Что значит "динамическая метеорология"

раздел метеорологии, занимающийся теоретическим изучением атмосферных процессов, используя уравнения гидромеханики, термодинамики и теории излучения.

теоретическая метеорология, раздел метеорологии, занимающийся теоретическим изучением атмосферных процессов в тропосфере и нижней стратосфере с использованием уравнений гидромеханики, термодинамики и теории излучения. За пределами Д. м. остаются лишь теория электрических, акустических и оптических явлений в атмосфере. Главная задача Д. м. ≈ прогноз погоды , именно разработка численных методов прогноза метеорологических элементов (давления, температуры, ветра, облачности, осадков, видимости) на различные сроки на основе изучения общей циркуляции атмосферы , т. е. системы крупномасштабных переносов воздуха над нашей планетой. Д. м. занимается и более ограниченными задачами ≈ анализом происхождения и поведения атмосферных волн и вихрей различного масштаба и деталей общей циркуляции ( фронтов атмосферных и струйных течений ), а также атмосферной турбулентности и конвекции. Попытки теоретического объяснения отдельных особенностей атмосферной циркуляции восходят к 1-й половине 18 в. (английский учёный Дж. Хэдли). В начале 19 в. П. Лапласом была теоретически установлена связь между изменением атмосферного давления с высотой и температурой ( барометрическая формула ) и тем заложены основы статики атмосферы. В 1-й половине 19 в. возникла термодинамика, которая вскоре была применена к объяснению отдельных атмосферных процессов (таких, как фён ). Однако только в 80-х гг. в работах немецких учёных Г. Герца, В. Бецольда и др. оформилась теория адиабатических процессов (т. е. процессов, в которых можно пренебречь теплообменом) в атмосфере, содержащей водяной пар; дальнейшее её развитие относится уже к 20 в. (английский учёный У. Н. Шоу, норвежские учёные А. Рефсдаль, Я. Бьеркнес и др.). В 1-й половине 19 в. французский учёный Г. Кориолис предложил теорему об относительном движении на вращающейся Земле, что позволило применить уравнения гидродинамики, сформулированные Л. Эйлером ещё в 18 в., к метеорологическим проблемам. У. Феррель (США) в ряде исследований, начатых в 1856, дал первую теоретическую модель общей циркуляции атмосферы, основанную на уравнениях гидромеханики, что способствовало оформлению Д. м. как научной дисциплины. В 80-х гг. 19 в. крупный вклад в развитие Д. м. внёс Г. Гельмгольц , предложивший теоретическую модель общей циркуляции поверхности разрыва (атмосферные фронты). В 1897 В. Бьеркнес теоремами о циркуляции и вихреобразовании положил начало «физической гидродинамике» атмосферы как сжимаемой жидкости наиболее общего типа (бароклинной жидкости), в которой распределение плотности зависит от распределения как давления, так и температуры. В 1904 он сформулировал задачу прогноза погоды как решение уравнений атмосферной термогидродинамики. Развитие идей В. Бьеркнеса определило дальнейшие успехи Д. м. В начале 20 в. М. Маргулес в Австрии, В. Бьеркнес и др. построили теорию атмосферных фронтов; Маргулес также заложил основы энергетики атмосферы. В это же время интенсивно изучалась атмосферная турбулентность, определяющая вертикальный обмен тепла, влаги, коллоидных примесей и количества движения в атмосфере. В 20-х гг. 20 в. начинается быстрое развитие Д. м. в СССР; сформировалась советская школа Д. м., основанная А. А. Фридманом. Ещё в 1914 Фридман совместно с шведским учёным Т. Гессельбергом впервые дал оценки порядков величин основных метеорологических элементов (давления, температуры, влажности и др.) и их изменчивости, позволившие упростить уравнения Д. м. В 1922 Фридман построил и детально проанализировал общее уравнение для определения вихря скорости, характеристики местного вращения среды около мгновенных осей в движущейся