Osnove meteorologije 2017

Osnove meteorologije 2017

prof. dr. Nedjeljka Žagar, dipl.ing. fizike asist. Katarina Kosovelj, dipl.uni.meteorol.

Spored:

Predavanja, petek 8-10 Vaje, ponedeljek, 12-13

Govorilne ure: ponedeljek popoldne, 13-16

Izpit

Pisni izpit:

dva kolokvija, oba pozitivno ocenjena, ali pozitivno ocenjen pisni izpit (nad 50%)

Pisni izpit velja maksimalno 1 dodatno akad. leto

Pozitivno ocenjen pisni izpit je pogoj za pristop k ustnemu izpitu

Ustni izpit:

preverjamo razumevanje in poznavanje snovi traja okoli 30 min odvisno od znanja

Literatura

Izkušnje kažejo, da so (lastni) zapiski s predavanj najboljše učno gradivo

Učbeniki:

J. Rakovec in T. Vrhovec: Osnove meteorologije.

J. Marshall in R.A. Plumb: Atmosphere, ocean and climate dynamics: an introductory text. (International Geophysics Series)

J. M. Wallace, P. V. Hobbs: Atmospheric Science, Second Edition: An Introductory Survey (International Geophysics Series)

Spletna stran:

www.fmf.uni-lj.si/~zagarn/teaching.php

Sodelovanje v pouku

Vprašaj,

komentiraj,

predlagaj

naglas

Meteorologija

Razumeti

Opisati matematično

Modelirati z računalniki

Uporabiti

C_p dT

dt −α ^dp

dt = dQ dt

Izmeriti

Kako?

Koliko?

Kdaj?

Kje?

Zakaj?

Napovedovati

Razvojni cikel meteorologa

C_p dT

dt −α ^dp

dt = Q

1 0 )

sin(

2 Ω × + ∇ ⋅ =

+ p

dt d

ϕ ^{k V} ρ V

F = m Δ v Δ t ΔW = Q + A

4. IN 5. LETNIK ZAČETEK

2. LETNIK

Splošna predstavitev

vsebine predmeta

Moderna meteorologija

Od konca 2. svetovne vojne, ko j proces numeričnega reševanja PDE postal možen

ENIAC

Rojstvo NWP

An artist's impression of Richardson's forecast factory * (thanks to Francois Schuiten for permission to reproduce image), from http://www.ucd.ie/news/dec06/121506_weather_forecast.htm

Okoli 1920

© ECMWF

Danes

Percepcija meteorologije

VIR: HTTP://MY.ENGLISHC LUB.C OM/PHOT O/HIGH-TECH-W EATH ER-STAT ION

VIR: AGENCIJA ZA OKOLJE REPUBLIKE SLOVENIJE, ARSO

Meteorologija

Opisuje, razlaga in skuša čimbolje napovedovati pojave v ozračju Najbolj prepoznavna po vsakodnevni meteorološki dejavnosti:

napovedovanje vremena

Osnovne teoretične veje:

• Dinamična meteorologija (uporaba splošnih zakonov gibanj v namen razlage gibanj in z njim povezanih sprememb cirkulacije)

• Fizikalna meteorologija (termodinamika, sevanje, oblaki in delci, optični in elektirčni pojavi)

• Kemijska meteorologija oz. atmosferska kemija (meddelovanja med delci, aerosoli, vlago in dinamiko ozračja)

Nekaj meteoroloških vprašanj za razmislek

• Zakaj ni burje na Koroškem?

• Zakaj ima burja sunke?

• Zakaj se v Ljubljani pojavlja več megle kot v Portorožu?

• Zakaj je skoraj vedno bolj mrzlo na Kredarici kot v Kranju?

• Zakaj v povprečju veliko bolj piha na Rogli kot v Celju?

• Zakaj količina padavin v Sloveniji pada z zahoda proti vzhodu države?

