ДИНАМИЧЕСКАЯ МЕТЕОРОЛОГИЯ
теоретическая
метеорология, раздел метеорологии, занимающийся теоретическим изучением
атмосферных процессов в тропосфере и нижней стратосфере с использованием
ур-ний гидромеханики, термодинамики и теории излучения. За пределами Д.
м. остаются лишь теория электрич., аку-стич. и оптич. явлений в атмосфере.
Гл. задача Д. м.- прогноз погоды, именно
разработка численных методов прогноза метеорологич. элементов (давления,
темп-ры, 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 атм. волн и вихрей различного
масштаба и деталей общей циркуляции (фронтов атмосферных и струйных
течений), а также атм. турбулентности и конвекции.
Попытки теоретич. объяснения отдельных
особенностей атм. циркуляции восходят к 1-й пол. 18 в. (англ. учёный Дж.
Хэдли). В нач. 19 в. П. Лапласом была теоретически установлена связь
между изменением атмосферного давления с высотой и темп-рой (барометрическая
формула) и тем заложены основы статики атмосферы. В 1-й пол. 19 в.
возникла термодинамика, к-рая вскоре была применена к объяснению отд. атм.
процессов (таких, как фён). Однако только в 80-х гг. в работах нем.
учёных Г. Герца, В. Бецольда и др. оформилась теория адиабатич. процессов
(т. е. процессов, в к-рых можно пренебречь теплообменом) в атмосфере, содержащей
водяной пар; дальнейшее её развитие относится уже к 20 в. (англ, учёный
У. Н. Шоу, норв. учёные А. Рефсдаль, Я. Бьеркнес и др.). В 1-й пол. 19
в. франц. учёный Г. Кориолис предложил теорему об относит. движении на
вращающейся Земле, что позволило применить ур-ния гидродинамики, сформулированные
Л. Эйлером ещё в 18 в., к метеорологич. проблемам. У. феррель (США)
в ряде исследований, начатых в 1856, дал первую теоретич. модель общей
циркуляции атмосферы, основанную на ур-ниях гидромеханики, что способствовало
оформлению Д. м. как науч. дисциплины. В 80-х гг. 19 в. крупный вклад в
развитие Д. м. внёс Г. Гельмгольц, предложивший теоретич. модель
общей циркуляции поверхности разрыва (атм. фронты). В 1897 В. Бьеркнес
теоремами
о циркуляции и вихреобра-зовании положил начало "физической гидродинамике"
атмосферы как сжимаемой жидкости наиболее общего типа (бароклинной жидкости),
в к-рой распределение плотности зависит от распределения как давления,
так и темп-ры. В 1904 он сформулировал задачу прогноза погоды как решение
ур-ний атм. термогидродинамики. Развитие идей В. Бьеркнеса определило дальнейшие
успехи Д. м. В нач. 20 в. М. Маргулес в Австрии, В. Бьеркнес и др. построили
теорию атм. фронтов; Маргулес также заложил основы энергетики атмосферы.
В это же время интенсивно изучалась атм. 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 сов. школа Д. м., основанная А. А. Фридманом.
Ещё в 1914 Фридман совместно с швед, учёным Т. Гессельбергом впервые дал
оценки порядков величин осн. метеорологич. элементов (давления, темп-ры,
влажности и др.) и их изменчивости, позволившие упростить ур-ния Д. м.
В 1922 Фридман построил и детально проанализировал общее ур-ние для определения
вихря скорости, характеристики местного вращения среды около мгновенных
осей в движущейся жидкости, к-рое 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 возд. поток,
в 1940 он рассчитал суточный ход темп-ры. Принципиальным шагом в решении
осн. практич. задачи Д. м. - прогноза погоды - явилась работа И. А. Кибеля,
в к-рой был дан метод прогноза поля давления и темп-ры на сутки (1940).
Основы гид-родинамич. 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 швед. 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 амер. учёным Дж. Чарни и др. Существенным
шагом в теории прогноза явились работы Г. И. Марчука и Н. И. Булеева (1953;
СССР) и К. Хин-кельмана (ФРГ), в к-рых впервые учитывалось влияние процессов
на большой площади на изменение атм. условий в пункте, для к-poro рассчитывается
прогноз. Появление в 50-х гг. ЭВМ и бурное развитие вычислит, математики
дали толчок интенсивному развитию мн. разделов Д. м.
Основные уравнения. Д. м. рассматривает
тонкий по сравнению со ср. 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 осн. 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
ур-ние неразрывности, и закон изменения количества движения. Гл.
силы, действующие на частицу воздуха (помимо силы тяжести), - отклоняющаяся
сила вращения Земли (или Кориолиса сила) и диссипативные силы турбулентного
трения. Осн. особенностями движений, рассматриваемых в Д. м., являются
малость скорости ветра по отношению к скорости звука и большое влияние
силы тяжести.
Динамика атм. процессов всевозможных масштабов
тесно связана с притоком тепла. Применение первого начала термодинамики
к атм. процессам даёт т. н. ур-ние притока тепла под действием трёх осн.
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). Термодинамич. параметры атмосферы -давление,
темп-pa и плотность - связаны уравнением состояния.
К перечисленным ур-ниям добавляются ур-ния,
определяющие перенос лучистой энергии в атмосфере, перенос влаги, условия
образования облаков и выпадения осадков. Граничные условия на земной поверхности
связывают темп-ру воздуха с темп-рой поверхности материков и океанов. Взаимно
обусловленными оказываются также возд. и океанич. течения. Т. о., общая
постановка задачи Д. м. включает определение давления, плотности, темп-ры
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 существ, упрощениях.
Развитие Д. м. тесно связано с разработкой методов решения нелинейных ур-ний
ма-тема-тич. физики.
Основные проблемы Д. м. 1) Изучение общей
циркуляции атмосферы (ОЦА). Интегрирование ур-ний Д. м. на длит, сроки
при возможно полном учёте тепло- и влагообмена в атмосфере, а также термич.
и динамич. взаимодействия океана и атмосферы позволило создать математич.
модель ОЦА, к-рая в гл. чертах соответствует данным наблюдений. Изменяя
внеш. параметры, можно выяснить причины аномалий климата, а также установить
закономерности климата прошлых геол. эпох. Эти работы имеют значение и
для теории долгосрочного прогноза погоды. Имеющиеся эмпирич. сведения об
атмосфере Земли ещё не вполне достаточны для построения полной модели ОЦА.
В связи с этим важной задачей Д. м. является исследование глобальных атм.
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 атм. движения по существу являются турбулентными. Для развития
и совершенствования теории турбулентности необходимо наряду с разработкой
математич. 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 синоптич. положения (преим. распределения
давления и др. метеорологич. элементов над обширным районом) на короткий
срок методами Д. м. широко применяются в ряде стран с высокоразвитой вычислит.
техникой (СССР, США, Великобритания, Франция, Швеция, Норвегия и др.).
В опытном порядке составляются также долгосрочные прогнозы отд. элементов
(ср. темп-pa 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 преим. эмпирич. путём на основе прогноза
общего синоптич. положения. Теоретич. подходы к такому прогнозу трудоёмки
и сложны; на базе Д. м. такие прогнозы составляются лишь в опытном порядке
в наиболее хорошо оснащённых вычислит. техникой прогностич. центрах. Широкое
использование сверхбыстродействующих ЭВМ позволит разрабатывать прогностич.
схемы, в к-рых одновременно с долгоживущими особенностями метеорологич.
режима будут получать и коротко-живущие, 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; Кабель 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.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я