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».
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. [1] 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. Ритуалы вызывания дождя у египтян существовали еще в 3500 году до нашей эры. [1]
Древние индийские Упанишады содержат упоминания об облаках и временах года . [2] Самаведа упоминает жертвоприношения, которые необходимо было совершать, когда были замечены определенные явления. [3] Классический труд Варахамихиры «Брихатсамхита» , написанный около 500 года нашей эры, [2] содержит свидетельства наблюдений за погодой.
Клинописные надписи на вавилонских табличках включали ассоциации между громом и дождем. Халдеи различали ореолы 22° и 46 ° . [3]
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. [4] Геродот утверждает, что Фалес предсказал солнечное затмение 585 г. до н.э. Он изучал вавилонские таблицы равноденствия. [5] По словам Сенеки, он дал объяснение, что причиной ежегодных разливов Нила были северные ветры, препятствующие его спуску к морю. [6] 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. [7] 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. [8] Эмпедокл выдвинул теорию о смене 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, заполнив тем самым озера и Нил. [9] Гиппократ исследовал влияние погоды на здоровье. По словам Плиния , Евдокс утверждал, что плохая погода следовала за четырехлетними периодами. [10]
Эти ранние наблюдения легли в основу «Метеорологии» Аристотеля , написанной в 350 г. до н.э. [11] [12] Аристотель считается основателем метеорологии. [13] 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. [14]
В книге De Mundo (написанной до 250 г. до н. э. или между 350 и 200 гг. до н. э.) отмечалось: [15]
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. [16] 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. [17] Применяя деление и принцип баланса в годовой погоде, он пришел к таким прогнозам, что если зимой выпадает много дождя, весна обычно сухая. 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. [18] Работы Теофраста оставались доминирующим влиянием в прогнозировании погоды в течение почти 2000 лет. [19]
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. [20]
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 « Альмагест » Птолемея был посвящен метеорологии, поскольку она считалась разделом астрономии. Он дал несколько астрологических прогнозов погоды. [21] 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. [22] Птолемей писал об атмосферном преломлении света в контексте астрономических наблюдений. [23]
В 25 году нашей эры римский географ Помпоний Мела формализовал систему климатических поясов. [24] В 63–64 гг. н.э. Сенека написал Naturales questiones . 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. [25] Вторая книга (глава) « Естественной истории» Плиния 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. [26]
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 . [27]
Исламская цивилизация перевела на арабский язык многие древние произведения, которые были переданы и переведены в Западной Европе на латынь. [28]
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 ( дождевые небесные тела ) и атмосферные явления, такие как ветры, гром, молния, снег, наводнения. , долины, реки, озера. [29] [30]
В 1021 году Альхазен в тезаурусе Opticae показал, что атмосферная рефракция также ответственна за сумерки ; он подсчитал, что сумерки начинаются, когда солнце оказывается на 19 градусов ниже горизонта , а также использовал основанное на этом геометрическое определение для оценки максимально возможной высоты земной атмосферы в 52 000 пассимов (около 49 миль, или 79 км). [31]
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, до 1650 года было написано более 156 комментариев к «Метеорологии ».
