3. Метод. указ._Метеорология и климатология. Программа курса для студентов специальностей 05. 03. 06 "Экология и природопользование" 35. 03. 01Лесное дело 35. 03. 05 Садоводство
 Скачать 0.74 Mb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет» Кафедра лесоводства Н.И. Стародубцева А.Е. Морозов Метеорология и климатология Методические указания, контрольные задания и программа курса для студентов специальностей 05.03.06 "Экология и природопользование"; 35.03.01«Лесное дело»; 35.03.05 «Садоводство» Екатеринбург 2014 2 Печатается по рекомендации методической комиссии ИЛП. Протокол № 1 от 15 октября 2013 г. Рецензент к.с.-х.н. Фролова Т.И. Редактор А.Л. Ленская Оператор компьютерной верстки Т.В. Упорова Подписано в печать Поз. Плоская печать Формат 60х84 1/16 Тираж экз. Заказ № Печ. л. 1,39 Цена руб. 00 коп. Редакционно-издательский отдел УГЛТУ Отдел оперативной полиграфии УГЛТУ 3 ВВЕДЕНИЕ Метеорология и климатология – область знаний, позволяющая спре- циалисту полнее понять и выстроить закономерную последовательность и обусловленность природных процессов и явлений, определяющих их ди- намику в целом. Процессы, происходящие в атмосфере, развиваются закономерно и взаимосвязано. Они испытывают воздействия космического пространства и земной поверхности. Между земной поверхностью и атмосферой проис- ходит непрерывный обмен газами, твердыми и жидкими частицами, теп- лом, влагой и т. д. Знание причин и последствий процессов, протекающих в атмосфере, специалистам необходимо для понимания причин возникновения экологи- ческих проблем на Земле (парниковый эффект, проявления глобального потепления, истощение озонового слоя в стратосфере, загрязнение атмо- сферного воздуха и др.), а также для урегулирования взаимоотношений че- ловечества с окружающей средой с целью ее сохранения. Специалисты должны знать, что представляет собою атмосфера, ка- кие закономерности развития процессов и явлений в ней происходят, вли- яние каждого метеорологического фактора и комплекса факторов на окру- жающую среду, а также как свести к минимуму вред от опасных метеоро- логических явлений. Задача данного методического пособия - сформировать систему зна- ний в области физики атмосферы, развить умения и навыки анализа атмо- сферных процессов и явлений, уметь применять установленные зависимо- сти для объяснения экологических проблем, самостоятельно проводить ос- новные метеорологические измерения и уметь анализировать метеороло- гическую информацию. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ И УКАЗАНИЯ Программой курса по дисциплине «Учение об атмосфере» преду- сматривается самостоятельное изучение теоретического курса и выполне- ние контрольных заданий. Для лучшего усвоения курса и ознакомления с метеорологическими приборами и измерениями в период сессии читаются лекции (4 часа), проводятся лабораторные занятия (6 часов) и консульта- ции по курсу. По теоретической части курса сдается зачет. Основная и дополнительная литература, которая необходима для са- мостоятельного изучения тем дисциплины, приведена в конце настоящих методических указаний. Усвоение материала каждой темы контролируется по вопросам. 4 Для понимания большинства тем курса «Метеорология и климатоло- гия» студентам рекомендуется повторить некоторые разделы школьного курса физики, имеющие отношение к данной тематике. В методических указаниях для изучения и выполнения контрольных заданий представлено 9 тем и 5 задач. Номера вопросов и задач для кон- трольной работы выбираются в соответствии с указаниями (используются номера зачетной книжки и количество букв в фамилии студента). Очень важно правильное оформление контрольной работы. Для этого вопросы и условия задач своего варианта нужно полностью выписать и ниже приве- сти четкие, исчерпывающие ответы. Для большей наглядности некоторые ответы целесообразно сопровождать схемами, графиками и рисунками. Задачи сопровождаются последовательным ходом решения с объяс- нениями. Даются определения, встречающихся терминов и основных по- нятий. В ответах у цифровых значений обязательно ставятся единицы из- мерения. В конце контрольной работы необходимо привести список использо- ванной литературы с указанием названия, места и года издания. Если контрольная работа не зачтена, необходимо внести дополнения и исправления в соответствии с замечаниями рецензента: в конце работы заново переписывается название