Климатология негіздері

Казақстан Республикасы Білім жэне ғылым министрлігі

Ш.Ш. Уәлиханов атындағы Кекшетау мемлекеттік университеті

Л.С. Бултекова Н.У. Бултеков

Оқу құралы

Б83

биология ғылымдарының докторы, профессор А.Т. Хусаинов

география ғылымдарының кандидаты, доцент С.О. Жетпісов

биология ғылымдарының кандидаты, доцент Ә.А. Қақабаев

ІSВN 9965-00-550-8
Б 83 Бултекова Л.С., Бултеков Н.У. Метеорология және климатология негіздері. Оқу құралы. - Көкщетау, КМУ, 2009. - 118 бет.

Оқу құралында метеорология ғылымының шешетін мәселелері мен зерттеу объектісі; атмосферада болып жатқан әртүрлі физикалық процестер мен метеорологиялық құбылыстардың шығу және даму жолдары; метеорологиялық элементтерді өлшеу құралдары жэне климаттың құрылу негіздері қарастырылған.

Оқу құралы метеорология, гидрология, география және геоэкология мамандықтарын дайындайтың оқу орындарында қолдануға арналған.

9965-00-550-8 БК 30.10 я 73 (5к)

Ұсынылып отырған оқу құралында метеорология пәні мен оның шешетін мәселелері, атмосфералық ауаның құрамы мен құрылысы, атмосфераның радиациялық және жылу режимдері, атмосфералық ауа құрамындагы су буы, атмосфераның жалпы айналымы, климат туралы түсініктер мен метеорологиялық қауіпті құбылыстар сияқты тараулар қарастырылған. Оқулықпен таныса келе, оқырмандар ауа райы мен климат түсініктері жеке ұғымдар екеніне хабардар бола алады. Сондай-ақ, метеорология мен климатология ғылымньщ бір саласы ретінде қазіргі таңдағы оның алатын орны жэне метеомэліметтерді тұтынушылар үшін оның қаншалықты қажет екеніне көз жеткізуге болады.

Оқулықта әрбір тараудагы қарастырылған метеоэлементтер мен метео құбылыстар үшін оларды өлшеу құралдары мен бақылау туралы қысқаша мәліметтер беріледі.

Оқу құралы «Метеорология және климатология негіздері» пэнінің типтік бағдарламасына сэйкес жазылды және метеорология, гидрология, география, геоэкология мамандықтарын дайындайтын оқу орындарында қоддануға арналған.

КІРІСПЕ

Метеорология ілімі туралы жалпы түсінік. Жерді планета ретінде үш қабықшадан (қатты - литосфера, сұық гидросфера, газдық - атмосфера) тұрады десек, метеорология ілімі жердің газдық қабатын зерттеумен

айналысатын ғылымның бір бөлігі (mеtеога - атмосферада болып жатқан қандай да бір құбылыстар және lоgоs - ілім деген грек сөздерінен шыққан). Атмосфера -массасы 5,15*10¹⁵ т. (500 трилион т.) құрайтын Жердің ауа қабаты Атмосфералық ауа деп атмосферадағы алуан түрлі газдардың жиынтығын айтамыз. Атмосфера ауасының шедсарасы болмайды және ол сығылмалы, сондықтан оның тығыздығы жер бетінен биіктеген сайын кемиді Атмосфераның кеңістікте таралу биіктігі жуық шамамен жиырма мың шақырым деп есептеледі. Атмосфера массасының жартысына жуығы - төменгі 5км қабатында, 75% массасы-төменгі 10км, ал 90%-төменгі 20км ауа қабатында шоғырланған.

