Meteorologia - Meteorology

Meteorologia jest gałęzią nauk o atmosferze (obejmującą chemię atmosfery i fizykę atmosfery ), z głównym naciskiem na prognozowanie pogody . Badania meteorologii sięgają tysiącleci , choć znaczny postęp w meteorologii rozpoczął się dopiero w XVIII wieku. XIX wiek przyniósł skromny postęp w tej dziedzinie po utworzeniu sieci obserwacji pogody w rozległych regionach. Wcześniejsze próby przewidywania pogody zależały od danych historycznych. Dopiero po wyjaśnieniu praw fizyki, a zwłaszcza rozwoju komputera, umożliwiającego zautomatyzowane rozwiązywanie wielu równań modelujących pogodę, w drugiej połowie XX wieku nastąpiły znaczące przełomy w pogodzie. prognozy zostały osiągnięte. Ważną gałęzią prognozowania pogody jest prognozowanie pogody morskiej, ponieważ odnosi się ona do bezpieczeństwa morskiego i przybrzeżnego, w którym skutki pogodowe obejmują również interakcje atmosferyczne z dużymi zbiornikami wodnymi.

Zjawiska meteorologiczne to obserwowalne zdarzenia pogodowe, które wyjaśnia nauka meteorologiczna. Zjawiska meteorologiczne są opisywane i określane ilościowo przez zmienne atmosfery ziemskiej : temperatura , ciśnienie powietrza , para wodna , przepływ masowy , a także wariacje i interakcje tych zmiennych oraz ich zmiany w czasie. Do opisywania i przewidywania pogody na poziomie lokalnym, regionalnym i globalnym wykorzystywane są różne skale przestrzenne .

Meteorologia, klimatologia , fizyka atmosfery i chemia atmosfery to subdyscypliny nauk o atmosferze . Meteorologia i hydrologia tworzą interdyscyplinarną dziedzinę hydrometeorologii . Interakcje między atmosferą Ziemi a jej oceanami są częścią połączonego systemu ocean-atmosfera. Meteorologia ma zastosowanie w wielu różnych dziedzinach, takich jak wojsko , energetyka , transport , rolnictwo i budownictwo .

Słowo meteorologia pochodzi od starożytnego greckiego μετέωρος metéōros ( meteor ) i -λογία -logia ( -(o)logy ), co oznacza „badania rzeczy wysoko w powietrzu”.

Historia

Umiejętność przewidywania deszczów i powodzi na podstawie cykli rocznych była ewidentnie wykorzystywana przez człowieka co najmniej od czasu osadnictwa rolniczego, jeśli nie wcześniej. Wczesne podejścia do przewidywania pogody opierały się na astrologii i były praktykowane przez kapłanów. Napisy klinowe na babilońskich tabliczkach zawierały skojarzenia między grzmotem a deszczem. W Chaldejczykami różnicowały 22 ° i 46 ° halo .

Starożytne indyjskie Upaniszady zawierają wzmianki o chmurach i porach roku . Samaveda wspomina o składaniu ofiar, gdy zauważone zostaną pewne zjawiska. Varāhamihira klasyczne dzieło „s Brihatsamhita , napisane około 500 AD, dostarcza dowodów na obserwacji pogody.

W 350 pne Arystoteles napisał Meteorologię . Arystoteles uważany jest za twórcę meteorologii. Jednym z najbardziej imponujących osiągnięć opisanych w Meteorologii jest opis tego, co obecnie nazywamy cyklem hydrologicznym .

W książce De Mundo (skomponowanej przed 250 rpne lub między 350 a 200 BC) zauważono:

Jeśli migające ciało zostanie podpalone i gwałtownie rzuci się na Ziemię, nazywa się to piorunem; jeśli to tylko połowa ognia, ale też gwałtowna i masywna, nazywa się meteor ; jeśli jest całkowicie wolny od ognia, nazywa się to dymem. Wszystkie są nazywane „swooping bolts”, ponieważ spadają na Ziemię. Błyskawica jest czasami zadymiona i wtedy nazywana jest „tlącą się błyskawicą”; czasami leci szybko, a potem mówi się, że jest żywa . Innym razem porusza się po krzywych liniach i nazywana jest błyskawicą rozwidloną . Kiedy spada na niektóre obiekt nazywa się „swooping lightning”.

Grecki naukowiec Theophrastus przygotował książkę na temat prognozowania pogody, zwany Księga Znaków . Prace Teofrastusa pozostawały dominującym wpływem w badaniu pogody i prognozowaniu pogody przez prawie 2000 lat. W 25 rne Pomponiusz Mela , geograf Imperium Rzymskiego , sformalizował system stref klimatycznych. Według Toufic Fahda około IX wieku Al-Dinawari napisał Kitab al-Nabat ( Księgę roślin ), w której zajmuje się zastosowaniem meteorologii w rolnictwie podczas arabskiej rewolucji rolniczej . Opisuje meteorologiczny charakter nieba, planet i konstelacji , słońca i księżyca , fazy księżyca wskazujące pory roku i deszcz, anwa ( deszczowe ciała niebieskie ) oraz zjawiska atmosferyczne, takie jak wiatry, grzmoty, błyskawice, śnieg, powodzie , doliny, rzeki, jeziora.

