Информационные технологии в метеорологии

Метеороло́гия (от греч. μετέωρος, metéōros, атмосферные и небесные явления и -λογία, -логия) — наука о строении и свойствах земной атмосферы и совершающихся в ней физических процессах. Во многих странах метеорологию называют физикой атмосферы, что в большей степени соответствует её сегодняшнему значению.

Основные объекты исследования

• физические, химические процессы в атмосфере
• состав атмосферы
• строение атмосферы
• тепловой режим атмосферы
• влагообмен в атмосфере
• общая циркуляция атмосферы
• электрические поля
• оптические и акустические явления
• циклоны
• антициклоны
• ветра
• фронты
• климат
• погода
• облака

 

История науки

 

Первые исследования в области Метеорологии относятся к античному времени (Аристотель). Развитие Метеорологии ускорилось с 1-й половины 17 в., когда итальянские учёные Г. Галилей и Э. Торричелли разработали первые метеорологические приборы — барометр и термометр.

В 17—18 вв. были сделаны первые шаги в изучении закономерностей атмосферных процессов. Из работ этого времени следует выделить метеорологические исследования М. В. Ломоносова и Б. Франклина, которые уделяли особое внимание изучению атмосферного электричества. В этот же период были изобретены и усовершенствованы приборы для измерения скорости ветра, количества выпадающих осадков, влажности воздуха и др. метеорологических величин. Это позволило начать систематические наблюдения за состоянием атмосферы при помощи приборов, сначала в отдельных пунктах, а в дальнейшем (с конца 18 в.) на сети метеорологических станций. Мировая сеть метеорологических станций, проводящих наземные наблюдения на основной части поверхности материков, сложилась в середине 19 в.

Наблюдения за состоянием атмосферы на различных высотах были начаты в горах, а вскоре после изобретения аэростата (конец 18 в.) — в свободной атмосфере. С конца 19 в. для наблюдения за метеорологическими величинами на различных высотах широко используются шары-пилоты и шары-зонды с самопишущими приборами. В 1930 советский учёный П. А. Молчанов изобрёл радиозонд — прибор, передающий сведения о состоянии свободной атмосферы по радио. В дальнейшем наблюдения при помощи радиозондов стали основным методом исследования атмосферы на сети аэрологических станций. В середине 20 в. сложилась мировая актинометрическая сеть, на станциях которой производятся наблюдения за солнечной радиацией и её преобразованиями на земной поверхности; были разработаны методы наблюдений за содержанием озона в атмосфере, за элементами атмосферного электричества, за химическим составом атмосферного воздуха и др. Параллельно с расширением метеорологических наблюдений развивалась климатология, основанная на статистическом обобщении материалов наблюдений. Большой вклад в построение основ климатологии внёс А. И. Воейков, изучавший ряд атмосферных явлений: общую циркуляцию атмосферы, влагооборот, снежный покров и др.

В 19 в. получили развитие эмпирические исследования атмосферной циркуляции с целью обоснования методов прогнозов погоды. Работы У. Ферреля в США и Г. Гельмгольца в Германии положили начало исследованиям в области динамики атмосферных движений, которые были продолжены в начале 20 в. норвежским учёным В. Бьеркнесом и его учениками. Дальнейший прогресс динамической Метеорологии ознаменовался созданием первого метода численного гидродинамического прогноза погоды, разработанного советским учёным И. А. Кибелем, и последующим быстрым развитием этого метода.

В середине 20 в. большое развитие получили методы динамической Метеорологии в изучении общей циркуляции атмосферы. С их помощью американские метеорологи Дж. Смагоринский и С. Манабе построили мировые карты температуры воздуха, осадков и др. метеорологических величин. Аналогичные исследования ведутся во многих странах, они тесно связаны с Международной программой исследования глобальных атмосферных процессов (ПИГАП). Значительное внимание в современной Метеорологии уделяется изучению физических процессов в приземном слое воздуха. В 20—30-х гг. эти исследования были начаты Р. Гейгером (Германия) и др. учёными с целью изучения микроклимата; в дальнейшем они привели к созданию нового раздела Метеорологии — физики пограничного слоя воздуха. Большое место занимают исследования изменений климата, в особенности изучение всё более заметного влияния деятельности человека на климат.

