Методические рекомендации и контрольные задания для студентов заочного обучения по учебной дисциплине

• Название: Методические рекомендации и контрольные задания для студентов заочного обучения по учебной дисциплине
• Дата: 02.08.2022
• Размер: 0.63 Mb.
• Имя файла: met-recomendations-metrology.docx
• Тип: Методические рекомендации; #639319
• страница: 4 из 15

Вопросы для самоконтроля

1. 
   Физическая сущность процесса испарения
   
2. 
   Факторы, влияющие на величину испарения в естественных условиях
   
3. 
   Назовите основные характеристики влажности воздуха, дайте их определение, формулы и единицы измерения
   
4. 
   Объяснить, как зависит давление насыщенного водяного пара от температуры, формы и агрегатного состояния испаряющей поверхности, от концентрации испаряющего раствора
   
5. 
   Суточный и годовой ход парциального давления (е) водяного пара. Чем определяется двойной суточный ход “е’’ в летний безоблачный день?
   
6. 
   Суточный и годовой ход относительной влажности воздуха. Объяснить обратную зависимость относительной влажности от температуры воздуха
   

Тема 1.6 Конденсация водяного пара

Программа

Условия конденсации водяного пара в атмосфере. Ядра конденсации, образование зародышевых капель.

Влажноадиабатические процессы в атмосфере. Уровень конденсации. Влажноадиабатический градиент температуры. Кривая изменения состояния. Условия стратификации атмосферы для воздуха с насыщенным водяным паром.

Конденсация и сублимация водяного пара на земной поверхности и наземных предметах. Роса, иней, изморозь, гололед, гололедица, условия их образования, отличительные признаки; влияние на растительность, работу транспорта и связи.

Дымка, туман. Классификация туманов. Физические условия образования различных туманов и дымки. Понятие о методах искусственного образования и рассеяния туманов.

Облака. Условия образования облаков. Микрофизическая структура облаков. Уровни в атмосфере, связанные с облакообразованием. Международная классификация облаков, основные формы. Атлас облаков. Физические процессы образования облаков различных форм, их взаимные переходы. Фронтальные системы облаков. Высота и мощность облаков, их зависимость от времени суток, года и характера деятельной поверхности. Облачность ее суточный и годовой ход.

Практическое занятие

Вычисление уровня конденсации. Работа с атласом облаков.

Литература: [1], гл. 7; [4].

Методические указания

При изучении темы необходимо уяснить, при каких условиях происходит конденсация водяного пара, какие процессы приводят к понижению температуры до точки россы, какие продукты конденсации при этом образуются.

Процессы, приводящие к понижению температуры до точки росы, показаны на схеме рис. 7.1 стр. 162 [1].

При этом нужно запомнить, что обязательными условиями начала конденсации являются t≤ t_d; e≥ E.

Однако, для активной конденсации необходимо наличие ядер конденсации, которые всегда присутствуют в воздухе. Температура поверхности частиц всегда ниже температуры окружающего воздух, и это способствует образованию на них зародышевых капель. Размеры этих капель очень малы, и поэтому воздух над ними оказывается ненасыщенным водяным паром, что способствует дальнейшей активной конденсации.

Влажноадиабатические процессы в атмосфере происходят при отсутствии теплообмена с окружающей средой. При подъеме объема воздуха выше уровня конденсации его температура продолжает понижаться. Внутри этого объема начинается конденсация водяного пара. При этом выделяется тепло, которое остается внутри и идет на нагревание изолированного объема воздух. Таким образом, охлаждение объема воздуха при его подъеме будет происходить медленнее, чем при сухоадиабатическом процессе.

Следовательно, влажноадиабатический градиент (γ'_а) всегда меньше 1˚/100 м (т.е. меньше γ_а ). При этом величина γ'_а непостоянна и с высотой увеличивается, т.к. количество выделяющегося тепла внутри объема с высотой уменьшается из–за уменьшения количества водяного пара. Из–за этих же причин влажная адиабата не прямая, а кривая линия (см. рис. 7.3 и 7.4, стр. 172 [1]).

Условия стратификации атмосферы для насыщенного водяным паром воздуха проще всего разобрать по рис. 7.5 стр. 173 [1].

В дополнение к этому рисунку приведем соотношение градиентов:

а) γ <γ'_а<γ_а ; б) γ_а>γ >γ'_а ; в) γ >γ_а>γ'_а ,

где γ - характеризует изменение температуры в окружающем воздухе, γ_а - сухоадиабатический градиент, γ'_а - влажноадиабатический градиент.

В случае (а) изменение температуры в окружающей среде происходит медленнее, чем в любом перемещающемся объеме воздуха, поэтому поднимающийся воздух окажется более холодным и подъем его прекратится. Такое состояние будет абсолютно устойчивым. Рассуждая подобным же образом, нужно объяснить и рисунки (б) и (в) в сочетании с текстом.

Для вычисления высоты уровня конденсации можно использовать две формулы:

h = 122(t – t_d) или h = 22(100 – ƒ ) в метрах. Эти формулы в практической работе помогают определить примерную высоту облаков нижнего яруса в случае отсутствия нужного прибора.