Wczesne próby przewidywania pogody były często związane z proroctwem i wróżeniem, a czasem opierały się na ideach astrologicznych. Admirał FitzRoy próbował oddzielić podejścia naukowe od proroczych.

Badania wizualnych zjawisk atmosferycznych

Zmierzch na plaży Baker

Ptolemeusz pisał o załamaniu światła w atmosferze w kontekście obserwacji astronomicznych. W 1021 Alhazen wykazał, że za zmierzch odpowiada również załamanie atmosferyczne ; oszacował, że zmierzch zaczyna się, gdy słońce znajduje się 19 stopni poniżej horyzontu , a także użył na tej podstawie określenia geometrycznego, aby oszacować maksymalną możliwą wysokość ziemskiej atmosfery na 52 000 pasmów (około 49 mil lub 79 km).

Św. Albert Wielki jako pierwszy zaproponował, aby każda kropla deszczu miała kształt małej kuli, i że ta forma oznaczała, że ​​tęcza była wytwarzana przez oddziaływanie światła z każdą kroplą deszczu. Roger Bacon był pierwszym, który obliczył rozmiar kątowy tęczy. Stwierdził, że szczyt tęczy nie może pojawić się wyżej niż 42 stopnie nad horyzontem. Pod koniec XIII i na początku XIV wieku Kamāl al-Dīn al-Fārisī i Teodoryk z Freibergu jako pierwsi podali prawidłowe wyjaśnienie zjawiska pierwotnej tęczy . Teoderyk poszedł dalej i wyjaśnił także tęczę wtórną. W 1716 r. Edmund Halley zasugerował, że zorze są powodowane przez „magnetyczne wypływy” poruszające się wzdłuż linii pola magnetycznego Ziemi .

Przyrządy i skale klasyfikacyjne

Anemometr półkulisty kubkowy

W 1441 roku syn króla Sejonga , książę Korei Munjong, wynalazł pierwszy znormalizowany miernik deszczu . Zostały one wysłane w całej dynastii Joseon w Korei jako oficjalne narzędzie do oszacowania podatków gruntowych na podstawie potencjalnych zbiorów rolnika. W 1450 Leone Battista Alberti opracował anemometr z wahliwą płytą i był znany jako pierwszy anemometr . W 1607 Galileo Galilei skonstruował termoskop . W 1611 r. Johannes Kepler napisał pierwszy traktat naukowy o kryształach śniegu: „Strena Seu de Nive Sexangula (Noworoczny prezent sześciokątnego śniegu).” W 1643 roku Evangelista Torricelli wynalazł barometr rtęciowy . W 1662 r. Sir Christopher Wren wynalazł mechaniczny, samoopróżniający się deszczomierz kubełkowy. W 1714 roku Gabriel Fahrenheit stworzył niezawodną skalę do pomiaru temperatury za pomocą termometru rtęciowego. W 1742 roku Anders Celsius , szwedzki astronom, zaproponował „stopniową” skalę temperatury, poprzednika obecnej skali Celsjusza . W 1783 roku Horace-Bénédict de Saussure zademonstrował pierwszy higrometr do włosów . W latach 1802-1803 Łukasz Howard napisał O modyfikacji chmur , w którym przypisuje typom chmur łacińskie nazwy. W 1806 roku Francis Beaufort wprowadził swój system klasyfikacji prędkości wiatru . Pod koniec XIX wieku opublikowano pierwsze atlasy chmur , w tym Międzynarodowy Atlas Chmur , który od tego czasu pozostaje w druku. Kwietnia 1960 uruchomienie pierwszej udanej satelity pogody , TIROS 1 , zapoczątkowało wieku, w którym informacja pogoda stała się dostępna globalnie.