Яғни, метеорология атмосфераның газдық құрамын, құрылысын, онда жүріп жатқан алуан түрлі физикалық және химиялық процестерді, олардың жер бетімен әсерлесуін және ауа массаларының қозғалысын зерттеумен айналысады. Метеорологиялық құбылыстарды бақылап, зерттеу туралы алғашқы мәліметтер ежелгі Қытай, Үндістан, Мысыр, Грекия және Рим сияқты мемлекеттердің жазба қағаздарынан табылған. Алғашқы атмосфералық құбылыстар туралы ұғымдардың негізін грек ғұлама ғалымы біздің д.д IV гасырда қалаған. Біздің еліміздегі алғашқы метеорологиялық бақылау жұмыстары 1855ж Қазалы және Семей қалаларында жүргізілді. Ал 1917 жылы Қазақстан аумағында 94 метеорологиялық стансалар мен 49 бекеттер, 123 гидрометеорологиялық бекеттері жұмыс істеді. 1922 жылдың 23 қаңтарында Қырғыз АССР-ң (Қазақстанның) Жер жөніндегі Халық комиссариатына қарасты Физикалық Бас обсерваториясында Орынбор облыстық метеорологиялық бюро құру туралы үкім бекітілді. Ол бюро 1925 жылы Қазақстанның Орталық метеорологиялық бюросы болып, ал 1931 жылы Қазақ гидрометеорологиялық комитеті болып қайта құрылды. Оның негізінде 1933 жылы Қазақ АССР-ң Қазақ гидрометеорологиялық қызметінің Біріңғай Басқармасы құрылды. Қазақстан гидрометеорологиялық қызметінің бірінші басшысы болып Қазақстанның белгілі саяси қайраткері Ораз Жандосов сайланды.

Қазгидромет кәсіпорыны қызметінің негізгі мақсат, міндеттері: -қысқа және ұзақ мерзімдік метеорологиялық және агрометеорологиялық болжамдар жасау;

5

КІРІСПЕ

мүмкіндіктері туралы алдын - ала хабарлау;

- гидрометеорологиялық және қоршаған ортаның ластануы

бойынша мәліметтер қорын жасау;

- ауа райы мен климат туралы, нақты және болашақтағы

гидрометеорологиялық жағдайлар туралы, табиғи қоршаған ортаның ластануы туралы мәліметтер беру арқылы Қазақстан Республикасының мемлекеттік ұйымдарының, экономика салаларының және халықтың қажеттіліктерін қанағаттандыру.

Жоғарыда аталған мақсат, міндеттерді орындауды Қазгидрометтің барлық облыстарда орналасқан гидрометеорологиялық орталықтары мен Астана қаласындағы гидрометеорологиялық мониторинг орталығы жүзеге асырады. Қазіргі танда Қазгидромет жүйесінде метеорологиялық, агрометеорологиялық, гидрологиялық, көл және теңіз стансалары мен бекеттер саны 500-ден астам. Соның ішіқде метеорологиялық стансалардың саны бүгінде (2007ж мәлімет бойынша) 253 құрайды.

Атмосферада жүріп жатқан түрлі процестер мен кұбылыстар жер шарын дерлік қамтитындықтан олар үшін мемлекетаралық шекара жоқ. Сондықтан да метеорология саласында мемлекетаралық бірлесіп қызмет ету үшін ортақ бір келісімге келуге тура келді. Осы мақсатта бірігіп қызмет ету XIX ғасырдың екінші жартысынан басталды. 1873 жылы Вена қаласында өткен бірінші халықаралық конгресте Халықаралық метеорологиялық ұйым құрылды. Ол 1947 жылы Біріккен Ұлттар Ұйымына қарасты Дүниежүзілік метеорологиялық ұйым (ДМҰ) болып қайта құрылды. Бұл ұйымның негізгі міндеттері: халықаралық метеорологиялық қарым - қатынастардың дамуына жағдай жасау; метеомәліметтермен жылдам алмасуды ұйымдастыру; метеорологиялық бақылауларды стандарттау; авиацияда, теңіз көлігінде, ауылшаруашылығында және басқа да салаларда метеорологияны нәтижелі эрі кеңірек қолдануды дамыту; метеоролог мамандарды дайындау мен метеорологиялық ғылыми зерттеулерге қолдау көрсету және т.б. ДМҰ-ң секретариаты Женева қаласында орналасқан. Оған 170-тен астам мемлекеттер мүше, оның құрамында Қазақстан да бар.

