Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

1.1: Погода

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    37863

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    а) Погода і клімат

    Погода і клімат пов'язані між собою, але вони відрізняються часовими шкалами змін і їх передбачуваністю. Їх можна визначити наступним чином.

    Погода - це миттєвий стан атмосфери навколо нас. Він складається з короткострокових варіацій протягом декількох хвилин до днів таких змінних, як температура, опади, вологість, тиск повітря, хмарність, радіація, вітер та видимість. Через нелінійну, хаотичну природу її керівних рівнянь прогнозованість погоди обмежується днями.

    Клімат - це статистика погоди протягом більш тривалого періоду. Це можна розглядати як середню погоду, яка повільно змінюється протягом місяців або довше. Однак він також включає інші статистичні дані, такі як ймовірності або частоти екстремальних подій. Клімат потенційно передбачуваний, якщо форсування відомо, оскільки середня температура Землі контролюється енергозбереженням. Для клімату важливий не тільки стан атмосфери, але й стан океану, льоду, поверхні суші та біосфери.

    Коротше кажучи: «Клімат - це те, що ви очікуєте. Погода - це те, що ви отримуєте».

    б) Кліматична система

    Кліматична система Землі складається з взаємодіючих компонентів (рис. \(\PageIndex{1}\)). Атмосфера, яка є повітрям і хмарами над поверхнею, товщиною близько 10 км (більше двох третин її маси міститься нижче цієї висоти). Океан охоплює більше двох третин поверхні Землі і має середню глибину приблизно 4 км. Зіткніть ці цифри з радіусом Землі, який становить приблизно 6400 км, і ви виявите, що атмосфера Землі та океан дуже тонкі шари порівняно з розміром самої планети. Насправді вони приблизно в 1000 разів тонше. Вони можна порівняти, можливо, з зовнішнім шаром цибулі або водою на мокрому футбольному м'ячі. Але все життя обмежена цими тонкими шарами. Основними океанічними басейнами є Тихий, Атлантичний, Індійський та Південний океан. Лід і сніг складається з кріосфери, яка включає морський лід, гірські льодовики та крижані покриви на суші. Морський лід - це замерзла морська вода, товщиною до декількох метрів, плаваюча по океану. Крижані покриви на суші, зроблені зі стисненого снігу, можуть бути товщиною в кілька кілометрів. Біосфера включає в себе все живе на суші і в морі від найдрібніших мікробів до дерев і китів. Літосферу, яка є твердою Землею (верхня кора і мантія), також можна вважати активною частиною кліматичної системи Землі, оскільки вона реагує на крижане навантаження [1] і впливає на концентрації вуглекислого газу в атмосфері (CO 2) та клімат на тривалі часові масштаби через рухи материків.

    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Блакитний мармур. Складене зображення Землі з космосу. Він показує всі чотири складові кліматичної системи Землі. Атмосфера зі складними хмарними візерунками. Океан, який охоплює близько 70% поверхні Землі. Кріосфера видно у вигляді білих областей на вершині: морський лід, що покриває Північний Льодовитий океан і крижаний покрив Гренландії. Зелені кольори на суші та бірюзові відтінки уздовж краю океану вказують на біосферу, як цвіте ліси та фітопланктон. Зверніть увагу на нижній лівий тонкий шар атмосфери, що оточує Землю. Від nasa.gov.

    Компоненти взаємодіють один з одним, обмінюючись енергією, водою, імпульсом та вуглецем, створюючи, таким чином, надзвичайно складну сполучену систему. Уявіть, що вода випаровується з нагрітого сонцем тропічного океану (рис. \(\PageIndex{1}\)). Повітря, що містить цю воду, піднімається і охолоджується. Вода конденсується в хмару. Хмара переноситься вітрами над сушею, де йде дощ. Дощ підтримує ліс. Дерева темні, мають низьку альбедо. Це впливає на кількість сонячного світла, поглиненого Землею. Темні поверхні поглинають більше сонячного світла і стають теплішими порівняно з яскравими поверхнями, такими як пустельний пісок або сніг. Повітря, прогріте поверхнею, піднімається вгору і впливає на вітер.

    в) Процеси

    Малюнок\(\PageIndex{2}\) ілюструє деякі важливі процеси, які сприяють складній взаємодії всередині кліматичної системи. Джерелом енергії Землі є сонце. Як сонячне, так і земне випромінювання піддаються впливу газів, аерозолів та хмар в атмосфері. Таким чином, склад атмосфери впливає на нагрівання і охолодження землі. Нагрівання та охолодження впливають на температуру та циркуляцію атмосфери та океанів. Циркуляції повітря і моря впливають на температуру і опади як над океаном, так і на суші, які впливають на біосферу і кріосферу. Атмосфера та океани обмінюються теплом, водою (випаровування та опади) та імпульсом. Вітер, що дме над океаном, штовхає поверхневу воду вперед. Температура повітря і випадання снігу впливають на зростання і танення льодовиків і крижаних покривів. Вода від танення льоду стікає по річках в океан, впливаючи на його солоність, щільність і рух. Варіації сонячного опромінення можуть призвести до зміни глобального клімату. Вулкани можуть викидати велику кількість аерозолю в атмосферу з кліматичними наслідками. Люди впливають на кліматичну систему через викиди парникових газів, аерозолів та змін землекористування.