Badania składu atmosfery

W 1648 r. Blaise Pascal ponownie odkrył, że ciśnienie atmosferyczne spada wraz z wysokością i wywnioskował, że nad atmosferą występuje próżnia. W 1738 Daniel Bernoulli opublikował Hydrodynamikę , zapoczątkowując Kinetyczną teorię gazów i ustanowił podstawowe prawa teorii gazów. W 1761 roku Joseph Black odkrył, że lód pochłania ciepło bez zmiany temperatury podczas topienia. W 1772 roku uczeń Blacka, Daniel Rutherford, odkrył azot , który nazwał flogistonowanym powietrzem , i wspólnie opracowali teorię flogistonu . W 1777 Antoine Lavoisier odkrył tlen i opracował wyjaśnienie procesu spalania. W 1783 r. w eseju Lavoisiera „Reflexions sur le phlogistique” odrzuca teorię flogistonu i proponuje teorię kaloryczną . W 1804 r. Sir John Leslie zauważył, że matowa czarna powierzchnia emituje ciepło skuteczniej niż powierzchnia polerowana, co sugeruje znaczenie promieniowania ciała doskonale czarnego . W 1808 r. John Dalton obronił teorię kaloryczną w A New System of Chemistry i opisał, jak łączy się ona z materią, zwłaszcza z gazami; zaproponował, że pojemność cieplna gazów zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do masy atomowej . W 1824 Sadi Carnot przeanalizował sprawność silników parowych przy użyciu teorii kalorycznej; rozwinął pojęcie procesu odwracalnego i postulując, że coś takiego nie istnieje w naturze, położył podwaliny pod drugą zasadę termodynamiki .

Badania nad cyklonami i przepływem powietrza

Ogólna cyrkulacja atmosfery ziemskiej: zachodnie i pasaty są częścią cyrkulacji atmosferycznej Ziemi.

W 1494 roku Krzysztof Kolumb doświadczył cyklonu tropikalnego, który doprowadził do pierwszej pisemnej europejskiej relacji o huraganie. W 1686 Edmund Halley przedstawił systematyczne badania pasatów i monsunów oraz zidentyfikował ogrzewanie słoneczne jako przyczynę ruchów atmosferycznych. W 1735 roku George Hadley napisał idealne wyjaśnienie globalnego obiegu poprzez badanie pasatów . W 1743 roku, kiedy huragan uniemożliwił Benjaminowi Franklinowi zobaczenie zaćmienia Księżyca , zdecydował, że cyklony poruszają się w sposób przeciwny do wiatrów na ich obrzeżach. Zrozumienie kinematyki tego, jak dokładnie obrót Ziemi wpływa na przepływ powietrza, początkowo było częściowe. Gaspard-Gustave Coriolis opublikował w 1835 r. artykuł o wydajności energetycznej maszyn z obracającymi się częściami, takimi jak koła wodne. W 1856 roku William Ferrel zaproponował istnienie komórki cyrkulacyjnej w średnich szerokościach geograficznych, w której powietrze jest odchylane przez siły Coriolisa, w wyniku czego przeważają wiatry zachodnie. Pod koniec XIX wieku ruch mas powietrza wzdłuż izobar rozumiano jako wynik wielkoskalowego oddziaływania siły gradientu ciśnienia i siły odchylania. W 1912 roku ta siła odchylająca została nazwana efektem Coriolisa. Tuż po I wojnie światowej grupa meteorologów w Norwegii pod kierownictwem Vilhelma Bjerknesa opracowała norweski model cyklonu, który wyjaśnia powstawanie, nasilenie i ostateczny rozpad (cykl życia) cyklonów na średnich szerokościach geograficznych oraz wprowadziła ideę frontów , czyli , ostro określone granice między masami powietrza . Do grupy należeli Carl-Gustaf Rossby (który jako pierwszy wyjaśnił przepływ atmosferyczny na dużą skalę w kategoriach dynamiki płynów ), Tor Bergeron (który jako pierwszy określił sposób powstawania deszczu) i Jacob Bjerknes .

Sieci obserwacyjne i prognozowanie pogody

Klasyfikacja chmur według wysokości występowania
Ta „Hyetograficzna lub deszczowa mapa świata” została po raz pierwszy opublikowana w 1848 r. przez Alexandra Keitha Johnstona .
Ta „Hietograficzna lub deszczowa mapa Europy” została również opublikowana w 1848 r. jako część „Atlasu fizycznego”.

Na przełomie XVI i XVII wieku wynaleziono szereg przyrządów meteorologicznych – termometr , barometr , areometr , wiatromierze i deszczomierze. W latach pięćdziesiątych XVII wieku filozofowie przyrody zaczęli używać tych instrumentów do systematycznego rejestrowania obserwacji pogody. Akademie naukowe zakładały dzienniki pogodowe i organizowały sieci obserwacyjne. W 1654 roku Ferdynand II Medyceusz założył pierwszą sieć obserwacji pogody , która składała się ze stacji meteorologicznych we Florencji , Cutigliano , Vallombrosie , Bolonii , Parmie , Mediolanie , Innsbrucku , Osnabrücku , Paryżu i Warszawie . Zebrane dane były przesyłane do Florencji w regularnych odstępach czasu. W latach 60. XVII wieku Robert Hooke z Royal Society of London sponsorował sieci obserwatorów pogody. Traktat HipokratesaAirs, Waters and Places” wiązał pogodę z chorobą. Tak więc pierwsi meteorolodzy próbowali skorelować wzorce pogodowe z wybuchami epidemii, a klimat ze zdrowiem publicznym.

