Предмет метеорології та кліматології

Міністерство освіти і науки України

Національний педагогічний університет

Імені М. П. Драгоманова

 

Г. Д. Проценко

 

 

Київ 2007

Проценко Г.Д. Метеорологія та кліматологія: Навчальний посібник. – К. 2007

 

 

У навчальному посібнику з дисципліни „Метеорологія та кліматологія” розглядається склад і будова атмосфери, сонячна, земна й атмосферна радіація, тепловий режим земної поверхні та атмосфери, фазові перетворення води в атмосфері та їх наслідки, атмосферний тиск, вітер та загальна циркуляція атмосфери, умови формування клімату, класифікація кліматів, зміни та коливання клімату.

Навчальний посібник розрахований на студентів університетів, які вивчають дисципліну „метеорологія та кліматологія”, як одну із основних дисциплін про навколишнє середовище.

 

Рецензенти:

Дмитренко В. П. – доктор географічних наук, професор, завідувач відділу аграметеоролгічних досліджень Укр. НД гідро-метеорологічного інституту.

Половина І. П. – доктор географічних наук, професор, кафедри фізичної географії НПУ імені М. П. Драгоманова.

Паламарчук Л. В. – кандидат географічних наук, доцент кафедри метеорології та кліматології Київського Національного університету імені Тараса Шевченка.

 

Друкується за ухвалою Вченої ради

НПУ імені М. П. Драгоманова.

Протокол № 10 від 26 квітня 2007 р.

 