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 . [33]
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. [34] Роджер Бэкон был первым, кто вычислил угловой размер радуги. Он заявил, что вершина радуги не может появляться выше 42 градусов над горизонтом. [35]
В конце 13 - начале 14 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. [36]
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. [37]
« De Subilitate » Джероламо Кардано (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. [38]
«Рассуждения Рене Декарта о методе» (1637 г.) олицетворяют 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. [39]
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. [40]
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. [41]
В 19 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. [42]
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. [ нужна цитата ]
В 1441 году сын короля Седжона , принц Кореи Мунджонг, изобрел первый стандартизированный датчик дождя . [43] Они были разосланы по всей корейской династии Чосон в качестве официального инструмента для оценки земельных налогов на основе потенциального урожая фермера. В 1450 году Леоне Баттиста Альберти разработал анемометр с качающейся пластиной , который был известен как первый анемометр . [44] 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)». [45] В 1643 году Евангелиста Торричелли изобрел ртутный барометр . [44] В 1662 году сэр Кристофер Рен изобрел механический самоопорожняющийся дождемер с опрокидывающимся ковшом. В 1714 году Габриэль Фаренгейт создал надежную шкалу для измерения температуры с помощью ртутного термометра . [46] В 1742 году Андерс Цельсий , шведский астроном, предложил «стоградусную» температурную шкалу, предшественницу нынешней шкалы Цельсия . [47] В 1783 году первый волосяной гигрометр был продемонстрирован Орасом-Бенедиктом де Соссюром . В 1802–1803 годах Люк Говард написал «О видоизменении облаков» , в котором дал типам облаков латинские названия. [48] В 1806 году Фрэнсис Бофорт представил свою систему классификации скоростей ветра . [49] Ближе к концу 19 века были опубликованы первые атласы облаков , в том числе Международный атлас облаков , который с тех пор продолжает издаваться. Запуск в апреле 1960 года первого успешного метеорологического спутника TIROS -1 ознаменовал начало эпохи, когда информация о погоде стала доступна во всем мире.
В 1648 году Блез Паскаль заново открыл, что атмосферное давление уменьшается с высотой, и пришел к выводу, что над атмосферой существует вакуум. [50] В 1738 году Даниэль Бернулли опубликовал «Гидродинамику» , положив начало кинетической теории газов и установив основные законы теории газов. [51] 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 . [52] В 1777 году Антуан Лавуазье открыл кислород и разработал объяснение горения. [53] В 1783 году в эссе Лавуазье «Размышления о флогистике» [54] он осуждает теорию флогистона и предлагает теорию теплорода . [55] [56] 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 .
В 1494 году Христофор Колумб пережил тропический циклон, что привело к первому письменному европейскому сообщению об урагане. [57] В 1686 году Эдмунд Галлей представил систематическое исследование пассатов и муссонов и определил солнечное нагревание как причину атмосферных движений. [58] В 1735 году Джордж Хэдли написал идеальное объяснение глобальной циркуляции посредством изучения пассатов . [59] В 1743 году, когда Бенджамину Франклину не удалось увидеть лунное затмение из-за урагана , он решил, что циклоны движутся в противоположном направлении по отношению к ветрам на их периферии. [60] 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. [61] В 1856 году Уильям Феррел предположил существование циркуляционной ячейки в средних широтах, и воздух внутри нее отклоняется силой Кориолиса, что приводит к преобладанию западных ветров. [62] В конце XIX века движение воздушных масс вдоль изобар считалось результатом крупномасштабного взаимодействия силы градиента давления и отклоняющей силы. В 1912 году эту отклоняющую силу назвали эффектом Кориолиса. [63] Сразу после Первой мировой войны группа метеорологов в Норвегии во главе с Вильгельмом Бьеркнесом разработала норвежскую модель циклонов , объясняющую возникновение, усиление и окончательный распад (жизненный цикл) циклонов средних широт , и ввела идею фронтов . , то есть резко очерченные границы между воздушными массами . [64] 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 .