Метеорология в России достигла высокого уровня уже в 19 в. В 1849 в Петербурге была основана Главная физическая (ныне геофизическая) обсерватория — одно из первых в мире научных метеорологических учреждений. Г. И. Вильд, руководивший обсерваторией на протяжении многих лет во 2-й половине 19 в., создал в России образцовую систему метеорологических наблюдений и службу погоды. Он был одним из основателей Международной метеорологической организации (1871) и председателем международной комиссии по проведению 1-го Международного полярного года (1882—83). За годы Советской власти был создан ряд новых научных метеорологических учреждений, к числу которых относятся Гидрометцентр СССР (ранее Центральный институт прогнозов), Центральная аэрологическая обсерватория, институт физики атмосферы АН СССР и др.

Основоположником современной школы динамической Метерологии был А. А. Фридман. В его исследованиях, а также в более поздних работах Н. Е. Кочина, П. Я. Кочиной, Е. Н. Блиновой, Г. И. Марчука, А. М. Обухова, А. С. Монина, М. И. Юдина и др. были исследованы закономерности атмосферных движений различных масштабов, предложены первые модели теории климата, разработана теория атмосферной турбулентности. Закономерностям радиационных процессов в атмосфере были посвящены работы К. Я. Кондратьева.

В работах А. А. Каминского, Е. С. Рубинштейн, Б. П. Алисова, О. А. Дроздова и др. советских климатологов был детально изучен климат нашей страны и исследованы атмосферные процессы, определяющие климатические условия. В исследованиях, выполненных в Главной геофизической обсерватории, изучался тепловой баланс земного шара и были подготовлены атласы, содержащие мировые карты составляющих баланса. Работы в области синоптической Метеорологии (В. А. Бугаев, С. П. Хромов, А.С.Зверев и др.) способствовали значительному повышению уровня успешности метеорологических прогнозов. В исследованиях агрометеорологов (Г. Т. Селянинов, Ф. Ф. Давитая и др.) дано обоснование оптимального размещения с.-х. культур на территории нашей страны.

Существенные результаты получены в Советском Союзе в работах по активным воздействиям на атмосферные процессы. Опыты воздействий на облака и осадки, начатые В. Н. Оболенским, получили широкое развитие в послевоенные годы. В результате исследований, проведённых под руководством Е. К. Фёдорова, была создана первая система, позволяющая ослаблять градобитие на большой территории.

 

Метеорология сегодня

 

Характерной чертой современной Метеорологии является применение в ней новейших достижений физики и техники. Так, для наблюдений за состоянием атмосферы используются метеорологические спутники, позволяющие получать информацию о многих метеорологических величинах для всего земного шара. Для наземных наблюдений за облаками и осадками пользуются радиолокационными методами. Всё возрастающее применение находит автоматизация метеорологических наблюдений и обработки их данных. В исследованиях по теоретической Метеорологии широко используются ЭВМ, применение которых имело громадное значение для разработки и усовершенствования численных методов прогнозов погоды. Расширяется использование количественных физических методов исследования в таких областях Метеорологии, как климатология, агрометеорология, биометеорология человека, где ранее они почти не применялись.

Наиболее тесно Метеорология связана с океанологией и гидрологией суши. Эти три науки изучают различные звенья одних и тех же процессов теплообмена и влагообмена, развивающихся в географической оболочке Земли. Связь Метеорологии с геологией и геохимией основана на общих задачах этих наук в исследованиях эволюции атмосферы и изменений климатов Земли в геологическом прошлом. В современной Метеорологии широко используются методы теоретической механики, а также материалы и методы многих др. физических, химических и технических дисциплин.