вопроса или условие задачи и приводятся дополнения или исправленные решения. ТЕМЫ КУРСА И КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ 1. Состав и строение атмосферы При изучении этой темы необходимо разобраться, что представляет собою атмосфера, каков состав воздуха у земной поверхности, как он из- меняется с высотой и какое значение имеет в метеорологических процес- сах и жизни растений. Изучить вертикальное расслоение атмосферы, знать высоту границы и физические свойства слоев, а также понять, по каким принципам они выделяются. Вопросы (ответить на вопрос, номер которого равен последней цифре номера зачетной книжки) 1. Состав воздуха у земной поверхности. Как он изменяется с высо- той? 2. Состав воздуха в лесу. Чем обусловлены его особенности? 3. Роль различных газов воздуха, водяного пара и аэрозолей в метео- рологических процессах и в жизни растений? 5 4. Что такое плотность, высота и масса атмосферы? 5. На какие слои, и по каким признакам разделяется атмосфера по вертикали? 6. Как и почему изменяется температура воздуха с высотой? 7. Какой слой атмосферы называется тропосферой, какие явления в ней наблюдаются? 8. Какие атмосферные слои находятся выше тропосферы? Укажите высоту границ и опишите физические свойства этих слоев. 9. Что такое ионосфера, какие явления в ней наблюдаются? 2. Солнечная радиация Солнечная радиация представляет собой поток электромагнитных волн с длинами от 0,1 до 30 мкм, испускаемых Солнцем. Радиацию с дли- нами волн менее 4 мкм относят к коротковолновой, с большей длиной волны - к длинноволновой. Атмосфера хорошо пропускает коротковолно- вую и практически полностью поглощает длинноволновую радиацию. Ин- тенсивность радиации оценивается количеством энергии, поступающей в единицу времени на единицу поверхности, и выражается в кВт/м 2 . Ранее она измерялась в кал/см 2 х мин. Для ее расчета используется стандартное значение солнечной постоянной (S 0 ), равное 1,38 кВт/м 2 Данная тема является одной из наиболее важных тем курса. Солнеч- ная радиация представляет собой практически единственный источник энергии на Земле, за счет которой происходят все процессы в атмосфере и на земной поверхности. В этой теме, прежде всего, необходимо уяснить физическую сущность радиации, ее спектральный состав, роль коротко- волновой и длинноволновой радиаций. Иметь представление о солнечной постоянной и разобраться с процессами изменения солнечной радиации в атмосфере и отражения ее деятельной поверхностью. Необходимо также знать, что выражают уравнения полного радиа- ционного и теплового балансов, их метеорологическое и климатическое значение. Вопросы (ответить на вопрос, номер которого равен предпоследней цифре номера зачетной книжки) 1. Что представляет собой солнечная радиация, каков ее спектраль- ный состав? Изменение солнечной радиации в атмосфере. Солнечная по- стоянная и ее величина. 2. Солнце как источник радиации, значение солнечной радиации. 3. По каким законам происходит рассеяние солнечной радиации в атмосфере? Следствия процесса рассеяния. 6 4. Процессы, обусловливающие ослабление солнечной радиации в атмосфере. Какая формула выражает закономерности этого ослабления в количественной форме? 5. Что такое прямая и рассеянная солнечные радиации? Как изменя- ется их интенсивность, и какие факторы на это влияют? 6. Суммарная и отраженная солнечные радиации. Каким показателем характеризуется отражательная способность различных поверхностей? 7. Длинноволновое излучение земной поверхности и атмосферы, эф- фективное излучение Земли. Какие факторы определяют их интенсив- ность? Что такое «парниковый эффект» атмосферы? 8. Что такое полный радиационный баланс земной поверхности? Его метеорологическое и климатическое значение. 