Метеорологияның дербес салаларына: жалпы метеорология-атмосфера-лық процестер мен құбылыстардың физикалық заңдылықтарын зерттейді; климатология - әртүрлі физикалық-географиялық аудандардың климатының құрылу заңдылықтарын; синоптикалық метеорология - ауа райын және оны зерттеу әдістерін қарастырады; динамикалық метеорология - математикалық амалдарды қолдана отырып атмосфера физикасының теориялық сұрақтарын қарастырыды; агрометеорология-ауылшаруашылығына қажетті метео зерттеулер жасайды; аэрология - атмосфераның жоғарғы ауа қабаттарындағы (100км дейін) процестерді; аэрономия - атмосфераның өте жоғары (100км жоғары) ауа қабаттарын метеорологиялық және геофизикалық ракеталармен, Жер серіктерін пайдаланып зерттеумен айналысады; актинометрия - күн радиациясын өлшеп, зерттеумен айналысады және т.б. салалары жатады.

6

КІРІСПЕ

Метеорологи ілімінің өзі климатология негізінде қарастырылады. Ал климат дегеніміз белгілі бір географиялық ауданға тән ауа райының көпжылдық орташа режимі. Демек, климатология бұл - жер климаты, қандай да бір географиялық орынға тән атмосфералық жағдайлардың жиынтығы туралы ілім деген сөз. Ауа райы - белгілі бір географиялық орыңдағы (аудандағы), белгілі бір сәтте байқалатын төменгі атмосфераның физикалық күйі. Ауа райы мен климат ұғымдары бір-бірімен тығыз байланысты. Климат ауа райына қарағанда тұрақты әрі маңызды физикалық - географиялық сипаттама болып табылады.

Жалпы, метеорология іліміндегі метео мәліметтердің дәлдігі мен нәтижесі метеоролог маманның бақылау жұмысына тікелей байланысты. Ал ол өз кезегінде әр түрлі тәсілдер бойынша жүзеге асады.

Метеорологиялық бақылау дегеніміз - метео құбылыстар мен элементтерді өлшеп және көз мөлшерімен бағалап, оларға сандық және сапалық түрде баға беру болып табылады. Атмосфера күйіне сандық және сапалық баға беру үшін әртүрлі метеорологиялық өлшемдер қолданылады: ауаның температурасы, қысымы, тығыздығы, ылғалдылығы, жел жылдамдығы мен бағыты, бұлттылықтың мөлшері, көріну қашықтығы және т.б.

Ал көбінесе бақылаушының көз мөлшері арқылы анықталатын атмосферадағы физикалық процестердің сапалық сипатын атмосфералық құбылыстар деп атаймыз. Оларға мысалы, тұман, бұрқасын, көктайғақ, найзағай, үсік және т.б. жатады.

Метеорологияның зерттеу тәсілдеріне: бақылау, эксперименттік, теориялық және картофафиялық тәсілдер жатады. Дүние жүзі бойынша метеорологиялық бақылаулар стансаларда әрбір 3 сағат сайын Гринвич уақытымен бір мезгілде жүргізіледі. Яғни, тәулігіне 8 рет: 00,03, 06,09, 12,15, 18 және 21 сағаттарында. Сонымен қатар, метео бақылаулар дүние жүзі бойынша бірдей аспап, құралдармен және бірдей тәсілдермен жүргізіледі. Қазіргі кезде метеорологтар әртүрлі құрал-аспаптармен қатар қашықтық автоматтандырылған гидрометеорологиялық стансалар, ұшқыш-шар, радиозондтар радиолокаторлар, ауа райы кемелері, ұшақтар, метеорологиялық және геофизикалық ракеталар мен Жердің жасанды метеорологиялық серіктерін қолданады. Бақылаулар нәтижесі телефон, телеграф (факс), радио, спутниктік, және интернет байланыстары арқылы ауа райы қызмет ұйымдарына жеткізіліп отырады.

Метеорологиялық мәліметтер қазіргі танда тұрмыс тіршілікке қажетті әрі маңызды құрал болып табылады. Оларды халық шаруашылығының барлық салаларында қолданады (сурет-1).

7

КІРІСПЕ

Сурет-1 Қазгидромет мәліметін тұтынушылар

1. Метеорология нені зерттеумен айналысатын ғылымның саласы, оның шешетін мәселелері қандай?

2. Алғашқы метеорологиялық деректер қашан пайда болды?