Зміст

Передмова .........................................................
Розділ 1. Вступ.......................................................
1.1	Предмет метеорології та кліматології.............................
1.2	Державна гідрометеорологічна служба............................
1.3	Значення метеорології та кліматології для народного господарства....
1.4	Коротка історія розвитку метеорології та кліматології..............
Розділ 2. Атмосфера Землі............................................
2.1	Хімічний склад сухого повітря нижніх шарів атмосфери.............
2.2	Склад повітря у високих шарах атмосфери.........................
2.3	Густина повітря..............................................
2.4	Вертикальна будова атмосфери.................................
2.5	Методи дослідження атмосфери.................................
Питання для самоперевірки............................................
Розділ 3. Сонячна, земна й атмосферна радіація.........................
3.1	Випромінювання Сонця........................................
3.2	Основні закони випромінювання................................
3.3	Спектральний склад сонячної та земної радіації....................
3.4	Сонячна стала................................................
3.5	Пряма сонячна радіація........................................
3.6	Послаблення сонячної радіації в атмосфері.......................
3.7	Сумарна сонячна радіація ......................................
3.8	Засвоєння сонячної радіації земною поверхнею ....................
3.9	Випромінювання земної поверхні й атмосфери .....................
3.10	Радіаційний баланс земної поверхні ..............................
Питання для самоперевірки............................................
Розділ 4. Тепловий режим земної поверхні та атмосфери .................
4.1	Тепловий баланс земної поверхні ...............................
4.2	Нагрівання й охолодження грунту ...............................
4.3	Добовий та річний хід температури поверхні грунту ...............
4.4	Розповсюдження тепла у глибину грунту .........................
4.5	Промерзання грунту. Вічна мерзлота ............................
4.6	Особливості нагрівання і охолодження водойм ....................
4.7	Шляхи теплообміну земної поверхні з атмосферою .................
4.8	Добовий хід температури повітря ...............................
4.9	Неперіодичні зміни температури повітря .........................
4.10	Приморозки ................................................
4.11	Річні зміни температури повітря ................................
4.12	Вертикальний розподіл температури повітря ......................
4.13	Географічний розподіл температури повітря поблизу земної поверхні.....................................
4.13.1	Мінливість середніх місячних температур повітря.................
4.13.2	Приведення температури повітря до рівня моря...................
4.13.3	Географічний розподіл середньої річної температури повітря........
4.13.4	Географічний розподіл середньої місячної температури повітря в січні ...................................
4.13.5	Географічний розподіл середньої місячної температури повітря в липні ..............................................
4.13.6	Екстремальні температури ....................................
4.14	Температурні інверсії ........................................
4.14.1	Приземні інверсії ............................................
4.14.2	Висотні інверсії .............................................
4.15	Адіабатичні процеси в атмосфері ...............................
4.15.1	Сухоадіабатичні зміни температури повітря ......................
4.15.2	Вологоадіабатичні зміни температури повітря....................
4.16	Стратифікація атмосфери та вертикальна рівновага сухого повітря
4.17	Стратифікація атмосфери та вертикальна рівновага насиченого повітря ..........................................
4.18	Добовий хід стратифікації атмосфери та конвекції.................
4.19	Тепловий баланс системи Земля - атмосфера ......................
Питання для самоперевірки..............................................
Розділ 5. Вода в атмосфері .............................................
5.1	Випаровування води .........................................
5.1.1	Тиск насиченої водяної пари ...................................
5.1.2	Швидкість випаровування води ................................
5.2	Географічний розподіл випаровування та випаровуваності ..........
5.3	Характеристики вологості повітря .............................
5.4	Добовий та річний хід тиску водяної пари .......................
5.5	Добовий та річний хід відносної вологості повітря ................
5.6	Географічний розподіл вологості повітря ........................
5.7	Конденсація та сублімація водяної пари в атмосфері ...............
5.8	Міжнародна класифікація хмар ................................
5.9	Мікроструктура та водність хмар ..............................
5.10	Світлові явища у хмарах ......................................
5.11	Добовий та річний хід хмарності ...............................
5.12	Тривалість сонячного сяйва ....................................
5.13	Серпанок, туман, імла .........................................
5.13.1	Умови утворення туманів .....................................
5.13.2	Географічний розподіл туманів ................................
5.14	Наземні гідрометеори........................................
5.15	Ожеледь. Ожеледиця. Зледеніння літаків.........................
5.16	Умови утворення атмосферних опадів...........................
5.17	Класифікація атмосферних опадів.... ..........................
5.18	Електризація хмар та опадів ...................................
5.19	Гроза ......................................................
5.19.1	Куляста блискавка ...........................................
5.19.2	Вогні святого Ельма..........................................
5.20	Активний вплив людини на атмосферні процеси ..................
5.21	Режим атмосферних опадів ....................................
5.21.1	Добовий хід атмосферних опадів ...............................
5.21.2	Річний хід атмосферних опадів .................................
5.21.3	Тривалість та інтенсивність опадів .............................
5.22	Географічний розподіл атмосферних опадів .....................
5.23	Показники зволоження території ...............................
5.23.1	Коефіцієнти зволоження території .............................
5.23.2	Мінливість умов зволоження території. Посушливі явища..........
5.24	Водний баланс земної кулі ....................................