• Zakaj so poletne nevihte običajno v popoldanskih urah?

• Kaj določa velikost zrn toče?

• Zakaj so ob lepem vremenu nizki, cvetači podobni oblaki v Prekmurju na isti višini?

Oblačnost povezana z burjo na Jadranu

Pozimi 2012 so izvajane posebne meritve burje v Vipavksi dolini v sodelovanju z dijaki Škofijske gimnazije v Vipavi

Burja v Vipavski dolini

http://www.space.si/slovenija-iz-vesolja/

• Ali bi se morala voda pri odtekanju iz kadi na južni polobli vrteti v obratni smeri kot na severni?

• Zakaj so evropska mesta značilno toplejša od mest v severni Ameriki na isti zemljepisni širini?

• Ali ima ozračje plimo in oseko? Kako ju lahko izmerimo ?

• Kje je najbolj mrzla točka na zemlji?

• Zakaj temperatura pada z višino?

• Zakaj letalo običajno prileti hitreje iz ZDA v Evropo kot v nasprotni smeri čeprav leti z enako hitrostjo?

• Zakaj letala letijo na okoli 10 km višine?

• Kako letalo ve, na kateri višini se nahaja?

Nekaj meteoroloških vprašanj za razmislek

• Kako opravljamo meritve po svetu, da bi bile primerljive?

• Kako smo skoraj v realnem času izmenjevali podatke o vremenu po celem svetu pred pojavom Interneta?

• Kaj merijo meteorološki sateliti?

• Kako izmerimo veter nad morjem?

• Kaj je razlika med meteorološkimi meritvami in meteorološkimi napovedi?

• Kako se pripravi vremenska napoved?

• Ali bomo kdaj sposobni spreminjati vreme?

• Če napovedi postajajo ves čas boljše, kako daleč lahko sežejo?

Nekaj meteoroloških vprašanj za razmislek

Percepcija meteorologije

VIR: HTTP://MY.ENGLISHC LUB.C OM/PHOT O/HIGH-TECH-W EATH ER-STAT ION

Percepcija in pomen meteorologije

VIR: HTTP://MY.ENGLISHC LUB.C OM/PHOT O/HIGH-TECH-W EATH ER-STAT ION VIR: AGENCIJA ZA OKOLJE REPUBLIKE SLOVENIJE, ARSO

Pridobitev prognostičnih kart danes

VIR: AGENCIJA ZA OKOLJEREPUBLIKE SLOVENIJE, ARSO © ECMWF

Pridobitev prognostičnih kart danes

VIR: AGENCIJA ZA OKOLJEREPUBLIKE SLOVENIJE, ARSO © ECMWF V postopku, ki pripelje do t.i. sinoptične vremenske

karte se vsak dan uporabi okoli 100 milionov satelitskih opazovanj atmosfere (poleg enačb in ostalih komponent prognostičnegam modela, skritih v

“črni škatli” oz. superračunalniku)

Meteorološki sateliti v uporabi in v razvoju:

http://www.wmo.int/pages/prog/sat/satellitestatus.php

Sateliti za opazovanje atmosfere

in površja Zemlje

Atmosferski procesi ustvarjajo čudovite motive za

vesoljske posnetke, posebej če je ozračje vlažno

Vsebina predmeta

Namen predmeta je pridobiti osnovno znanje o atmosferskih

procesih na podlagi fizikalnega pristopa, spoznati osnovne količine, ki opisujejo procese v ozračju, njihove meritve, osnove

termodinamike ozračja in osnove cirkulacije (vetrove).

Seznanili se bomo z osnovnimi fizikalnimi zakoni, ki opisujejo

atmosferske procese, z značilnimi pojavi v ozračju, njihovo časovno in prostorsko variabilnosti, z osnovami napovedovanja vremena in modeliranja klime

Vsebina predmeta

Meteorološke spremenljivke in opazovanja.

Sestava ozračja. Vertikalna struktura ozracja.