W epoce oświecenia meteorologia próbowała zracjonalizować tradycyjną wiedzę o pogodzie, w tym meteorologię astrologiczną. Ale były też próby ustalenia teoretycznego rozumienia zjawisk pogodowych. Edmond Halley i George Hadley próbowali wyjaśnić pasaty . Wnioskowali, że rosnąca masa ogrzanego powietrza równikowego jest zastępowana napływem chłodniejszego powietrza z dużych szerokości geograficznych. Z kolei przepływ ciepłego powietrza na dużej wysokości od równika do biegunów ustanowił wczesny obraz cyrkulacji. Frustracja związana z brakiem dyscypliny wśród obserwatorów pogody i słaba jakość instrumentów skłoniła wczesne nowożytne państwa narodowe do zorganizowania dużych sieci obserwacyjnych. W ten sposób pod koniec XVIII wieku meteorolodzy mieli dostęp do dużej ilości wiarygodnych danych pogodowych. W 1832 roku baron Schilling stworzył telegraf elektromagnetyczny . Pojawienie się telegrafu elektrycznego w 1837 roku po raz pierwszy umożliwiło praktyczną metodę szybkiego zbierania obserwacji pogody na powierzchni z dużego obszaru.

Dane te można wykorzystać do tworzenia map stanu atmosfery dla regionu w pobliżu powierzchni Ziemi oraz do badania ewolucji tych stanów w czasie. Sporządzanie częstych prognoz pogody na podstawie tych danych wymagało niezawodnej sieci obserwacji, ale dopiero w 1849 r. Smithsonian Institution zaczął tworzyć sieć obserwacyjną w Stanach Zjednoczonych pod kierownictwem Josepha Henry'ego . Podobne sieci obserwacyjne powstały w tym czasie w Europie. Wielebny William Clement Ley był kluczem do zrozumienia chmur Cirrus i wczesnego zrozumienia Jet Streams . Charles Kenneth Mackinnon Douglas , znany jako „CKM” Douglas czytał artykuły Leya po jego śmierci i prowadził wczesne badania nad systemami pogodowymi. Dziewiętnastowieczni badacze meteorologii wywodzili się raczej ze środowisk wojskowych lub medycznych, niż szkolili się na oddanych naukowców. W 1854 r. rząd Wielkiej Brytanii mianował Roberta FitzRoya nowym biurem Statystyka Meteorologicznego przy Izbie Handlowej z zadaniem gromadzenia obserwacji pogodowych na morzu. Biuro FitzRoya stało się w 1854 r. brytyjskim biurem meteorologicznym , drugą najstarszą narodową służbą meteorologiczną na świecie ( Centralny Instytut Meteorologii i Geodynamiki (ZAMG) w Austrii został założony w 1851 r. i jest najstarszą służbą meteorologiczną na świecie). Pierwsze codzienne prognozy pogody sporządzone przez biuro FitzRoya zostały opublikowane w gazecie The Times w 1860 roku. W następnym roku wprowadzono system podnoszenia stożków ostrzegających przed burzą w głównych portach, gdy spodziewano się wichury.

W ciągu następnych 50 lat wiele krajów ustanowiło krajowe służby meteorologiczne. Departament Meteorologii Indie (1875) powstała podążać tropikalny cyklon i monsun . Fiński Centralny Urząd Meteorologiczny (1881) powstał z części Obserwatorium Magnetycznego Uniwersytetu Helsińskiego . Japońskie Obserwatorium Meteorologiczne w Tokio, prekursor Japońskiej Agencji Meteorologicznej , rozpoczęło budowę powierzchniowych map pogodowych w 1883 roku. Amerykańskie Biuro Meteorologiczne (1890) zostało założone przy amerykańskim Departamencie Rolnictwa . Bureau of Meteorology (1906) został ustanowiony w ustawie Meteorologii ujednolicenie istniejących państwowych służb meteorologicznych.

Numeryczna prognoza pogody

Meteorolog przy konsoli IBM 7090 w Joint Numerical Weather Prediction Unit. C. 1965

W 1904 roku norweski naukowiec Vilhelm Bjerknes po raz pierwszy argumentował w swoim artykule Prognoza pogody jako problem w mechanice i fizyce , że powinno być możliwe prognozowanie pogody na podstawie obliczeń opartych na prawach natury .