При изучении классификации облаков следует усвоить десять основных форм, их характеристики, латинские и русские названия, сокращенное написание.
Вопросы для самоконтроля

1. 
   Условия конденсации водяного пара
   
2. 
   Процессы, приводящие к понижению температуры воздуха до точки росы
   
3. 
   Ядра конденсации – природа, размеры, образование зародышевых капель
   
4. 
   Влажноадиабатические процессы в атмосфере, влажноадиабатический градиент, влажная адиабата, кривая изменения состояния (привести рисунок)
   
5. 
   Условия стратификации атмосферы для насыщенного водяным паром воздуха (привести рисунки и объяснить)
   
6. 
   Роса и иней – определение, условия образования
   
7. 
   Изморозь – виды, условия образования
   
8. 
   Гололед и гололедица – условия образования
   
9. 
   Туманы, их виды, условия образования
   
10. 
    Облака; процессы, приводящие к облакообразованию
    
11. 
    Микрофизическая структура облаков. Уровни в атмосфере, связанные с облакообразованием, деление облаков по составляющим их элементам (привести схему)
    
12. 
    Международная классификация облаков – что положено в основу, основные формы
    
13. 
    Облака тепловой конвекции – формы, условия образования
    
14. 
    Облака и осадки теплого фронта, привести схему
    
15. 
    Облака и осадки холодных фронтов, привести схемы
    

Тема 1.7 Осадки, выпадающие из облаков

Программа

Классификация осадков. Типы и виды осадков, их характеристики; облака, из которых они выпадают. Условия, необходимые для выпадения осадков из облаков. Процессы укрупнения облачных элементов в ледяных, водяных и смешанных облаках. Условия образования дождя и снега, условия образования крупы и града. Химический состав осадков.

Суточный и годовой ход осадков. Распределение осадков на земной поверхности. Искусственное вызывание и предотвращение осадков, борьба с градобитием.

Снежный покров, его свойства, характеристики и значение. Запас воды в снеге. Таяние снежного покрова. Снегозадержание. Метели, их виды, условия образования. Лавины, условия образования, меры борьбы. Использование данных об осадках и снежном покрове в отдельных отраслях экономики.
Практическое занятие

Решение примеров на вычисление интенсивности осадков, плотности снега, запаса воды в снежном покрове.
Литература: [1], гл. 8
Методические указания

При изучении данной темы следует опираться на знания предыдущей темы. Типы и виды осадков тесно связаны с облаками, из которых они выпадают. Запомнить нужно следующее:

• 
  облака верхнего яруса осадков, достигающих поверхности, не дают;
  
• 
  облака среднего яруса Ас осадков, достигающих поверхности, не дают, Аs – чаще всего в системе фронтальных облаков дают обложной дождь или снег;
  
• 
  слоистые St облака иногда дают моросящие осадки; слоисто-кучевые Sc – иногда дают мелкокапельный непродолжительный дождь или снег; слоисто-дождевые Ns всегда дают продолжительные обложные осадки;
  
• 
  кучевые Сu облака осадков как правило не дают, однако, в субтропиках и тропиках из Сucong идет дождь, кучево-дождевые облака Сb почти всегда дают ливневые осадки, возможны град, крупа.
  

Осадки из облака выпадают под действием своего веса (размера), преодолевая восходящие движения воздуха, образующие облака. Поэтому, чем больше (сильнее) восходящие потоки воздуха, тем крупнее должны быть облачные элементы. Именно поэтому из тонких слоистых облаков могут выпадать мельчайшие капли мороси, т.к. облака расположены на небольшой высоте, а скорость восходящих потоков не превышает 1 м/с.

Наиболее активный процесс укрупнения облачных элементов (образование осадков) происходит в смешанных облаках, где за счет разности значений давления насыщенного водяного пара над каплей и кристаллом всегда быстро растет кристалл (в облаках As, NsCb). Поэтому, даже при значительных восходящих потоках (особенно в Сb), эти облака всегда дают осадки.

Под интенсивностью осадков понимают количество осадков в миллиметрах, выпавших за 1 мин (мм / мин).

1 мм осадков соответствует объему воды в 1000 см³ (или 1 литр) на площади в 1 м² (при условии отсутствия испарения, просачивания и стока). В пересчете на площадь 1га это соответствует 10 м³ осадков.

При изучении снежного покрова следует четко разделить его свойства и характеристики.

Таяние снега, главным образом, происходит за счет увеличения притока солнечной радиации. Однако, часто даже при облачной погоде происходит бурное снеготаяние за счет адвекции (притока) теплого воздуха.

Запас воды в снеге определяет слой воды, который образуется на поверхности в результате таяния снега. Эта величина очень важна для сельского хозяйства и гидротехнических сооружений.
Вопросы для самоконтроля

1. 
   Перечислить типы и виды осадков, их характеристики и облака, из которых они выпадают
   
2. 
   Процессы укрепления облачных элементов в ледяных, водяных и смешанных облаках
   
3. 
   Условия образования дождя и снега, крупы и града. Почему осенью и весной выпадает мокрый снег?
   
4. 
   Почему тонкие слоисто-кучевые облака иногда дают мелкокапельный дождь, а мощные кучевые – никогда не дают осадков?
   
5. 
   Где наблюдаются “мокрые” и самые “сухие” места земного шара, объясните причины ?
   
6. 
   Перечислить свойства снежного покрова
   
7. 
   Характеристики снежного покрова, их зависимость от условий погоды и рельефа
   
8. 
   Факторы, определяющие таяние снежного покрова. Как вычислить запас воды в снеге?
   
9. 
   Метели – определение, виды, условия возникновения, опасность
   

Тема 1.8 Атмосферное давление и плотность воздуха

Программа

Вес и давление воздуха. Единицы измерения давления, применяемые в метеорологии, соотношение между ними.

Уравнение состояния сухого воздуха.

Плотность сухого и влажного воздуха, виртуальная температура.

Изменение плотности воздуха с высотой. Изменение атмосферного давления с высотой. Основное уравнение статики.

Барическая ступень. Полная и сокращенная барометрические формулы Лапласа. Задачи, решаемые с помощью барометрических формул.

Барическое поле, изобарические поверхности, изобары, барические системы. Полный градиент давления, его горизонтальная и вертикальная составляющие, их вычисление.

Географическое распределение атмосферного давления на уровне моря. Карты изобар января и июля.
Практическое занятие

Графическое изображение барического поля. Вычисление горизонтального барического градиента, его графическое изображение.
Литература: [1], гл. 9

Методические указания

В этой теме много формул. Однако, главное не запомнить их, а понять физический смысл и зависимость между величинами, входящими в эти формулы.