3. Метеорологияның қандай дербес салалары бар?

4. Метеорология қандай ғылым салаларымен байланысты?

5. ДМҰ дегеніміз не және оның мақсат, міндеттері қандай?

6. Қазақстандағы метео қызмет туралы не білесіз?

7. Метео өлшемдер мен құбылыстардың айырмашылығы неде?

8. Метеорологиялық бақылау жұмыстары қандай уақыттарда жүргізіледі?

9. Метеорологиялық мәліметтерді тұтынушылар кімдер (қандай орындар)?

10.Ауа райы мен климаттың айырмашылығы неде?

8

АТМОСФЕРАЛЫҚ АУАНЫҢ ҚҰРАМЫ МЕН ҚҰРЫЛЫСЫ

Су буы - ауаның маңызды құраушысының бірі, оның көлемі 0,1 %-дан (полюсте) 4 %-ға (экваторда) дейін өзгереді. Атмосферадағы су буы жер бетінен булану (су, қар, мұз, топырақ, өсімдік) нәтижесінде пайда болады.

Көмір қышқыл газы (СО₂) - ауада жанартаулар атқылағанда, органикалық заттардың шіру, ыдырау процестерінде, жанармайларды жағу нәтижесінде, тірі ағзалар тыныс алу кездерінде бөлінеді. Ал жұмсалуы көбінесе өсімдіктердің тыныс алу процесінде болады. Орта шамамен ауадағы көлемі 0,033 % құрайды.

Озон (О₃), немесе оттегінің үш атомды молекуласы - атмосферада көбінесе найзағай процестерінде пайда болады, ал жогары атмосферада күн сәулесінің ұзындығы 0,1 мкм-ге дейінгі ультракүлгін радиациясының әсерінен пайда болады. О₃-ң атмосфера ауасындағы концентрациясы өте аз, төменгі атмосферада оның концентрациясы өте төмен, биіктік өскен сайын оның! концентрациясы да өседі. Ең жоғары мөлшері 25 - 30 км биіктікте байқалады.

Аэрозольдер - атмосферада өте жеңіл, сондықтан да олар қалқыған жағдайда болатын қатты және жеңіл күйдегі заттар. Олар өздігінен де, антропогендік жолмен, яғни адам қызметінің нәтижесінде де пайда бола алады.

Табиғи аэрозольдер әртүрлі жолдармен түзіледі. Олар мұхит пен атмосфераның өзара әсерлесуінің жемісі - желмен шашыраған кезде ауаға араласатын теңіз тұзының құрамындағы натрий мен магнийдің хлорлы қосындылары, сондай-ақ көмірқышқыл қосындылары болуы мүмкін. Аэрозольдер атмосфераға микроағзалардың арқасында тарала алады. Жердің беткі қабаты мен атмосфераның өзара ықпал етуі нәтижесінде атмосфераға таралатын тозанды аэрозольдер де болады.

Антропогендік жолмен пайда болған аэрозольдер негізінен өндіріс қалдығы ретінде атмосфераға шығарылған түрлі химиялық заттар түрінде болып келеді. Жылудың, күн сәулесінің, су буының, бұлттар мен тұман тамшыларының әсерімен аэрозольдер атмосферада химиялық өзгеріске ұшырайды. Аэрозольдердің көпшілігі атмосферадағы қоюлану ядросына айналады, яғни осынау шагын бөлшектерде бу суға айналып, бұлт пен тұман тамшыларының тууына себеп болады. Ауаның аса ылғал болуы қоюлану процесін жеделдетеді, бұдан келіп тұман пайда болады, немесе жауын - шашын тудырады. Міне сол себепті де ауылды жерлерге қарағанда ірі қалаларда азын - аулақ жауын -шашын жиірек болып тұрады.

9

АТМОСФЕРАЛЫҚ АУАНЫҢ КҰРАМЫ МЕН ҚҰРЫЛЫСЫ

Ең төменгі атмосферада аэрозольдердің концентрациясы ең жоғары (тах), биіктеген сайын ол кемиді. Олардың атмосферадағы жалпы салмағы 10⁸ тонна.

