уравнений.
Большое влияние на развитие теории прогноза оказали работы крупного зарубежного ученого К. Г. Росби по теории так называемых длинных волн.
Дальнейшее развитие физика и динамика атмосферы, гидродинамические (численные) методы прогноза погоды с широким использованием электронной вычислительной техники получили в исследованиях акад. Г. И. Марчука, акад. А. М. Обухова, акад. К. Я. Кондратьева, акад. Г. С. Голицына, акад. В. П. Дымникова, Е. Н. Блиновой, А. С. Монина, М. И. Юдина, А. Ф. Дюбюка.
В области синоптической метеорологии основные достижения связаны с именами С. П. Хромова, X. П. Погосяна, В. А. Бугаева, В. А. Джорджио, Б. Д. Успенского, И. Г. Пчелко, А. С. Зверева, в области долгосрочных прогнозов — с именами Б. П. Мультановско-го, Г. Я. Вангенгейма, С. Т. Пагавы, А. А. Гирса, А. Л. Каца, Н. А. Багрова.
Развитие авиации потребовало детального изучения облаков, туманов и осадков и связанных с ними явлений — обледенения, болтанки, ухудшения видимости. Значительные результаты экспериментального и теоретического характера по этому разделу получены В. Н. Оболенским, П. А. Молчановым, Н. С. Шишкиным, A.X. Хргианом, А. М. Боровиковым, Е. Г. Зак, В. Я. Никандровым, B.А. Зайцевым, Н. В. Петренко, Ю. Г. Душевым.
Основные заслуги в разработке методов и приборов для измерения потоков лучистой энергии, организации сети актинометриче-ских станций принадлежат С. И. Савинову, Н. Н. Калитину, Ю. Д. Янишевскому, В. Л. Гаевскому. Крупный вклад в теорию переноса лучистой энергии в атмосфере внесен Е. С. Кузнецовым, акад. В. В. Шулейкиным, акад. В. Е. Зуевым, В. Г. Кастровым.
Большой цикл исследований по установлению закономерностей турбулентного режима атмосферы, строения приземного и пограничного слоев атмосферы, по изучению процессов тепло- и влагооб-мена в этих слоях, распространению примесей в атмосфере выполнен акад. Ю. А. Израэлем, Н. 3. Пинусом, М. Е. Швецом, М. П. Тимофеевым, П. А. Воронцовым, М. Е. Берляндом, В. В. Пененко, Е. П. Борисенковым.
Большой вклад в разработку проблем климатологии внесен трудами Е. С. Рубинштейн, Б. П. Алисова, О. А. Дроздова, акад. А. А. Григорьева, акад. М. И. Будыко, Ф. Ф. Давитая, Б. Л. Дзерд-зеевского, С. А. Сапожниковой, А. А. Дмитриева.
Метеорологические исследования широко проводятся и в других странах, прежде всего в США, Великобритании, Германии, Франции, Японии и др. Крупный вклад в развитие современной метеорологии внесен такими зарубежными учеными, как Росби, В. Бьерк-нес, Маргулес, Гаурвитц, Старр, Я. Бьеркнес, Ричардсон, Петтерсен, Брент, Ван-Мигем, Лоренц, Н. Филлипс, Смагоринский, А. Аракава, Пальмен.