9. Что показывает уравнение теплового баланса, как изменяются его составляющие? Задача 1. Рассчитайте интенсивность прямой солнечной радиации у земной поверхности при коэффициентах прозрачности (р) и углах Солнца (hо), приведенных в табл.1. Решается вариант, номер которого равен сумме двух последних цифр номера зачетной книжки. Если он больше 10, вы- честь десять. Таблица 1 Номер варианта р hо Номер варианта р hо 1 0,60 10 6 0,85 10 2 0,65 0 7 0,70 1 3 0,70 30 8 0,75 30 4 0,75 60 9 0,65 60 5 0,80 30 10(0) 0,70 60 Интенсивность прямой солнечной радиации у земной поверхности находится по формуле Буге: S = S 0 p m , где S - интенсивность солнечной радиации у земной поверхности, кВт/м 2 ; S o - солнечная постоянная, кВт/м 2 ; p - коэффициент прозрачности атмосферы; m - условная оптической массы атмосферы. Масса атмосферы m при положении Солнца в зените принята за единицу. При других высотах Солнца над горизонтом условная оптическая масса атмосферы выразится следующими величинами: Высота солнца, h 0 (град.) 90 60 30 10 1 0 Масса атмосферы, m 1,0 1,2 2,0 5,6 27,0 35,4 7 Коэффициент прозрачности атмосферы показывает, какая часть потока солнечной радиации достигает земной поверхности при положении Солнца в зените, когда солнечные лучи проходят одну оптическую массу атмосферы. Значение коэффициента прозрачности может меняться в зна- чительных пределах в зависимости от содержания в воздухе поглощающих газов, в основном водяного пара и аэрозолей. В реальной атмосфере его значение колеблется от 0,5 до 0,9. Находится масса атмосферы m для заданного угла Солнца (h 0 ) и под- ставляется в формулу Буге. 3. Тепловой режим почв, водоемов и атмосферы Тепловые режимы воздуха и почв оказывают сильное влияние на лес, в связи с чем, закономерности формирования этих режимов нужно хо- рошо знать. Прежде всего, важно уяснить, как происходит нагревание и охлаждение почвы, воды и воздуха, какие факторы влияют на эти процес- сы. Особое внимание следует обратить на влияние подстилающей поверх- ности в процессе изменения температуры воздуха и на адиабатические процессы в атмосфере. Необходимо хорошо представлять суточный и го- ловой ход температур воздуха и почвы, знать факторы, влияющие на них; условия возникновения заморозков, их типы и меры борьбы с ними. Вопросы (номер вопроса равен числу букв в фамилии студента) 1. От каких факторов и как зависит нагревание и охлаждение почв и распространение тепла в них? 2. В каких почвах и почему верхние слои сильнее нагреваются днем и сильнее охлаждаются ночью? 3. Как изменяется суточный и годовой ход температуры поверхности почв и как распространяются эти колебания с глубиной? 4. От каких факторов зависит промерзание и оттаивание почв? 5. Какие процессы обусловливают нагревание воздуха и передачу тепла в атмосфере? 6. Какие процессы обусловливают охлаждение воздуха? 7. Влияние суши и водоемов на нагревание и охлаждение воздуха. 8. Суточный и годовой ход температур воздуха. Какие факторы на него влияют? Типы годового хода температур воздуха? 9. Как и почему изменяются температуры при поднятии или опуска- нии массы воздуха? Сухо- и влажноадиабатические градиенты температур. 10. Что называют инверсиями температур, какие типы инверсий раз- личают? 8 11. Какое явление называется заморозком? Причины возникновения заморозков, их типы и меры борьбы с ними. 12. Как влияет лес на температуры почв и воздуха? 4. Вода в атмосфере и в почве Изучая данную тему, нужно детально разобраться, как протекают процессы испарения влаги, конденсации и сублимации водяного пара, укрупнения облачных элементов, какие факторы влияют на эти процессы. Необходимо ясно представлять, из каких элементов состоят облака и тума- ны, как они образуются, знать их классификацию и классификацию осад- ков, образующихся на земной поверхности и выпадающих из облаков. Также нужно знать причины образования засух, их типы и меры борьбы с ними, физические свойства снежного покрова и его значение, влияние леса на влажность воздуха, осадки и снежный покров. Вопросы (ответить на вопрос, номер которого равен сумме двух последних цифр номера зачетной книжки) 1. Как поступает в атмосферу водяной пар? 2. Что такое упругость (давление) насыщенного пара и какие факто- ры влияют на нее? 3. Какими показателями характеризуется влажность воздуха, и каки- ми методами она измеряется? 4. Суточный и годовой ход абсолютной и относительной влажностей воздуха. Какие факторы на них влияют? 5. Факторы, влияющие на интенсивность испарения с водных поверхностей и с поверхности почв. 6. Как влияет растительный покров на испарение и влажность воздуха? 7. Условия, необходимые для конденсации водяного пара на земной поверхности и в атмосфере? 8. Первичные продукты конденсации и сублимации водяного пара. 9. Условия, необходимые для образования туманов. Типы туманов. 10. Какие типы облаков выделяются в зависимости от состава облач- ных элементов, как классифицируются облака? 11. Образование различных форм облаков. Как определяется облач- ность? 