Метеорология

Эта статья об изучении погоды. О трактате Аристотеля см. Метеорология (Аристотель) . Чтобы узнать о науке об измерениях, см. Метрологию . Для изучения метеоров см. Метеоритика .

Информацию о метеорологии в этом году см. в разделе Метеорология в 21 веке § 2024 .

Метеорология — это отрасль наук об атмосфере (в которую входят химия и физика атмосферы), основное внимание в которой уделяется прогнозированию погоды . Изучение метеорологии насчитывает тысячелетия , хотя значительный прогресс в метеорологии начался только в 18 веке. В XIX веке наблюдался скромный прогресс в этой области после того, как сети наблюдения за погодой были сформированы в обширных регионах. Предыдущие попытки предсказать погоду зависели от исторических данных. Лишь после выяснения законов физики и, в частности, во второй половине 20-го века, с развитием компьютера (позволившего автоматически решать множество уравнений моделирования), произошли значительные прорывы в прогнозировании погоды. достигнуто. Важной отраслью прогнозирования погоды является прогнозирование морской погоды, поскольку оно связано с безопасностью на море и в прибрежной зоне, в котором погодные эффекты также включают взаимодействие атмосферы с большими водоемами.

Метеорологические явления — это наблюдаемые погодные явления, которые объясняются метеорологической наукой. Метеорологические явления описываются и количественно оцениваются с помощью переменных земной атмосферы: температуры, давления воздуха, водяного пара , массового расхода , а также вариаций и взаимодействий этих переменных, а также того, как они меняются с течением времени. Различные пространственные масштабы используются для описания и прогнозирования погоды на местном, региональном и глобальном уровнях.

Метеорология, климатология , физика атмосферы и химия атмосферы являются разделами наук об атмосфере . Метеорология и гидрология составляют междисциплинарную область гидрометеорологии . Взаимодействия между атмосферой Земли и ее океанами являются частью связанной системы океан-атмосфера. Метеорология применяется во многих различных областях, таких как военная промышленность, энергетика, транспорт, сельское хозяйство и строительство.

Слово метеорология происходит от древнегреческого μετέωρος metéōros ( метеор ) и -λογία -logia ( -(o)logy ), что означает «изучение вещей, находящихся высоко в воздухе».

История

Основная статья: Хронология метеорологии

Древняя метеорология до времен Аристотеля

Паргелион (солнечная собака) в Савойе

Ранние попытки предсказать погоду часто были связаны с пророчествами и предсказаниями , а иногда основывались на астрологических идеях. Древние религии считали, что метеорологические явления находятся под контролем богов. Способность предсказывать дожди и наводнения на основе годовых циклов, очевидно, использовалась людьми, по крайней мере, со времен земледельческих поселений, если не раньше. Ранние подходы к предсказанию погоды были основаны на астрологии и практиковались священниками. существовали у египтян еще Ритуалы вызывания дождя в 3500 году до нашей эры.

Древние индийские Упанишады содержат упоминания об облаках и временах года . В Самаведе упоминаются жертвоприношения, которые следует совершать при обнаружении определенных явлений. « Классический труд Варахамихиры Брихатсамхита» , написанный около 500 года нашей эры, предоставляет данные наблюдений за погодой.

Клинописные надписи на вавилонских табличках включали ассоциации между громом и дождем. Халдеи ° различали ореолы 22° и 46 .

Древние греки были первыми, кто выдвинул теории о погоде. Многие натурфилософы изучали погоду. Однако, поскольку метеорологических инструментов не существовало, исследование носило в основном качественный характер и о нем можно было судить только на основе более общих теоретических предположений. Геродот утверждает, что Фалес предсказал солнечное затмение 585 г. до н. э. Он изучал вавилонские таблицы равноденствия. По словам Сенеки, он дал объяснение, что причиной ежегодных разливов Нила были северные ветры, препятствующие его спуску к морю. Анаксимандр и Анаксимен считали, что гром и молния возникают из-за того, что воздух ударяется об облако и таким образом зажигает пламя. Ранние метеорологические теории обычно считали, что в атмосфере содержится огнеподобное вещество. Анаксимандр определил ветер как поток воздуха, но на протяжении веков это не было общепринятым. Теория, объясняющая летний град, была впервые предложена Анаксагором . Он заметил, что температура воздуха снижается с увеличением высоты и что облака содержат влагу. Он также отметил, что из-за жары объекты поднимаются, и поэтому жара в летний день поднимает облака на высоту, где влага замерзает. Эмпедокл выдвинул теорию смены времен года. Он считал, что огонь и вода противостоят друг другу в атмосфере, и когда огонь берет верх, наступает лето, а когда вода - зима. Демокрит также писал о разливе Нила. Он рассказал, что во время летнего солнцестояния снег в северных частях мира таял. Это приведет к тому, что пары образуют облака, которые вызовут штормы, когда северные ветры принесут их в Нил, тем самым наполнив озера и Нил. Гиппократ исследовал влияние погоды на здоровье. По словам Плиния, Евдокс утверждал, что плохая погода следовала за четырехлетними периодами.

Аристотелевская метеорология

Эти ранние наблюдения легли в основу Аристотеля » «Метеорологии , написанной в 350 г. до н.э. Аристотель считается основателем метеорологии. Одним из наиболее впечатляющих достижений, описанных в « Метеорологии», является описание того, что сейчас известно как гидрологический цикл . Его работа останется авторитетом в области метеорологии на протяжении почти 2000 лет.

