Лекции по метеорология

МЕТЕОРОЛОГИЯ

Диана Кюркчиева
Учебник за дистанционно обучение

ПРЕДГОВОР ................................................................................................................ 2
1. ВЪВЕДЕНИЕ ............................................................................................................ 4
2. СЪСТАВ НА ЗЕМНАТА АТМОСФЕРА .............................................................. 7
3. СТРУКТУРА НА АТМОСФЕРАТА .................................................................... 11
4. СТАТИКА НА АТМОСФЕРАТА ........................................................................ 18
5. ТЕРМОДИНАМИКА НА АТМОСФЕРАТА ...................................................... 22
6.ТЕРМИЧЕН РЕЖИМ НА ЗЕМНАТА ПОВЪРХНОСТ И АТМОСФЕРАТА ... 27
7. АТМОСФЕРНА ДИНАМИКА ............................................................................. 35
8. ОБЩА И ЛОКАЛНА ЦИРКУЛАЦИЯ НА АТМОСФЕРАТА .......................... 47
9. ФИЗИКА НА ОБЛАЦИТЕ И ВАЛЕЖИТЕ ......................................................... 58
10. ОПТИЧНИ ЯВЛЕНИЯ В АТМОСФЕРАТА ..................................................... 80
11. ЕЛЕКТРИЧНИ ЯВЛЕНИЯ В АТМОСФЕРАТА .............................................. 87
12. СИНОПТИЧНА МЕТЕОРОЛОГИЯ .................................................................. 94
13. КЛИМАТОЛОГИЯ ............................................................................................ 124
14. ЗАДАЧИ .............................................................................................................. 140
ЛИТЕРАТУРА .......................................................................................................... 141

ПРЕДГОВОР
Със своите специфични особености Земята е станала люлка на човечеството.
Животът и растителността на нашата планета дължат своето съществуване до
голяма степен на нейната атмосфера. Тя доставя необходимия им кислород,
предпазва ги от смъртоносните космични лъчи и ултравиолетово (у. в.)
излъчване на Слънцето, защитава земната повърхност от силно нагряване през
деня и силно охлаждане през нощта. Без атмосферата земната повърхност би се
нагряла над 100
0
С през деня и би изстинала под -100
0
Спрез нощта; навсякъде
би царила абсолютна тишина; денят и нощта биха се сменяли мигновено;
небето би било черно; водата би изчезнала.
Метеорологията има за обект на изучаване атмосферата на нашата планета -
нейния състав, строеж, свойства и физически процеси, протичащи в нея.
Метеорологичните явления са представлявали винаги интерес за хората, тъй
като са пряко свързани с техния бит и дейността им.
Но явленията в земната атмосфера не винаги носят благоденствие на човека -
някои от тях причиняват колосални бедствия, вземат човешки жертви, нанасят
огромни материални щети. Човекът и днес трепери пред разрушителната сила
на мълнии и урагани. Но докато в древността тези бедствия са се смятали за
наказания, пратени от боговете, днес съвременният човек има обяснения за
повечето от тези явления и поради това се стреми да предсказва земните
катастрофи и да се бори с тях.
Особено ценна се оказва днес информацията от космическите спътници, която
позволи създаване на глобална служба за предсказване на времето и
оповестяване на природни бедствия.
Но в последните десетилетия чрез своята дейност човечеството се намеси в
естествения ход на атмосферните процеси и с това наруши баланса в системата
Земя-биосфера. Започнаха крупни аномалии във времето - суша в едни райони
и наводнения в други. Непрекъснато нараства площта на пустините на
планетата и намалява площта на тропическите гори. Киселинни дъждове
станаха истински бедствия, озоновият слой е застрашен от разрушаване.
Появявайки се на Земята, човекът е бил принуден да се бори с природата, за да
оцелее. Сега, неимоверно увеличил своята техническа мощ и своето влияние
върху природата, станало съизмеримо със самата природа, човекът отново
трябва да се бори за оцеляване, да се бори за запазване на биосферата, част от
която е и той. За успешното реализиране на тази цел са необходими знания и
отговорност.
За да запазим нашия космически дом и за да можем и в бъдеще да се
любуваме на величествената красота на дъждовната дъга, полярните сияния и
синьото небе, трябва добре да познаваме процесите, които се извършват на
нашата планета.

В настоящия учебник са разгледани основните метеорологични явления, дава
се обяснението на тези явления, методите за прогнозирането им и се посочва
влиянието на антропогенния фактор върху естествения им ход.
Учебникът е предназначен за студентите от специалностите "Астрономия" и
"Физика", в чийто учебен план е включена като задължителна едноименната
дисциплина, както и за студентите от специалностите "Биология и география",
"Екология", "Химия и опазване на природната среда", "Физика и математика" и
"Химия и физика", на които метеорологията се предлага като избираема
дисциплина.

