Метеорологические величины и атмосферные явления

В атмосфере происходят многообразные физические процессы. Они непрерывно изменяют её состояние. Состояние атмосферы в прилегающем к земной поверхности слое, тропосфере, называют погодой. Различные характеристики погоды носят название метеорологических величин.

Метеорологическими величинами являются:

• атмосферное давление, температура воздуха, а также его плотность и влажность;
• скорость и направление ветра;
• количество, высота и толщина облаков;
• интенсивность осадков;
• метеорологическая дальность видимости и некоторые другие характеристики состояния атмосферы, в том числе, наблюдаемые в атмосфере метеорологические явления.

Их число достаточно велико и оно непрерывно увеличивается по мере уточнения требований, предъявляемых к метеорологическим наблюдениям.

Метеорологические наблюдения для оценки характера погоды в конкретном пункте — это измерения и качественные оценки метеорологических величин.

Наблюдения за гидрометеорологическими явлениями предполагают их визуальную оценку: вид гидрометеорологического явления, характер его проявления, для некоторых явлений — интенсивность.

Количественные и качественные характеристики погоды или состояния атмосферы получают в результате стандартных наблюдений от различных источников государственной наблюдательной сети.

Наблюдательная сеть — это система стационарных и подвижных пунктов наблюдений, в том числе постов, станций, центров, бюро и т. д., предназначенных для наблюдений за физическими и химическими процессами, происходящими в окружающей природной среде.

Результаты определений, измерений или визуальных оценок характеристик погоды фиксируются в соответствии с требованиями по выполнению наблюдений на гидрометеорологических станциях и постах.

Гидрометеорологические наблюдения, производимые штурманским составом на морских судах, представляют собой комплекс измерений и наблюдений за состоянием погоды и поверхности моря (океана). Эти наблюдения дополнительно учитывают значения и характеристики действительного и кажущегося ветра, ветровых волн и зыби, обледенения судна и присутствие морского льда. Они являются существенным дополнением к гидрометеорологической информации, собираемой с наземных метеорологических, аэрологических, гидрологических станций и постов, а также метеорологических спутников Земли о метеорологических величинах и атмосферных явлениях.

Основные метеорологические величины

Давление, температура и влажность воздуха являются главными физическими показателями свойств атмосферы. Взаимодействие между этими тремя параметрами в значительной степени определяет поведение атмосферы. Особое значение для мореплавания имеет также ветер. От его воздействия на судно, так же, как и от волнения, зависит курс и скорость плавания на морских путях, возможность стоянки судна на якоре, на рейде или точно в точке. Под воздействием ветра перемещаются также атмосферные или гидрометеорологические явления над водной поверхностью и, в том числе благодаря этому, меняется погода.

Атмосферное давление (давление воздуха)

Атмосферное давление — это давление производимое атмосферой на находящиеся в ней предметы и на земную поверхность.

Давление воздуха может быть выражено в различных единицах.

В качестве основной единицы измерения атмосферного давления принимают миллибар и паскаль, причём 1 мбар = 100 Па = 10³ дин.

На практике давление обычно измеряется высотой столба ртути в барометре, выраженной в миллиметрах (мм рт. ст., mm Hg).

Применительно к деятельности морского флота чаще используется единица давления миллибар (мбар), хотя постепенно переходят к гектопаскалю (гПа). Другие хорошо известные единицы измерения атмосферного давления — дюймы и миллиметры ртутного столба.

За нормальное атмосферное давление принимают давление, которое уравновешивается весом ртутного столба высотой 760 мм с основанием 1 см² при температуре 0 ºC на широте 45º и на уровне моря, где ускорение свободного падения g₀ = 980,665 cм/с². Давление 760 мм рт. ст. = 1 013 250 дин/см² = 1013,25 мб = 1013,25 Па.

Барическая тенденция

Барическая тенденция оценивается как величина, характеризующая изменение атмосферного давления на уровне станции за последние три часа наблюдений. Она описывается двумя параметрами — величиной и её характеристикой.

Величина (ΔР) отражает количественное изменение атмосферного давления за 3 часа (гПа/3 ч).

Характеристика описывает качественное изменение атмосферного давления, отмеченное на ленте барографа за эти же три часа.