В конце 16 — первой половине 17 веков был изобретен целый 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. [65] В 1654 году Фердинандо II Медичи основал первую сеть наблюдений за погодой , которая состояла из метеорологических станций во Флоренции , Кутильяно , Валломброзе , Болонье , Парме , Милане , Инсбруке , Оснабрюке , Париже и Варшаве . Собранные данные через определенные промежутки времени отправлялись во Флоренцию. [66] В 1660-х годах Роберт Гук из Лондонского королевского общества спонсировал сети метеорологов. В трактате Гиппократа « Воздухи, воды и места» погода связывалась с болезнями. Таким образом, первые метеорологи пытались связать погодные условия со вспышками эпидемий, а климат – со здоровьем населения. [65]
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. [65] В 1832 году бароном Шиллингом был создан электромагнитный телеграф . [67] Появление электрического телеграфа в 1837 году впервые предоставило практический метод быстрого сбора приземных метеорологических наблюдений с большой территории. [68]
Эти данные могут быть использованы для создания карт состояния атмосферы в регионе вблизи поверхности Земли и для изучения того, как эти состояния развивались с течением 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 . [69] 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 . [70] Чарльз Кеннет Маккиннон Дуглас, известный как «CKM» Дуглас прочитал статьи Лея после его смерти и продолжил ранние исследования погодных систем. [71] Исследователи девятнадцатого века в области метеорологии были привлечены с военным или медицинским образованием, а не готовились как преданные своему делу ученые. [72] В 1854 году правительство Соединенного Королевства назначило Роберта Фитцроя на новую должность метеорологического статистика при Министерстве торговли с задачей сбора метеорологических наблюдений на море. В 1854 году офис Фицроя 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 Фицроя, 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. [73]
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 . [74] Финское центральное метеорологическое управление (1881 г.) было образовано на базе Магнитной обсерватории Хельсинкского университета . [75] Токийская метеорологическая обсерватория Японии, предшественница Японского метеорологического агентства , начала создавать карты приземной погоды в 1883 году. [76] 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. [77] [78]
В 1904 году норвежский учёный Вильгельм Бьеркнес в своей статье «Прогноз погоды как проблема механики и физики» впервые заявил, что должна быть возможность прогнозировать погоду на основе вычислений, основанных на законах природы . [79] [80]
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» [81] после обнаружения заметок и выводов, над которыми он работал водителем скорой помощи во время Первой мировой войны. Он описал, как небольшие члены в прогностических уравнениях гидродинамики, которые управляют атмосферным потоком, можно было бы пренебречь, и можно было бы разработать схему числовых расчетов, позволяющую делать прогнозы. 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. [82] 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 . [83] В 1959 году Метеорологическое бюро Великобритании получило свой первый компьютер — Ferranti Mercury . [84]
В 1960-х годах хаотическую природу атмосферы впервые наблюдал и математически описал Эдвард Лоренц , основавший область теории хаоса . [85] Эти достижения привели к использованию ансамблевого прогнозирования в большинстве крупных прогностических центров, чтобы принять во внимание неопределенность, возникающую из-за хаотической природы атмосферы. [86] Были разработаны математические модели, используемые для прогнозирования долгосрочной погоды на Земле ( климатические модели ), которые сегодня имеют такое же грубое разрешение, как и старые модели прогнозирования погоды. Эти климатические модели используются для исследования долгосрочных изменений климата , например, того, какие последствия могут быть вызваны выбросами парниковых газов человеком .
Метеорологи — это ученые, которые изучают и работают в области метеорологии. [87] Американское метеорологическое общество публикует и постоянно обновляет авторитетный электронный метеорологический глоссарий . [88] Метеорологи работают в государственных учреждениях , частных консультационных и исследовательских службах, на промышленных предприятиях, в коммунальных службах, на радио- и телестанциях , а также в сфере образования . В США в 2018 году метеорологи имели около 10 000 рабочих мест. [89]
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 в средства массовой информации.
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. [90] Профессиональные станции могут также включать в себя датчики качества воздуха ( угарного газа , углекислого газа , метана , озона , пыли и дыма ), облакомер (облачный потолок), датчик падающих осадков, датчик наводнения , датчик молнии , микрофон ( взрывы , звуковые удары). , гром ), пиранометр / пиргелиометр / спектрорадиометр (ИК/Вид/УФ фотодиоды ), дождемер / снегомер , сцинтилляционный счетчик ( фоновое излучение , осадки , радон ), сейсмометр ( землетрясения и толчки), трансмиссометр (видимость) и GPS часы для регистрации данных . 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 расположен прибор. Радар и лидар не являются пассивными, поскольку оба используют электромагнитное излучение для освещения определенной части атмосферы. [91] 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 .
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.