Особое внимание следует уделить барической ступени. Проанализируйте формулу. В большой зависимости величина барической ступени находится от температуры: в теплом воздухе она значительно больше, чем в холодном. Это означает что, в теплом воздухе давление с высотой уменьшается медленнее, чем в холодном.

Важной величиной является горизонтальный барический градиент. Под действием этого градиента возникают воздушные течения. Величина градиента находится в обратной зависимости от расстояния между изобарами. Чем ближе (гуще) расположены изобары, тем больше величина градиента. Для того чтобы получить заметно значимые величины горизонтального градиента, при расчетах за единицу расстояния принимают один градус меридиана, т.е. 111 км (для упрощения расчетов иногда берут 100 км).
При рассмотрении карт давления проследите четкую зависимость атмосферного давления от температуры. Поверхность континентов летом прогревается сильнее поверхности океанов, поэтому атмосферное давление над континентом понижено, а над океанами повышено, зимой – наоборот.

При решении задач по барометрическим формулам нужно определять среднюю температуру слоя.
Вопросы для самоконтроля

1. 
   Дайте определение атмосферного давления. Единицы измерения давления, соотношение между мм ртутного столба и гектопаскалем
   
2. 
   Что такое нормальное атмосферное давление – определение, величина
   
3. 
   Уравнение состояния сухого воздуха, соотношение между составляющими
   
4. 
   Чем отличается плотность сухого от плотности влажного воздуха? Виртуальная температура – определение, вычисление
   
5. 
   Как изменяются плотность и давление воздуха с высотой?
   
6. 
   Барическая ступень – определение, формула, зависимость от температуры. Какие задачи можно решить с ее помощью?
   
7. 
   Напишите формулы Лапласа полную и сокращенную, дайте объяснение
   
8. 
   Что такое барическое поле, изобарические поверхности и изобары? Перечислите барические системы, дайте их определение
   
9. 
   Полный барический градиент – определение, направление; приведите схему разложения на вертикальный и горизонтальный градиент
   
10. 
    Что характеризуют вертикальный и горизонтальный барические градиенты?
    
11. 
    Формула горизонтального градиента давления, его определение и вычисление. Начертите вектора горизонтального градиента на следующем рисунке в точках А и В. (Карандашом в методических указаниях или перечертите в тетрадь)
    

.А 990гПа

.В 995гПа

В 1000гПа


12.Как меняется атмосферное давление в разное время года над сушей и морем?

Тема 1.9 Воздушные течения в атмосфере

Программа

Ветер, его направление, скорость и порывистость. Линии тока. Влияние препятствий на ветер.

Причина возникновения ветра. Градиентная сила. Силы, возникающие при движении воздуха: отклоняющая сила вращения Земли, сила трения, центробежная сила – природа, величина, направление, влияние на направление и скорость движения воздуха. Установившееся движение воздуха при отсутствии трения. Градиентный ветер. Установившееся движение воздуха при наличии трения. Системы ветров в циклоне и антициклоне.

Общая циркуляция атмосферы. Термическая циркуляция в атмосфере.

Ветры термического происхождения: бризы, горно-долинные ветры, ледниковые ветры – условия и районы возникновения.

Фен. Бора. Стоковый ветер, смерчи, суховей. Пассаты. Муссоны. Условия и районы их образования. Струйные течения.

Использование энергии ветра. Использование данных о ветровом режиме в отдельных отраслях экономики.
Практическое занятие

Вычерчивание схем действия сил и линий тока в условиях прямолинейных изобар, в циклоне и антициклоне (в отсутствии и при наличии трения) в северном и южном полушариях.
Литература: [1], гл. 10; [2], т. 1.14 – 1.18

Методические указания

В этой теме четко следует понять, что горизонтальное движение воздуха (ветер) возникает тогда, когда в разных точках поверхности или пространства в горизонтальном направлении возникает разность давления. При этом возникает движущая градиентная сила, в основе которой определяющим является величина горизонтального барического градиента.

При рассмотрении сил, действующих на движущуюся частицу воздуха, необходимо понять причину каждой силы, четко определить ее направление и от чего зависит ее величина, а также как каждая из них влияет на направление и скорость ветра.

Чтобы лучше понять влияние каждой силы на движущийся объем воздуха, нужно начертить схемы сил (без трения и с учетом трения) при прямолинейных и криволинейных изобарах. При этом следует помнить, что градиентная сила всегда направлена перпендикулярно изобарам в сторону низкого давления (в любой точке любой системы). Любую схему нужно чертить в следующей последовательности:

а) при отсутствии трения – изобары, вектор градиентной силы, вектор силы Кориолиса – прямо противоположно, вектор ветра – под прямым углом к этим силам (вправо от градиентной силы в северном полушарии, влево в южном).

б) при наличии трения – изобары, вектор градиентной силы перпендикулярно им, в сторону низкого давления; вектор направления ветра под острым углом вправо от градиентной силы в северном полушарии, влево в южном; под прямым углом к вектору направления ветра – вектор силы Кориолиса – вправо в с.п., влево в ю.п.; противоположно вектору ветра – вектор силы трения. Вектор центробежной силы всегда направлен по радиусу кривизны изобар от центра этой кривизны (см. рис. 10.13 и 10.10.15 [1]).

Следует понять, какое влияние каждая из сил оказывает на ветер. Градиентная сила вызывает ветер и действует на него, как ускорение. Отклоняющая сила вращения Земли изменяет направление ветра, отклоняя его от градиентной силы вправо в северном и влево в южном полушарии (при отсутствии трения угол между ними всегда 90˚). На скорость эта сила не влияет, но зависит от нее прямопропорционально. Сила трения изменяет направление, уменьшая угол отклонения вектора направления ветра от градиентной силы. Чем больше сила трения, тем меньше величина этого угла; скорость ветра при этом уменьшается. Центробежная сила не связана с направлением ветра, но сильно зависит от его скорости.