    Пояснено у пункті вище

    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Схематичне зображення компонентів кліматичної системи та процесів, що беруть участь у їх взаємодії. Від Ле Тру та ін. (2007).

    Складність робить вивчення кліматичної системи складним завданням. Вчені з багатьох дисциплін вносять свій внесок, таких як фізики, хіміки, біологи, геологи, океанографи, вчені атмосфери, палеокліматологи, математики, статистики та комп'ютерні вчені. Для мене виклики та міждисциплінарний характер науки про клімат захоплюючі та веселі. Я дізнаюся щось нове про це кожен день.

    Записані лекції

    Погода і клімат

    Посилання

    Ле Трет, Х., Сомервілл, У. Кубаш, Ю. дінг, C. Mauritzen, А. Мокссіт, Т. Петерсон і М. Пратер, 2007: Історичний огляд зміни клімату. В: Зміна клімату 2007: Основи фізичної науки. Внесок Робочої групи I до четвертого звіту про оцінку Міжурядової групи з питань зміни клімату [Соломон, С., Д., Цинь, М. Маннінг, З. Чен, М. Маркіз, К.Б. Аверт, М.Тіньор і Х.Л. Міллер (ред.)]. Cambridge University Press, Кембридж, Великобританія та Нью-Йорк, Нью-Йорк, США.

    Запитання

    • Які дві основні відмінності між погодою та кліматом?
    • Наскільки велика Земля? Наскільки товста атмосфера, наскільки глибоко океан?
    • Які складові кліматичної системи Землі?
    • Перелік процесів, що викликають взаємодію між складовими: атмосфера-океан, атмосфера-біосфера, атмосфера-кріосфера, океан-біосфера, океан-кріосфера.
    • Назвіть три процеси (форсирування), які можуть призвести до зміни глобального клімату.

    Досліджуйте

    Перейдіть на один із наступних веб-сайтів та вивчіть тимчасові зміни спостережень за температурою поверхні в цікавому для вас місці. Побудуйте сьогоднішні дані, вчорашні, минулого тижня, минулого місяця, минулого року, останнього десятиліття, наскільки ви можете, і зробіть деякі зауваження щодо того, що ви спостерігаєте. Зверніть увагу на регулярні, передбачувані цикли, такі як денний і річний цикл на відміну від нерегулярних, непередбачуваних варіацій, таких як коливання день у день і рік до року. Що викликає регулярні цикли? Постарайтеся впорядкувати варіації щодо їх амплітуди (сили). Обговоріть з однокурсниками та інструктором.

    Погодинні та щоденні дані доступні за адресою: https://www.wunderground.com/history/. Введіть місце розташування, яке вас цікавить. Натисніть на вкладки «Щотижня», «Щомісяця» або «Користувальницькі», щоб вибрати різні періоди часу. На жаль, коли я спробував 30 січня 2017, опція «Користувальницькі» не дозволяла будувати більше одного року даних. Однак, можливо, ви зможете визначити добові (добові) цикли температури. Рис. \(\PageIndex{3}\)показує приклад. Хоча деякі ночі можуть бути теплішими, ніж деякі дні, а іноді дні і ночі мають однакову температуру, в середньому дні тепліші, ніж ночі. Таким чином, середній добовий цикл є частиною клімату. Це вимушено добовим циклом сонячного опромінення. Чи має тиск добовий цикл? Відповідь: ні. Який типовий часовий проміжок коливань тиску? Часто це близько тижня або близько того. Цей часовий масштаб пов'язаний з переходом проходять повз погодних систем (систем високого і низького тиску).

    Малюнок\(\PageIndex{3}\): Дані про погоду з Корвалліса, штат Орегон, з січня 2017 року. У верхній панелі ми бачимо добові цикли температури. Тиск змінюється на більш тривалих часових шкалах. Низький тиск пов'язаний зі штормами (сильними вітрами і поривами вітру).

    Довідка щодо пошуку минулих даних про погоду доступна за адресою https://www.weather.gov/help-past-weather. Дотримуючись інструкцій та натиснувши на Орегон, з'являється http://www.wrh.noaa.gov/pqr/.