На судах величина барической тенденции ΔР определяется как разность значений атмосферного давления на уровне моря Р₀ в сроки наблюдений t и t−3 ч (3 часа назад), с точностью до 0,1 гПа:

Температура

Температура воздуха — характеристика теплового состояния атмосферы, обусловленная кинетической энергией движения молекул газа, входящих в состав воздуха. Выражается в градусах.

1. Температура воздуха, воды или льда обычно выражается по стоградусной шкале Цельсия (t ºC) с точностью 0,1 ºC:

• ноль градусов по этой шкале соответствует температуре таяния льда при нормальном атмосферном давлении;
• сто градусов по этой шкале — температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении;
• при положительных значениях температуры она фиксируется в диапазоне положительных значений величины 0º + 100 ºC;
• при отрицательных значениях температуры — соответственно со знаком минус −0 ºC и ниже.

2. В ряде стран имеет распространение шкала Фаренгейта (точка таяния льда 32 ºF, а число градусов на шкале n = 180º).

3. В теоретических расчётах часто применяется абсолютная шкала температур Кельвина (Т ºК).

где α — коэффициент объёмного расширения газа, равный 1/273 = 0,003667.

• точка таяния льда (0 ºC) соответствует по этой шкале 273 ºК, а точка кипения воды (100 ºC) будет составлять соответственно 373 ºК.

Влажность воздуха

Влажность воздуха — характеристика атмосферы, отражающая степень насыщения воздуха водяным паром. Водяной пар непрерывно поступает в атмосферу в результате круговорота воды в природе. При этом в разных местах и в разное время он поступает в различных количествах.

Процентное содержание водяного пара во влажном воздухе у земной поверхности в среднем от 0,2 % в полярных широтах до 2,5 % у экватора. В отдельных случаях содержание водяного пара колеблется от нуля до 4 %.

Водяной пар, как всякий газ, обладает упругостью (давлением). Оно выражается в тех же единицах, что и давление воздуха и всех его составных частей, т. е. в гектопаскалях (миллибарах). В международной системе единиц (СИ) основной единицей давления служит паскаль (1 Па = 1 Н/м²; 1 гПа = 10² Па).

Давление водяного пара у земной поверхности изменяется от сотых долей гектопаскаля (при очень низких температурах воздуха зимой) до 35 гПа и более (у экватора).

Влажность воздуха оценивается такими величинами, как парциальное давление и давление насыщенного водяного пара, дефицит насыщения, относительная влажность воздуха и точка росы.

Эти характеристики влажности воздуха описываются следующим образом:

1. Абсолютная влажность (а) — количество (масса) водяного пара, содержащегося в единице объёма. Она измеряется в граммах на 1 м³.
2. Упругость водяного пара (е) или парциальное давление водяного пара выражается, как и упругость воздуха, в миллибарах (гектопаскалях) или миллиметрах ртутного столба.
3. Относительная влажность (f) — отношение упругости водяного пара (е), содержащегося в рассматриваемом воздухе, к упругости (Е) насыщенного пара при той же температуре. Она выражается в процентах:



4. Дефицит влажности (d) — разность между упругостью Е и е, т. е.



5. Температура точки росы (τ) — это та температура воздуха, до которой нужно при неизменном давлении понизить температуру воздуха для того, чтобы пар, содержащийся в нём, достиг состояния насыщения.

В атмосфере может возникать состояние насыщения водяного пара. В таком состоянии водяной пар содержится в воздухе в количестве, предельно возможном при данной температуре.

Давление водяного пара в состоянии насыщения называют давлением насыщенного водяного пара. Например, при температуре 0 ºC давление насыщенного пара может быть равно 6,1 гПа.

Если воздух содержит водяного пара меньше, чем нужно для насыщения его при данной температуре, то можно определить, насколько воздух близок к состоянию насыщения. Для этого вычисляют относительную влажность.

Относительная влажность воздуха может принимать все значения, от нуля в случае сухого воздуха (е = 0) до 100 % для состояния насыщения (е = Е).

Ветер

Океанские суда строятся с таким расчётом, чтобы выдерживать значительную силу ветра, а также обусловленных этим воздействием волн и штормов.

Ветер усиливает килевую и бортовую качку. При стоянке на рейде на якоре резкие повороты и порывы ветра могут вызвать необходимость регулировки якорных цепей.

Направление ветра представляет собой важный элемент для мореплавания, поскольку оно определяет или отклоняет положение судна относительно установленного курса движения и вызывает дрейф судна в направлении воздействия.

