Klimatologie a hydrogeografie Lekce 1 Meteorologie a klimatologie jako vědní obory, klimatotvorné faktory, kategorie klimatu, meteorologická měření a pozorování IUI I RNDr. Jiří Jakubínský, Ph.D. | 2. 3. 2018 Meteorologie a klimatologie vědní disciplíny o zemské atmosféře, klimatických a povětrnostních dějích a jevech, které se v ní odehrávají společný objekt studia, ale samostatný vývoj pozorování závislosti zemědělské produkce na počasia podnebí úvahy o souvislosti počasí s vesmírnými tělesy první pokusy o pravidelná meteorologická pozorování (Řecko, 5. st. př. n. I.) věž větrů v Athénách Platón (427-347 př. n. I.): „meteora" - věci a jevy mezi nebem a zemí Aristoteles (384-322 př. n. I.): dílo Meteorologica - souhrn tehdejších meteorologických poznatků, další vývoj oboru v souvislosti s astronomií a geofyzikou české země: první zpráva o počasí z r. 1092 (Kosmas) Meteorologie a klimatologie • středověk - rozvoj meteorologie často souvisí s cestami objevitelů • konstrukce prvních meteorologických přístrojů v 17. století • Accademia del Cimento (Florencie, zal. 1657) • Societa meteorologica palatina (Mannheim, zal. 1780) - základy pro formulaci prvních meteorolog, teorií • E. Halley (1656-1742): první meteorologická mapa (mapa vzdušných proudů nad Atlantikem, Tichým a Indickým oc.) • 18. a 19. století - počátky souvislých meteorolog, pozorování a měření, vznikají sítě meteorolog, stanic • H. W. Brandes (1820): první mapa současného rozdělení tlaku vzduchu (synoptická mapa) - další rozvoj s vynálezem telegrafu (1850) • A. von Humboldt a H. W. Dove (počátek 19. stol.): základy klimatologie • vznikají první pracoviště zaměřená na meteorologii a klimatologii (např. Ústřední ústav pro meteorologii a zemský magnetismus, Vídeň, zal. 1851) 3 Meteorologie a klimatologie české země: nejstarší denní záznamy o počasí z let 1533-34 souvislá meteorologická pozorování a měření od r. 1752 - Praha, Klementinum (A. Strnad) 2. pol. 19. stol. - s rozvojem poznatků z termodynamiky souvisí vznik dynamické meteorologie klimatologie se soustředila zejm. na výzkum geografických podmínek a regionálních odlišností-W. Kôppen 20. století - intenzivní rozvoj meteorologie jako důsledek technologického pokroku (vznik radiolokačnía družicové meteorologie, atd.) r. 1919 založen Státní ústav meteorologický v Praze (dnes ČHMÚ) potřeba mezinárodní spolupráce: vznik Světové meteorolog, organizace (WMO) při OSN v r. 1950 [v r. 2013 měla 191 členů] nový problém 20. stol.: znečištění ovzduší a nástroje jeho ochrany 21. století: projevy klimatické změny Meteorologie a klimatologie meteorologie („meteoros" a „logos") — věda o atmosféře, o její stavbě, vlastnostech a v ní probíhajících fyzikálních procesech — předpovídá a analyzuje počasí (tj. aktuální stav atmosféry charakterizovaný souhrnem hodnot meteorologických prvků a meteorologických jevů v daném místě a čase) — hlavními úkoly meteorologie jsou zejm.: studium stavby a složení atmosféry, oběh tepla a vody v interakci se zemským povrchem, atmosférické pohyby, elektrické pole atmosféry, optické a akustické jevy v atmosféře Země — dle zaměření meteorologii dělíme na: dynamickou, synoptickou, fyzikální, radiolokační (radarovou) a aplikovanou (podle konkrétního využití v praxi - tj. biometeorologie, agrometeorologie, letecká a námořní meteorologie, atd.) — vyšší vrstvy atmosféry studuje aerologie a aeronomie (nad troposférou) 6 3 Meteorologie a klimatologie meteorologické prvky: sluneční záření, teplota vzduchu a půdy, tlak a vlhkost vzduchu, výpar, oblačnost a atmosférické srážky meteorologické jevy: tzv. meteory (úkazy pozorované v atmosféře nebo na zemském povrchu vyjma oblaků) > hydrometeory > litometeory > foto meteory > elektrometeory povětrnost: ráz počasí během několika dnů 7 Meteorologie a klimatologie klimatologie — věda o klimatech Země, o podmínkách a příčinách jejich utváření, působení klimatu na objekty činnosti člověka a člověka samotného naopak — Hipparchos (190-125 př. n.l.): závislost podnebí na sklonu dopadajícího slunečního záření („klinein" - sklon) — předmětem