Dopiero pod koniec XX wieku postęp w zrozumieniu fizyki atmosfery doprowadził do powstania nowoczesnego numerycznego przewidywania pogody . W 1922 roku Lewis Fry Richardson opublikował „Przewidywanie pogody według procesu numerycznego”, po znalezieniu notatek i wyprowadzeń, nad którymi pracował jako kierowca karetki w czasie I wojny światowej. Opisał, jak można pominąć małe elementy w prognostycznych równaniach dynamiki płynów, które rządzą przepływem atmosferycznym oraz schemat obliczeń numerycznych, który można opracować, aby umożliwić prognozowanie. Richardson wyobraził sobie duże audytorium z tysiącami ludzi wykonujących obliczenia. Jednak sama liczba wymaganych obliczeń była zbyt duża, aby można je było wykonać bez komputerów elektronicznych, a rozmiar siatki i kroki czasowe użyte w obliczeniach prowadziły do ​​nierealistycznych wyników. Chociaż późniejsza analiza numeryczna wykazała, że ​​było to spowodowane niestabilnością numeryczną .

Począwszy od lat pięćdziesiątych możliwe stało się prognozowanie numeryczne za pomocą komputerów. Pierwsze prognozy pogody pochodzi ten sposób wykorzystywane barotropic (single-level-pionowy) modele, a może z powodzeniem przewidzieć ruch na szeroką skalę midlatitude fal Rossby , czyli wzór minimów atmosferycznych i wzloty . W 1959 roku Brytyjskie Biuro Meteorologiczne otrzymało swój pierwszy komputer, Ferranti Mercury .

W latach 60. chaotyczną naturę atmosfery po raz pierwszy zaobserwował i matematycznie opisał Edward Lorenz , założyciel dziedziny teorii chaosu . Postępy te doprowadziły do ​​obecnego stosowania prognozowania zespołowego w większości głównych ośrodków prognostycznych, aby uwzględnić niepewność wynikającą z chaotycznej natury atmosfery. Opracowano modele matematyczne wykorzystywane do przewidywania długoterminowej pogody na Ziemi ( modele klimatyczne ), których rozdzielczość jest dziś równie gruba jak starsze modele prognozowania pogody. Te modele klimatyczne są wykorzystywane do badania długoterminowych zmian klimatu , np. jakie skutki może wywołać emisja gazów cieplarnianych przez człowieka .

Meteorolodzy

Meteorolodzy to naukowcy, którzy studiują i pracują w dziedzinie meteorologii. Amerykańskie Towarzystwo Meteorologiczne publikuje i stale aktualizuje miarodajny elektroniczny Glosariusz Meteorologiczny . Meteorolodzy pracują w agencjach rządowych , prywatnych usługach konsultingowych i badawczych , przedsiębiorstwach przemysłowych, przedsiębiorstwach użyteczności publicznej, stacjach radiowych i telewizyjnych oraz w edukacji . W Stanach Zjednoczonych meteorolodzy mieli w 2018 roku około 10 000 miejsc pracy.

Chociaż prognozy pogody i ostrzeżenia są najbardziej znanymi produktami meteorologów dla opinii publicznej, prezenterzy pogody w radiu i telewizji niekoniecznie są profesjonalnymi meteorologami. Są to najczęściej reporterzy z niewielkim formalnym przeszkoleniem meteorologicznym, posługujący się nieuregulowanymi tytułami, takimi jak specjalista od pogody lub meteorolog . Amerykańskie Towarzystwo Meteorologiczne i National Association Pogoda problem „atesty” do nadawców pogodowych, które spełniają pewne wymogi, ale nie jest to obowiązkowe, aby być zatrudniony przez media.

Ekwipunek

Zdjęcie satelitarne huraganu Hugo z niżem polarnym widocznym w górnej części zdjęcia

Każda nauka ma swoje unikalne zestawy sprzętu laboratoryjnego. W atmosferze istnieje wiele rzeczy lub cech atmosfery, które można zmierzyć. Deszcz, który można zaobserwować lub zobaczyć w dowolnym miejscu i czasie, był jedną z pierwszych cech atmosfery mierzonych historycznie. Ponadto dwie inne dokładnie zmierzone parametry to wiatr i wilgotność. Żadnej z nich nie widać, ale można ją poczuć. Urządzenia do pomiaru tych trzech powstały w połowie XV wieku i były odpowiednio deszczomierzem , anemometrem i higrometrem. Przed XV wiekiem podjęto wiele prób skonstruowania odpowiedniego sprzętu do pomiaru wielu zmiennych atmosferycznych. Wiele z nich było w jakiś sposób wadliwych lub po prostu nie były wiarygodne. Nawet Arystoteles zauważył to w niektórych swoich pracach jako trudność w pomiarze powietrza.