Ветер (истинный ветер) представляет собой горизонтальное движение воздушных частиц относительно земной поверхности (суши и Мирового океана). Это векторная величина. Она описывается двумя параметрами — скоростью и направлением.

Скорость ветра — скорость, с которой перемещаются воздушные частицы над морем (океаном). Значение скорости выражается в метрах в секунду (м/с), километрах в час (км/ч), узлах (уз).

Направление ветра — это то направление, откуда перемещаются воздушные частицы (откуда дует ветер). Оно определяется углом между географическим меридианом и направлением на точку горизонта, откуда дует ветер. Значение направления ветра выражается в градусах (от 0º до 360º) или румбах при визуальной оценке направления ветра. Оценка направления в румбах может быть представлена по 8-румбовой (или 16-румбовой) системе или градации направления — северный, северо-восточный, восточный, юго-восточный, южный, юго-западный, западный, северо-западный и т. д. Направление в градусах и румбах отсчитывается от плоскости меридиана по ходу часовой стрелки.

Во время движения судна дующий над морем истинный ветер геометрически складывается с курсовым ветром, скорость которого равна скорости судна, а направление — курсу судна.

Перемещение воздуха относительно судна во время его движения, проявляющееся в результате такого сложения, принято называть кажущимся ветром.

Кажущийся ветер, как и истинный, является векторной величиной, которая характеризуется также скоростью и величиной, а выражается в тех же единицах, что и параметры истинного ветра. Однако направление кажущегося ветра определяется либо по отношению курса судна (определяется курсовой угол кажущегося ветра), если направление ветра определяется с помощью прибора, либо по отношению к географическому меридиану, если направление определяется по компасу.

Скорость и направление истинного ветра меняются непрерывно. Параметры движения судна также недостаточно устойчивы. Соответственно непостоянны во времени и параметры кажущегося ветра. По этим причинам на практике при наблюдениях за ветром на судне скорость и направление определяются как средние значения (осредняются) за определённый промежуток времени (не менее 100 секунд).

Если судно лежит в дрейфе или стоит на якоре, то определяемые на нём скорость и направление ветра будут соответствовать скорости и направлению истинного ветра.

Атмосферные или гидрометеорологические явления

Наблюдения за гидрометеорологическими явлениями производятся постоянно с целью оценки состояния погоды в основной срок наблюдения (или в течение последнего часа), а также между сроками наблюдений (прошедшая погода).

Классификация и описание гидрометеорологических явлений устанавливает необходимые признаки и характеристики каждого из них. В зависимости от особенностей проявления физических процессов в атмосфере атмосферные явления подразделяются на осадки, явления ограниченной видимости, электрические явления, оптические явления, гидробиологические явления, неклассифицированные явления и антропогенные явления, а также облака, лёд в море и обледенение.

Осадки

Осадки, выпадающие на поверхность моря (океана):

• дождь, ливневой дождь;
• морось;
• снег, снежные зёрна;
• ливневой снег;
• снежная и ледяная крупа;
• град и другие твёрдые осадки.

Осадки, образующиеся на поверхности предметов в море (океане):

• роса;
• иней;
• изморозь.

Явления ограниченной видимости

Туманы:

• сплошной, при котором в воздухе ощущается сырость, а неба не видно;
• просвечивающий, через который просвечивается небо, могут быть видны звёзды, диск Солнца или Луны;
• стелющийся (приводный), который образуется над морем в приводном слое;
• ледяной, состоящий из ледяных кристаллов, который образуется при сильных морозах и большой влажности воздуха;
• туман на расстоянии, наблюдающийся на удалении от судна.

Дымка — сильно разряженный туман.

Парение моря (озера, реки) — невысокий туман, иногда очень плотный над незамёрзшим морем, озером, рекой в виде клубов пара при большой разнице температур воды и воздуха (разновидность тумана на расстоянии).

Метели:

• общая метель;
• низовая метель.

Литометеоры:

• пыль, взвешенная в воздухе;
• пыльная, песчаная буря;
• мгла.

Электрические явления

• гроза — электрические разряды в атмосфере;
• зарница — световое явление;
• полярное сияние (сполохи) — свечение верхних слоёв атмосферы.

Оптические явления

• радуга;
• гало;
• мираж.

