Файл: С. М. Матвеев Л. М. Акимов Учение об атмосфере Метеорология и климатология.pdf

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Воронежская государственная лесотехническая академия»
С.М. Матвеев Л.М. Акимов
Учение об атмосфере
Метеорология и климатология
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
Воронеж 2012

2
УДК 630*111
Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВПО
«ВГЛТА» (протокол № 1 от 28 октября 2011 г.)
Рецензенты: кафедра геоэкологии и мониторинга окружающей среды
Воронежского государственного университета, канд. геогр. наук, доц.С.Д. Дегтярев
Ответственный редактор д-р биол. наук, проф. С.М. Матвеев
Матвеев С.М. Учение об атмосфере. Метеорология и климатология
[Текст]: лабораторный практикум / С.М. Матвеев, Л.М. Акимов ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» – Воронеж, 2012. – 136 с.
Лабораторный практикум включает практические аспекты трех разделов Учения об атмосфере и Метеорологии и климатологии: физика атмосферы, синоптика, климатология.
В первой, основной, части (темы 1 - 11) представлены характеристики применяемых на метеорологических станциях приборов, принцип их действия и принятые методики наблюдений основных метеорологических элементов в соответствии с действующей программой наблюдений. Кратко изложены методики обработки результатов измерений и наблюдений.
Вторая часть практикума (темы 12 - 13) посвящена синоптике: представлению метеорологической информации на картах погоды, методам анализа синоптических карт, прогнозированию развития атмосферных процессов.
Третья часть (темы 14 - 16) знакомит с распределением основных климатических элементов по Земному шару, принципами анализа, реконструкции и прогнозирования климатов.
Лабораторный практикум предназначен для бакалавров дневного и заочного обучения специальностей: 022000 – Экология и природопользование, 250100 – Лесное дело, 250700 – Ландшафтная архитектура, а также для студентов обучающихся по биологическим специальностям.
© Матвеев С.М., Акимов Л.М., 2012
© ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия», 2012

3
ВВЕДЕНИЕ
Дисциплина Учение об атмосфере базируется на дисциплинах
Метеорология, Климатология.
Метеорологией называется наука об атмосфере, ее составе, строении, свойствах и протекающих в ней физических и химических процессах.
Климатология – это наука о закономерностях формирования климатов в различных географических районах и о климатическом режиме в разных странах и регионах.
Предметом дисциплины «Учение об атмосфере» является: изучение состава и строения атмосферы, особенностей образования и развития атмосферных процессов различного масштаба, явлений погоды.
Физические свойства атмосферы (метеорологические элементы) оказывают существенное влияние на рост, развитие, распространение растений, продуктивность и устойчивость леса.
Большинство метеорологических элементов относятся к экологическим факторам, в том числе ряд из них – к условиям существования живых организмов (свет, тепло, влага, О
2
, СО
2
).
Для изучения географического распределения метеорологических элементов и сравнения состояния атмосферы (погоды и климата) в различных местах Земли необходимо, чтобы метеорологические станции в каждой стране и во всех странах мира вели наблюдения по возможности однотипными приборами, по единой методике, в определенные часы суток.
Иными словами, станции в каждой стране и в мировом масштабе должны составлять единое целое
– сеть метеорологических станций,
метеорологическую сеть.
В каждой стране, в том числе и в России, существует основная государственная сеть метеорологических станций, отвечающая приведенным выше требованиям.
Всемирная служба погоды осуществляет глобальный сбор, анализ и распространение данных о погоде и другой информации об окружающей среде.