жидкости, которое впоследствии приобрело фундаментальное значение в теории прогноза погоды. Н. Е. Кочин в 1931 решил задачу о потере устойчивости поверхности раздела между двумя воздушными массами , связанной с образованием циклонов, а в 1935 развил теорию общей циркуляции атмосферы, использовав идею о планетарном пограничном слое. А. А. Дородницын (1938, 1940) теоретически решил задачу о влиянии горного хребта на воздушный поток, в 1940 он рассчитал суточный ход температуры. Принципиальным шагом в решении основной практической задачи Д. м. ≈ прогноза погоды ≈ явилась работа И. А. Кибеля, в которой был дан метод прогноза поля давления и температуры на сутки (1940). Основы гидродинамического метода долгосрочных прогнозов были заложены в работе Е. М. Блиновой (1943). Один из узловых вопросов Д. м. ≈ взаимосвязь полей давления и ветра в атмосфере ≈ был исследован шведским учёным К. Г. Росби (1938) и успешно решён А. М. Обуховым в СССР в 1949. В дальнейшем эта задача была обобщена в работах 1950-х гг. И. А. Кибеля и А. С. Монина, что позволило в 1960-х гг. перейти к более точным методам прогноза погоды. Первые численные прогнозы давления были выполнены в 1951 американским учёным Дж. Чарни и др. Существенным шагом в теории прогноза явились работы Г. И. Марчука и Н. И. Булеева (1953; СССР) и К. Хинкельмана (ФРГ), в которых впервые учитывалось влияние процессов на большой площади на изменение атмосферных условий в пункте, для которого рассчитывается прогноз. Появление в 50-х гг. ЭВМ и бурное развитие вычислительной математики дали толчок интенсивному развитию многих разделов Д. м. Основные уравнения. Д. м. рассматривает тонкий по сравнению со средним радиусом Земли (6374 км) слой атмосферы толщиной в 20≈30 км. Здесь сосредоточено почти 98% всей её массы, что обусловлено влиянием силы тяжести ≈ одной из основных сил, действующих на малый объём («частицу») воздуха. Атмосфера Земли в этом слое ≈ достаточно плотная среда, чтобы рассматривать её как непрерывную и применять к ней законы механики сплошных сред: закон сохранения массы, позволяющий написать уравнение неразрывности, и закон изменения количества движения . Главные силы, действующие на частицу воздуха (помимо силы тяжести), ≈ отклоняющаяся сила вращения Земли (или Кориолиса сила ) и диссипативные силы турбулентного трения. Основными особенностями движений, рассматриваемых в Д. м., являются малость скорости ветра по отношению к скорости звука и большое влияние силы тяжести. Динамика атмосферных процессов всевозможных масштабов тесно связана с притоком тепла. Применение первого начала термодинамики к атмосферным процессам даёт так называемое уравнение притока тепла под действием трёх основных источников тепла в атмосфере: лучистого и турбулентного притоков тепла, а также выделения энергии при фазовых переходах влаги из одних состояний в другие (пар, жидкие капли, лёд). Термодинамические параметры атмосферы ≈ давление, температура и плотность ≈ связаны уравнением состояния . К перечисленным уравнениям добавляются уравнения, определяющие перенос лучистой энергии в атмосфере, перенос влаги, условия образования облаков и выпадения осадков. Граничные условия на земной поверхности связывают температуру воздуха с температурой поверхности материков и океанов. Взаимно обусловленными оказываются также воздушные и океанические течения. Т. о., общая постановка задачи Д. м. включает определение давления, плотности, температуры и влажности воздуха, трёх составляющих ветра, условий образования облаков и осадков в связи с величинами, характеризующими состояние океана и суши. Эта задача чрезвычайно сложна и решается лишь при весьма существенных упрощениях. Развитие Д. м. тесно связано с разработкой методов решения нелинейных уравнений математической физики. Основные проблемы Д. м.