Гидробиологические явления

• свечение моря;
• цветение моря;
• водоросли.

Неклассифицированные явления

• шквал — резкое увеличение скорости ветра на 8 м/с и более за промежуток времени не более 2 мин.; в большинстве случаев шквалы связаны с кучево-дождевыми (грозовыми) облаками и наблюдаются на фоне выпадения ливневых осадков;
• вихрь — особые условия ветрового режима с вертикальной осью при большой неустойчивости атмосферной стратификации, в случае, сходном с циклонической циркуляцией, однако миниатюрных размеров — малые вихри;
• смерч — сильный вихрь, который образуется под хорошо развитым кучево-дождевым облаком. Обычно возникает в передней части грозового облака. Смерчи — это крупные вихри, которые образуются над морем, в случаях проявления этих вихрей над сушей они называются тромбами (торнадо).

Антропогенные явления

• нефтяные пятна;
• плёнка нефтепродуктов.

Характер проявления гидрометеорологических явлений предполагает определение интенсивности явлений.

При определении интенсивности явлений руководствуются следующими рекомендациями:

• интенсивность не определяется для шквала, вихря, смерча, ледяных игл, полярного сияния, миража, зарницы;
• для оценки интенсивности дымки используют две градации — слабая и умеренная;
• для оценки интенсивности метели используют наблюдения за метеорологической дальностью видимости и скоростью ветра — метель сильная, метель умеренная, метель слабая;
• при возникновении тумана важно определить его вид, степень его прозрачности, мощность туманного слоя по вертикали и характер изменения состояния тумана со временем (туман ослаб, без заметного изменения, усиливается);
• при выпадении жидких и твёрдых осадков важно определить, какие же виды осадков и соответствующие им явления наблюдаются (дождь, град, дождь со снегом и т. д.), характер их выпадения (продолжительные или кратковременные, непрерывные или с перерывами) и интенсивность;
• наблюдения за свечением моря следует производить с наиболее затемнённой части судна над участком моря;
• густота нефтяных пятен — степень покрытия обозреваемой водной поверхности нефтяной плёнкой — оценивается по 10-балльной шкале, а интенсивность (мощность слоя нефтяного пятна) — по 5-балльной шкале.

Облака

Облака как явления погоды представляют собой системы взвешенных в атмосфере частиц воды в жидко-капельном и/или твёрдом (кристаллическом) состоянии, которые являются продуктами конденсации или сублимации водяного пара в атмосфере.

Облака классифицируются по основным формам, объединяемые между собой по сходным внешним признакам и структуре. Количество облаков оценивается по 10-балльной шкале в баллах или по 8-балльной шкале в октах.

Лёд

Лёд в море делится на морской (при замерзании морской воды) и материковый (айсберги и их обломки). Основными его характеристиками являются сплочённость или распределение по площади, возрастные характеристики, мера сжатия льда, а для льда материкового происхождения отдельно подсчитываются айсберги и их обломки с указанием пеленга на них.

По проходимости морской лёд подразделяется на легкопроходимый лёд, труднопроходимый лёд и труднопроходимый лёд в условиях сжатия.

Обледенение

Обледенение судна — это характеристика появления льда на различных частях судна при отрицательной температуре воздуха вследствие замерзания морской воды или её брызг, попадающих на различные части корпуса и надстройки судна. Обледенение судна является чрезвычайно опасным явлением для мореплавания.

Пространственные представления метеорологических величин и атмосферных явлений оцениваются с помощью полей метеовеличин (метеорологических полей).

Различают непрерывные метеорологические поля (давления, температуры и влажности воздуха, ветра) и дискретные (поля облачности, осадков и атмосферных явлений).

Вопросы для контроля

1. Что характеризуют метеорологические величины?
2. Какие метеорологические величины являются главными физическими показателями свойств атмосферы?
3. Какими величинами оценивается влажность воздуха?
4. В каких единицах может быть выражено давление воздуха?
5. По какому признаку атмосферу делят на гомосферу и гетеросферу?

Литература

Гидрометеорологическое Обеспечение Мореплавания - Глухов В.Г., Гордиенко А.И., Шаронов А.Ю., Шматков В.А. [2014]

• Средства связи и сигнализации на судах
• Мореходные приборы и инструменты
• Окрасочные работы на судне
• Обязанности вахтенного матроса
• Пожарная безопасность судна