5.25	Сніговий покрив............................. ................
5.25.1	Снігова лінія ................................................
5.25.2	Хуртовини ..................................................
Питання для самоперевірки...........................................
Тести до першого модуля...............................................
Розділ 6. Атмосферний тиск та циркуляція атмосфери ..................
6.1	Одиниці вимірювання атмосферного тиску ......................
6.2	Зміна атмосферного тиску при зміні висоти ......................
6.2.1	Вертикальний баричний градієнт ...............................
6.2.2	Баричний ступінь .............................................
6.3	Баричне поле ................................................
6.3.1	Карти баричної топографії .....................................
6.3.2	Горизонтальний баричний градієнт .............................
6.4	Добовий та річний хід атмосферного тиску ......................
6.5	Вітер .......................................................
6.6	Сили, які впливають на швидкість та напрямок вітру ..............
6.6.1	Зміна напрямку та швидкості вітру при піднятті угору .............
6.6.2	Вплив тертя на швидкість та напрямок вітру .....................
6.6.3	Добовий та річний хід швидкості вітру ..........................
6.7	Повітряні маси. Атмосферні фронти ............................
6.7.1	Повітряні маси ...............................................
6.7.2	Атмосферні фронти ...........................................
6.8	Струминні течії в атмосфері ....................................
6.9	Географічний розподіл атмосферного тиску. Центри дії атмосфери...
6.9.1	Розподіл тиску в січні .........................................
6.9.2	Розподіл тиску в липні ........................................
6.9.3	Центри дії атмосфери .........................................
6.9.10	Кліматологічні фронти ........................................
6.11	Загальна циркуляція атмосфери .................................
6.11.1	Зони атмосферного тиску та вітру поблизу земної поверхні та в нижній тропосфері ...............................................
6.11.2	Зони тиску та вітру у верхній тропосфері та в стратосфері..........
6.11.3	Циркуляція атмосфери в тропічних широтах. Пасати...............
6.11.4	Тропічні циклони ...........................................
6.11.5	Мусони .....................................................
6.12.	Циркуляція атмосфери в помірних та високих широтах............
6.12.1	Циклони ....................................................
6.12.2	Антициклони..........................................
6.13	Місцеві вітри ................................................
6.14	Шквали .....................................................
6.15	Маломасштабні вихори ........................................
6.16	Синоптичний аналіз та прогноз .................................
6.17	Місцеві ознаки погоди .........................................
Питання для самоперевірки.............................................
Розділ 7. Клімат та чинники його формування ..........................
7.1	Кліматична система ...........................................
7.2	Чинники формування клімату ...................................
7.2.1	Радіаційні чинники формування клімату .........................
7.2.2	Циркуляційні чинники клімату ..................................
7.2.3	Роль підстильної поверхні у формуванні клімату ..................
7.2.3.1	Основні властивості підстильної поверхні, які впливають на клімат..
7.2.3.2	Особливості морського та континентального кліматів .............
7.2.3.3	Континентальність клімату .....................................
7.2.4	Вплив морських течій на клімат .................................
7.2.5	Вплив рослинного покриву на клімат ............................
7.2.6	Вплив снігового покриву на клімат ..............................
7.2.7	Вплив рельєфу на клімат .......................................
Розділ 8. Класифікація кліматів ........................................
8.1	Класифікація кліматів Л.С.Берга ................................
8.2	Класифікація кліматів Б.П.Алісова ...............................
Розділ 9. Мікроклімат та методи його дослідження ......................
9.1	Методи дослідження мікроклімату ...............................
9.2	Мікроклімат міста .............................................
Питання для самоперевірки.............................................
Розділ 10. Зміни та коливання клімату. .................................
10.1	Ознаки різних типів клімату минулого ...........................
10.1.1	Ознаки теплого клімату ........................................
10.1.2	Ознаки холодного клімату ......................................
10.1.3	Ознаки сухого клімату .........................................
10.1.4	Ознаки вологого клімату .......................................
10.2	Про зміни клімату в геологічному минулому .....................
10.3	Про коливання клімату в історичний час .........................
10.4	Сучасні коливання клімату .....................................
10.5	Гіпотези, що пояснюють зміни клімату Землі .....................
10.5.1	Астрономічні гіпотези .........................................
10.5.2	Фізичні гіпотези ..............................................
10.5.3	Геолого-географічні гіпотези ...................................
10.6	Вплив людини на клімат .......................................
10.6.1	Навмисний вплив .............................................
10.6.1.1	Зрошення ....................................................
10.6.1.2	Осушення ....................................................
10.6.1.3	Будівництво ставків та водосховищ ..............................
10.6.1.4	Створення полезахисних лісових смуг ...........................
10.6.1.5	Затримання снігу та талої води на полях .........................
10.6.1.6	Збільшення кількості атмосферних опадів шляхом активного впливу людини на атмосферні процеси .................................
10.6.2	Ненавмисний вплив ...........................................
10.6.2.1	Зміна газового складу атмосфери ................................
10.6.2.2	Збільшення вмісту аерозолів ....................................
10.6.2.3	Збільшення виробництва промислової енергії ....................
	Питання для самоперевірки....................................
	Тести до другого модуля.......................................
	Бібліографічний список ........................................ Предметний покажчик ......................................... Іменний покажчик ............................................