Zestawy pomiarów powierzchni są ważnymi danymi dla meteorologów. Dają one obraz różnych warunków pogodowych w jednym miejscu i zwykle znajdują się na stacji meteorologicznej , na statku lub na boi meteorologicznej . Pomiary wykonywane na stacji meteorologicznej mogą obejmować dowolną liczbę obserwacji atmosferycznych. Zwykle temperatura, ciśnienie , pomiary wiatru i wilgotność to zmienne mierzone odpowiednio przez termometr, barometr, anemometr i higrometr. Stacje zawodowe mogą także zawierać czujniki jakości powietrza ( tlenek węgla , dwutlenek węgla , metan , ozon , pyłów i dymu ) ceilometr (obłok sufitu) objętego czujnika opadów, czujnik powodziowej , czujnik pioruna , mikrofon ( eksplozja , dźwiękowe wysięgniki , grzmot ) , piranometr / pyrheliometr / spektroradiometr (IR / VIS UV / fotodiody ), deszczomierz / cechowania śnieg , licznik scyntylacyjny ( promieniowanie tła , fallout , radon ), sejsmometr ( trzęsienia ziemi i wstrząsów), transmissometer (widoczność), a zegar GPS dla danych logowanie . Dane dotyczące górnego powietrza mają kluczowe znaczenie dla prognozowania pogody. Najczęściej stosowaną techniką są wystrzeliwanie radiosond . Uzupełnieniem radiosond jest sieć zbierania samolotów organizowana przez Światową Organizację Meteorologiczną .

Teledetekcja , stosowana w meteorologii, to koncepcja gromadzenia danych ze zdalnych zdarzeń pogodowych, a następnie generowania informacji o pogodzie. Popularne typy teledetekcji to Radar , Lidar i satelity (lub fotogrametria ). Każdy zbiera dane o atmosferze z odległej lokalizacji i zwykle przechowuje dane, w których znajduje się instrument. Radar i Lidar nie są pasywne, ponieważ oba wykorzystują promieniowanie EM do oświetlania określonej części atmosfery. Satelity pogodowe wraz z bardziej uniwersalnymi satelitami obserwującymi Ziemię, krążącymi wokół Ziemi na różnych wysokościach, stały się niezbędnym narzędziem do badania szerokiego zakresu zjawisk, od pożarów lasów po El Niño .

Skale przestrzenne

Badanie atmosfery można podzielić na odrębne obszary, które zależą zarówno od skali czasowej, jak i przestrzennej. Na jednym krańcu tej skali znajduje się klimatologia. W skali czasu od godzin do dni meteorologia dzieli się na meteorologię w skali mikro-, mezo- i synoptycznej. Odpowiednio, rozmiar geoprzestrzenny każdej z tych trzech skal odnosi się bezpośrednio do odpowiedniej skali czasu.

Inne podklasyfikacje są używane do opisania unikalnych, lokalnych lub szerokich efektów w obrębie tych podklas.

Typowe wagi systemów ruchu atmosferycznego
Rodzaj ruchu Skala pozioma (metr)
Molekularna średnia swobodna ścieżka 10 -7
Minutowe burzliwe wiry 10 -2 - 10 -1
Małe wiry 10 -1 - 1
Pyłowe diabły 1–10
Porywy 10 – 10 2
Tornada 10 2
Burzowe chmury 10 3
Fronty, linie szkwału 10 4 – 10 5
huragany 10 5
Cyklony synoptyczne 10 6
Fale planetarne 10 7
Pływy atmosferyczne 10 7
Średni wiatr strefowy 10 7

Mikroskala

Meteorologia mikroskalowa zajmuje się badaniem zjawisk atmosferycznych w skali około 1 kilometra (0,62 mil) lub mniejszej. W tej skali modelowane są pojedyncze burze, chmury i lokalne turbulencje spowodowane przez budynki i inne przeszkody (takie jak pojedyncze wzgórza).

Mezoskala

Meteorologia mezoskalowa zajmuje się badaniem zjawisk atmosferycznych, których skale poziome wahają się od 1 km do 1000 km oraz skalę pionową, która zaczyna się na powierzchni Ziemi i obejmuje warstwę graniczną atmosfery, troposferę, tropopauzę i dolną część stratosfery . Skale czasowe w mezoskali trwają od mniej niż jednego dnia do kilku tygodni. Zdarzeniami typowo interesującymi są burze , linie szkwałów , fronty , pasma opadów w cyklonach tropikalnych i pozatropikalnych oraz generowane topograficznie systemy pogodowe , takie jak fale górskie oraz bryza morska i lądowa .

Skala synoptyczna

NOAA : Analiza pogody w skali synoptycznej.

Meteorologia synoptyczna skala przewiduje zmiany atmosferycznego na wadze do 1000 km i 10 5 sek (28 dni), w czasie i przestrzeni. W skali synoptycznej dominującą rolę w przewidywaniach odgrywa przyspieszenie Coriolisa działające na poruszające się masy powietrza (poza tropikami). Zjawiska typowo opisywane przez meteorologię synoptyczną obejmują takie wydarzenia, jak cyklony pozazwrotnikowe, barokliniczne koryta i grzbiety, strefy czołowe oraz, do pewnego stopnia, prądy strumieniowe . Wszystkie te informacje są zazwyczaj podawane na mapach pogodowych na określony czas. Minimalna pozioma skala zjawisk synoptycznych ograniczona jest do odstępów między powierzchniowymi stanowiskami obserwacyjnymi .