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). [93]
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 . [94]
Метеорология синоптического масштаба предсказывает атмосферные изменения в масштабах до 1000 км и 10 5 секунд (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, струйные течения . Все это обычно указывается на картах погоды на определенное время. Минимальный горизонтальный масштаб синоптических явлений ограничен расстоянием между станциями наземных наблюдений . [95]
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, обычно 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 длительных 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. [96] Военно -морская исследовательская лаборатория в Монтерее, штат Калифорния, разработала глобальную атмосферную модель под названием « Оперативная глобальная система 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.
Метеорология пограничного слоя — это изучение процессов в воздушном слое непосредственно над поверхностью Земли, известном как пограничный слой атмосферы (ABL). 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. [97] Метеорология пограничного слоя включает изучение всех типов границы между поверхностью и атмосферой, включая океан, озеро, городские и загородные территории, для изучения метеорологии.
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. [92]
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. [98] [99] Прогнозы погоды составляются путем сбора количественных данных о текущем состоянии атмосферы и использования научного понимания атмосферных процессов для прогнозирования того, как атмосфера будет развиваться. [100]
Когда - то это была общечеловеческая задача, основанная главным образом на изменениях барометрического давления , текущих погодных условий и состояния неба, но сейчас модели прогнозирования используются для определения будущих условий. Для выбора наилучшей модели прогнозирования, на которой будет основываться 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 из-за 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. [103] [104] [105]
Прогнозы погоды имеют множество конечных целей. Погодные предупреждения являются важными прогнозами, поскольку они используются для защиты жизни и имущества. [106] Прогнозы, основанные на температуре и осадках , важны для сельского хозяйства, [107] [108] [109] [110] и, следовательно, для торговцев сырьевыми товарами на фондовых рынках. Прогнозы температуры используются коммунальными компаниями для оценки спроса на ближайшие дни. [111] [112] [113] 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 занимается изучением влияния погоды на управление воздушным движением . [114] Экипажам важно понимать влияние погоды на их план полета, а также на их самолеты, как отмечено в Руководстве по аэронавигационной информации : [115]
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. [116]
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. [117]
Гидрометеорология — это раздел метеорологии, который занимается гидрологическим циклом , водным балансом и статистикой осадков во время штормов . [118] Гидрометеоролог готовит и выпускает прогнозы накопления (количественных) осадков, сильного дождя, сильного снегопада, а также выделяет районы с возможными внезапными паводками. Обычно диапазон необходимых знаний пересекается с климатологией, мезомасштабной и синоптической метеорологией и другими науками о Земле. [119]
Междисциплинарный характер отрасли может привести к техническим проблемам, поскольку инструменты и решения из каждой отдельной задействованной дисциплины могут вести себя немного по-разному, быть оптимизированными для разных аппаратных и программных платформ и использовать разные форматы данных. Существуют некоторые инициативы, такие как проект DRIHM [120] , которые пытаются решить эту проблему. [121]
Ядерная метеорология исследует распространение радиоактивных аэрозолей и газов в атмосфере. [122]
Морская метеорология занимается прогнозами погоды и волнения для судов, работающих в море. Такие организации, как Центр прогнозирования океана , Национальная метеорологическая служба Гонолулу , Метеорологическое бюро Соединенного Королевства , KNMI и JMA , готовят прогнозы для открытого моря для мирового океана.
Военная метеорология — это исследования и применение метеорологии в военных целях. В Соединенных Штатах командующий ВМС США , Командование метеорологии и океанографии ВМС курирует метеорологические усилия ВМФ и Корпуса морской пехоты , а Метеорологическое агентство ВВС США отвечает за ВВС и армию .
Экологическая метеорология в основном анализирует физическое и химическое распространение промышленных загрязнений на основе метеорологических параметров, таких как температура, влажность, ветер и различные погодные условия.
Приложения метеорологии в области возобновляемых источников энергии включают фундаментальные исследования, «разведку» и потенциальное картирование энергии ветра и солнечного излучения для ветровой и солнечной энергии.
Перевод Э. У. Вебстера.
{{cite book}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка ) CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)По пути Discovery.
Центробежная сила Кориолиса 0-1920.
{{cite book}}: CS1 maint: others (link)
Пожалуйста, смотрите прогноз погоды на сайтах с прогнозами погоды.