Одна из главных задач Метеорологии — прогноз погоды на различные сроки. Краткосрочные прогнозы особенно необходимы для обеспечения работы авиации; долгосрочные — имеют большое значение для сельского хозяйства. Т. к. метеорологические факторы оказывают существенное влияние на многие стороны хозяйственной деятельности, для обеспечения запросов народного хозяйства необходимы материалы о климатическом режиме. Быстро возрастает практическое значение активных воздействий на атмосферные процессы, в том числе воздействий на облачность и осадки, защиты растений от заморозков и др.

Научными и практическими работами в области Метеорологии руководит Гидрометеорологическая служба СССР, созданная в 1929.

Деятельность метеорологических служб различных стран объединяет Всемирная метеорологическая организация и др. международные метеорологические организации. Международные научные совещания по различным проблемам Метеорологии проводит также Ассоциация метеорологии и физики атмосферы, входящая в состав Геодезического и геофизического союза. Наиболее крупными совещаниями по Метеорологии в РФ являлись Всесоюзные метеорологические съезды. Метеорологические съезды проводятся в России с 1900 года. Последний по времени проведения съезд проводился в СССР в 1971 году. 6-й Всероссийский метеорологический съезд призван стать самым масштабным в новой российской истории событием в области гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды, и он состоялся 14-16 октября 2009 г. Россия, Санкт-Петербург.

Работы, выполняемые в области Метеорологии, публикуются в метеорологических журналах.

 

Наиболее важные исторические даты:

 

• конец XVII в. (при Петре I) — начались постоянные наблюдения за погодой.
• 1715 г. — первый в России водомерный пост, по приказу Петра I на Неве у Петропавловской крепости.
• 10 апреля 1722 по указу Петра Великого в Санкт-Петербурге начались систематические наблюдения за погодой. Записи вёл вице-адмирал Корнелиус Крюйс. Первое время записи были довольно скупы на интересную информацию и выглядели примерно так: «Апрель, 22, воскресенье. Поутру ветер норд-вест; вода також стоит, как выше упомянуто. Пасмурно и студено… в полдни ветр малый норд-вест и дождь после полудня. Тихо и красный день до самого вечера». Позднее наблюдения приняли более научный характер.
• В 1724 году была образована первая в России метеорологическая станция, а с декабря 1725 года при Академии наук стали проводиться наблюдения при помощи барометра и термометра.
• 30-е годы XVIII в. — создана сеть из 20 метеостанций («Великая северная экспедиция»).
• 1 апреля 1849 г. — в Петербурге учреждена «Главная физическая обсерватория» (ГФО). (Ныне «Главная геофизическая обсерватория» им. А. И. Воейкова (ГГО)).
• 70-е годы XIX в. — массовое развитие сети пунктов гидрологических наблюдений на крупных реках и озёрах.
• 1 января 1872 г. — ГФО приступила к созданию ежедневных синоптических карт Европы и Сибири и к выпуску метеорологического бюллетеня (дату принято считать днём рождения службы погоды в России).
• 1892 г. — начал выходить «Метеорологический ежемесячник».
• 21 июня 1921 г. — В. И. Ленин подписал декрет «Об организации метеорологической службы в РСФСР».
• Август 1929 г. — постановление СНК СССР об организации единой Гидрометеорологической службы. Создатель и руководитель — А. Ф. Вангенгейм, председатель Гидрометеорологического комитета при СНК СССР.
• 1 января 1930 г. — начало работу «Центральное бюро погоды».

 

Где работают метеорологи

 

• Органы Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (отделы прогноза погоды, климатологии, сельскохозяйственной метеорологии).
• Прогностические подразделениях гражданской и военной авиации.
• Региональные центры сбора, контроля и анализа информации о состоянии воздушной среды.
• Сеть метеорологических, аэрологических и актинометрических станций.
• Научно-исследовательские учреждения, изучающие закономерности климата и разрабатывающие прогнозы климатических изменений.