В книге De Mundo (написанной до 250 г. до н. э. или между 350 и 200 г. до н. э.) отмечалось:

Если сверкающее тело поджигается и с силой устремляется к Земле, это называется ударом молнии; если это только половина огня, но при этом яростная и массивная, ее называют метеором ; если он полностью свободен от огня, его называют дымящейся стрелой. Всех их называют «парящими стрелами», потому что они устремляются вниз на Землю. Молния иногда дымная, и тогда ее называют «тлеющей молнией»; иногда она быстро мчится вперед, и тогда ее называют яркой . В других случаях она движется по кривым линиям и называется раздвоенной молнией . Когда она пикирует на какой-то объект, она называется «падающая молния»

После Аристотеля прогресс метеорологии надолго застопорился. Теофраст составил книги по прогнозированию погоды, получившие название « Книга знаков» , а также «О ветрах» . Он дал сотни знаков погодных явлений на период до года. Его система была основана на разделении года по заходу и восходу Плеяд, пополам на солнцестояния и равноденствия, а также на непрерывности погоды в эти периоды. Он также разделил месяцы на новолуние, четвертый день, восьмой день и полнолуние, в зависимости от вероятности изменения погоды. День был разделен на восход, полдень, полдень, полдень и закат с соответствующими подразделениями ночи, причем в одном из этих подразделений были вероятны изменения. Применяя деление и принцип баланса в годовой погоде, он пришел к таким прогнозам: если зимой выпадает много дождя, весна обычно бывает сухой. В его работах также присутствуют правила, основанные на действиях животных, например, если собака катается по земле, это признак бури. Падающие звезды и Луна также считались важными. Однако он не предпринял попыток объяснить эти явления, обратившись лишь к аристотелевскому методу. Работы Теофраста оставались доминирующим фактором в прогнозировании погоды на протяжении почти 2000 лет.

Метеорология после Аристотеля

Метеорологию продолжали изучать и развивать на протяжении веков, но только в эпоху Возрождения в 14-17 веках в этой области были достигнуты значительные успехи. Такие ученые, как Галилей и Декарт, представили новые методы и идеи, что привело к научной революции в метеорологии.

Спекуляции о причине разлива Нила закончились, когда Эратосфен , по словам Прокла , заявил, что известно, что человек ходил к истокам Нила и наблюдал дожди, хотя интерес к его последствиям продолжался.

В эпоху Римской Греции и Европы научный интерес к метеорологии пошел на убыль. В I веке до нашей эры большинство натурфилософов утверждали, что облака и ветры простирались на 111 миль, но Посидоний считал, что они простираются на пять миль, после чего воздух становится прозрачным, жидким и светящимся. Он внимательно следовал теориям Аристотеля. К концу второго века до нашей эры центр науки переместился из Афин в Александрию , где находилась древняя Александрийская библиотека . Во II веке нашей эры был Птолемея «Альмагест» посвящен метеорологии, поскольку она считалась разделом астрономии. Он дал несколько астрологических прогнозов погоды. Он построил карту мира, разделенную на климатические зоны по их освещенности, на которой продолжительность летнего солнцестояния увеличивалась на полчаса на каждую зону между экватором и Арктикой. Птолемей писал об атмосферном преломлении света в контексте астрономических наблюдений.

В 25 году нашей эры Помпоний Мела формализовал систему климатических поясов. римский географ В 63–64 гг. н.э. Сенека написал Naturales quaestiones . Это была компиляция и синтез древнегреческих теорий. Однако теология имела для Сенеки первостепенное значение, и он считал, что такие явления, как молния, связаны с судьбой. Вторая книга (глава) « Плиния » Естественной истории посвящена метеорологии. Он утверждает, что более двадцати древнегреческих авторов изучали метеорологию. Он не внес никакого личного вклада, и ценность его работы заключается в сохранении более ранних предположений, как и работы Сенеки.

Сумерки на Бейкер-Бич

С 400 по 1100 г. научная наука в Европе сохранялась духовенством. Исидор Севильский уделял метеорологии значительное внимание в «Этимологиях» , «De ordine creaturum» и «De natura rerum» . Беда Достопочтенный был первым англичанином, написавшим о погоде в книге « De Natura Rerum» в 703 году. Эта работа представляла собой краткое изложение дошедших до нас классических источников. Однако работы Аристотеля были в значительной степени утеряны до двенадцатого века, включая «Метеорологику» . Исидор и Беда обладали научным складом ума, но придерживались буквы Священного Писания .

Исламская цивилизация перевела на арабский язык многие древние произведения, которые были переданы и переведены в Западной Европе на латынь.

В 9 веке Аль-Динавари написал « Китаб ан-Набат» («Книга растений»), в которой рассказывает о применении метеорологии в сельском хозяйстве во время Арабской сельскохозяйственной революции . Он описывает метеорологический характер неба, планет и созвездий , Солнца и Луны , лунные фазы, указывающие времена года и дождь, анва ( небесные тела дождевые ) и атмосферные явления, такие как ветры, гром, молния, снег, наводнения. , долины, реки, озера.

В 1021 году Альхазен показал, что атмосферная рефракция также ответственна за сумерки в тезаурусе Opticae ; он подсчитал, что сумерки начинаются, когда солнце находится на 19 градусов ниже горизонта , а также использовал основанное на этом геометрическое определение, чтобы оценить максимально возможную высоту земной атмосферы в 52 000 пассимов (около 49 миль, или 79 км).

Аделард Батский был одним из первых переводчиков классиков. Он также обсуждал метеорологические темы в своем Quaestiones naturales . Он думал, что плотный воздух создает движение в виде ветра. Он объяснил гром тем, что он возник из-за столкновения льда в облаках, а летом он таял. В тринадцатом веке теории Аристотеля восстановили господство в метеорологии. В течение следующих четырех столетий метеорологическая работа в основном носила характер комментариев . По оценкам, более 156 комментариев к «Метеорологии» . до 1650 года было написано

Экспериментальные данные были менее важны, чем обращение к классикам и авторитетам средневековой мысли. В тринадцатом веке Роджер Бэкон выступал за экспериментирование и математический подход. В своем Opus majus он следовал теории Аристотеля о том, что атмосфера состоит из воды, воздуха и огня, дополненной оптикой и геометрическими доказательствами. Он отметил, что климатические зоны Птолемея пришлось скорректировать с учетом топографии .

Св. Альберт Великий был первым, кто предположил, что каждая капля падающего дождя имеет форму небольшого шара и что эта форма означает, что радуга создается светом, взаимодействующим с каждой каплей дождя. Роджер Бэкон был первым, кто вычислил угловой размер радуги. Он заявил, что вершина радуги не может появляться выше 42 градусов над горизонтом.

В конце 13-го и начале 14-го веков Камаль ад-Дин аль-Фариси и Теодорих Фрейбергский были первыми, кто дал правильное объяснение феномену первичной радуги . Теодорих пошел дальше и также объяснил вторичную радугу.