Иондар. Атмосферада үнемі электрлі зарядталған молекулалар пайда болып отырады. оларды жеңіл иондар деп атайды. Олар атмосферадағы аэрозольдерге қосылып , жиналып ауыр иондар түзеді. Биіктік өскен сайын иондар мөлшері 1 см³ млн.-ға дейін өседі. Иондар көп шоғырланған ауа қабатын ионосфера деп атайды.

Р - атмосфералық қысым деп жер бетінен атмосфераның жоғары шекарасына дейінгі бірлік ауданды ауа бағанының жерге салмағымен түсіретін қысымын атайды. Жер бетінен биіктеген сайын ауа қысымы да азаяды. Метеорологияда ауа қысымының бірлігі ретінде гПа қолданылады.

Т - ауа температурасы деп ауаның жылулық режимін сипаттайтын шама-ны айтамыз, немесе метеорологияда ауа температурасы деп жер бетінен 2м биіктікте метеорологиялық жәшікте орналасқан термометрлердің көмегімен өлшенген температураны айтамыз.Метеорологияда ауа,топырақ және су тем - ператураларына СИ жүйесі өлшем бірлігі, яғни халықаралық температура-лық шкала қолданады. Теңіз деңгейінде бұл шкаланың 0 °С -мұздың еруіне, ал + 100 °С - судың қайнау температурасына сәйкес келеді. Теориялық метеорологияда температураның абсолюттік шкаласы - Кельвин шкаласы қолданылады. Цельсий шкаласынан Кельвинге ауысу үшін: Т °К =t °С + 273

р - ауаның тығыздығы тікелей өлшеуге келмейді. Оны теориялық тәсіл-мен, газ күйі теңдеуінен анықтауға болады. Ылғалды ауаның тығыздығы құрғақ ауаның тығыздығына қарағанда темендеу (температура мен қысым бірдей болған жағдайда). Себебі су буының тығыздығы құрғақ ауаның тығыздығынан төмен. Биіктік ескен сайын ауа тығыздығы атмосфералық қысым сияқты кемиді.

Осы аталған шамалар бір-бірімен ете тығыз байланыста яғни, бір шаманың өзгеруі екіншісінің езгеруіне әкеп соғады. Газ күйі (құрғақ ауа ) Менделеев -Клапейрон теңдеуімен анықталады:

РУ = КТ немесе Р = рКТ

Мұндағы: Р - атмосфералық қысым;

V - газдың өзіндік келемі (меншікті);

R. - универсальді газ тұрақтысы (газдың табиғатына байланысты

өзіндік тұрақтылығы);

Т - абсолют шкаласындағы газ тұрақтысы.

р - газдың тығыздығы.

10

АТМОСФЕРАЛЫҚ АУАНЫҢ КҰРАМЫ МЕН ҚҰРЫЛЫСЫ Атмосферадағы ылғалды ауа құрғақ ауа мен су буының қоспасы болып табылады. Су буының парциалды қысымы белгілі бір метеорологиялық жағдайда қанығу қысымына жетеді, ал одан аса бастағанда артық су буы сұйық күйге көшеді:

еV_б=R_бТ немесе e=p_бR_бТ

Мұндағы: е - су буының парциалды қысымы;

У_б - су буының өзіндік көлемі;

р_б - су буының тығыздығы;

R_б - су буының газдық тұрақтысы.

1.2. Атмосфераның ауа қабаттарына бөлінуі. Атмосфералық ауа биіктік, бойынша көптеген қабаттарға бөлінеді. Бөлу принциптері келесі ұстанымдар бойынша жүреді:

1. температураның биіктік бойынша таралуына байланысты;

2. ауа құрамының өзгеруіне байланысты;

3. ауа құрамының жер бетімен әсерлесуіне байланысты;

4. ғарыштық аппараттарға әсеріне байланысты

Температураның биіктік бойынша таралуына байланысты қабаттарға бөлінеді:

11

АТМОСФЕРАЛЫҚ АУАНЫҢ КҰРАМЫ МЕН ҚҰРЫЛЫСЫ

Атмосфералық ауа құрамындағы газдардың өзгеруі бойынша мынадай

қабаттарға бөлінеді;

Жер бетімен әсерлесуіне байланысты атмосфералық ауа :

1. шекаралық қабат - биіктігі жер бетінен 1-1,5км дейін тараған ауа қабаты.