klimatologie je studium klimatu — úkolem klimatologie je studovat obecné zákonitosti klimatických jevů, genezi klimatu, jeho změny a kolísání — dle míry vlivu aktivního povrchu na klimatotvorné procesy lze klimatologii dělit na: klimatologii přízemní atmosféry, mezní vrstvy atmosféry a aeroklimatologii (klima volné atmosféry) — obecná vs. aplikovaná klimatologie (bio/agroklimatologie, technická či dopravní klimatologie, atd.) 4 Klimatotvorné faktory klima (podnebí): souhrn a postupné střídání všech stavů atmosféry (podmínek počasí) možných v daném místě klima je relativně časově stálé - trvalá fyzickogeografická charakteristika místa klima je důsledkem klimatotvorných procesů - tj. fyzikálních procesů v atmosféře a aktivní vrstvě půdy procesy jsou důsledkem působení klimatotvorných faktorů klimatotvorné faktory: — astronomické (tvar Země, sklon zemské osy, změny sluneční aktivity, složení atmosféry, uchylující síla zemské rotace) — geografické (zeměpisná šířka, rozdělení kontinentů a oceánů, orografické poměry, vzdálenost od moří a oceánů, vegetační kryt, atd.) — cirkulační (planetární a místní cirkulace atmosféry) — antropogenní (změny vlastností atmosféry a zemského povrchu vlivem člověka) Klimatický systém Země klimatický systém - fyzickogeografická sféra Země úplný klimatický systém se skládá z ... — atmosféry — hydrosféry — kryosféry — povrchu pevniny — biosféry aktivní povrch (vrstva) [AP] „aktivní vrstva je část zemského povrchu na níž probíhá transformace zářivé energie na tepelnou a opačně a z níž se uskutečňuje transport tepelné energie do atmosféry a podloží turbulentní výměnou nebo molekulárním vedením" (Netopil a kol. 1984) okamžitý stav úplného klimatického systému lze tedy označit jako počasí 10 5 Klimatický systém Země klimatický systém je prostorově a časově velmi proměnlivý prostorová proměnlivost klimatu může nabývat různého měřítka: — topická až chorická (příčinou může být např. vykácení lesa či zástavba) — regionální (způsobena cirkulačně podmíněnými změnami v rozložení meteorologických prvků) — globální (vázána na celou Zemi nebo její část) časovou proměnlivost klimatu lze rozlišit na: — sezónní (změny způsobené revolucí Země - změny počasí během roku) — meziroční (neperiodický ráz - střídání vlhkých a suchých let) — sekulární (dlouhodobé změny charakteru kolísání klimatu) 12 6 Kategorie klimatu značná prostorová proměnlivost klimatického systému umožňuje klima klasifikovat do následujících kategorií: - mikroklima • režim meteorologických dějů vznikající vlivem stejnorodého AP • vertikální rozměr podmíněn charakterem AP a jevy na vyšších úrovních (obvykle desítky metrů) • horizontální rozměr v řádech stovek metrů • mikroklima nemusí vůbec vznikat • „kryptoklima" jako specifický typ mikroklimatu - místní klima • režim vznikající vlivem morfologie, převládajícího složení a struktury biotické i abiotické složky AP a vlivem mikroklimat • vertikální rozměr je dán výškou přízemní vrstvy atmosféry (80-100 m) a lokální cirkulací (podmíněnou reliéfem a „místním přehřátím" - např. pole, zpevněný povrch) • horizontální rozměr obvykle jednotky km (režim meteorolog, dějů může být ovlivněn makrometeorologickými procesy) • topoklima - místní klima formované vlivem reliéfu 13 Kategorie klimatu mezoklima - režim vznikající vlivem charakteru AP o větších rozměrech („makrochora"), výsledky antropogenní činností (větší sídla, a pod.), vlivem makroklimat místních klimat - vertikálně omezeno horní hranicí planetární mezní vrstvy atmosféry (1-1,5 km) - vlivem advekce se mezoklima nemusí utvářet vůbec nebo může dosahovat až do výšky 3 km) makroklima - režim vznikající vlivem interakcí mezi atmosférou a AP, podmíněných jejich energetickou bilancí a planetární cirkulací - vertikálně omezeno horní hranicí nižších klimatických kategorií a polohou tropopauzy (9-17 km) 14 7 Meteorologická měření a pozorování probíhají na meteorologických a klimatologických stanicích a pomocí radiolokačních a družicových měření Český hydrometeorologický ústav (ČHMÚ) - celkem 802 stanic (06/2011) přízemní