К середине шестнадцатого века метеорология развивалась по двум направлениям: теоретическая наука, основанная на Meteorologica , и астрологическое прогнозирование погоды. Псевдонаучное предсказание по природным знакам стало популярным и пользовалось защитой церкви и князей. Это было поддержано такими учёными, как Иоганн Мюллер , Леонард Диггес и Иоганн Кеплер . Однако нашлись и скептики. В 14 веке Николь Орем считала, что прогнозирование погоды возможно, но правила его прогнозирования в то время были неизвестны. Астрологическое влияние в метеорологии сохранялось до восемнадцатого века.

» Джероламо Кардано ( «De Subilitate 1550 г.) была первой работой, бросившей вызов фундаментальным аспектам аристотелевской теории. Кардано утверждал, что существует только три основных элемента: земля, воздух и вода. Он не принимал во внимание огонь, потому что для распространения ему требовался материал, а он ничего не производил. Кардано считал, что существует два вида воздуха: свободный воздух и закрытый воздух. Первые уничтожали неодушевленные предметы и сохраняли живые, а вторые имели противоположный эффект.

«Рассуждения Рене Декарта о методе» (1637 г.) символизируют начало научной революции в метеорологии. Его научный метод основывался на четырех принципах: никогда не принимать ничего, если не знаешь, что это правда; разделить каждую трудную проблему на маленькие задачи, которые нужно решить; идти от простого к сложному, всегда ища взаимосвязи; быть максимально полным и тщательным, без каких-либо предубеждений.

В приложении Les Meteores он применил эти принципы к метеорологии. Он рассуждал о земных телах и возникающих из них парах, приступая к объяснению образования облаков из капель воды и ветров, облака затем растворялись в дождь, град и снег. Он также обсудил влияние света на радугу. Декарт выдвинул гипотезу, что все тела состоят из мелких частиц различной формы и переплетения. Все его теории основывались на этой гипотезе. Он объяснил, что дождь вызван тем, что облака стали слишком большими, чтобы их мог удерживать воздух, и что облака превратились в снег, если воздух был недостаточно теплым, чтобы их растопить, или в град, если они встретили более холодный ветер. Как и его предшественники, метод Декарта был дедуктивным, поскольку метеорологические инструменты еще не были разработаны и широко не использовались. Он ввел в метеорологию декартову систему координат и подчеркнул важность математики в естествознании. Его работа сделала метеорологию законной отраслью физики.

В 18 веке изобретение термометра и барометра позволило более точно измерять температуру и давление, что привело к лучшему пониманию атмосферных процессов. В этом столетии в 1780 году также появилось первое метеорологическое общество — Societas Meteorologica Palatina.

В XIX веке достижения таких технологий, как телеграф и фотография, привели к созданию сетей наблюдения за погодой и возможности отслеживать штормы. Кроме того, ученые начали использовать математические модели для прогнозирования погоды. В 20-м веке развивались радиолокационные и спутниковые технологии, которые значительно улучшили возможности наблюдения и отслеживания погодных систем. Кроме того, метеорологи и ученые-атмосферники начали создавать первые прогнозы погоды и температуры.

В 20-м и 21-м веках, с появлением компьютерных моделей и больших данных, метеорология стала все больше зависеть от численных методов и компьютерного моделирования. Это значительно улучшило прогнозирование погоды и климата. Кроме того, метеорология расширилась и включила в себя другие области, такие как качество воздуха, химия атмосферы и климатология. Развитие наблюдательных, теоретических и вычислительных технологий позволило сделать еще более точные прогнозы погоды и понять характер погоды и загрязнение воздуха. В настоящее время, с развитием прогнозирования погоды и спутниковых технологий, метеорология стала неотъемлемой частью повседневной жизни и используется для многих целей, таких как авиация, сельское хозяйство и борьба со стихийными бедствиями.

Приборы и классификационные шкалы

См. также: шкала Бофорта , Цельсия и Фаренгейта.

Полусферический чашечный анемометр

В 1441 году сын короля Седжона , принц Кореи Мунджонг, изобрел первый стандартизированный датчик дождя . Они были разосланы по всей династии Чосон корейской в качестве официального инструмента для определения земельных налогов на основе потенциального урожая фермера. В 1450 году Леоне Баттиста Альберти с качающейся пластиной разработал анемометр , который был известен как первый анемометр . В 1607 году Галилео Галилей сконструировал термоскоп . В 1611 году Иоганн Кеплер написал первый научный трактат о снежных кристаллах: «Strena Seu de Nive Sexangula (Новогодний подарок из шестиугольного снега)». В 1643 году Евангелиста Торричелли изобрел ртутный барометр . В 1662 году сэр Кристофер Рен изобрел механический дождемер с самоопорожняющимся ковшом. В 1714 году Габриэль Фаренгейт создал надежную шкалу для измерения температуры с помощью ртутного термометра . В 1742 году шведский астроном Андерс Цельсий предложил «стоградусную» температурную шкалу, предшественницу нынешней шкалы Цельсия . В 1783 году первый волосовой гигрометр продемонстрировал Орас-Бенедикт де Соссюр . В 1802–1803 годах Люк Говард написал «О видоизменении облаков» , в котором дал типам облаков латинские названия. В 1806 году Фрэнсис Бофорт представил свою систему классификации скоростей ветра . Ближе к концу XIX века были опубликованы первые атласы облаков , в том числе Международный атлас облаков , который с тех пор издается. Запуск в апреле 1960 года первого успешного метеорологического спутника TIROS -1 ознаменовал начало эпохи, когда информация о погоде стала доступна во всем мире.