Передмова

Головним завданням посібника є висвітлення основних закономірностей атмосферних процесів і явищ, а також закономірностей формування клімату і його зміни. Студент послідовно вивчає хімічний склад атмосфери, роль малих газових компонентів в атмосферних процесах і житті на Землі, загальні властивості атмосфери, основні властивості надходження сонячної радіації, перетворення її в атмосфері та засвоєння атмосферою і земною поверхнею, випромінювання радіації земною поверхнею та атмосферою, радіаційний баланс, термічний режим земної поверхні та атмосфери, особливості нагрівання водних басейнів, розповсюдження тепла в глибину грунту, механізми обміну теплом між земною поверхнею та атмосферою, приморозки, їх типи та заходи зменшення їх негативного впливу на сільськогосподарські культури, вертикальний градієнт температури, приведення температури до рівня моря, ізотермія, інверсії та їх типи, адіабатичні процеси та їх роль в атмосферних процесах, стратифікація атмосфери та вертикальна рівновага повітря, фазові перетворення води в атмосфері та їх наслідки, хмари, їх типи, атмосферні опади, наземні гідрометеори, краплі та кристали у приземному шарі атмосфери, активний вплив людини на атмосферні процеси, атмосферний тиск, вітер та сили, які його визначають, горизонтальні та вертикальні закономірності зміни атмосферного тиску, загальна циркуляція атмосфери, регіональні її особливості, циклони, антициклони, маломасштабні вихори, чинники формування клімату, зміни і коливання клімату, класифікація кліматів, причини зміни клімату, вплив людини на клімат. Отже, метеорологія та кліматологія вивчає особливості розповсюдження засвоєння та зміни світла, тепла, вологи і повітря, тобто чинників життя на Землі, які одночасно є основними екологічними чинниками. Будова приладів для вимірювання метеорологічних величин традиційно викладена у відповідному практикумі так само, як вирішення різних задач та завдань.

У відповідності до навчальних планів у різний час цей курс був розрахований на 34 – 54 години лекцій. Останнім часом кількість лекцій дещо скорочується, а решта матеріалу виноситься для самостійного опрацювання. Тому актуальність появи такого посібника збільшується тим більше, що українською мовою посібника з метеорології та кліматології до цього часу немає.

Дисципліна метеорологія та кліматологія в університеті вивчається на першому курсі і ґрунтується на знаннях із фізики, одержаних в середній школі. Тому у посібнику наводяться лише найнеобхідніші закони фізики атмосфери без їх фізико-математичного обґрунтування.

Основне зусилля автора спрямоване на побудову досить повної моделі атмосферних процесів і явищ, що мають погодо- та кліматоутворююче значення. Відбирались матеріали дослідження, які достатньо достовірні та стимулюють науково-пізнавальну і практичну зацікавленість і можуть слугувати основою для вивчення інших географічних та екологічних дисциплін.

До списку літератури включено найважливішу навчальну і довідкову літературу та монографії для поглибленого вивчення метеорології та кліматології. У посібнику наводиться необхідний мінімум імен дослідників.

Вступ

Предмет метеорології та кліматології

Земля, як небесне тіло, має повітряну оболонку, яка називається атмосферою. Атмосфера утримується силою земного тяжіння і обертається разом із Землею як одне ціле.

Метеорологія – наука про атмосферу, її склад, будову, властивості та про фізичні і хімічні процеси і явища, які відбуваються в ній. Метеорологія походить від грецьких слів „метеор” – небесне явище та „логос” – вчення. Із визначення дисципліни видно, що предметом вивчення метеорології є атмосфера. В атмосфері постійно відбувається перетворення променистої енергії, відбувається кругообіг тепла, вологи та різних домішок, розвиваються оптичні, електричні та інші явища. Атмосферні процеси і явища виникають і розвиваються в основному в результаті перетворення променистої енергії Сонця, яка надходить на Землю. При вивченні цих процесів широко використовуються закони, встановлені гідромеханікою, термодинамікою та іншими розділами фізики. Отже, метеорологія – наука геофізична, це фізика атмосфери.

В метеорології широко вживається поняття погода. Погода – це фізичний стан атмосфери у певний час на даній території. Параметри, що характеризують фізичний стан атмосфери, називаються метеорологічними величинами. Це атмосферний тиск, температура та вологість повітря, світло, хмарність, прозорість атмосфери тощо. Крім метеорологічних величин стан атмосфери характеризують явищами погоди або атмосферними явищами. Атмосферні явища – результат взаємодії різних атмосферних процесів, що характеризуються певним сполученням кількох метеорологічних величин. Це атмосферні опади, гроза, туман, серпанок, роса, іній, пилова буря, хуртовина, гало, райдуга та інші оптичні і електричні явища. Стан атмосфери у кожному місці постійно змінюється. Про погоду можна говорити у певному пункті, у певному районі, за визначеним маршрутом тощо.