1. ВЪВЕДЕНИЕ
1.1. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ

Метеорологията има за обект на изучаване атмосферата на нашата планета. Тя
възниква като описателна наука още в древността. Но истинското й развитие
започва през 17 в. със създаване на първите метеорологични прибори:
термометър (Галилей), барометър (Торичели), дъждомер. По-късно се появяват
и други измервателни уреди, като ветромер, влагомер и др., и става възможно
наблюдаваните атмосферни процеси да се описват не само качествено както
дотогава, но и количествено. С течение на времето били установени редица
емпирични връзки между отделни явления и създадени някои правила за
предсказване на времето. С натрупването на данни започват да се правят
анализи и обобщения с цел да се установят връзки между атмосферните
процеси и да се разкрият вътрешните закономерности, които ги управляват.
Заедно с развитието на другите клонове на физиката метеорологията
постепенно се преустройва на физическа основа.
Съвременната метеорология е физическа наука за атмосферата на нашата
планета, за нейния състав, строеж, свойства и физически процеси и явления,
протичащи в нея в тясно взаимодействие както със земната повърхност (сушата
и водата), така и с космически фактори, най-важният от които е Слънцето.
Задачите, които стоят пред метеорологията, са следните:
1. Да установи и опише качествено и количествено процесите и явленията,
които протичат в атмосферата на Земята.
2. Да обясни тези явления и да установи законите, които ги управляват.
3. Познавайки естествения ход на атмосферните процеси, да разработи
надеждни методи за предсказване на бъдещото им развитие за
определен период от време. Това дава възможност да се предприемат
действия за пасивна защита на човека и неговата дейност от
неблагоприятните атмосферни процеси.
4. Да разработи ефективни методи за целенасочено въздействие върху
някои от атмосферните процеси с цел изменение на естествения им ход
в желано от човека направление. Така метеорологията предлага на
човека методи за активна защита от неблагоприятните атмосферни
явления.
С развитието на метеорологията като наука тези задачи са възниквали
последователно, като всяка следваща задача се поставя, когато изследванията
по предходната достигнат определено ниво и послужат като основа за това. Ето
защо в решаването на първата и втората задача метеорологията е отишла
твърде напред в сравнение с постиженията по третата и четвъртата задача. Това
не означава обаче, че някоя от задачите ще отпадне в бъдеще като напълно
решена, тъй като многообразието, в което се проявяват атмосферните процеси,

е неизчерпаемо и необходимост от тяхното наблюдаване, описване и
обясняване винаги ще съществува.

1.2. МЕТОДИ НА ИЗСЛЕДВАНЕ
На сегашния етап намират приложение три метода на изследване в
метеорологията:
а) метод на наблюдението в естествени условия;
б) метод на експеримента (лабораторен и в естествени условия);
в) метод на теоретичния анализ на основата на законите на физиката.
Основен метод на изследване във физиката е лабораторният експеримент. В
процеса на извършването му изследователят има възможност да мени
условията и да въвежда или отстранява различни фактори с определена цел -
установяване на причинните връзки в изучаваните явления и законите, които ги
управляват. Лабораторията на метеоролога е атмосферата. Но за разлика от
физика той не може да изолира влиянието на многобройните второстепенни
фактори и да изучава в чист вид резултата от своята намеса в естествения ход на
процеса. Освен това експерименти над обширни територии засега са извън
практическите възможности на човека поради необходимостта от огромна
енергия.
Чрез метеорологичните наблюдения се събира огромно количество данни,
които се подлагат на обработка и анализ. Статистическият подход позволява
чрез усредняване да се отсеят случайните страни на явлението и да се отдели
основното. Този подход позволява да се установи наличие на връзки между
измененията с времето или в пространството на различните метеорологични
величини, но не обяснява тези връзки. Затова е необходим задълбочен анализ
на основата на общите физични закони. Едва напоследък се създава
количествена теория за много атмосферни явления. В тази насока съществуват
две основни трудности. Първо - не всички фактори са известни или ако са
известни, трудно могат да се облекат в математическа форма. Второ - дори и
съответните уравнения да са съставени, далеч не всякога те са решими със
средствата на съвременната математика. Необходим е умел подход, изразяващ
се във: физическо обосновано отделяне само на основните фактори, влияещи
върху хода на процеса; широка физическа и математическа компетентност, за
да се построи теоретична схема на явлението, максимално близка до
действителността.
В атмосферата непрекъснато протичат различни процеси и се развиват
различни явления. Всичко това е проява на физичното състояние на
атмосферата или времето. В даден момент и на определено място то се
характеризира с редица физични величини и явления. Онези физични
характеристики на състоянието на атмосферата, които могат да се измерят, се

наричат метеорологични елементи, а метеорологичните (атмосферни)
явления характеризират това състояние качествено. Например валежът е
атмосферно явление, а количеството и интензитетът му - метеорологични
елементи.

1.3. ПОДРАЗДЕЛЯНЕ НА МЕТЕОРОЛОГИЯТА
В хода на развитието на метеорологията се очертава тенденция към оформяне
на отделни големи клонове като самостоятелни научни дисциплини, които се
различават по характера на изучаваните явления и използваните методи.
Динамична метеорология (теоретична физика на атмосферата) - изучава
кинематиката и динамиката на атмосферата на базата на термо - и
хидродинамиката. Една от основните и задачи е разработването на методи за
числено моделиране на явленията.
Синоптична метеорология - учение за предсказване на времето. Прави анализ
на атмосферните процеси с помощта на синоптични карти. Това са географски
карти, върху които са нанесени данни от м