 

Чем занимаются метеорологи

 

Значительная часть метеорологов занимается прогнозом погоды. Они работают в правительственных и военных организациях и частных компаниях, обеспечивающих прогнозами авиацию, мореплавание, сельское хозяйство, строительство, а также передают их по радио и телевидению.

Другие специалисты проводят наблюдения за уровнем загрязнения, оказывают консультации, преподают или занимаются научно-исследовательской работой. При метеорологических наблюдениях, прогнозе погоды и научных изысканиях все бóльшее значение приобретает электронное оборудование.

Профессиональная практическая деятельность заключается в:

• научно-исследовательской: участие в разработке физико-математических моделей общей циркуляции атмосферы и климата, включая взаимодействие атмосферы и океана, в их сопоставлении с наблюдениями, анализе чувствительности к различным природным факторам; изучению физических и химических процессов, протекающих в атмосфере и при ее взаимодействии с земной поверхностью и биосферой; осуществление географического и физического анализа атмосферных процессов и явлений, их классификации, установлению эмпирических зависимостей и закономерностей; исследование переноса, трансформации и выведению промышленных и других загрязнений, выбрасываемых в атмосферу;
• оперативно-производственной: оценка влияния метеорологических факторов на состояние окружающей среды и разработка рекомендаций по их рациональному учету целях охраны природы; метеорологическому обоснованию проектируемых сооружений аэропортов, размещения строительства и др.; участие в экологической экспертизе проектов;
• проектно-производственной: организация и проведение специальных метеорологических наблюдений; проведение оперативных прогнозов погоды различной заблаговременности и сбору необходимой информации; оценка влияния сложившихся и ожидаемых метеорологических условий на сельское хозяйство, рыболовство и производственную деятельность всех видов транспорта;
• педагогической (при условии освоения педагогической программы обучения): преподавание метеорологических дисциплин в вузах и средних специальных учебных заведениях; учебно-вспомогательная работа в вузах.

Метеоролог, освоивший основную образовательную программу высшего профессионального образования может продолжить свое образование в аспирантуре по специальностям «Метеорология, климатология и агрометеорология», «Геоэкология», и другим смежным специальностям, а также в магистратуре по направлению «Гидрометеорология».

 

Чем интересна работа метеорологов

 

Погода непрерывно меняется, ее изменения подчинены сложным законам, не до конца еще познанным людьми. Какой бы спокойной ни была она, в любой момент от нее, можно ждать неожиданностей. Метеорологу, особенно синоптику, никогда не приходится иметь дело с одной и той же ситуацией, с одной и той же погодой: разнообразие метеорологических условий в природе так велико, что двух одинаковых карт погоды еще никому не приходилось видеть. Анализ любой ситуации, отражаемой картой погоды любого дня,— всегда новая, не встречавшаяся ранее задача. Воистину с погодой не соскучишься!

Заслуживает быть отмеченной и еще одна привлекательная особенность работы метеоролога: у него есть коллеги практически в любой точке земного шара. Можно отметить удивительную легкость общения между никогда раньше не видевшими друг друга коллегами-метеорологами, где бы они не встречались — в таежной деревушке в Восточной Сибири или на перевалах Гиссарского хребта в Средней Азии, в заповеднике Западного Кавказа или в селениях Алазанской долины, в Грузии, в румынском порту Констанца, в болгарских городах в долине Дуная, в сербских и венгерских селениях, на американских научных станциях в Антарктике, в тропической Австралии в субтропической Новой Зеландии, в бразильских джунглях, аргентинской саванне, в Швейцарских Альпах и на Французской Юре...

Нельзя сбрасывать со счетов и сознание важности труда метеоролога, результаты которого нужны всем отраслям народного хозяйства. Постоянный интерес всеx слоев населения страны к метеорологической информации делает работу метеорологов интересной вдвойне.