Skala globalna

Średnie roczne temperatury powierzchni morza.

Meteorologia w skali globalnej zajmuje się badaniem wzorców pogodowych związanych z transportem ciepła z tropików na bieguny . W tej skali znaczenie mają bardzo duże oscylacje. Oscylacje te mają okresy zazwyczaj rzędu miesięcy, takie jak oscylacja Madden-Julian lub lata, takie jak oscylacja El Niño-Southern i oscylacja dziesięcioletnia na Pacyfiku . Meteorologia w skali globalnej wkracza w zakres klimatologii. Tradycyjna definicja klimatu jest przesuwana w większe skale czasowe, a dzięki zrozumieniu globalnych oscylacji w dłuższej skali czasu, ich wpływ na zaburzenia klimatu i pogody można uwzględnić w prognozach synoptycznych i mezoskalowych.

Numeryczna prognoza pogody jest głównym celem w zrozumieniu interakcji powietrze-morze, meteorologii tropikalnej, przewidywalności atmosfery oraz procesów troposferycznych/stratosferycznych. Naval Research Laboratory w Monterey w Kalifornii, stworzył globalnego modelu atmosferycznego o nazwie Navy Operacyjny Info Globalny system atmosferyczne (NOGAPS). NOGAPS działa operacyjnie w Centrum Numerycznej Meteorologii i Oceanografii Floty dla Sił Zbrojnych Stanów Zjednoczonych. Wiele innych globalnych modeli atmosferycznych jest prowadzonych przez krajowe agencje meteorologiczne.

Niektóre zasady meteorologiczne

Meteorologia warstwy granicznej

Meteorologia warstwy granicznej zajmuje się badaniem procesów zachodzących w warstwie powietrza bezpośrednio nad powierzchnią Ziemi, znanej jako warstwa graniczna atmosfery (ABL). Efekty powierzchni – nagrzewanie, chłodzenie i tarcie  – powodują turbulentne mieszanie w warstwie powietrza. Znaczne ruchy ciepła , materii lub pędu w skali czasowej poniżej jednego dnia są spowodowane turbulentnymi ruchami. Meteorologia warstwy granicznej obejmuje badanie wszystkich rodzajów granic między powierzchnią a atmosferą, w tym oceanów, jezior, gruntów miejskich i gruntów pozamiejskich do badań meteorologicznych.

Meteorologia dynamiczna

Meteorologia dynamiczna ogólnie skupia się na dynamice płynów atmosfery. Idea paczki lotniczej służy do zdefiniowania najmniejszego elementu atmosfery, ignorując dyskretną molekularną i chemiczną naturę atmosfery. Paczkę lotniczą definiuje się jako punkt w płynnym kontinuum atmosfery. Do badania atmosfery wykorzystuje się podstawowe prawa dynamiki płynów, termodynamiki i ruchu. Wielkości fizyczne charakteryzujące stan atmosfery to temperatura, gęstość, ciśnienie itp. Zmienne te mają unikalne wartości w kontinuum.

Aplikacje

Prognoza pogody

Prognoza presji powierzchniowych na pięć dni w przyszłość dla północnego Pacyfiku, Ameryki Północnej i północnego Oceanu Atlantyckiego

Prognozowanie pogody to zastosowanie nauki i technologii do przewidywania stanu atmosfery w przyszłości i w danej lokalizacji. Ludzie próbowali nieformalnie przewidywać pogodę od tysiącleci, a formalnie od co najmniej XIX wieku. Prognozy pogody są opracowywane poprzez gromadzenie danych ilościowych o aktualnym stanie atmosfery i wykorzystanie naukowego zrozumienia procesów atmosferycznych w celu prognozowania ewolucji atmosfery.

Kiedyś przedsięwzięcie całkowicie ludzkie oparte głównie na zmianach ciśnienia barometrycznego , aktualnych warunkach pogodowych i stanie nieba, modele prognostyczne są teraz używane do określania przyszłych warunków. Wciąż wymagany jest wkład ludzki, aby wybrać najlepszy możliwy model prognozy, na którym oprzeć prognozę, co obejmuje umiejętności rozpoznawania wzorców, telepołączenia , wiedzę na temat wydajności modelu i wiedzy o błędach modelu. Chaotyczny charakter atmosfery, masywny moc obliczeniową potrzebną do rozwiązania równania opisujące atmosferę błędu związanego z pomiaru warunków początkowych i niekompletne rozumienie procesów atmosferycznych oznacza, że prognozy stają się mniej dokładne, jak różnica w obecnym czasie i zwiększa się czas, na który prognoza jest wykonywana ( zakres prognozy). Zastosowanie zespołów i konsensusu modelowego pomaga zawęzić błąd i wybrać najbardziej prawdopodobny wynik.