Исследование состава атмосферы

В 1648 году Блез Паскаль заново открыл, что атмосферное давление уменьшается с высотой, и пришел к выводу, что над атмосферой существует вакуум. В 1738 году Даниэль Бернулли опубликовал «Гидродинамику» , положив начало кинетической теории газов и установив основные законы теории газов. В 1761 году Джозеф Блэк обнаружил, что лед поглощает тепло, не меняя своей температуры при таянии. В 1772 году ученик Блэка Дэниел Резерфорд открыл азот , который он назвал флогистонным воздухом , и вместе они разработали теорию флогистона . В 1777 году Антуан Лавуазье открыл кислород и разработал объяснение горения. В 1783 году в эссе Лавуазье «Размышления о флогистоне» он отвергает теорию флогистона и предлагает теорию теплорода . В 1804 году Джон Лесли заметил, что матовая черная поверхность излучает тепло более эффективно, чем полированная поверхность, что указывает на важность излучения черного тела . В 1808 году Джон Дальтон защитил теорию теплорода в «Новой системе химии» и описал, как она соединяется с веществом, особенно с газами; он предположил, что теплоемкость газов обратно пропорциональна атомному весу . В 1824 году Сади Карно проанализировал эффективность паровых двигателей, используя теорию теплоты сгорания; он разработал представление об обратимом процессе и, постулировав, что такого явления в природе не существует, заложил основу второго закона термодинамики . В 1716 году Эдмунд Галлей предположил, что полярные сияния вызваны «магнитными испарениями», движущимися вдоль силовых линий магнитного поля Земли .

Исследования циклонов и воздушных потоков

Общая циркуляция атмосферы Земли: Западные ветры и пассаты являются частью атмосферной циркуляции Земли.

Основные статьи: Эффект Кориолиса и преобладающие ветры

В 1494 году Христофор Колумб пережил тропический циклон, что привело к первому письменному европейскому описанию урагана. В 1686 году Эдмунд Галлей представил систематическое исследование пассатов и муссонов и определил солнечное нагревание как причину атмосферных движений. В 1735 году идеальное объяснение глобальной циркуляции посредством изучения пассатов написал Джордж Хэдли . В 1743 году, когда Бенджамину Франклину не удалось увидеть лунное затмение из-за урагана , он решил, что циклоны движутся в направлении, противоположном ветрам на их периферии. Понимание кинематики того, как именно вращение Земли влияет на воздушный поток, поначалу было частичным. Гаспар-Гюстав Кориолис опубликовал в 1835 году статью о выработке энергии машин с вращающимися частями, таких как водяные колеса. В 1856 году Уильям Феррел предположил существование циркуляционной ячейки в средних широтах, воздух внутри которой отклоняется силой Кориолиса, что приводит к преобладанию западных ветров. В конце XIX века движение воздушных масс вдоль изобар понималось как результат крупномасштабного взаимодействия силы градиента давления и отклоняющей силы. В 1912 году эту отклоняющую силу назвали эффектом Кориолиса. Сразу после Первой мировой войны группа метеорологов в Норвегии во главе с Вильгельмом Бьеркнесом разработала норвежскую модель циклонов , объясняющую зарождение, усиление и окончательный распад (жизненный цикл) циклонов средних широт , и ввела идею фронтов , т.е. , резко очерченные границы между воздушными массами . В группу входили Карл-Густав Россби (который первым объяснил крупномасштабные атмосферные потоки с точки зрения гидродинамики ), Тор Бержерон (который первым определил, как образуется дождь) и Якоб Бьеркнес .

Сети наблюдения и прогноз погоды

Классификация облаков по высоте появления

Эта «Гетографическая или дождевая карта мира» была впервые опубликована в 1848 году Александром Китом Джонстоном .

Эта «Гетографическая или дождевая карта Европы» также была опубликована в 1848 году как часть «Физического атласа».

См. Также: История анализа приземной погоды.

В конце 16 — первой половине 17 веков был изобретен ряд метеорологических приборов — термометр , барометр , ареометр , а также датчики ветра и дождя. В 1650-х годах натурфилософы начали использовать эти инструменты для систематической записи наблюдений за погодой. Научные академии вели дневники погоды и организовывали сети наблюдений. В 1654 году Фердинандо II Медичи основал первую сеть наблюдений за погодой , в которую вошли метеорологические станции во Флоренции , Кутильяно , Валломброзе , Болонье , Парме , Милане , Инсбруке , Оснабрюке , Париже и Варшаве . Собранные данные через определенные промежутки времени отправлялись во Флоренцию. В 1660-х годах Роберт Гук из Лондонского королевского общества спонсировал сети наблюдателей за погодой. Гиппократа В трактате « Воздухи, воды и места» погода связывалась с болезнями. Таким образом, первые метеорологи пытались связать погодные условия со вспышками эпидемий, а климат – со здоровьем населения.

В эпоху Просвещения метеорология пыталась рационализировать традиционные знания о погоде, включая астрологическую метеорологию. Но были и попытки установить теоретическое понимание погодных явлений. Эдмонд Галлей и Джордж Хэдли пытались объяснить пассаты . Они рассудили, что поднимающаяся масса нагретого экваториального воздуха сменяется притоком более холодного воздуха из высоких широт. Поток теплого воздуха на большой высоте от экватора к полюсам, в свою очередь, установил раннюю картину циркуляции. Разочарование отсутствием дисциплины среди метеорологов и низким качеством инструментов привело к тому, что национальные государства раннего Нового времени организовали большие сети наблюдений. Таким образом, к концу XVIII века метеорологи имели доступ к большому количеству надежных данных о погоде. был создан электромагнитный телеграф В 1832 году бароном Шиллингом . Появление электрического телеграфа в 1837 году впервые предоставило практический метод быстрого сбора данных приземных погодных наблюдений на большой территории.

Эти данные могут быть использованы для создания карт состояния атмосферы в регионе вблизи поверхности Земли и для изучения того, как эти состояния развивались во времени. Чтобы делать частые прогнозы погоды на основе этих данных, требовалась надежная сеть наблюдений, но только в 1849 году Смитсоновский институт начал создавать сеть наблюдений по всей территории Соединенных Штатов под руководством Джозефа Генри . Подобные сети наблюдения были созданы в это время в Европе. Преподобный Уильям Клемент Лей сыграл ключевую роль в понимании перистых облаков и ранних представлениях о струйных потоках . Чарльз Кеннет Маккиннон Дуглас , известный как «CKM» Дуглас, прочитал статьи Лея после его смерти и продолжил ранние исследования погодных систем. Исследователи в области метеорологии девятнадцатого века были привлечены с военным или медицинским образованием, а не готовились как преданные своему делу ученые. В 1854 году правительство Соединенного Королевства назначило Роберта Фицроя на новую должность метеорологического статистика Министерства торговли с задачей собирать данные метеорологических наблюдений на море. В 1854 году офис Фитцроя стал Метеорологическим бюро Соединенного Королевства , второй старейшей национальной метеорологической службой в мире ( Центральный институт метеорологии и геодинамики (ZAMG) в Австрии был основан в 1851 году и является старейшей метеорологической службой в мире). Первые ежедневные прогнозы погоды, сделанные офисом Фитцроя, были опубликованы в газете «Таймс» в 1860 году. В следующем году была введена система подъема конусов штормового предупреждения в основных портах, когда ожидался шторм.