1. Изучение общей циркуляции атмосферы (ОЦА). Интегрирование уравнений Д. м. на длительные сроки при возможно полном учёте тепло- и влагообмена в атмосфере, а также термического и динамического взаимодействия океана и атмосферы позволило создать математическую модель ОЦА, которая в главных чертах соответствует данным наблюдений. Изменяя внешние параметры, можно выяснить причины аномалий климата, а также установить закономерности климата прошлых геологических эпох. Эти работы имеют значение и для теории долгосрочного прогноза погоды. Имеющиеся эмпирические сведения об атмосфере Земли ещё не вполне достаточны для построения полной модели ОЦА. В связи с этим важной задачей Д. м. является исследование глобальных атмосферных процессов путём изучения процессов переноса радиации конвекции и др.

2. Исследование турбулентности в атмосфере и гидросфере. Роль турбулентного обмена в атмосфере весьма велика; за редким исключением все атмосферные движения по существу являются турбулентными. Для развития и совершенствования теории турбулентности необходимо наряду с разработкой математических моделей развивать тонкие экспериментальные методы определения локальных и интегральных характеристик турбулентного обмена.

3. Прогноз погоды. Условно проблема делится на три части: краткосрочный прогноз на срок до 3 суток, долгосрочный прогноз (прогноз на 5≈10 дней, прогноз на месяц и даже на сезон) и прогноз местных условий погоды. Начиная с 60-х гг. 20 в. прогнозы синоптического положения (преимущественно распределения давления и др. метеорологических элементов над обширным районом) на короткий срок методами Д. м. широко применяются в ряде стран с высокоразвитой вычислительной техникой (СССР, США, Великобритания, Франция, Швеция, Норвегия и др.). В опытном порядке составляются также долгосрочные прогнозы отдельных элементов (средняя температура и давление) на основе Д. м. Методы этих прогнозов более тесно связаны с моделями ОЦА, чем методы краткосрочного прогноза. Прогноз местных условий погоды составляется пока преимущественно эмпирическим путём на основе прогноза общего синоптического положения. Теоретические подходы к такому прогнозу трудоёмки и сложны; на базе Д. м. такие прогнозы составляются лишь в опытном порядке в наиболее хорошо оснащённых вычислительной техникой прогностических центрах. Широкое использование сверхбыстродействующих ЭВМ позволит разрабатывать прогностические схемы, в которых одновременно с долгоживущими особенностями метеорологического режима будут получать и короткоживущие, определяющие изменение условий погоды над небольшой территорией.

   Лит.: Основы динамической метеорологии, Л., 1955; Белинский В. А., Динамическая метеорология, М. ≈ Л., 1948; Марчук Г. И., Численные методы в прогнозе погоды, Л., 1967; Юдин М. И., Новые методы и проблемы краткосрочного прогноза погоды, Л., 1963; Монин А. С., Прогноз погоды как задача физики, М., 1969; Кибель И. А., Введение в гидродинамические методы краткосрочного прогноза погоды, М., 1957; Метеорология и гидрология за 50 лет Советской власти, под ред. Е. К. Федорова, Л., 1967.

   Е. М. Добрышман.

Динамическая метеорология — теоретический раздел метеорологии ( физики атмосферы , геофизической гидродинамики ), посвященный изучению физических процессов в атмосфере Земли и других планет . Слово «динамическая» входящее в название дисциплины, отделяет её от метеорологии, подчеркивая что её предмет есть изучение природы, сил, физических механизмов, приводящих в действие атмосферную циркуляцию в глобальном и локальном масштабах.

В настоящее время термин «динамическая метеорология» стал все чаще заменяться на более модное название предмета — «геофизическая гидродинамика» — теоретическую дисциплину, объединяющую динамическую метеорологию, физическую океанологию , включающую в себя также и некоторые вопросы планетологии , астрофизики . В отличие от динамической метеорологии, предмет геофизической гидродинамики шире за счет включения в себя магнитной гидродинамики с целью исследования природы и механизмов переменности глобального магнитного поля планет.

Динамическая метеорология опирается на уравнения гидродинамики , принципы статистической гидродинамики, термодинамику , теорию излучения, теорию турбулентности . В отличие от классической гидродинамики , в динамической метеорологии используется неинерциальная система отсчета, жестко связанная с вращением Земли . Важную роль играют эффекты, связанные с действием силы Кориолиса , стратификация атмосферы , а также турбулентность.

Динамическая метеорология изучает природу процессов разного масштаба в атмосфере с целью разработки численных методов прогноза погоды и теории климата, а также решения различных прикладных задач, таких как рассеяние примесей в атмосфере, воздействие ветра на сооружения и летательные аппараты, моделирование локальных метеорологических процессов, антропогенного влияния и активного воздействия на погоду и изменение климата.

К числу нерешенных, малоизученных проблем динамической метеорологии следует отнести такие загадочные явления, как

• «отрицательная вязкость» — механизм формирующий общую циркуляцию атмосферы и, в частности, её «суперротацию»,
• «отрицательная теплопроводность» — аномальный, «противоградиентный» поток тепла в атмосфере. Отсутствие непротиворечивой теории, понимания механизма турбулентного переноса тепла в атмосфере, проявившееся в ходе дискуссии о равновесном градиенте температуры , приводит к незавершенности связанных с этим вопросом проблем устойчивости атмосферы, теории пограничного слоя атмосферы , прикладной метеорологии и климатологии.
• происхождение струйных течений ,
• природа полугодового и квазидвухлетнего циклов,
• явление цикла индекса — квазипериодические колебания упорядоченности атмосферной циркуляции,
• механизм влияния нестационарных явлений на Солнце на динамику атмосферы, погоду,
• физические процессы, приводящие к образованию шаровой молнии.

Многие процессы, определяющие колебания климата, также далеки от понимания.

Динамическая метеорология, как учебная дисциплина, является теоретической основой специального образования, входящая в программу обучения специалистов по физике атмосферы, метеорологов, океанологов.