4
Тема № 1
УСТРОЙСТВО МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ,
ОРГАНИЗАЦИЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ
Цель работы: ознакомиться с устройством метеорологической станции, расстановкой приборов и устройств на станции, методикой и сроками наблюдений.
Оборудование: плакаты, приборы, справочники по климату.
Понятие поясного времени, сроки наблюдений, регистрируемые
метеорологические величины
Время между двумя последовательными полднями называется истинными солнечными сутками. Их продолжительность меняется в течение года из-за неравномерного движения Земли вокруг Солнца.
Приняты средние солнечные сутки, равные 24 часам. За 24 часа Земной шар совершает оборот на 360°, следовательно, за 1 час угол поворота составляет
15°, а 1° дуги по параллели соответствует 4 минутам. Среднее солнечное время одинаково для всех точек расположенных на одном меридиане и различно для двух соседних меридианов.
Для удобства пользования временем введено поясное время. Земной шар разделен на 24 часовых пояса по 15° в каждом. Счет поясов идет на восток от нулевого (Гринвичского) меридиана, границей для которого служат 7°30´ з.д. и 7°30´ в.д. Время соседних поясов различается на 1 час.
Москва находится во 2-м часовом поясе. На территории нашей страны с
1930 г. действует так называемое «декретное время» равное поясному времени плюс 1 час.
Сроками
наблюдений называют определенные, точно установленные моменты времени, с наступлением которых на всех станциях производятся метеорологические наблюдения.
На наземных метеорологических станциях во всем мире производятся
одновременные (синхронные) наблюдения через каждые три часа по единому
— гринвичскому — времени (времени нулевого пояса). По московскому декретному времени наблюдения производятся синхронно в 0, 3, 6, 9, 12,
15, 18, 21 час (синоптические сроки). Результаты наблюдений за эти сроки немедленно передаются по телефону, телеграфу или по радио в органы

5 службы погоды. Там по ним составляются синоптические карты и другие материалы, служащие для прогноза погоды.
На метеорологических станциях основного типа регистрируются
следующие метеорологические величины.

Температура воздуха на высоте 2 м над земной поверхностью.

Атмосферное давление.

Влажность воздуха — упругость водяного пара в воздухе и относительная влажность.

Ветер — горизонтальное движение воздуха на высоте 10-12 м
над земной поверхностью. Измеряется его скорость и определяется направление, откуда он дует.

Облачность — степень покрытия неба облаками, типы облаков по международной классификации, высота нижней границы облаков, ближайших к земной поверхности, скорость и направление движения облаков.

Явления погоды – осадки различных видов (дождь, ливневой дождь, морось, снег, град, снежная крупа, снег с дождем и др.), гроза, шквал, смерч, метель, снежный поземок, пыльная, песчаная буря, гололед, дымка, туман, мгла, промышленные дымы и др.

Горизонтальная видимость — расстояние, на котором, вследствие мутности атмосферы, перестают различаться очертания предметов.

Количество осадков, выпавших из облаков, их типы (дождь, морось, снег и пр.).

Наличие и интенсивность различных осадков, образующихся на
земной поверхности и на предметах (росы, инея, гололеда и пр.).

Продолжительность солнечного сияния.

Температура на поверхности почвы и на нескольких глубинах в
почве.

Состояние поверхности почвы.

Высота и плотность снежного покрова.
На некоторых станциях — испарение воды с водных поверхностей или с почвы. Регистрируются также полярные сияния и некоторые оптические явления в атмосфере (радуга, круги и венцы вокруг дисков светил, миражи).
В синоптические сроки измеряется атмосферное давление (в помещении

6 здания метеорологической станции), характеристики ветра, дальность видимости, температура и влажность воздуха, характеристики облачности.
Такие характеристики как количество выпавших осадков, наблюдения за состоянием почвы, определяют только в 8 ч. и 20 ч. по декретному времени данного пояса (пояса, в котором расположена метеостанция). При наличии снежного покрова производятся периодические снегомерные съемки, а в 8 ч. по декретному времени данного пояса ведутся наблюдения за снежным покровом.
Устройство метеорологической станции, порядок наблюдений
Метеорологическая станцияимеет метеорологическую площадку для размещения на ней приборов и устройств на открытом воздухе и служебное помещение вблизи площадки (не далее 300 м).
Наблюдения над метеорологическими элементами проводятся в специально оборудованном месте, называемом метеорологической площадкой.
Место, предназначенное для метеорологической площадки, должно удовлетворять следующим требованиям: оно должно быть открытым, ровным и примерно горизонтальным. Расстояние от площадки до невысоких строений, групп деревьев должно быть не менее 10-кратной их высоты, а от сплошного леса и сплошной городской застройки – не менее 20- кратной. Площадка должна находиться от оврагов, обрывов на расстоянии десятков метров, а от уреза воды – не менее 100 м.
После выбора места производится разбивка метеорологической площадки так, чтобы она имела форму прямоугольника, стороны которого направлены с севера на юг и с востока на запад.
Стандартные размеры площадки 26 на 26 м (рис. 1).
При размещении основных метеорологических приборов и устройств на метеоплощадке руководствуются следующими требованиями: приборы на площадке должны располагаться так, чтобы они не оказывали взаимного влияния на свои показания (не затеняли друг друга, не нарушали свободного обмена воздуха).
Это требование может быть обеспечено, если: а) расстояние между соседними установками – не менее 5 метров; б) все установки, исключая флюгер, окажутся не ближе 4-5 м к западной и восточной сторонам ограды;