Профессия метеоролога относится к числу относительно редких, не массовых и в какой-то мере романтических профессий: метеорологи — непременные участники самых различных экспедиций, они зимуют на полярных станциях, работают в малонаселенных районах, на высокогорных плато и перевалах, на борту океанических кораблей, на аэродромах, летают на самолетах и аэростатах и т. д., и т. п. Все это так, действительно метеорологи вездесущи, им приходится бывать в таких местах, куда люди других профессий не могут надеяться попасть ни при каких обстоятельствах. Но все же не это является главной отличительной чертой работы метеоролога, которая далеко не всегда так романтична, как это может показаться с первого взгляда, и практически всегда требует пунктуальности, упорства и настойчивости в выполнении будничных, повседневных обязанностей. Основное требование к работе метеоролога любой квалификации — объективность. Объективность при выполнении наблюдений, значительная часть которых производится визуально и результаты которых документируются только одним метеонаблюдателем и не могут быть ни проверены, ни исправлены, если будет допущена неточность или ошибка. Объективность при обработке результатов наблюдений, точность их записи цифрами международного кода, делающая их доступными всему миру. Объективность анализа всей суммы данных наблюдений, сведение к минимуму субъективности в их оценке — в этом залог успешности всех видов обеспечения потребителей метеорологической информацией, в том числе и успешности составляемых на основе этого анализа прогнозов погоды... Вторая особенность работы метеоролога — постоянное внимание к объекту наблюдений, изучения и анализа, невозможность отвлечься, хотя бы на время заняться другим делом. Метеоролог за работой — часовой погоды, он на вахте которую нельзя оставить ни на минуту. Он обязан следить за всеми изменениями погоды, сколь бы незначительными они ни были, фиксировать все эти изменения и Считывать. Метеоролог следит за небом постоянно, даже не находясь на работе. Где бы он ни находился и что бы ни стало он мысленно оценивает все происходящее в атмосфере на его глазах. Вместе с тем не существует профессии, в большей степени интернациональной, чем профессия метеоролога. Сама идея выполнения наблюдений за погодой, сбора, обработки и распространения метеорологической информации предусматривает международное сотрудничество, без которого она неосуществима. В самом деле: явления погоды развиваются над земной поверхностью, не считаясь с государственными границами; обмен метеорологической информацией необходим в масштабах всего земного шара, и он возможен только при наличии общедоступного всем метеоспециалистам международного языка, каким являются цифровые метеорологические коды и стандартные символы; результаты наблюдений за погодой и всех метеорологических измерений должны быть сравнимы и сопоставимы между собой, что требует единой для всего мира системы мер, единой методики производства наблюдений, стандартизации приборов, соблюдения точности и сроков измерений метеорологических величин. Метеорологи — люди со специальным образованием. Среди них есть метеонаблюдатели, операторы метеорологических радиолокаторов, техники, инженеры и научные работники. В метеорологической службе вместе с метеорологами работают люди и других специальностей — радиотехники, связисты, механики, телеметристы, электронщики, программисты и операторы ЭВМ и многие другие. Без их помощи нельзя себе представить работу метеорологов, стоящих сегодня на страже погоды.

 

Разделы метеорологии

 

Основной раздел Метеорологии — физика атмосферы, исследующая физические явления и процессы в атмосфере.

Химические процессы в атмосфере изучаются химией атмосферы — новым, быстро развивающимся разделом Метеорологии.

Изучение атмосферных процессов теоретическими методами гидроаэромеханики — задача динамической метеорологии, одной из важных проблем которой является разработка численных методов прогнозов погоды.

Другими разделами Метеорологии являются: наука о погоде и методах её предсказания — синоптическая метеорология и наука о климатах Земли — климатология, обособившаяся в самостоятельную дисциплину. В этих дисциплинах пользуются как физическими, так и географическими методами исследования, однако в последнее время физические направления в них стали ведущими. Влияние атмосферных факторов на биологические процессы изучается биометеорологией, включающей сельско-хозяйственную метеорологию и биометеорологию человека.