Причиной возникновения местных ветров (термической циркуляции) является неравномерное нагревание отдельных участков деятельной поверхности в каком-либо районе. При этом следует вспомнить зависимость барической ступени от температуры. Рассмотрим следующую схему:

Н В Н

993 гПа 995 гПа 993 гПа









__ ХВ ТВ ХВ___ поверхность

1000гПа С А В 1000гПа

1000гПа
В каком – то районе деятельная поверхность нагревается по-разному (например, водоем и берег). Днем над более нагретыми участками в т. А воздух окажется теплее, чем в т. В и С. Соответственно, величина барической ступени в теплом воздухе окажется больше, чем в холодном (например 10м/мб и 7м/мб). На нашем рисунке на высоте 500 м давление в т. А уменьшается на 5 гПа, а в т. В и С примерно на 7 гПа. Поэтому на одной и той же высоте в горизонтальном направлении возникнет разность давлений и практически сразу начнется движение воздуха из области с более высоким в область более низкого давления. Над точкой А возникает восходящее движение воздуха (тепловая конвекция), которое будет компенсировать отток воздуха на высоте, на которой начнется горизонтальное движение.

За счет прогрева воздуха и конвективного подъема в т. А давление воздуха уменьшится, а в области т. В и С возникнет нисходящее движение воздуха и у поверхности в этих точках возникнут области более высокого давления. Таким образом, у поверхности также образуется разность давления, которая приведет к началу движения из т. В и С в т. А. Образуется замкнутая циркуляция воздуха, нижняя горизонтальная ветвь которой и получила название термического ветра.

На рис. 10.24 [1] на схеме образования фена уровень конденсации можно рассчитать по формуле Ипполитова h =22(100 – f), где f – относительная влажность у поверхности Земли.
Вопросы для самоконтроля

1. 
   Что такое ветер? Чем он характеризуется?
   
2. 
   Что такое линии тока?
   
3. 
   Причина возникновения ветра
   
4. 
   Как влияют препятствия на скорость и направление ветра? Где и почему происходит усиление ветра?
   
5. 
   Перечислите силы, действующие на частицу воздуха
   
6. 
   Назовите причины возникновения каждой из сил, их направление и влияние на скорость и направление ветра
   
7. 
   Начертите схему сил при прямолинейных изобарах при отсутствии трения и с учетом силы трения (северное полушарие)
   
8. 
   От чего зависит угол отклонения ветра от горизонтального градиента давления у поверхности земли?
   
9. 
   Начертите схемы сил, действующих на частицу воздуха, и линии тока в циклоне и антициклоне северного и южного полушарий пи отсутствии и наличии трения
   
10. 
    Причины термического ветра. Объяснить схему его возникновения
    
11. 
    Бризы – характеристика, условия и районы образования
    
12. 
    Бора – характеристика, условия и районы образования
    
13. 
    Фен – характеристика, условия и районы образования. Начертить схему образования, объяснить
    
14. 
    Горно-долинные и ледниковые ветры, смерчи, суховей, стоковый ветер – характеристика, условия и районы образования
    
15. 
    Муссоны и пассаты - характеристика, условия и районы образования
    
16. 
    Что такое струйные течения, почему и где они возникают?
    

Тема 1.10 Оптические явления в атмосфере

Программа

Распространение света в атмосфере. Причины оптических явлений. Оптические явления, обусловленные рассеянием света в атмосфере: дневная освещенность, форма небесного свода, яркость небесного свода, цвет неба, сумерки, заря.

Дальность видимости. Влияние атмосферы на видимость. Дальность видимости реальных объектов. Метеорологическая дальность видимости.

Явления, обусловленные преломлением света в атмосфере: астрономическая и земная рефракции. Явления, обусловленные преломлением и отражением световых лучей в каплях и кристаллах облаков: радуга, гало. Явления, обусловленные дифракцией света на каплях и кристаллах облаков: венцы, иризация облаков, глория.
Литература: [1], гл. 11
Методические указания

Материал данной темы достаточно полно изложен в учебнике. Пониманию этих явлений помогут Ваши личные наблюдения за небесным сводом.

Голубой цвет неба определяется законом рассеяния Релея. Этот закон определяет рассеяние белого луча на молекулах воздуха. При этом каждая длина волны, соответствующая определенному цвету в спектре луча света, рассеивается по-разному. Максимально рассеиваются лучи сине-голубые, что и создает цвет неба.

Если в воздухе содержатся аэрозоли, то на этих, гораздо более крупных, чем молекулы воздуха, частицах, рассеяние белого луча не будет зависеть от длины волны, его составляющих. Поэтому на аэрозолях белый луч рассеивается не разноцветным пучком, а белым же цветом, который накладывается на голубой фон неба. Чем чаще воздух, тем более голубым будет небо и, наоборот.

При изучении сумерек четко определите, как их продолжительность зависит от времени года, широты и условий погоды. Продолжительность сумерек увеличивается с широтой, и летом за полярным кругом ночь превращается в “белую”, т.е. вечерние сумерки сливаются с утренними.

При изучении дальности видимости нужно понять физику этого явления. Формулы только подтверждают обоснование влияния атмосферы, запомнить их - не самое главное. Вначале следует определить, отчего зависит видимость реальных объектов. Например, два объекта на одинаковом расстоянии от наблюдателя, но обладающие разными размерами, цветом, структурой и т.д., видятся по-разному. Подумайте, от чего еще может зависеть видимость реальных объектов. Необходимо понять, что такое яркость объекта (В_о) и яркость фона (Вφ), что такое порог контрастной чувствительности глаза (ε).