7 в) почвенные термометры размещают так, чтобы их не достигала самая длинная тень, падающая от южной стороны ограды.
Ограда вокруг метеорологической площадки выполняется из проволочной сетки, натянутой на металлические рамы, укрепленные на забетонированных в земле трубах. Категорически запрещается устраивать ограду в виде живой изгороди ( и з кустов), дощатого забора, плетня, частокола и т.д., так как такая ограда препятствует свободному обмену воздуха. С северной стороны ограды устраивается калитка. После расстановки метеорологических приборов и устройств, как показано на схеме
(рис. 1), на площадке прокладываются специальные дорожки шириной 40-50 см с таким расчетом, чтобы наблюдатель имел возможность производить все наблюдения в установленном порядке с наименьшей затратой времени на переходы от одной установки к другой. Дорожкам придается несколько выпуклая форма, чтобы облегчить сток воды к краям дорожки. К каждой установке наблюдатель подходит с северной стороны, чтобы не затенять приборы при снятии отсчетов.
Помимо правильного устройства метеорологическая площадка требует постоянного и тщательного ухода, иначе невозможно гарантировать высокое качество наблюдений.
Уход заметеоплощадкой заключается в следующем: а) содержание ее в чистоте; б) скашивание до высоты 20 см разросшейся по площадке травы с немедленной уборкой её; в) сохранение в естественном состоянии снежного покрова на площадке и уборка за её пределы образующихся у приборов значительных сугробов; г) устранение неисправностей у приборов.
Наблюдатель начинает обход площадки за 30 минут до срока измерений. Во время обхода он следит за состоянием почвы, облачностью и др. показателями. Точно в установленный срок производится измерение температуры воздуха по сухому термометру. Наблюдения за остальными метеорологическими элементами производятся в течение 30- 4 0 минут.

8
Рис. 1. Схематический план метеорологической площадки: 1 – флюгер с легкой доской; 2 – флюгер с тяжелой доской, или датчик анеморумбометра; 3 – гололедный станок; 4 – будка для самописцев; 5 – будка психрометрическая; 6 – будка запасная; 7 – плювиограф; 8 – осадкомер; 9 – датчик и приёмник измерителя нижней границы облаков;
10 – гелиограф; 11, 12, 13, 14 – столбы для установки актинометрических приборов; 15 – оголенный участок для установки напочвенных и коленчатых термометров; 16 – участок с естественным покровом для установки вытяжных термометров; 17 – снегомерная рейка; 18 – мерзлотомер; 19 – запасной столб для осадкомера.
В помещении станции находятся:

Ртутно-чашечный станционный барометр.

Барометр-анероид.

Барографы: недельный и суточный.

Пульт управления анеморумбометра для измерения направления и скорости ветра.

Пульты управления измерителя и регистратора высоты облаков.

9

Пульты управления измерителя и регистратора дальности видимости.

Радиоприемники для приема метеоинформации.

Факсимильная аппаратура для приема карт погоды.

Телетайпы для приема и передачи метеоинформации в цифровом закодированном виде.

Персональные компьютеры для регистрации, обработки, передачи и приема метеоинформации.

Средства связи: телефоны, радиосвязь, интернет.

Пульты управления МРЛ и станции приема информации МИСЗ
(на авиационных и других крупных метеостанциях).
На большом числе дополнительных станций (постов) производятся наблюдения только над осадками и снежным покровом, так как для лучшего выяснения распределения этих элементов нужна более густая сеть наблюдений. В существующих автоматических метеорологических станциях, таких как, например,
АРМС
(автоматическая радиометеорологическая станция) весь процесс подготовки, производства измерений и выдачи информации продолжается не более 5 минут, а измерение всех величин занимает около 1 минуты, т.e. производится практически одновременно.
Организация метеорологических наблюдений. Обработка
метеорологических величин
Метеорологические наблюдения только тогда являются сравнимыми, точными, отвечающими задачам метеослужбы, когда при установках приборов выполняются требования, наставления и инструкции, а при производстве наблюдений и обработке материалов работники метеостанций строго придерживаются указаний руководств.
Метеорологические станции, проводящие регулярные наблюдения, образуют сеть метеорологических станций. Определённая часть станций каждой страны входит в международную сеть. Информация этих станций включается в международный обмен метеорологической информации и используется для составления карт погоды. Для удобства их составления вся поверхность земного шара разделена на шесть больших регионов.