Фицрой ввел термин «прогноз погоды» и попытался отделить научные подходы от пророческих.

В течение следующих 50 лет многие страны создали национальные метеорологические службы. ( Метеорологический департамент Индии 1875 г.) был создан для наблюдения за тропическими циклонами и муссонами . Финское метеорологическое центральное управление (1881 г.) было образовано на базе Магнитной обсерватории Хельсинкского университета . Японская Токийская метеорологическая обсерватория, предшественница Японского метеорологического агентства , начала создавать карты приземной погоды в 1883 году. Бюро погоды США (1890 г.) было создано при Министерстве сельского хозяйства США . Австралийское метеорологическое бюро (1906 г.) было создано Законом о метеорологии для объединения существующих государственных метеорологических служб.

Численный прогноз погоды

Основная статья: Численный прогноз погоды

Метеоролог за консолью IBM 7090 Объединенного подразделения численного прогнозирования погоды, ок. 1965 год

В 1904 году норвежский учёный Вильгельм Бьеркнес в своей статье «Прогнозирование погоды как проблема механики и физики» впервые заявил , что должна быть возможность прогнозировать погоду на основе вычислений, основанных на законах природы .

Лишь позднее, в 20-м веке, достижения в понимании физики атмосферы привели к созданию основы современного численного прогноза погоды . В 1922 году Льюис Фрай Ричардсон опубликовал «Прогнозирование погоды с помощью численного процесса». после обнаружения заметок и выводов он работал водителем машины скорой помощи во время Первой мировой войны. Он описал, как можно пренебречь небольшими членами в прогностических уравнениях гидродинамики, которые управляют атмосферным потоком, а также схему численных расчетов, которая может быть разработана для возможности прогнозирования. Ричардсон представлял себе большую аудиторию из тысяч человек, выполняющих расчеты. Однако само количество необходимых вычислений было слишком велико, чтобы их можно было выполнить без электронных компьютеров, а размер сетки и временные шаги, используемые в расчетах, привели к нереалистичным результатам. Хотя позже численный анализ показал, что это произошло из-за численной нестабильности .

Начиная с 1950-х годов, числовые прогнозы с помощью компьютеров стали возможными. Первые прогнозы погоды, полученные таким способом, использовали баротропные (одновертикальные) модели и могли успешно предсказывать крупномасштабное движение волн Россби в средних широтах , то есть структуру атмосферных минимумов и максимумов . В 1959 году Метеорологическая служба Великобритании получила свой первый компьютер — Ferranti Mercury .

В 1960-х годах хаотическую природу атмосферы впервые наблюдал и математически описал Эдвард Лоренц , основавший область теории хаоса . Эти достижения привели к тому, что в настоящее время большинство крупных прогностических центров используют ансамблевое прогнозирование , чтобы принять во внимание неопределенность, возникающую из-за хаотичного характера атмосферы. математические модели, используемые для прогнозирования долгосрочной погоды на Земле ( климатические модели Были разработаны ), которые сегодня имеют такое же грубое разрешение, как и старые модели прогнозирования погоды. Эти климатические модели используются для исследования долгосрочных климатических изменений, например, последствий, которые могут быть вызваны выбросами парниковых газов человеком .

Метеорологи

Дополнительная информация: Метеоролог.

Метеорологи — это ученые, которые изучают и работают в области метеорологии. Американское метеорологическое общество публикует и постоянно обновляет авторитетный электронный метеорологический глоссарий . Метеорологи работают в государственных учреждениях , частных консультационных и исследовательских службах, на промышленных предприятиях, в коммунальных хозяйствах, на радио- и телестанциях , в сфере образования . В США в 2018 году метеорологи имели около 10 000 рабочих мест.

Хотя прогнозы погоды и предупреждения являются наиболее известными для общественности продуктами метеорологов, ведущие прогнозов погоды на радио и телевидении не обязательно являются профессиональными метеорологами. Чаще всего это репортеры с небольшой формальной метеорологической подготовкой, использующие нерегулируемые должности, такие как специалист по погоде или метеоролог . Американское метеорологическое общество и Национальная метеорологическая ассоциация выдают «Знаки одобрения» метеорологам, отвечающим определенным требованиям, но это не является обязательным для найма средств массовой информации.

Оборудование

Основная статья: Метеорологическое оборудование

Спутниковый снимок урагана Хьюго с полярной минимумом, видимым в верхней части изображения.

Каждая наука имеет свои уникальные наборы лабораторного оборудования. В атмосфере есть много вещей или качеств атмосферы, которые можно измерить. Дождь, который можно наблюдать или видеть где угодно и когда угодно, был одним из первых атмосферных качеств, измеренных исторически. Кроме того, двумя другими точно измеряемыми качествами являются ветер и влажность. Ни то, ни другое нельзя увидеть, но можно почувствовать. Устройства для измерения этих трех показателей появились в середине 15 века и представляли собой дождемер , анемометр и гигрометр соответственно. До 15 века было предпринято множество попыток создать адекватное оборудование для измерения многих атмосферных переменных. Многие из них были в чем-то неисправны или просто ненадежны. Даже Аристотель в некоторых своих работах отмечал это как трудность измерения воздуха.