Tlak zraka in sila gradienta tlaka. Hidrostatično ravnovesje.

Sevanje. Energetska bilanca ozračja.

Ohranitev energije. Ohranitev mase.

Stabilnost ozračja. Adiabatni procesi.

Opis vlage v ozračju. Dviganje vlažnega zraka. Diabatni procesi Ohranitev gibalne količine. Osnovne sile in gibalne enačbe.

Horizontalna stacionarna gibanja. Gesotrofski veter. Gradientni veter.

Napovedovanje vremena. Kaj je numerični prognostični model?

Konstrukcija modela. Začetni in robni pogoji.

Definicija klime in osnove splošne cirkulacije.

Osnovna enota

Delec zraka T,p,q

T,p,q T,p,q

model

Osnovne spremenljivke

Temperatura: T (°C, K=273.15+°C, °F=°C× ⁹⁄₅ + 32 ) Gostota: ρ (kg/m³), specifični volumen: α=1/ ρ

Zračni tlak: p (hPa, mb)

Veter: V(u,v,w), smer in hitrost vetra: (m/s, vozli, 1 vozel≅1.8 m/s, °) Masa: m (kg, g), Volumen: V (m³)

Vlažnost: r (g/kg), q (g/kg), R (%)

C_p , C_v , L : različne specifične toplote (J/kg/K) (x, z, y, t) – lokacija v KKS in času

(λ, ϕ, z, t) – lokacija v sfernem KS R_E, (ponekje a, ali R_z): radij Zemlje

Dodatne spremenljivke

Opis suhega zraka (d-dry):

T_d, m_d, ρd , R_d

Opis vlažnega zraka (m-moist/vlažen, v-water vapour/vodna para, s- saturated/nasičen, d-dew point/rosišče):

T_v, m_v ,ρv, e, e_s , R_v , αv , T_d,

Γ (ponekje γ): vertikalni temperaturni gradient (oz. sprememba temperature z višino)

Γ_d (ponekje Γ_a): vertikalni temperaturni gradient za nenasičeni delec zraka (suho- adiabatni gradient)

Γ_m (ponekje Γ_s): vertikalni temperaturni gradient za nasičeni delec zraka (mokra adiabata)

Θ: potencialna temperatura (K), Θ_e ekvipotencialna temperatura (K) Φ: geopotencial (m²/s²), Z=Φ/g: geopotencialna višina (gpm)

Zanima nas

Opis časovno-prostorske porazdelitve osnovnih spremenljivk - Njihova stacionarna porazdelitev v vertikalni smeri

- Njihova ravnovesna porazdelitev v vertikalni in horizontalni smeri (polja)

- Tipične spremembe stanj in vrednosti, kot posledica neravnovesja zaradi delovanja sil

- Vertikalno in horizontalno časovno povprečena stanja (klimatologija)

- Metode prognostične meteorologije (numerično napovedovanje)

Spremembe atmosferskih spremenljivk

T=f(x,y,z,t) 4D spremenljivka, zvezno porazdeljena v prostoru in času

Lastnosti polja T v času t lahko predstavimo z njegovimi izolinijami Prostorske spremembe polja T opisujemo z operatorjem gradient

⎟⎟ ⎠

⎞

⎜⎜ ⎝

⎛

∂

∂

∂

∂

∂

≡ ∂

∇ x , y , z

Izolinije meteoroloških polj

Izobare (p=konst.) Izoterme (T=konst.) Izentrope ( Θ =konst.) Izopikne ( ρ =konst.) Izohipse (Z=konst.)

Izalobare (tendenca tlaka=konst.)

Porazdelitev temperature zraka ob 10 uri

na višini 2 m Na okoli 3 km

Kje je gradient temperature največji?

Porazdelitev tlaka zraka na nivoju morja

Kje je gradient tlaka največji?