10
Каждый из них, в свою очередь, разбит на районы, имеющие двузначные номера. Деление региона осуществляется на основе административного и территориального принципа. При административном делении номер района присваивается в соответствии с государственными границами. При территориальном делении номер района присваивается определённому участку территории. Станции, находящиеся внутри районов, имеют трёхзначные номера.
Таким образом, каждой метеорологической станции присвоен пятизначный индекс. Первые две цифры индекса обозначают номер района, а последующие три – порядковый номер станции внутри данного района. Так как в каждом районе находится лишь несколько десятков станций, а нумерация станций идёт от 000 до 999, переходя из одного квадрата в соседний и повторяясь только после окончания каждой тысячи, то в соседних районах одинаковые трёхзначные номера не встречаются. При присвоении индекса станции внутри района соблюдается принцип возрастания порядковых номеров станций с запада на восток и с севера на юг.
Метеорологические станции и посты, распределенные по всей
России, составляют гидрометеорологическую наблюдательную сеть.
Государственный комитет России по гидрометеорологии и контролю природной среды управляет всеми системами сбора и первичной обработки информации. Далее полученная информация обрабатывается на
ПЭВМ методами математической статистки.
Статистический анализ нашел в метеорологии широкое применение для выявления закономерностей, существующих в атмосферных процессах, для определения средних метеорологических величин, особенно в климатологии.
Обработка информации в виде метеорологических бюллетеней, прогнозов, сводок погоды, справочников, синоптических карт рассылается различным потребителям по почте или передается по радио и телевизионным каналам. Эта информация используется при проведении научных исследований, составлении разнообразных проектов, организации борьбы с пожарами, вредителями и болезнями леса и др. Сведения о фактической погоде и ее прогнозы позволяют принимать меры по предупреждению или устранению последствий от воздействия неблагоприятных условий погоды.

11
Тема № 2
ИЗМЕРЕНИЕ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ
Цель работы: ознакомиться с основными методами измерения количества выпадающих осадков и приборами, применяющимися при этом.
Оборудование: осадкомер Третьякова, плювиограф, гололедный станок.
Общие понятия
Атмосферными осадками называется вода в жидком или твердом состоянии, выпадающая на землю из облаков (вертикальные осадки) или осаждающаяся из тумана и воздуха непосредственно на поверхности земли и наземных предметах (горизонтальные осадки). К вертикальным осадкам относятся: дождь, снег, крупа, град; к горизонтальным – роса, иней, изморозь, гололед, твердый и жидкий налет. Атмосферные осадки являются основными источниками влаги в почве.
Количество осадков определяется толщиной слоя воды в миллиметрах, который образовался бы на ровной поверхности при условии, если бы вода не стекала с нее, не просачивалась и не испарялась.
На метеорологических станциях фиксируют время начала и конца выпадения осадков, их интенсивность и суммарное количество. Измерение выпадающих осадков производится при помощи осадкомеров и дождемеров.
Осадкомер Третьякова (рис. 2) представляет собой ведро, высотой 40 см, верхнее отверстие которого равно 200 см
2
. Внутри ведра 3 имеется воронкообразная перегородка 2 с отверстием, через которое жидкие осадки стекают в нижнюю часть ведра. Эта перегородка защищает осадки, попавшие в ведро, от испарения. Летом в отверстие перегородки вставляется воронка 3, уменьшающая сливное отверстие и, соответственно, испарение осадков из ведра. В средней части ведра имеется носок 5 с колпачком 4, через который дождевая вода, получающаяся после растопления снега, выливается в измерительный стакан 9. Цена деления стакана 2 см
3
, что соответствует слою воды в дождемерном ведре в 0,1 мм.
Ведро осадкомера закреплено в кольцевой оправе на подставке 7 так, чтобы верхний край его находился на высоте 2 м от поверхности земли. Для уменьшения влияния ветра осадкомер имеет защиту в виде 16 планок (6).
Верхний край защиты находится на одном уровнем с краями ведра.
Планочная защита способствует раздроблению и ослаблению воздушного