Наборы приземных измерений являются важными данными для метеорологов. Они дают снимок различных погодных условий в одном месте и обычно находятся на метеостанции , корабле или метеорологическом буе . Измерения, проводимые на метеостанции, могут включать любое количество наблюдаемых атмосферных явлений. Обычно температура, давление , ветер и влажность являются переменными, которые измеряются термометром, барометром, анемометром и гигрометром соответственно. Профессиональные станции также могут включать в себя датчики качества воздуха ( угарного газа , углекислого газа , метана , озона , пыли и дыма ), облакомер (облачный потолок), датчик падающих осадков, датчик затопления , датчик молнии , микрофон ( взрывы , звуковые удары , гром ) , пиранометр / пиргелиометр / спектрорадиометр ИК/Вид/УФ ( фотодиоды ), датчик дождя / снегомера , сцинтилляционный счетчик ( фоновое излучение , осадки , радон ), сейсмометр ( землетрясения и подземные толчки), трансмиссометр (видимость) и GPS-часы для данных. регистрация . Аэрологические данные имеют решающее значение для прогнозирования погоды. Наиболее широко используемый метод — запуски радиозондов . В дополнение к радиозондам сеть сбора самолетов организована Всемирной Метеорологической Организацией .

Дистанционное зондирование , используемое в метеорологии, представляет собой концепцию сбора данных об удаленных погодных явлениях и последующего получения информации о погоде. Распространенными типами дистанционного зондирования являются радар , лидар и спутники (или фотограмметрия ). Каждый из них собирает данные об атмосфере из удаленного места и обычно хранит данные там, где находится прибор. Радар и лидар не являются пассивными, поскольку оба используют электромагнитное излучение для освещения определенной части атмосферы. Метеорологические спутники наряду со спутниками наблюдения Земли более общего назначения, вращающимися вокруг Земли на различных высотах, стали незаменимым инструментом для изучения широкого спектра явлений, от лесных пожаров до Эль-Ниньо .

Пространственные масштабы

Изучение атмосферы можно разделить на отдельные области, которые зависят как от временных, так и от пространственных масштабов. На одном полюсе этой шкалы находится климатология. Во временных масштабах от часов до дней метеорология разделяется на метеорологию микро-, мезо- и синоптического масштаба. Соответственно, геопространственный размер каждого из этих трех масштабов напрямую связан с соответствующим временным масштабом.

Другие подклассы используются для описания уникальных, локальных или широких эффектов внутри этих подклассов.

Масштабы систем движения атмосферы

Тип движения	Горизонтальный масштаб (метр)
Молекулярный средний свободный путь	10 −7
Минутные бурные водовороты	10 −2 – 10 −1
Маленькие водовороты	10 −1 – 1
Пылевые дьяволы	1–10
Порывы	10 – 10 2
Торнадо	10 2
Кучево-дождевые облака	10 3
Фронты, линии шквалов	10 4 – 10 5
Ураганы	10 5
Синоптические циклоны	10 6
Планетарные волны	10 7

Микромасштаб

Основная статья: Микромасштабная метеорология

Микромасштабная метеорология - это изучение атмосферных явлений в масштабе около 1 километра (0,62 мили) или меньше. В этом масштабе моделируются отдельные грозы, облака и локальная турбулентность, вызванная зданиями и другими препятствиями (например, отдельными холмами).

Мезомасштаб

Основная статья: Мезомасштабная метеорология

Мезомасштабная метеорология — это изучение атмосферных явлений, имеющих горизонтальные масштабы от 1 км до 1000 км и вертикальный масштаб, начинающийся у поверхности Земли и включающий пограничный слой атмосферы, тропосферу, тропопаузу и нижнюю часть стратосферы . Мезомасштабные временные рамки длятся от менее одного дня до нескольких недель. Обычно представляют интерес грозы , линии шквалов , фронты , полосы осадков в тропических и внетропических циклонах , а также топографически создаваемые погодные системы, такие как горные волны, морские и сухопутные бризы .

Синоптический масштаб

Основная статья: Метеорология синоптического масштаба

NOAA : анализ погоды синоптического масштаба

Метеорология синоптического масштаба предсказывает атмосферные изменения в масштабах до 1000 км и 10 км. ⁵ сек (28 дней), во времени и пространстве. В синоптическом масштабе доминирующую роль в предсказаниях играет ускорение Кориолиса, действующее на движущиеся воздушные массы (за пределами тропиков). Явления, обычно описываемые синоптической метеорологией, включают такие явления, как внетропические циклоны, бароклинные впадины и хребты, фронтальные зоны и в некоторой степени реактивные течения . Все это обычно указывается на картах погоды на определенное время. Минимальный горизонтальный масштаб синоптических явлений ограничен расстоянием между наземными станциями наблюдения .

Глобальный масштаб

Среднегодовая температура поверхности моря

Метеорология глобального масштаба – это изучение погодных условий, связанных с переносом тепла от тропиков к полюсам . В этом масштабе важны очень крупномасштабные колебания. Эти колебания имеют периоды времени, как правило, порядка месяцев, например, колебание Мэддена-Джулиана , или лет, например, Эль-Ниньо-Южное колебание и тихоокеанское десятилетнее колебание . Метеорология глобального масштаба выходит за рамки климатологии. Традиционное определение климата вынесено в более крупные временные масштабы, и с пониманием более долгосрочных глобальных колебаний их влияние на климат и погодные возмущения можно включить в прогнозы на синоптических и мезомасштабных временных масштабах.

Численное прогнозирование погоды является основным направлением в понимании взаимодействия воздуха и моря, тропической метеорологии, предсказуемости атмосферы и тропосферных/стратосферных процессов. Лаборатория военно-морских исследований в Монтерее, штат Калифорния, разработала глобальную атмосферную модель под названием « Система оперативного глобального прогнозирования атмосферы ВМФ» (NOGAPS). NOGAPS оперативно работает в Центре цифровой метеорологии и океанографии флота Вооруженных сил США. Многие другие глобальные атмосферные модели управляются национальными метеорологическими агентствами.

Некоторые метеорологические принципы

Метеорология пограничного слоя

Метеорология пограничного слоя — это изучение процессов в воздушном слое непосредственно над поверхностью Земли, известном как пограничный слой атмосферы (АПС). Воздействие поверхности – нагрев, охлаждение и трение – вызывает турбулентное перемешивание внутри слоя воздуха. Значительное движение тепла , материи или импульса во временных масштабах менее суток вызвано турбулентными движениями. Метеорология пограничного слоя включает изучение всех типов границы между поверхностью и атмосферой, включая океан, озеро, городские и загородные территории, для изучения метеорологии.