12. При каких условиях, и какие осадки образуются на поверхности земли, земных предметов, растительного покрова? 9 13. Как происходит укрупнение облачных элементов, необходимое для выпадения осадков? 14. Какие осадки выпадают из облаков, и какие условия необходимы для их образования? 15. Физические свойства снежного покрова и его значение. 16. Типы годового хода осадков. 17. Причины образования засух, их типы и меры борьбы с ними. 18. Как влияет лес на снежный покров и на количество жидких и твердых осадков под пологом? Задача 2. Рассчитать показатели, характеризующие влажность воз- духа (парциальное давление водяного пара, упругость насыщения, абсо- лютную и относительную влажность воздуха, дефицит влажности и точку росы) по данным измерений станционным психрометром. Величины тем- ператур воздуха по сухому (t), смоченному (t 1 ) термометрам и давление воздуха приведены в табл.2. Номер варианта задачи равен последней циф- ре номера зачетной книжки. Таблица 2 Номер Температура по термометру, о С Давление Психрометр вари- анта сухому смоченному воздуха, гПа 1 18,5 13,2 1011 Обыкновенный 2 20,7 15,8 1016 " - " 3 4,1 1,8 1011 " - " 4 6,3 4,2 1020 Аспирационный 5 8,1 6,3 1013 " - " 6 12,2 8,3 980 " - " 7 13,0 10,8 987 Обыкновенный 8 18,0 14,0 993 " - " 9 20,6 17,5 1000 " - " 10 23,1 21,2 1007 " - " Определение показателей, характеризующих влажность воздуха начинается с расчета парциального давления водяного пара е (rПа) по формуле: е = Е 1 - АР(t - t 1 ), где Е 1 - давление насыщенного пара при температуре смоченного термо- метра, rПа (определяется по прилож.2); А - коэффициент, зависящий от скорости ветра. Для обыкновенного станционного психрометра А = 0,0008, для аспирационного психрометра А = 0,00066; Р - атмосферное давление, rПа; t - температура воздуха (по сухому термометру), о С; t 1 - температура испаряющей поверхности (по смоченному термометру), 0 С; 10 Абсолютная влажность воздуха а (г/м 3 ) находится по формуле: где е – парциальное давление водяного пара, гПа - коэффициент температурного расширения воздуха, равный 0,00366. Относительная влажность воздуха r (%) находится по формуле: где е – парциальное давление водяного пара , гПа; Е – упругость насыщения водяного пара, гПа. Дефицит влажности d определяется по формуле: d=E-e, где Е – упругость насыщения водяного пара, гПа; е – парциальное давление водяного пара , гПа; Для определения Точки росы t d (температуры, при которой находя- щийся в воздухе водяной пар достигает насыщения) надо в таблице упру- гости насыщения (прилож. 2 и 3) найти упругость насыщения, равную аб- солютной влажности а и взять температуру, которой она соответствует. Эта температура будет точкой росы. Задача 3. Рассчитать показатели, характеризующие влажность воздуха по данным измерений гигрометром. Величины температур воздуха и относительной влажности по гигрометру приведены в табл.3. Решается вариант, номер которого равен предпоследней цифре номера зачетной книжки. Таблица 3 Номер варианта Температура воздуха, о С Относительная влажность, % 1 -7,5 87 2 -10,9 95 3 -15,5 84 4 -13,4 79 5 -11,3 75 6 -7,5 77 7 -8,4 81 8 -6,5 85 9 -1,4 88 10 -2,3 92 , 1 8 , 0 е а % 100 E e r 11 Определение показателей, характеризующих влажность воздуха, начинается с расчета парциального давления водяного пара е (гПа) по формуле: Е – упругость насыщения при температуре сухого термометра (для отрицательных температур определяется по прилож.3) r - относительная влажность воздуха, %. Абсолютная влажность воздуха а (г/м 2 ), дефицит влажности d (гПа) и точка росы t d ( о С )находятся по формулам задачи 2. 5. Атмосферное давление и воздушные течения в атмосфере Атмосферное давление является одной из важнейших характеристик физического состояния атмосферы. Необходимо знать, что такое атмо- сферное давление, от каких факторов зависит его величина, чем обуслов- лена неравномерность распределения атмосферного давления в простран- стве и каковы следствия этой неравномерности. Важно разобраться, какие силы действуют на движущуюся массу воздуха, и благодаря чему изменя- ется скорость и направление ветра. Большое значение для формирования погоды и климата имеют циклоны и антициклоны, поэтому надо знать, что они собой представляют, как в них распределяется давление и системы ветров, какую погоду они определяют. При изучении местных ветров нужно особое внимание обратить на условия и причины их возникновения. |