meteorologická měřenía pozorování jsou realizována: - meteorologickými stanicemi (ČHMÚ: plně profesionální, část pod správou AČR) • synoptické a letecké meteorologické stanice • agrometeorologické a fenologické stanice (ČHMÚ: Doksany) - klimatologickými stanicemi (ČHMÚ: obvykle dobrovolnické, částečně automatizované) - srážkoměrnými stanicemi (ČHMÚ: dobrovolnické, částečně automatizované) - stanicemi se speciálním zaměřením (pozorování a měření záření, dlouhodobý úhrn srážek, počet blesků, apod. - ČHMÚ: solární a ozónová laboratoř Hradec Králové) 17 Meteorologická měření a pozorování termíny měřenía pozorování: - meteorologie • hlavní synoptické termíny 00, 06, 12 a 18 h. UTC (tj. SEČ -lh, SELČ -2h) • vedlejší termíny 03, 09, 15 a 21 h. UTC - klimatologie • 7,14 a 21 h. místního středního času profesionální stanice standardně měří teplotu, vlhkost a tlak vzduchu, směr a rychlost větru, úhrn srážek, výšku sněhové pokrývky, dobu trvání slunečního svitu, přízemní minimální teplotu (v 5 cm) a příkon fotonového dávkového ekvivalentu dále se pozoruje vodorovná dohlednost, pokrytí oblohy oblačností, charakteristiky oblačnosti, stav a průběh počasí, nebezpečné a zvláštní atmosférické jevy a náhlé změny počasí nadstandardně se měří výpar vody z vodní hladiny, teplota půdy, intenzita slunečního záření a čistota ovzduší 18 9 Meteorologická měření a pozorování aerologická měření - provádí vertikální sondáž atmosféry pomocí radiosond unášených balóny - informace o tlaku, teplotě a vlhkosti vzduchu, rychlosti a směru větru v daných výškových hladinách (zhruba do výšky 35 km) - ČHMÚ: Praha-Libuš a Prostějov - termíny: 00, 06, 12 a 18 h. UTC radiolokační měření - princip odrazivosti elektromagnetického záření od oblačnosti a atmosférických srážek - radiolokační odraz zachycen pomocí meteorologického radaru - analýzou odrazu lze zjistit informace o vzdálenosti a směru pozorovaných objektů od místa pozorování - ČHMÚ: radiolokační stanice Brdy-Praha a Skalka (Drahanská vrchovina) 20 22 Meteorologická měření a pozorování M< • družicová měření a pozorování - operativní informace o stavu atmosféry nad velkými částmi Země - světový meteorologický kosmický systém (-> DPZ) • kosmický subsystém (soubor družic pro pozorování povrchu Země atmosféry) • pozemní subsystém (infrastruktura k příjmu a zpracování dat z družic) - družice se pohybují po třech orbitálních drahách specifických výškou nad povrchem Země a svou polohou • geostacionární (rovníková) dráha (cca 35 900 km, např. METEOSAT, ENVISAT, GOES, GOMS) • šikmá dráha (300-600 km, METEOR) • subpolární dráha (800-900 km, např. LANDSAT, SPOT, TERRA, NOAA,) - družice s šikmou a subpolární dráhou letu jsou nověji označovány jako „LEO" (Low Earth Orbit), přelet nad jedním územím obvykle 2 x denně - družice s geostacionární dráhou („GEO" - Geostationary Earth Orbit) „visí" nad určitým územím (oblast snímání cca 80° s. š. - 80° j. š.) Meteorologická měření a pozorování význam družicového měření a pozorování pro potřeby meteorologie: - monitoring aktuálního počasí a jeho předpověď - parametry oblačnosti - rychlost a směr větru na lokální i globální úrovni - studium tropických cyklon a možnost predikce jejich vzniku pro potřeby klimatologie: - energetické toky v rámci úplného klimatického systému Země - teplota povrchu oceánu - globální rozložení teploty vzduchu a AP - globální rozložení a charakter vodních par / oblačnosti - proudění větru a cirkulace vzduchu na globální úrovni 26 13 Meteorologická měření a pozorování meteorologická budka - bílá barva - dřevěné dvojité žaluzie a drátěné dno - dvojitá stříška - výška nad povrchem 180 cm - dvířka orientována k severu - obsah budky: • 2 staniční teploměry (suchý a vlhký) • vlasový vlhkoměr (hygrometr) • extrémní teploměry (Sixův t., min. a max • termograf • hygrograf _ - výsledky kontinuálních měření předávány na centrální zprávy SYNOP (lx hod.) - náhlé změny počasí (překročení stanovených mezí) na formě zprávy BOUŘE kontinuální záznam meteorolog, prvků pracoviště prostřednictvím stanici předávány ihned ve 28 Meteorologická měření