Динамическая метеорология

Динамическая метеорология обычно фокусируется на гидродинамике атмосферы. Идея воздушного пакета используется для определения наименьшего элемента атмосферы, игнорируя при этом дискретную молекулярную и химическую природу атмосферы. Воздушный пакет определяется как бесконечно малая область в жидком континууме атмосферы. Фундаментальные законы гидродинамики, термодинамики и движения используются для изучения атмосферы. Физическими величинами, характеризующими состояние атмосферы, являются температура, плотность, давление и т. д. Эти переменные имеют уникальные значения в континууме.

Приложения

Прогноз погоды

Основная статья: Прогноз погоды

Прогноз приземного давления на пять дней вперед для северной части Тихого океана, Северной Америки и северной части Атлантического океана.

Прогнозирование погоды — это применение науки и техники для прогнозирования состояния атмосферы в будущем и в данном месте. Люди пытались неформально предсказать погоду на протяжении тысячелетий и формально, по крайней мере, с 19 века. Прогнозы погоды составляются путем сбора количественных данных о текущем состоянии атмосферы и использования научного понимания атмосферных процессов для прогнозирования того, как атмосфера будет развиваться.

Когда-то это была общечеловеческая попытка, основанная главным образом на изменениях атмосферного давления , текущих погодных условий и состояния неба. прогнозные модели теперь используются для определения будущих условий. Для выбора наилучшей модели прогнозирования, на которой будет основан прогноз, по-прежнему требуется человеческий вклад, который включает в себя навыки распознавания образов, телесвязи , знание производительности модели и знание предвзятости модели. Хаотичная природа атмосферы, огромные вычислительные мощности , необходимые для решения уравнений, описывающих атмосферу, ошибки измерения начальных условий и неполное понимание атмосферных процессов означают, что прогнозы становятся менее точными по мере разницы в текущем времени и времени. время, на которое делается прогноз ( диапазон прогноза), увеличивается. Использование ансамблей и консенсуса моделей помогает уменьшить ошибку и выбрать наиболее вероятный результат.

Прогнозы погоды имеют множество конечных целей. Погодные предупреждения являются важными прогнозами, поскольку они используются для защиты жизни и имущества. Прогнозы, основанные на температуре и осадках , важны для сельского хозяйства. и, следовательно, торговцам сырьевыми товарами на фондовых рынках. Прогнозы температуры используются коммунальными компаниями для оценки спроса на ближайшие дни. Ежедневно люди используют прогнозы погоды, чтобы определить, что надеть. Поскольку деятельность на свежем воздухе сильно ограничивается проливным дождем, снегом и холодным ветром , прогнозы можно использовать для планирования мероприятий в связи с этими событиями, а также для планирования заранее и выживания в них.

Авиационная метеорология

Авиационная метеорология занимается изучением влияния погоды на управление воздушным движением . Экипажам важно понимать влияние погоды на их план полета, а также на их самолеты, как отмечено в Руководстве по аэронавигационной информации :

Воздействие льда на самолет носит кумулятивный характер: тяга уменьшается, сопротивление увеличивается, подъемная сила уменьшается, а вес увеличивается. Результатом является увеличение скорости сваливания и ухудшение характеристик самолета. В крайних случаях на передней кромке крыла может образоваться от 2 до 3 дюймов льда менее чем за 5 минут. Достаточно всего лишь 1/2 дюйма льда, чтобы уменьшить подъемную силу некоторых самолетов на 50 процентов и увеличить сопротивление трения на такой же процент.

Сельскохозяйственная метеорология

Метеорологи, почвоведы , сельскохозяйственные гидрологи и агрономы — это люди, занимающиеся изучением влияния погоды и климата на распространение растений, урожайность сельскохозяйственных культур , эффективность использования воды, фенологию развития растений и животных, а также энергетический баланс управляемых и естественных экосистем. И наоборот, их интересует роль растительности в климате и погоде.

Гидрометеорология

Гидрометеорология — это раздел метеорологии, который занимается гидрологическим циклом , водным балансом и статистикой осадков во время штормов . Гидрометеоролог готовит и выпускает прогнозы накопления (количественных) осадков, сильного дождя, сильного снегопада, а также выделяет районы с возможностью внезапного паводка. Обычно диапазон необходимых знаний пересекается с климатологией, мезомасштабной и синоптической метеорологией и другими науками о Земле.

Междисциплинарный характер отрасли может привести к техническим проблемам, поскольку инструменты и решения каждой из отдельных задействованных дисциплин могут вести себя немного по-разному, быть оптимизированными для разных аппаратных и программных платформ и использовать разные форматы данных. Есть некоторые инициативы, такие как проект DRIHM. – которые пытаются решить эту проблему.

Ядерная метеорология

Ядерная метеорология исследует распространение радиоактивных аэрозолей и газов в атмосфере.

Морская метеорология

Морская метеорология занимается прогнозами погоды и волнения для судов, работающих в море. Такие организации, как Центр прогнозирования океана Гонолулу , Национальная метеорологическая служба , Метеорологическое бюро Соединенного Королевства , KNMI и JMA, готовят прогнозы для открытого моря для мирового океана.

Военная метеорология

Основная статья: Военная метеорология

Военная метеорология — это исследования и применение метеорологии в военных целях. В Соединенных Штатах США командующий ВМС , Командование метеорологии и океанографии ВМС курирует метеорологические усилия ВМФ и Корпуса морской пехоты , а отвечает США Метеорологическое агентство ВВС за ВВС и армию .

Экологическая метеорология

Экологическая метеорология в основном анализирует физическое и химическое распространение промышленных загрязнений на основе метеорологических параметров, таких как температура, влажность, ветер и различные погодные условия.

Возобновляемая энергия

Приложения метеорологии в области возобновляемых источников энергии включают фундаментальные исследования, «разведку» и потенциальное картирование энергии ветра и солнечного излучения для ветровой и солнечной энергии.

См. также

Основные статьи: Очерк метеорологии и словарь метеорологии.