Spremembe atmosferskih spremenljivk

polje T je stacionarno (ne spreminja se z časom)

∂ T

∂ t = 0

Stacionarne lastnosti atmosferskih spremenljivk (povprečja skozi

daljši čas) imenujemo klimatologija

Spremembe: matematični zapis

T=f(x,y,z,t) 4D spremenljivka, zvezno porazdeljena v prostoru in času

T=f(r,t), r-radij vektor od izbranega izhodišča do katerekoli točke v prostoru

t dt dz f

z dy f

y dx f

x df f

∂ + ∂

∂ + ∂

∂ + ∂

∂

= ∂

Popoldni (totalni) diferencial funkcije f: vsota treh parcialnih krajevnih odvodih+diferenciali krajevnih neodvisnih spremenljivk in časovne spremembe

⎟⎟ ⎠

⎞

⎜⎜ ⎝

⎛

∂

∂

∂

∂

∂

= ∂

∇

= z

f y f x f f

f

grad ( ) , ,

Gradient funkcije f:

t dt r f

d f

df ∂

+ ∂

⋅

∇

= !

) , ,

( dx dy dz r

d ! =

Diferencial radija vektorja:

⎟⎟ ⎠

⎞

⎜⎜ ⎝

⎛

∂

∂

∂

∂

∂

≡ ∂

∇ x , y , z

t.i. operator nabla

Časovne spremembe

Najbolj pogosto nas zanima časovna sprememba (napovedovanje):

t f dt

dz z f dt

dy y f dt

dx x f dt

df

∂ + ∂

∂ + ∂

∂ + ∂

∂

= ∂

t V f

t f f dt

r f d

dt df

∂ + ∂

⋅

∇

∂ = + ∂

⋅

∇

= ! !

f dt V

df t

f = − ⋅ ∇

∂

∂ !

Napovedovanje!

Individualne lastnosti polja f v točki (x,y,z)

Advekcija: veter z hitrostjo V

“transportira” različne vrednosti f (ker v točki (x,y,z) obstaja gradient of f)

Individualni odvodi neodvisnih

spremenljivk: komponente 3D hitrosti

Advektivna sprememba Lokalna

(časovna) sprememba

Individualna sprememba

Celoten set prognostičnih enačb

FX

fv x p

u u t V

u =

∂ + ∂

∂ − + ∂

∇

⋅

∂ +

∂

φ

!

ω

Fy

fu y p

v v t V

v =

∂ + ∂

∂ + + ∂

∇

⋅

∂ +

∂

φ

!

ω φ α

−

∂ =

∂ p

Cp Q

p Cp T T

t V

T − / = /

∂ + ∂

∇

⋅

∂ +

∂ ^!

ω αω

= 0

∂ + ∂

⋅

∇ V^!

ω

p

RT p α =

Sq

p q q

t V

q =

∂ + ∂

⋅

∇

⋅

∂ +

∂ ^!

ω

Navier-Stokesove enačbe (2. Newtonov zakon)

Enačba plinskega stanja

Ohranitev mase (kontinuitetna enačba)

Ohranitev vodne mase

Ohranitev energije

(1. stavek termodinamike)

Matematični opis problema napovedovanja ozračja je

formulirao V. Bjerknes leta 1904

Sestava ozračja

Vertikalna stratifikacija statične atmosfere

Tlak zraka

Ozračje je zelo tanka ovojnica okoli Zemlje

99% zraka je v spodnjih 30 km Povprečni radij je 6370 km

Debelina ozračja je okoli 0.5% radija zemlje.

Pogled iz vesoljske ladje 6370

Masa ozračja znaša okoli 5.3 x 10¹⁸ kg.

Sestava ozračja

Permanentni (stalni) plini

Plin Simbol ^Volumens

ki delež % Pomembnost Dušik N

₂

78.08% biosfera

Kisik O

₂

21% Dihamo ga!