З поняттям „погода” тісно пов’язане поняття „клімат”. Клімат – це багаторічний режим погоди даної місцевості, зумовлений сонячною радіацією, її перетворенням у діяльному шарі земної поверхні та пов’язаною з ними загальною циркуляцією атмосфери і океану.

У визначенні клімату вказані чинники, під дією яких і формується клімат даної місцевості. В географії використовується і простіше визначення клімату – це багаторічний режим погоди, властивий даній місцевості через її географічне положення. Під характерним режимом погоди слід розуміти не лише умови погоди, які найчастіше повторюються, але й погоду виключних для даної місцевості років.

В літературі зустрічається таке поняття, як глобальний клімат. Це клімат земної кулі, який поєднує всі типи клімату. Крім того, зустрічається поняття макроклімат. Це клімат великомасштабного географічного регіону, континенту або всієї земної кулі.

В поняття клімату входять нерозривно пов’язані з ним мікрокліматичні особливості, тобто місцеві особливості режиму інсоляції, температури повітря та грунту, вітру і вологості, випаровування тощо.

Ці особливості обумовлені формою рельєфу, експозицією схилів, типом грунту, характером рослинності, штучними спорудами тощо. Місцеві особливості клімату, обумовлені неоднорідністю будови підстильної поверхні, називаються мікрокліматом. Мікрокліматичні особливості окремих ділянок можуть мати велике практичне значення. Вони можуть суттєво впливати на швидкість танення снігу, інтенсивність приморозків, тривалість розвитку рослин, швидкість вітру тощо.

Клімат місцевості вивчає наука, яка називається кліматологією. Кліматологія – наука, яка вивчає закономірності формування кліматів, їх розподіл на земній кулі та зміни в минулому і майбутньому. Отже, метеорологія вивчає атмосферні процеси і явища і є геофізичною наукою, а кліматологія вивчає клімат, тобто одну із найважливіших фізико-географічних характеристик місцевості і є самостійною географічною наукою.

Кліматологія є тією ланкою, яка пов’язує між собою метеорологію і географію. В географії метеорологія займає одне із перших місць, оскільки клімат є визначальним фактором у ході біологічних процесів, розповсюдженні рослин, їх хімічного складу та врожайності, грунтово-твірних процесів, процесів вивітрювання, формування географічної зональності.

Дуже важливим є так званий кліматологічний аспект в метеорології. Тобто вивчення впливу географічних умов на хід процесів в атмосфері, Це забезпечує необхідну повноту теоретичного вивчення метеорологічних процесів і явищ, отже, кліматологія є географічною наукою і в той же час є одним із заключних розділів метеорології, в якому вивчаються закономірності багаторічного режиму процесів і явищ та їх географічний розподіл. У 18 столітті ці науки ще не ділили на метеорологію та кліматологію. Не дивно, що й до цього часу між ними існує дуже тісний зв’язок, часто межі не чіткі. У сучасній кліматології широко використовуються фізико-математичні методи дослідження, моделювання з використанням потужної обчислювальної техніки.

Сучасну метеорологію за специфікою завдань та методів досліджень можна поділити на ряд розділів, які мають характер окремих наукових дисциплін. Це динамічна метеорологія, яка вивчає динаміку атмосфери, фізика граничного шару, фізика верхніх шарів атмосфери, фізика хмар і опадів, актинометрія, синоптична метеорологія тощо. Синоптична метеорологія вивчає закономірності зміни погоди на великих територіях з метою їх прогнозу. В основу синоптичної метеорології покладено синоптичний метод, що полягає в аналізі синоптичних процесів на синоптичних картах. Це географічні карти, на які наносять умовними значками матеріали одночасних метеорологічних спостережень.

В останні десятиріччя в практиці служби погоди використовуються чисельні методи завбачення погоди. В основі чисельних методів прогнозу погоди лежать системи рівнянь, що описують хід атмосферних процесів і явищ у часі та просторі. Сучасні ЕОМ такі спрощені рівняння вирішуються швидко. Найбільшого прогресу досягнуто в чисельному прогнозі баричного поля.