2.еркін атмосфера - шекаралық қабаттан жоғары қарай орналасқан ауа қабаты.

Шекаралық қабаттың ең төменгі 50-100м қабатын жер бетінің қосарлама қабаты немесе жерге жақын ауа қабаты деп атаймыз. Метеорологиялық бақылау жұмыстары осы ауа қабатында жүргізіледі.

Жердің жасанды серіктері (ЖЖС) мен ғарыштық кемелердің ұшу жағдайларына байланысты атмосфера:

1. нағыз атмосфера (тығыз қабаты)

2. жер маңындағы ғарыштық кеңістік деп бөлінеді.

қалай өзгереді?

2. Ауа құрамындағы газдардың физикалық күйі қандай

өлшемдермен сипатталады?

3. Атмосфера қандай принциптерге сүйеніп ауа қабаттарына бөлінеді?

4. Температураның биіктік бойынша өзгеруіне байланысты қандай ауа

қабаттары ажыратылады?

5. Атмосфера ауа құрамының өзгерісіне байланысты қандай қабаттарға

бөлінеді?

6. Атмосфера ауа құрамының жер бетімен әсерлесуіне байланысты

қандай қабаттарға бөлінеді?

7. Ғарыштық аппараттарга әсеріне байланысты қандай ауа

қабаттары ажыратылады

8. Озоносфера қай ауа қабатында орналасқан?

9. Метеорологиялық құбылыстар негізінен қай ауа қабатында жүреді

(пайда болады)?

10.Ауа температурасының тропосфера қабатындағы орташа өзгеру мәні

қандай?

2.1 Күн радиациясының түрлері.

Жер бетіндегі және атмосферадағы барлық табиғи процестердің негізі энергия кезі - бул Күннен келетін сәулелік радиациялар. Күн элем кеңістігіне екі түрлі радиацияларды шашады: корпускулярлық және электромагниттік.

Корпускулярлық радиация бұл - Күн бетінен келетін электрлі зарядтал-ған бөлшектердің ағыны (гелий мен сутегі), негізінен электрондар ме: протондардан тұрады. Олар 200 - 1000 км/сағ жылдамдықпен қозғалып, жері 1-2 тәулік ішінде жетеді, бірақ атмосфераның 90км-ден төмен бөлігіне ене алмайды.

Электромагниттік радиация бұл - сағатына 300000км жылдамдықпен тарайтын және Жер бетіне дейін жете алатын Күннен келетін сәулелік радиация. Метеорологияда радиациялық ағын ұғымы пайдаланылады, яғни -бірлік уақыт аралығында (Ісекунд) бірлік беткейге келіп түсетін сәулелік энергияның мөлшерін атайды. СИ жүйесінде оның өлшем бірлігі Вт/м², ал іс жүзінде Квт/м² қолданылады.

Күн дискісінен жер бетіне параллель сәулелер ретінде келетін радиацияны күннің тіке радиациясы (S-кун радиациясының перпендикулляр бетке келіп түсуі, S-горизонталь бетке келіп түсуі. 2-сурет) деп атайды. Олардьи арасындағы байланысты төмендегі формула бойынша көрсетуге болады.

S = SsіпН

Мұндағы: Н - күннің бұрыштық биіктігі

Горизонталь беткейге келетін тіке радиация ағынын инсоляция деп те атайды. Ал барлық газдардың молекулалары мен аэрозольдердің арқасында жан- жаққа шашырап барып жерге келетін күн сәулелерін шашыранды радиациялар (D) деп атайды. Тура (тіке) және шашыранды радиациялардың қосындысы жиынтық радиацияны құрайды (Q):

Q = S + 0

Атмосфераның жоғары қабатына келген күн радиациясы ағынының интенсивтігін (қарқындылығын), яғни өзгерістерге ұшырамаған күн сәулелерін Күн тұрақтысы (S ₀) деп атайды. Халықаралық келісім бойынша оның мәні 1,9: кал/ (см² мин) немесе 1,38 Квт/м²) тең.

13