Argon Ar 0.9% majhna

Masni delež=Volumenski delež • M

_i

/M (M=molska masa, v povprečju na morskem nivoju okoli 29 kg/kmol; M

_i

=molekulska masa)

Do približno 10 km višine so stalni med seboj dobro premešani

(razmerje približno stalno)

Sestava ozračja

Plini s spreminjajočim se deležem

Plin Simbol Vol. %

(•10

⁶

=ppmv)

Pomembnost

Vodna para H

₂

O 0-4

Povzroča vremenske pojave,

toplotni transport, toplogredni plin

Ogljikov dioksid (narašča)

CO

₂

0.038

Toplogredni plin, biosfera (fotosinteza)

Metan (narašča) CH

₄

0.00017

Toplogredni plin

Du šikov oksid N

₂

O 0.00003

Toplogredni plin,

Ozon O

₃

0.000004

Ozonski sloj (koristen)

Delci (aerosol) 0.000001

Nastanek oblakov, energetska bilanca Zemlje, vulkanski izbruhi

ppmv=volumski delež na milijon delov zraka

Toplogredni plini

Ogljikov dioksid CO

₂

, Metan CH

₄

, Dušikov oksid N

₂

O Njihove emisije so predstavljene v

enotah

GWP=global

warming potential

Delež toplogrednih plinov narašča

Ogljikov dioksid

CO

₂

, Metan CH

₄

,

Dušikov oksid N

₂

O

Samo v obdobju

1970-2004 so

emisije GHG

narasle za 70%

Zrak kot plin

Teža stolpca zraka

1 m 1 m

vrh ozračja

nivo morja

Zrak se obnaša približno kot plin.

Se pravi, spremembo tlaka povzroča zvišanje/znižanje gostote, in

zvišanje/znižanje temperature

RT p = ρ

p - tlak

R - plinska konstanta T – temperatura

ρ ^{- gostota}

Spremembe tlaka

Zaradi sprememb gostote

Zaradi sprememb temperature

T narašča ρ narašča

RT p ^{= Δ} ρ

Δ

T R

p = Δ Δ ρ

1 m 1 m

1 1 m

1 m m

1 m

Stratifikacija: vertikalna struktura ozračja

Običajne meteorološke spremenljivke za opis statične atmosfere:

- gostota, - tlak, p

- temperatura, T

RT p = ρ

Začetna točka za opis statičnega ozračja je termična enačba stanja za idealni plin:

mRT pV =

Splošna plinska enačba za suh zrak

ρ

Vertikalni profil temperature

V ozračju obstajajo sloji, v katerih se

temperatura znižuje ali narašča z višino.

- Troposfera

- Stratosfera

- Mezosfera

- Termosfera

- Ionosfera

Troposfera

Temperatura (

^o

C)

Vi š in a (k m )

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 10

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

vetrovni stržen tropopauza

- Od tal do 10-12 km

- T se zmanjšuje z višino, približno 6.5

^o

C na 1 km.

- Nad troposfero se

nadaljuje tropopauza, ki jo loči od stratosfere

- “Home” za vreme, kako ga poznamo

- Zgornja troposfera

vsebuje vetrovne stržene (jet streams)

- Višja poleti kot pozimi (povprečna višina ~

povprečni T)

Tropopauza kot pokrov

Primer: oblak z obliko nakovala

( “ anvil cloud ” )

Stratosfera

Temperatura (

^o

C)

Vi š in a (k m )

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 10

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

vetrovni stržen tropopauza

- Od tropopause do ~50 km višine

-Vsebuje ozonski sloj, predvsem med 20-30 km višine

-Temperatura narašča z višino: Ozon absorbira UV sevanje, ki ogreva stratosferske sloje zraka - Sloj inverzije = sloj, v katerem temperatura narašča z višino

stratopauza

ozonski sloj

O

₂

+O+toplota

UV sevanje

Mezosfera

Temperatura (

^o

C)

Vi š in a (k m )