Istnieje wiele zastosowań końcowych prognoz pogody. Ostrzeżenia pogodowe są ważnymi prognozami, ponieważ służą do ochrony życia i mienia. Prognozy oparte na temperaturze i opadach są ważne dla rolnictwa, a zatem dla handlujących towarami na giełdach. Prognozy temperatur są wykorzystywane przez przedsiębiorstwa użyteczności publicznej do oszacowania zapotrzebowania na nadchodzące dni. Na co dzień ludzie korzystają z prognoz pogody, aby określić, w co się ubrać. Ponieważ ulewny deszcz, śnieg i chłód wiatru znacznie ograniczają aktywność na świeżym powietrzu , prognozy można wykorzystać do planowania działań wokół tych wydarzeń oraz planowania z wyprzedzeniem i przetrwania ich.

Meteorologia lotnicza

Meteorologia lotnicza zajmuje się wpływem pogody na zarządzanie ruchem lotniczym . Ważne jest, aby załogi lotnicze rozumiały wpływ pogody na ich plan lotu, jak również na samoloty, jak zauważono w Instrukcji Informacji Lotniczej :

Skutki lodu na samoloty kumulują się — siła ciągu jest zmniejszona, opór wzrasta, siła nośna maleje, a masa wzrasta. Wynikiem tego jest wzrost prędkości przeciągnięcia i pogorszenie osiągów samolotu. W ekstremalnych przypadkach w czasie krótszym niż 5 minut na krawędzi natarcia płata może uformować się od 2 do 3 cali lodu. Wystarczy tylko 1/2 cala lodu, aby zmniejszyć udźwig niektórych samolotów o 50 procent i zwiększyć opór tarcia o równy procent.

Meteorologia rolnicza

Meteorolodzy, gleboznawcy , hydrolodzy rolni i agronomowie to ludzie zajmujący się badaniem wpływu pogody i klimatu na rozmieszczenie roślin, plony , efektywność wykorzystania wody, fenologię rozwoju roślin i zwierząt oraz bilans energetyczny zarządzanych i naturalnych ekosystemów. Z drugiej strony interesuje ich rola roślinności w klimacie i pogodzie.

Hydrometeorologia

Hydrometeorologia to dział meteorologii, który zajmuje się cyklem hydrologicznym , budżetem wodnym oraz statystyką opadów burzowych . Hydrometeorolog przygotowuje i wydaje prognozy skumulowanych (ilościowych) opadów, ulewnych deszczy, obfitych opadów śniegu i zaznacza obszary, na których może wystąpić gwałtowne powodzie. Zazwyczaj zakres wymaganej wiedzy pokrywa się z klimatologią, meteorologią mezoskalową i synoptyczną oraz innymi naukami o Ziemi.

Multidyscyplinarny charakter branży może skutkować wyzwaniami technicznymi, ponieważ narzędzia i rozwiązania z każdej z zaangażowanych dyscyplin mogą zachowywać się nieco inaczej, być zoptymalizowane dla różnych platform sprzętowych i programowych oraz wykorzystywać różne formaty danych. Istnieje kilka inicjatyw – takich jak projekt DRIHM – które próbują rozwiązać ten problem.

Meteorologia jądrowa

Meteorologia jądrowa bada rozkład aerozoli i gazów promieniotwórczych w atmosferze.

Meteorologia morska

Meteorologia morska zajmuje się prognozami powietrza i fal dla statków operujących na morzu. Organizacje takie jak Ocean Prediction Center , biuro prognoz Honolulu National Weather Service , United Kingdom Met Office i JMA przygotowują prognozy dla oceanów na całym świecie.

Meteorologia wojskowa

Meteorologia wojskowa to badanie i zastosowanie meteorologii do celów wojskowych . W Stanach Zjednoczonych, United States Navy „s dowódca Naval Meteorologii i Oceanografii poleceń nadzoruje wysiłki meteorologicznych dla marynarki wojennej i piechoty morskiej , podczas gdy Stany Zjednoczone Air Force ” s Air Force Weather Agencja jest odpowiedzialna za lotnictwie i wojsku .

Meteorologia środowiskowa

Meteorologia środowiskowa analizuje głównie fizyczne i chemiczne rozproszenie zanieczyszczeń przemysłowych na podstawie parametrów meteorologicznych, takich jak temperatura, wilgotność, wiatr i różne warunki pogodowe.

Energia odnawialna

Zastosowania meteorologiczne w energii odnawialnej obejmują badania podstawowe, „eksplorację” oraz mapowanie potencjału energii wiatru i promieniowania słonecznego na potrzeby energii wiatrowej i słonecznej.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Słowniki i encyklopedie

Zewnętrzne linki

Zobacz prognozy pogody dla witryn prognozy pogody.