Яркость объекта создается отраженным светом. Поэтому наибольшей яркостью обладают белые объекты (В = 1 – максимальная), а черные – наименьшей (В =0). Определение порога контрастной чувствительности глаза дано в учебнике. Следует понять, что с уменьшением освещенности “ε” резко увеличивается, т.к. объект на каком-либо фоне становится трудно различимым.

Метеорологическая дальность видимости не должна зависеть от свойств объекта. Поэтому для ее определения выбирают черные объекты на светлом фоне неба, т.е. при контрасте, близком к максимуму (к=1). Таким образом, метеорологическая дальность видимости зависит только от состояния атмосферы.
Вопросы для самоконтроля

1. 
   Назовите причины возникновения оптических явлений и группы явлений, к ним относящиеся
   
2. 
   Чем обусловлена дневная освещенность? Какие факторы влияют на ее интенсивность?
   
3. 
   Причины кажущейся приплюснутости небесного свода. Как и почему изменяются видимые размеры светил?
   
4. 
   Напишите и объясните закон Релея. Почему небо голубое? Почему и когда небо приобретает белесоватый оттенок?
   
5. 
   Что такое сумерки? Отчего и как зависит продолжительность сумерек? Что такое “белые ночи?”
   
6. 
   Почему при восходе и заходе солнца небо приобретает оранжево-красные цвета? От чего зависит окраска зари?
   
7. 
   От чего зависит дальность видимости реальных объектов?
   
8. 
   Что такое яркость объекта? От чего она зависит и как меняется по величине? Что такое контраст и порог контрастной чувствительности глаза?
   
9. 
   Как влияет атмосфера на видимость реальных объектов?
   
10. 
    Что такое метеорологическая дальность видимости? От чего она зависит?
    
11. 
    Что такое астрономическая рефракция? Чем она определяется? Какие явления ею обусловлены?
    
12. 
    Что такое земная рефракция? Какие явления ею обусловлены?
    
13. 
    Объясните явление радуги: почему, где и когда она образуется; почему образуется вторая радуга?
    
14. 
    Что такое гало? Чем обусловлены разные формы гало?
    
15. 
    Что такое венцы, чем они обусловлены, окраска? О чем говорит изменение размеров и яркости цвета венцов ?
    

Тема 1.11 Звуковые явления в атмосфере

Программа

Распространение звука в атмосфере. Скорость звука в атмосфере, ее зависимость от метеорологических факторов. Преломление, отражение и ослабление звука в атмосфере. Использование наблюдений за распространением звука для исследования высоких слоев атмосферы. Звуки метеорологического происхождения.
Литература: [1], гл. 12
Методические указания

Явление звука изучается в физике. В данной теме нужно точно знать: что такое звук, какие звуки мы воспринимаем, что такое ультра и инфразвук. Следует запомнить величину скорости звука и понять, как на нее влияют метеорологические факторы. Внимательно изучите условия хорошей и плохой слышимости; поймите, почему так происходит. Изменение траектории звукового луча при разных условиях рассмотрите на рис. 12.2 [1].
Вопросы для самоконтроля

1. 
   Что такое звук? С какой частотой мы воспринимаем звуки? Что такое ультразвук и инфразвук?
   
2. 
   Чему равна скорость звука при нормальных условиях? Как она зависит от температуры, влажности, скорости и направления ветра?
   
3. 
   Как и почему происходит преломление звука в атмосфере? Приведите схему
   
4. 
   Что такое эхо? Почему оно бывает многократным?
   
5. 
   Перечислите и объясните условия хорошей и плохой слышимости.
   
6. 
   Перечислите звуки метеорологического происхождения
   
7. 
   Объясните, почему в ясный день утром в лесу слышимость хорошая, а в середине дня резко ухудшается? Почему утром в морозы слышимость очень хорошая?
   

Тема 1.12 Электрические явления в атмосфере

Программа

Понятие об атмосферном электричестве. Ионы в атмосфере. Процессы ионизации, ионизаторы атмосферы. Радиоактивное загрязнение атмосферы. Понятие об электрическом поле атмосферы. Ионосфера. Радиационные пояса Земли.

Электричество облаков, электризация облачных элементов. Распределение зарядов в грозовых облаках. Грозовые разряды и молнии. Методы грозозащиты. Полярные сияния.
Литература: [1], гл. 13
Методические указания

Глава 13 учебника очень объемная. Следует внимательно изучить электрические явления, руководствуясь вопросами программы и вопросами самоконтроля. Остальные вопросы этой главы интересны с познавательной точки зрения.

При изучении ионосферы особое внимание обратите на ее строение и свойства, а также на практическое использование этого слоя для дальней радио- и телесвязи. Формулы запоминать не нужно.

Внимательно разберите механизм электризации облачных элементов. Особое внимание следует уделить электризации кучево-дождевого облака, с которым связано образование молний.
Вопросы для самоконтроля

1. 
   Что такое ионы? Причина их появления в атмосфере. Что такое легкие и тяжелые ионы?
   
2. 
   Объясните механизм процесса ионизации
   
3. 
   Перечислите основные ионизаторы и их воздействие на молекулы воздуха в нижних и верхних слоях атмосферы
   
4. 
   Ионосфера – границы в атмосфере, строение, основные свойства; практическое значение изучения тропосферы
   
5. 
   Чем создается электрическое поле атмосферы? Что такое изопотенциальные поверхности? От чего зависит напряженность электрического поля в разных точках?
   
6. 
   Что такое объемный заряд?
   
7. 
   Процессы и механизм электризации облачных элементов
   
8. 
   Распределение зарядов в грозовом облаке; механизм образования объемных зарядов
   
9. 
   Молнии – виды, механизм возникновения, продолжительность. Чем и почему опасна молния? Методы защиты от молнии
   
10. 
    Полярные сияния – причина и районы возникновения, формы; от чего зависит яркость и частота повторения
    

ЗАДАНИЕ 2

РАЗДЕЛ 2

Основы климатологии

Тема 2.1. Климатообразующие факторы

Программа

Солнечная радиация, характер подстилающей поверхности, циркуляция атмосферы – основные климатообразующие факторы; климат как результат их взаимодействия. Колебание и изменения климата.
Литература: [2], гл. 1, гл. 4
Методические указания

Основным климатообразующим фактором является солнечная радиация (радиационный баланс деятельной поверхности). Однако, и другие факторы значительно влияют на формирование климата. Из большого материала гл. 1 учебника Климатологии следует выбрать главное – как происходит формирование климата под влиянием основных факторов.