• Аэрография
• Американский практический навигатор
• Атмосферная циркуляция
• Слои атмосферы
• Атмосферные модели
• Атмосферное давление
• Атмосферная термодинамика
• Автоматизированная метеостанция аэропорта
• Облако
• Поток вихревой ковариации (корреляция вихрей, вихревой поток)
• Эль-Ниньо – Южное колебание
• Указатель метеорологических статей
• Сезоны коренных народов Австралии
• Список типов облаков
• Список метеорологических учреждений
• Список российских метеорологов
• Список погодных инструментов
• Осцилляция Мэддена – Джулиана
• Метеорологическая зима
• Национальный день метеоролога
• Осадки
• РОФОР
• Космическая погода
• Тираж Уокера
• Метеостанция

Дальнейшее чтение

• Байерс, Гораций. Общая метеорология. Нью-Йорк: МакГроу-Хилл, 1994.
• Гаррет, младший (1992) [1992]. Пограничный слой атмосферы . Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-38052-2 .
• Словарь метеорологии . Американское метеорологическое общество (2-е изд.). Аллен Пресс. 2000. Архивировано из оригинала 21 мая 2006 года . Проверено 13 октября 2004 г. {{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
• Блюштейн, Х. (1992) [1992]. Синоптико-динамическая метеорология в средних широтах: основы кинематики и динамики, Vol. 1 . Издательство Оксфордского университета . ISBN  978-0-19-506267-0 .
• Блюстейн, Х. (1993) [1993]. Синоптико-динамическая метеорология в средних широтах: Том II: Наблюдения и теория погодных систем . Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-506268-7 .
• Рейнольдс, Р. (2005) [2005]. Путеводитель по погоде . Буффало, Нью-Йорк: Firefly Books Inc., с. 208 . ISBN  978-1-55407-110-4 .
• Холтон, младший (2004) [2004]. Введение в динамическую метеорологию (4-е изд.). Берлингтон, Мэриленд: ISBN Elsevier Inc.  978-0-12-354015-7 . Архивировано из оригинала 19 июля 2013 года . Проверено 21 мая 2017 г.
• Роулстон, Ян и Норбери, Джон (2013). Невидимый во время шторма: роль математики в понимании погоды . Издательство Принстонского университета. ISBN  978-0691152721 .

Словари и энциклопедии

• Гликман, Тодд С. (июнь 2000 г.). Метеорологический глоссарий (электронный) (2-е изд.). Кембридж, Массачусетс: Американское метеорологическое общество . Архивировано из оригинала 10 марта 2014 года . Проверено 10 марта 2014 г.
• Густаво Эррера, Роберто; Гарсиа-Эррера, Рикардо; Прието, Луис; Гальего, Дэвид; Эрнандес, Эмилиано; Химено, Луис; Кеннен, Гюнтер; Кук, Фриц; Уиллер, Деннис; Уилкинсон, Клайв; Дель Росарио Прието, Мария; Баес, Карлос; Вудрафф, Скотт. Словарь морских метеорологических терминов: Многоязычный словарь метеорологических терминов CLIWOC; Английский/испанский/французский/голландский словарь терминов Windforce, используемых мореплавателями с 1750 по 1850 год (PDF) . КЛИВОК . Архивировано из оригинала (PDF) 21 апреля 2021 года . Проверено 13 апреля 2014 г.
• «Метеорологическая энциклопедия» . Центральное метеорологическое бюро. 6 декабря 2018 года. Архивировано из оригинала 21 сентября 2014 года . Проверено 14 сентября 2014 г.

История

• Лоуренс-Мазерс, Энн (2020). Средневековая метеорология: прогноз погоды от Аристотеля до Альманаха . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. Бибкод : 2020mmfw.book.....L . дои : 10.1017/9781108289948 . ISBN  978-1-108-40600-0 . S2CID   211658964 .

Внешние ссылки

Пожалуйста, смотрите прогноз погоды на сайтах с прогнозами погоды.

• Метеорология качества воздуха. Архивировано 25 июля 2009 г. в Wayback Machine . Онлайн-курс, знакомящий с основными понятиями метеорологии и качества воздуха, необходимыми для понимания метеорологических компьютерных моделей. Написано на уровне бакалавра.
• Программа GLOBE. Архивировано 11 мая 2023 года в Wayback Machine - (Глобальное обучение и наблюдения на благо окружающей среды). Международная программа науки и образования в области окружающей среды, которая объединяет студентов, преподавателей и научно-исследовательское сообщество в стремлении узнать больше об окружающей среде посредством сбор и наблюдение данных учащихся.
• Глоссарий по метеорологии. Архивировано 13 мая 2023 г. в Wayback Machine . Американское метеорологическое общество. Отличный справочник по номенклатуре, уравнениям и концепциям для более опытных читателей.
• JetStream - онлайн-школа погоды. Архивировано 11 мая 2023 г. в Wayback Machine - Национальная метеорологическая служба.
• Узнайте о метеорологии. Архивировано 11 июля 2006 г. в Wayback Machine - Австралийское бюро метеорологии.
• Путеводитель по погоде. Архивировано 24 февраля 2017 г. на Wayback Machine - Учебные пособия по погоде и новости на сайте About.com.
• Метеорологическое образование и подготовка кадров (MetEd). Архивировано 11 мая 2023 г. в Wayback Machine - Программа COMET.
• Центральная библиотека NOAA – Национальное управление океанических и атмосферных исследований
• Проект World Weather 2010. Архивировано 19 августа 2008 г. в Wayback Machine, Университет Иллинойса в Урбане-Шампейне.
• Ogimet - онлайн-данные метеорологических станций мира, полученные через бесплатные сервисы NOAA. Архивировано 24 июля 2009 г. на Wayback Machine.
• Национальный центр архивов атмосферных исследований документирует историю метеорологии.
• Прогноз погоды и наука о климате. Архивировано 14 августа 2011 г. в Wayback Machine - Метеорологическое управление Соединенного Королевства.
• Метеорология. Архивировано 29 января 2018 года на Wayback Machine , дискуссия BBC Radio 4 с Владимиром Янковичем, Ричардом Хэмбином и Ибой Таубом ( В наше время , 6 марта 2003 г.)
• Виртуальная выставка о метеорологии. Архивировано 24 ноября 2020 г. в Wayback Machine в цифровой библиотеке Парижской обсерватории.