a pozorování intenzita slunečního záření - pyranometry (solarimetry) - měření charakteristik elektromagnetického záření - registrují globální, rozptýlené i odražené záření o vlnové délce 0,3-3,0 [im - množství záření dopadajícího na jednotku plochy - ČHMÚ: měření pouze na vybraných stanicích - denní chod průměrných hodinových úhrnů globálního záření 15 eteorologická měření a pozorován délka trvání slunečního svitu - heliograf (Campbell-Stokes) - koule z žíhaného optického skla - záznamový pásek pro vypálení stopy - 3 typy záznamových pásků - nutné nastavit podle z. š. stanice - izohélie: čára spojující místa se stejnou délkou slunečního svitu Meteorologická měření a pozorování měření teploty vzduchu - suchá, vlhká, maximální, minimální a přízemní (5 cm) teplota vzduchu - standardně ve 2 m nad AP, s přesností na 0,1 °C - přístroje: • skleněný kapalinový teploměr • deformační bimetalový teploměr • elektrický teploměr (odporový a termoelektrický) - průměrná denní teplota [°C] l14 + 2. t 21 td — počty „charakteristických dnů" • arktický den (tmax< -10 °C), ledový den (tmax< -0,1 °C), mrazový den (tmin < -0,1 °C), letní den (tmax> 25 °C), tropický den (tmax> 30 °C), tropická noc (tmin^20 °C) 32 16 Meteorologická měření a pozorování - teplotní suma • součet průměrných denních teplot - průměrná roční teplota [°C] • ČR: 5,5-9,0 °C Meteorologická měření a pozorování měření teploty půdy - rtuťové či elektrické teploměry - standardní hloubky měření 5,10, 20, 50 a 100 cm - lomené půdní teploměry (hloubky do 20 cm) - hloubkové půdní teploměry 34 Meteorologická měření a pozorován M< • měření srážek - srážkoměr - ombrograf pro kontinuální záznam srážkových úhrnů - totalizátor pro měření srážkových úhrnů v nepřístupných oblastech - odečet vždy v 7 hod. ráno - v zimě se měří také celková výška sněhu (sněhoměrnou latí [cm]), výška nového sněhu (sněhoměrným prkénkem [cm]) a vodní hodnota sněhu (váhovým sněhometrem [mm], lx týdně) - běžné charakteristiky: měsíční srážkový úhrn, průměrný dlouhodobý měsíční úhrn, nejvyšší denní úhrn, počet dní se srážkami, se sněžením, kroupami, apod. 35 36 19 Meteorologická měření a pozorování M< • měření vlhkosti vzduchu - psychrometr (psychrometrická metoda založena na měření rozdílu teplot suchého a vlhkého teploměru -psychrometrický rozdíl), Augustův psychrometr - hygrometr (vlasový vlhkoměr - měří změnu délky vlasu se změnou vlhkosti) fe#<: *€ Meteorologická měření a pozorování měřenítlaku vzduchu - rtuťový tlakoměr (E. Toricelli, 17. stol., jednotka tlaku torr [mm]), aneroid, barograf • výška Hg sloupce ve skleněné trubici, nahoře uzavřené, dole ponořené do nádoby s Hg • odečtený tlak je třeba redukovat na teplotu 0 °C (tepelná roztažnost), nadmořskou výšku a tíhové zrychlení • normální tlak vzduchu pn = 1013,25 hPa (= 760 torr) • význam měření tlaku pro předpovědi počasí 40 Meteorologická měření a pozorování měření přízemního větru [m.s1] - měření ve výšce 7-10 m nad terénem - větrná směrovka - anemometr (Robinsonův miskový kříž) - Beaufortova stupnice (13 stupňů) 42 Meteorologická měření a pozorován M< • měření a pozorování oblačnosti - pozorování stupně zakrytí oblohy oblačností - měření výšky základny oblačné vrstvy (optický či laserový ceilometr) - nefometr pro měření pokrytí oblohy oblačností Laserový ceilometr CT25K. Meteorologická měření a pozorování měření výparu - množství vody [mm], které se odpaří z volné vodní hladiny za 24 h. - evaporimetr (výparoměr) - odměrná nádoba zapuštěná do země Meteorologická měření a pozorování M< měření ozonu v atmosféře - Dobsonova jednotka (DU) - mohutnost ozonové vrstvy - 1 DU = 0,01 mm silná vrstva ozónu shromážděného ze sloupce ozónu nad daným místem u zemského povrchu za standardních podmínek (teplota 0 °C a tlak 1 atm) - 1 DU = 0,01 mm vrstvy čistého ozónu za standardních podmínek - Dobsonův spektrometr měří intenzitu slunečního UV záření o 4 vlnových délkách (2 jsou absorbovány ozonem a 2 nikoliv) - ČR: aerologický ozonosondážní systém (Praha-Libuš) + fotometrické měření koncentrace ozonu (observatoř Hradec Králové) 23