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 10

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

vetrovni stržen tropopauza

- Med stratopauso in mezopauzo

- Temperatura pada z višino

stratopauza

ozonski sloj

O

₂

+O+toplota UV sevanje

mezopauza

toplo mrzlo

toplo

Termosfera

Temperatura (

^o

C)

Vi š in a (k m )

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 10

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

vetrovni stržen tropopauza

- Nad mezosfero

- Temperatura ponovno narašča z višino zaradi direktne absorpcije sončnega sevanja

povezane z procesoma fotoionizacije in

fotodisociacije

stratopauza

ozonski sloj

O

₂

+O+toplota UV sevanje

mezopauza

toplo mrzlo

toplo mrzlo

Termosfera

Porazdelitev glede na

sestavo

Temperatura (

^o

C)

Vi š in a (k m )

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 10

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

tropopauza

Homosfera: N

₂

in O

₂

sta enakomerno

zmešana

Heterosfera: N

₂

in O

₂

nista enakomerno zmešana

stratopauza menopauza Termosfera

Mezosfera

Stratosfera

Troposfera

HOM OS F E R A

HETEROSFERA

Ionosfera

- Naelektren sloj v zgornji atmosferi

- Vsebuje pomembne koncentracije ionov in elektronov

- Pomembno za širenje

radiovalov

Vertikalni profil gostote zraka

Gostota =

masa / volumen (kg/m

³

) Gostota zraka se

zmanjšuje z višino.

Vprašanje: Zakaj je več molekul zraka pri tleh kot na večjih višinah?

Masa ozračja znaša okoli

5.3 x 10

¹⁸

kg.

Tlak zraka

Tlak = Sila / Površina Tlak zraka = teža stolpca

zraka nad točko

^Tež_{a s}

tolpca zraka

1 m 1 m

vrh ozračja

nivo morja

Stolpec zraka površine 1 m

²

ki sega od tal do vrha ozračja.

Teža = masa x težnostni

pospešek stolpca znaša okoli 100 kN (ekvivalentno 10.3 ton pri tleh).

Sledi, tlak na nivoju morja je

sila/površina = 1013.25 hPa

Vertikalni profil tlaka

Tlak stolpca, ki sega od tal do vrha ozračja, je na nivoju morja v povprečju 1013.25 hPa.

Tlak zraka se zmanjšuje z višino, podobno kot gostota.

1 hPa = 1 mb

Sila teže in tlak

Tlak zraka = teža stolpca zraka nad točko

1 Pa = 1 N / m

²

Tlak na nivoju morja je masa

ozračja*g/m

²

= 1013.25 hPa

oz. 101325 N/m

²

Sila teže in tlak

Tlak zraka = teža stolpca zraka nad točko

1 Pa = 1 N / m

²

Tlak na nivoju morja je masa

ozračja*g/m

²

= 1013.25 hPa

oz. 101325 N/m

²

Sila teže in tlak

Zakaj ne čutimo sile teže zraka?

Ker tlak zraka deluje v vseh smereh.

101325 N/m

²

101325 N/m

²

ravnovesje

Vertikalni profil tlaka

Tlak zraka se zmanjšuje z višino

Delec zraka v mirovanju

z z+

Δ

z

A ρA

Δ

zg

p

_vrh

A

p

_dno

A

Hidrostatično ravnovesje

Delec zraka v mirovanju

z z+

Δ

z

A ρA

Δ

zg

p

_vrh

A

p

_dno

A

F

_dno

=p

_dno

A F

_vrh

=-p

_vrh

A

F

_teža

=-ρVg=-ρA

Δ

zg

V mirovanju, vsota sil=0

F

_vrh

+F

_dno

+

F_teza

=0

-p

_vrh

A+p

_dno

A-ρA

Δ

zg=0 p

_vrh

-p

_dno

=-ρ

Δ

zg

Δp=-ρ

Δ

zg

Δp/Δz=-ρg Hidrostatično

ravnovesje