При этом следует уделить внимание вопросу изменения климата под влиянием естественных причин и в результате деятельности человека. Постарайтесь проанализировать причины, которые приводят к изменениям климата, т.к. эта проблема в настоящее время становится самой актуальной.
Вопросы для самоконтроля

1. 
   Перечислите основные климатообразующие факторы, объясните их
   
2. 
   Какие естественные причины и как влияют на изменение климата?
   
3. 
   Как влияет на изменение климата деятельность человека (антропогенный фактор)?
   

Тема 2.2 Классификация климатов

Программа

Классификация климатов Алисова Б.П. и Берга Л.С.. Принципы классификации. Основные характеристики и границы климатических зон.
Литература: [2], гл. 3
Методические указания

Существует большое количество классификаций климатов, в основу которых положены различные принципы. В нашей стране наибольшее распространение получили две классификации, авторами которых являются Берг Л.С. и Алисов Б.П..

В основе классификации Л.С. Берга положен географический принцип, а в классификации Б.П. Алисова – циркуляционный фактор.

Следует уяснить принципы выделения климатических зон и их основные характеристики. Можно составить краткую схему этих классификаций.

Вопросы для самоконтроля

1. 
   Что положено в основу классификации климатов Берга Л.С.?
   
2. 
   Перечислить зоны этой классификации, определить границы, дать основные характеристики по схеме:
   

а) район;

б) средняя температура самого холодного и самого теплого месяца, чем они определяются;

в) причины климатических особенностей отдельных районов;

г) количество осадков;

д) растительность.

3. 
   Что положено в основу классификации климатов Алисова Б.П.?
   
4. 
   Назовите основные типы воздушных масс и их характеристики
   
5. 
   Перечислите климатические зоны по Алисову Б.П. и их основные характеристики по той же схеме
   

Тема 2.3 Климаты России и стран СНГ

Программа

Общие условия формирования климата территории России и территории стран СНГ. Климатические зоны. Климат Арктической зоны. Климат Европейской территории России. Климат Крыма, Кавказа, Урала, Климат Средней Азии, Западной и Восточной Сибири, Горного Алтая и Дальнего Востока.
Литература:[2], гл. 5
Методические указания

Материал данной темы достаточно полно изложен в учебнике. Прежде, чем изучать климаты отдельных районов, следует уяснить причины формирования климатов на территории России и резкого изменения климата с запада на восток и с юга на север (т. 5.1).

При изучении климатов отдельных районов России и стран СНГ полезно составить таблицу с данными основных характеристик каждой зоны. Пользуйтесь картами, приведенными в учебнике. Ориентируясь по картам давления, температуры и осадков, можно не запоминать значения этих метеовеличин, а прочесть их на этих картах.

Изучая климаты каждого района, следует уяснить причины, которые формируют данный климат, увязывая их с общими факторами, формирующими климат России и стран СНГ.
Вопросы для самоконтроля

1. 
   Какие факторы формируют климат России и стран СНГ? Проследите изменение климатических характеристик с запада на восток и с севера на юг.
   
2. 
   На какие климатические зоны можно разделить территорию России и СНГ?
   
3. 
   Назовите основные составляющие климата каждого района по схеме:
   

а) климатическая зона;

б) район распространения;

в) преобладающие воздушные массы;

г) средняя температура самого холодного и самого теплого месяца;

д) преобладающее направление и скорость ветра по сезонам;

е) годовая сумма осадков, наличие и высота снежного покрова;

ж) основные характеристики времен года (лето, зима);

з) растительность, условия ее развития.
Тема 2.4 Климатологическая обработка данных

метеорологических наблюдений

Программа

Источники климатических данных и задачи климатологической обработки. Понятие о метеорологических рядах.

Основные климатические показатели. Виды ошибок в рядах наблюдений и методы их устранения. Однородность рядов. Методы приведения коротких рядов наблюдений к многолетнему периоду.

Метод разности, метод отношения, косвенный метод.

Климатологическая обработка данных метеорологических наблюдений за температурой воздуха, осадками, ветром.
Практические занятия 9 – 14

Приведение средней месячной температуры воздуха к многолетнему периоду методом разности.

Построение гистограммы и определение по графику климатических характеристик.

Приведение сумм осадков к многолетнему периоду графическим способом.

Построение розы ветров. Определение преобладающего направления ветра.
Литература: [2], гл. 8, § 8.1, 8.2, 8.4, 8.6, 8.7; гл. 9, § 9.1 – 9.4

Методические указания

В настоящее время в центрах сбора обработка метеорологических данных проводится на ЭВМ. Однако, в отдельных ситуациях нужно уметь определить отдельные климатические характеристики в условиях обычной метеостанции или другого подразделения гидрометеослужбы.

Поэтому задачей данного раздела является изучить основу климатологической обработки метеоданных и получение некоторых климатических характеристик конкретного района. При изучении данной темы используйте указанные параграфы учебника Климатологии и методические указания.

Рассмотрим примеры климатологической обработки отдельных метеовеличин:

1. Приведение средней месячной температуры (или другой метеовеличины) к многолетнему периоду методом разностей.