    Натиснувши на «місцеві», вибравши вкладку «Місцеві дані/записи» та натиснувши «Щоденні записи для міст Орегону», я перейду на веб-сайт Західного регіонального кліматичного центру http://www.wrcc.dri.edu/summary/climsmor.html, де я можу вибрати місто. Тепер я вибираю «Corvallis Oregon State University» і прокручую вниз ліве бічне меню до «Графік та лістер» під «Щоденні дані». Тепер виберіть період часу (я вибираю 20120101 до 20160101) і натисніть на кнопку «Щоденні опади», а потім «Створити графік».

    Малюнок\(\PageIndex{4}\): Місцеві дані про погоду (щоденна мінімальна та максимальна температура та добові опади) з Корвалліса, штат Орегон, з 2012 по 2016 рік. Великі коливання температур від ~ 40° F взимку до ~ 65° F влітку вказують на сезонний (або річний) цикл. Опади, які є дуже епізодичними, також демонструють великий річний цикл з великою кількістю дощів взимку та меншим дощем влітку. Середній сезонний цикл показаний на малюнку\(\PageIndex{5}\). Від wrcc.dri.edu

     

    Усереднення багатьох років цих погодних даних дає кліматологія. На веб-сайті WRCC ви можете побачити сюжети кліматології протягом 30 років, прокручуючи назад ліве бічне меню та натиснувши на одну з «Daily Temp. & Precip.» посилання. Для Корвалліса він показує середні температури близько 40° F (4° C) взимку та 65° F (18° C) влітку. Він також показує більший денний цикл влітку, ніж взимку. Що може бути причиною того кішки? Відповідь: менше хмарного покриву влітку. Хмари призводять до більш прохолодних днів і теплих ночей, тим самим зменшуючи денний цикл. Як ми очікували, опадів влітку мало, а взимку - високо. Криві плавні в кліматології. На відміну від\(\PageIndex{4}\) малюнка зміни погоди були усереднені.

    Малюнок\(\PageIndex{5}\): Кліматологія температури і опадів в Корваллісі, штат Орегон. Різниця між червоною і синьою кривою позначає середній добовий цикл.

     

    Тепер спробуйте прогноз температури на наступний серпень і наступний січень. Яка ваша здогадка? Відповідь: гарною здогадкою буде кліматологія, тобто 65° F за серпень і 40° F за січень. Таким чином, середній сезонний цикл є кліматом, і він передбачуваний, оскільки він змушений сезонним циклом сонячного опромінення. Однак відхилення від кліматології на певний день наступного року - непередбачувана погода.

    Статистичні властивості клімату можна узагальнити в частотній гістограмі. Давайте вивчимо їх на прикладі. Завантажте з веб-сайту WRCC середньодобові дані про температуру за певний день року, наприклад, 1 травня. Зробити це можна, натиснувши на посилання «Лістер» в лівому меню. Далі виберіть початкові та кінцеві дні (наприклад, 19851001 та 20160101), щоб створити список даних за 30 років. Введіть «wrcc35» в якості пароля. Давайте виберемо «Середня температура» як елемент для списку. Тепер виберіть день року (наприклад, 1 травня) як для «Дата початку», так і для «Дата закінчення» та натисніть кнопку «Отримати список». Це дає наступний список (або вектор математично кажучи) N = 30 температур T = (T 1, T 2,..., T N) = (52, 52, 44, 52, 54, 48, 52, 52, 50, 56, 59, 46, 64, 58, 55, 48, 54, 54, 54, 54, 54, 51, 54, 54, 54, 54, 54, 54, 54, 42, 52, 48, 48, 66, 56). Тут N = 1 відповідає 1985, N = 2 до 1986 і так далі. Для того, щоб побудувати частотну гістограму, нам спочатку потрібно вибрати розміри бункера. Пропоную вибрати 6 бункерів: 40-44, 45-49, 50-54, 55-59, 60-64, і 65-70. Тепер просто порахуйте, скільки років потрапляють в кожне відро. Отримую 2, 6, 14, 6, 2, 1. За допомогою python я зробив наступний графік (рис. \(\PageIndex{6}\)).

    Зміна клімату може виражатися як зміна середнього значення, яке відповідало б просто зміщенню всієї гістограми до більш теплих або холодних температур. Однак він також може змінювати форму гістограми. Наприклад, зробивши розподіл ширше або вужче. Це збільшить або зменшить випадки екстремальних подій. І, звичайно, вона може як змінювати середнє значення, так і ширину. Більшу частину часу, в тому числі і в цьому тексті, обговорення зміни клімату розглядають лише зміни середнього. Але слід пам'ятати, що зміни хвостів розподілу можуть бути однаково важливими, оскільки саме ті хвости можуть мати великі удари (теплові хвилі, холодні заклинання, посуха, повені тощо).

    f06_histogram_30yr_temp_corvallis.png

    Малюнок\(\PageIndex{6}\): Гістограма 30-річних (1985-2016) температур в Корваллісі 1 травня. Більшість років (14 з 30) температура становить від 50 до 55° F Середнє значення розподілу 52,8° F, його стандартне відхилення σ = 5.4° F представляє його ширину (близько 2/3 всіх років мають температури в межах ± 1 σ від середнього). Гістограма, хоча і добре наближається до гаусового (нормального) розподілу, трохи асиметрична така, що дуже теплі роки (65-70) зустрічаються трохи частіше, ніж дуже холодні крайності (35-40). Хвости розподілу - верхня і нижня засіки. Вони являють собою рідкісні або екстремальні події. Тільки один рік був теплішим, ніж 65° F. цей рік (2014) може розглядатися як екстремальна подія. Це був рекордний теплий рік в Орегоні.