В состав физики атмосферы входят: физика приземного слоя воздуха, изучающая процессы в нижних слоях атмосферы; аэрология, посвященная процессам в свободной атмосфере, где влияние земной поверхности менее существенно; физика верхних слоев атмосферы, рассматривающая атмосферу на высотах в сотни км, где плотность атмосферных газов очень мала. Изучением физики и химии верхних слоев атмосферы занимается аэрономия. К физике атмосферы относятся также актинометрия, изучающая солнечную радиацию в атмосфере и её преобразования, атмосферная оптика — наука об оптических явлениях в атмосфере, атмосферное электричество и атмосферная акустика.

 

Специальность и профиль «Метеорология» в ИГУ

 

Сегодня уже никого не надо убеждать в том, что качественное высшее образование - залог успешного, обеспеченного будущего. Оно необходимо каждому человеку в современном мире, чтобы добиться успеха и реализовать себя. Иркутский Государственный Университет (ИГУ) дает возможность получить полноценное высшее образование гидрометеорологического профиля, соответствующее мировым нормам и стандартам.

Существует три основные специальности, по которым готовят кадры метеорологов: собственно метеорологическая, климатологическая и агрометеорологическая. Внутри метеорологической специальности есть несколько специализаций: синоптика, аэрология, морская метеорология авиационная метеорология, радиометеорология, метеорологическое приборостроение и предвычисление погоды (решение задач прогнозирования численными методами с помощью ЭВМ). Синоптики занимаются составлением прогнозов погоды, аэрологи — изучением состояния атмосферы на высотах, морские метеорологи — обеспечением метеорологической информацией морского транспорта, а авиационные метеорологи — воздушного транспорта. Радиометеорологи разрабатывают вопросы использования различных радиотехнических средств для исследования атмосферы. В последние годы наметилась тенденция к развитию еще одной специализации — спутниковой метеорологии, что диктуется непрерывно возрастающей потребностью использования информации метеорологических спутников для нужд народного хозяйства.

При подготовке специалистов-метеорологов на кафедре метеорологии и охраны атмосферы изучаются как самые передовые технологии анализа метеорологической информации, так и методики, проверенные временем. К первым можно отнести моделирование климатических процессов, предсказание погоды с использованием нейросетей, ко вторым - обычный статистический анализ, но уже с привлечением современного программного обеспечения и компьютерного оборудования.

На начальных стадиях студенты получают основные сведения из статистики и приобретают навыки работы на персональных компьютерах. Дальнейшее обучение строится на углублении полученных данных и обучению другим навыкам. Так, для статистического анализа численных рядов, каковыми являются ряды измерений метеорологических характеристик, используются пакеты фирмы StatSoft STATISTICA и фирмы Goldern SoftWare Grapher. Первый обладает возможностями для наиболее полного анализа числовых рядов с применением большинства известных статистических подходов, а второй - представляет эти ряды в виде графика так, что становятся ясными тенденции поведения той или иной метеорологической характеристики.

На старших курсах студентов обучают технологиям, внедряемым в современные службы погоды. К таким относятся, в первую очередь, геоинформационные системы (ГИС). На основе данных, получаемых дважды в сутки из Мировых центров данных в Москве и Вашингтоне, студенты строят и обрабатывают метеорологические карты. На этих картах проводятся изотермы, изобары, атмосферные фронты. Строятся прогностические карты различной заблаговременности и многое другое.

Перспективные направления – палеоклиматология (древние климаты Земли), биометеорология (воздействие климатических условий на живые организмы, циклы солнечной активности Чижевского), медицинская климатология (жизнь и хозяйственная деятельность людей в разных климатических поясах Земли), прогноз погоды на основе спутниковой метеорологии, военная метеорология (разработка так называемого климатического оружия), планетарная метеорология (изучение атмосфер Венеры, Марса, Юпитера, Сатурна и их спутников), проблемы глобального потепления и озоновых дыр на Земле, компьютерное моделирование метеорологических и климатических процессов.

Специалистам нужно хорошо знать физику, математику и информатику, поэтому на кафедре метеорологии и охране атмосферы физике и математике уделяют внимание не меньшее, нежели собственно географии!