Этот метод основывается на том предположении, что разности значений метеорологической величины на двух соседних станциях изменяется от года к году меньше, чем сами значения величины, а средние разности, вычисленные за короткий срок и длинный период, примерно одинаковы, т.е. Дn≈ДN. Порядок приведения:

а) Найти среднее значение температуры воздуха за каждый месяц для опорной (с длинным рядом наблюдений) станции

_{Аn(ср) =}^{сумма значений за весь период}

n (число лет)
(например, длинный ряд наблюдений с 1880 г. по 1980 г.) – «А»
Ст. А – опорная

Значения температуры Таблица 1

Год 1 2 3 12

1880 . . . 1980 Сумма

Кол-во 100 лет

Сред- АN1 А N12 нее

б) Для короткорядной станции В определить период наблюдений параллельный со станцией А (например, с 1970 по 1980 г.)
Ст. В – короткорядная (10 лет)

Значения температуры

Таблица 2

Год 1 2 . . . . . . . . . 12

1970 . . 1980

в) Найти разности температуры за каждый месяц совпадающих лет между ст. А и ст. В (t_а - t_в) и свести их в таблицу по годам
Разности температуры

Таблица 3

Год 1 2 3 . . . . . . . . . 12

1970 : : 1980

Σ

n

Дn

г) Найти суммы разностей по месяцам и каждую из них разделить на число лет, включенных в подсчет (в примере 10 лет), т.е. получим среднюю разность по месяцам – Д_n.

д) Считая, что разности в значениях температур с годами изменяются незначительно, можно найти значения средних температур на короткорядной станции В_n. Для этого средние значения за каждый месяц длиннорядной станции алгебраически (с учетом знака) сложить со средней разностью Дn. В_N =А_N ± Дn (составить таблицу 4).
Итоговая таблица вычислений

Таблица 4

___________________________________________

1 2 3 5 6 7 8 9 10 11 12

_А_N________________________________________

_Д_N________________________________________

_В_N________________________________________

2. Построение кривой годового хода температуры воздуха методом гистограммы.

а) На листе миллиметровой бумаги размером 45 × 35 см по горизонтали отложить месяцы в масштабе 1 день – 1 мм, при этом следует начинать с ноября и окончить декабрем, т.е. 14 месяцев (ноябрь, декабрь – дважды). По вертикали отложить температуру в соответствии с данными температуры (отрицательные значения от начала координат) в масштабе 1º-1 см; 0,1º–1 мм.

б) Построить прямоугольники, равные по ширине числу дней в месяце (февраль – 28), а по высоте – значению температуры в данном месяце.

в) Провести (сначала карандашом) кривую годового хода температуры воздуха, соблюдая равенство площадей, прирезаемой и отрезаемой у данного прямоугольника. Образец гистограммы показан на рис.9.1 стр.267 учебника [2], там же на стр. 266 можно прочесть, как строится эта кривая.

г) Правильность проведения кривой можно проверить, сняв значения температуры 5, 15 и 25 числа каждого месяца. Для этого от горизонтальной оси из точки соответствующей даты подняться вверх до кривой и определить, какому значению температуры эта точка соответствует. Зная значения температуры для 5, 15 и 25 числа, находят из них среднее. Эта величина должна быть равна средней месячной температуре данного месяца. Расхождение не должно превышать ± 0,1º.

Эти данные, как среднедекадные, свести в таблицу 5
Таблица 5

____________________________________________________

Декады 1 2 3 и т.д. 12

1

2

3

Средняя

месячная

из декадных
По графику определить:

• 
  даты перехода температуры воздуха через 5º, начиная с -10º (-5º , 0º , +5º , +10º , +15º). Для этого найти точки на кривой, соответствующие данным температурам, провести горизонтальные пунктирные линии до пересечения с кривой и в точках пересечения снять с точностью до одного дня даты наступления указанных среднемесячных температур;
  
• 
  число дней в году с температурой выше указанного предела, при этом даты перехода в число дней не входят.
  

Для удобства подсчетов можно составить таблицу 6.


Таблица 6 (пример)

Месяцы, -10º -5º 0 +5º +10º +15º

число дней

1. 
   - 31
   
2. 
   – 28 22/2 - 6
   
3. 
   – 31 17/3 - 14
   
4. 
   – 30
   
5. 
   – 31
   
6. 
   – 30
   
7. 
   – 31 306 214 и т.д.
   
8. 
   – 31
   
9. 
   – 30
   
10. 
    – 31
    
11. 
    – 30 26/11 - 25
    
12. 
    – 31
    

1. 
   - 31 2/1 - 1
   

число дней 313 253
В приведенной таблице показан пример записи дат и подсчета числа дней с температурой выше -10º и -5º.

Цифра 306 соответствует числу дней полных месяцев между февралем и январем; в феврале с температурой выше -10º было 6 дней, в январе – один день. Общая сумма составит 306 + 7 = 313. Проверьте эти расчеты для температуры -5º.

Сводная таблица 7 будет выглядеть так:

Таблиица 7

Станция -10º -5º 0 +5º +10º +15º

(например 22/2 17/3

Углич) 2/1 26/11 и т.д.
313 253
3. Вычисление средних дат последнего и первого заморозка, продолжительности безморозного периода.

а) Переписать в тетрадь данные, предложенные в задании, в виде указанной таблицы.

б) Определить исходную дату заморозка за каждый период. За исходную дату обычно принимают первое число того месяца, в котором чаще отмечаются заморозки.

в) Подсчитать для каждого года число дней от исходной даты заморозка. При этом, если дата позже исходной, то число дней положительно, если раньше – отрицательное. Например, если исходная дата 1/4, а в разные годы даты последнего заморозка 22/4, 28/3, 5/5 и т.д., то искомое число дней соответственно будет равно 22, -4, 35 и т.д.

г) Подсчитать суммы полученных чисел (с учетом знака) и разделить на число лет. Полученное среднее число, округленное до целого, и будет средней датой первого и последнего заморозка.

д) Выбрать даты самого раннего и самого позднего заморозка в обоих периодах.

е) Вычислить за каждый год продолжительность безморозного периода, как число дней между датами последнего и первого заморозков (даты заморозков в число дней не входят).