    Тепер давайте вивчимо вплив просторових масштабів на зміни клімату. Перейдіть на сторінку https://www.ncdc.noaa.gov/cag і почніть з вибору вкладки США. Ми хочемо порівняти середньорічну зміну температури в обраному вами місті (наприклад, Салем в штаті Орегон), усереднену у більшому регіоні штату, для США в цілому та земної кулі (використовуйте вкладку «Глобус» та ділянку «Земля та океан», «Земля» та «Океан» окремо). Для «Шкала часу» виберіть «Річний». Відзначте прапорець «Відображати тренд». Це буде включати лінію тренду на графіку. Порівняйте тенденції та варіації від року до року. Чи є тенденції більшими для світового океану чи для глобальної землі?

    Порівняйте щорічні варіації та тенденції регіональних та глобальних усереднених температур (рис. \(\PageIndex{7}\)-\(\PageIndex{12}\)) до місцевого добового циклу, денних коливань погоди (рис.\(\PageIndex{3}\)), а також до сезонного циклу (рис. \(\PageIndex{4}\)-\(\PageIndex{5}\)). Незважаючи на те, що глобальні температурні тенденції (~ 0,1° C/десятиліття) набагато менші, ніж добові, щоденні або сезонні коливання, які можуть становити 10° C або більше, в решті частини цього курсу ми побачимо, що глобальні зміни температури на кілька градусів С матимуть важливий вплив на природні системи та людські суспільства .

    Середньорічні зміни температури в Салемі, штат Орегон. Зверніть увагу на великі річні варіації 2-3° C та невелику загальну тенденцію (синя лінія).

    Малюнок\(\PageIndex{7}\): Середньорічні зміни температури в Салемі, штат Орегон. Зверніть увагу на великі річні варіації 2-3° C та невелику загальну тенденцію (синя лінія).

     

    Малюнок\(\PageIndex{7}\): Середньорічні зміни температури в Салемі, штат Орегон. Зверніть увагу на великі річні варіації 2-3° C та невелику загальну тенденцію (синя лінія).

    десятиліття) тенденція потепління.

    Малюнок\(\PageIndex{8}\): Усереднені по штату Орегон коливання температури з року в рік зменшуються (1-2° C) порівняно з показником Салема, і спостерігається сильна (0,1° C/десятиліття) тенденція потепління.

     

     

    Малюнок\(\PageIndex{9}\): Усереднена над суміжними США мінливість з року в рік дещо зменшилася порівняно з Орегоном. Тенденція потепління аналогічна, але трохи нижче.

     

    9десятиліття трохи більше, ніж у США

    Малюнок\(\PageIndex{10}\): Цей показник показує аномалії (відмінності) щодо середнього рівня глобальних усереднених температур суші за 1901-2000 рр. Усереднені на всіх земних ділянках Землі коливання від року до року ще більше зменшуються (~ 1° C), і тенденція становить 0,1° C/десятиліття трохи більше, ніж у США.

     

    десятиліття).

    Малюнок\(\PageIndex{11}\): Усереднені по світовому океану коливання від року до року все ще менші (~ 0,5° C), ніж над сушею, і тенденція також менша (0,06° C/десятиліття).

     

    десятиліття). Цей результат дуже міцний. Кілька груп по всьому світу проаналізували наявні дані по-різному і прийшли до одного висновку. Це ключова цифра.

    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Усереднене по суші та океану підвищення температури Землі за останні 100 років становило приблизно 0,7° C (0,07° C/десятиліття). Цей результат дуже міцний. Кілька груп по всьому світу проаналізували наявні дані по-різному і прийшли до одного висновку. Це ключова цифра.

    1. Вага льоду пригнічує літосферу, що забезпечує зворотний зв'язок з льодом за рахунок зниження його поверхневої висоти. Традиційно вважалося, що цей зворотний зв'язок діє на довгих (тисячолітніх і довших) часових шкалах, але останні дослідження показують, що в певних регіонах, таких як Західна Антарктида, де літосфера тонка, а в'язкість мантії низька, літосфера може реагувати на набагато коротше (від десятиліття до сторіччя) часові шкали. ←