ж) Результаты записать в таблицу.

4. Приведение сумм осадков к многолетнему периоду методом отношений (графически).

а) Переписать в тетрадь данные месячных сумм осадков за одни и те же годы по опорной и приводимой станциям (из задания).

б) Вычислить ежегодные суммы осадков за холодный и теплый период по обеим станциям за совпадающие годы. При этом количество осадков за холодный период получают суммированием ежемесячных сумм осадков за ноябрь, декабрь предыдущего года и январь, февраль, март последующего года; теплый период – с апреля по октябрь включительно.

в) Построить графики зависимости сумм осадков двух станций отдельно для теплого и холодного периодов. По горизонтали откладывают данные опорной станции, по вертикали – приводимой. За начало координат следует принимать обязательно ноль. Для холодного периода масштаб берут в 2 раза больше. Например, если за теплый период 50 мм осадков соответствуют 1 см, то за холодный 1 см соответствует 25 мм осадков. По данным сумм осадков за один и тот же год по обеим станциям проставить соответствующие точки и рядом написать две последние цифры этого год. Провести через начало координат прямую линию так, чтобы суммы расстояний от точек до линии с одной и другой стороны линии были равны.

г) Проверить целесообразность приведения сумм осадков приводимой станции к многолетнему периоду. Для этого от руки провести эллипс, охватывающий точки вдоль линии связи. Если в вдоль линии связи длина эллипса в 2 раза больше его ширины поперек линии, то приведение целесообразно.

д) вычислить для опорной станции средние ежемесячные суммы осадков за совпадающий период наблюдений (А_N) и просчитать по этим данным соответствующие суммы за холодный (с XI по III) и теплый (с IV по X) периоды.

е) По полученным суммам с графиков снять соответствующие суммы для приводимой станции и записать в таблицу.

ж) Рассчитать процент среднемесячных сумм осадков по опорной станции отдельно за холодный и теплый периоды следующим образом.

Например, сумма осадков за теплый период составляет 340 мм, принимаем ее за 100%. В январе среднемесячное значение равно 31. Процент составляет
31×100 3100

x₁ = ----------- = ---------- = 9% и т.д.

340 340
Расчеты делать до 0,1, округлить до целого. Сумма должна составить 100% за весь период. Если она получилась чуть больше или меньше, то следует уменьшить или увеличить на эту разницу процент в месяце с наибольшей суммой.

3) Полученные проценты переписать в таблицу приводимой станции. Затем, приняв снятые с графика суммы осадков за холодный и теплый периоды за 100% (каждый), рассчитать среднемесячные суммы осадков по соответствующим им процентам. Например, снятая с графика сумма осадков за холодный период для приводимой станции составляет 290 мм (или 100%). В январе процент среднемесячной суммы осадков составляет 9% (см. расчет выше). Можно рассчитать сумму осадков в январе, приведенную к длинному периоду.
290×9

В_N1 = ------------ = 26 мм и т.д.

100


5. Вычисление повторяемости ветра по 8 румбам и определение преобладающего направления ветра.

а) Выписать данные таблицы 8.

ст.Андреевское, ноябрь Таблица 8

Румбы С СВ В ЮВ Ю ЮЗ З СЗ Число

штилей

число 16 5 7 21 56 60 30 37 8

случаев

сумма 56,0 21,5 30,8 46,2 201,6 186,0 63,0 88,8 -

скоростей

б) Подсчитать сумму числа случаев разных направлений ветра (без штилей).

в) Полученную сумму принять за 100% и рассчитать процент повторяемости каждого направления от общего числа случаев.

г) Вычислить среднюю скорость ветра каждого направления, разделив сумму скоростей на число случаев каждого направления.

д) Построить круговую розу ветров для направления и скорости ветра. Для этого начертить 4 взаимопересекающихся линии, обозначить направле- ние 8 румбов. В выбранном масштабе отложить на графике процент

повторяемости каждого направления от центра.

с Полученные точки соединить в виде восьмиугольника.

сз св На этот же график нанести в другом масштабе сред-

з в ние скорости ветра каждого направления и соединить

полученные точки другим цветом.

юз юв

ю

6. Определить преобладающее направление ветра:

а) Выбрать из таблицы 9 четыре румба с наибольшей повторяемостью

- вначале выбирают наибольшую повторяемость, потом два соседних и четвертый со стороны большего из крайних.

Обозначить их по часовой стрелке буквами n₁ , n₂ , n₃ , n₄ и отметить по этим буквам выбранные четыре румба на круговой розе ветров.

Таблица 9

Румбы С СВ В ЮВ Ю ЮЗ З СЗ

Повторяемость % 7 2 3 9 24 26 13 16

≡ = – =

n₁n₂n₃n₄

б) вычислить коэффициент, показывающий середину квадранта с набольшей повторяемостью ветра по формуле:

n₃ – n₁

α = 1+ -----------------------

(n₃ – n₁) + (n₂ –n₄)
В нашем примере

26 - 9

α = 1 + ------------------------ = 1,6

(26 – 9) + (24 – 13)
в) Перевести полученное значение “ α ” в градусное выражение, умножив его на 45. В примере 1,6 × 45° = 72°

г ) Отложить на розе ветров от румба “ n₁ ” по часовой стрелке полученный угол и записать результат в принятой форме (от ЮВ с

к западу). Использовать только основные румбы. сз св

В примере: 72°- 45 = 27 Ю –27 – 3 з

юг запад юв

юз ю

д ) Вычислить повторяемость “H” направления ветра в процентах в найденном квадранте по формуле:

(n2 – n1) + (n2 – n4) 3 ²

H = (n2 + n3) + ---------------------------- • --- – α

2 2
(24 –9) + (24 – 13) 3 ²

В примере H = (24 + 26) + ----------------------- --- – 1,6 =

2 2