Klimatologie a hydrogeografie Lekce 1 Meteorologie a klimatologie jako vědní obory, klimatotvorné faktory, kategorie klimatu, meteorologická měření a pozorování w RNDr. Jiří Jakubínský, Ph.D. | 16. 10. 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 počasí a 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) -> „A v samý týden velikonoční, dne 1. dubna, napadlo množství sněhu a uhodily takové mrazy, jako málokdy bývá uprostřed zimy." Meteorologie a klimatológ středověk - rozvoj meteorologie často souvisí s cestami obje konstrukce prvních meteorologických přístrojů v 17. století Accademia del Cimento (Florencie, zal. 1657) Societas Meteorologica Palatina (Mannheim, zal. 1780) 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 meteorologických 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 Vä'Wlpksknrtn morponon ilcn ±i október lbľl. Praha, Meteorologie a klimatologie české země: nejstarší denní záznamy o počasí z let 1533-34 souvislá meteorologická pozorování a měření od r. 1752 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 5 Meteorologie a klimatologie WMO 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) 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 Meteorologie a klimatologie klimatologie — věda o klimatech Země, o podmínkách a příčinách jejich utváření, o působení klimatu na objekty činnosti člověka a člověka samotného a 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.) 9 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) 5 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 íi Úplný klimatický systém Země Změny v atmosféře: složeni, cirkulace Změny v hydro logické m cyklu Interakce atmosféra 5 3: v: e 6 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) 13 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 7 Kategorie klimatu mezoklima - režim vznikající vlivem charakteru AP o větších rozměrech („makrochora"), výsledky antropogenní činností (větší sídla, a pod.), vlivem makroklimat i 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) 15 Kategorie klimatu vol&á aĚmiisféra AL . - '" ^it Zdroj: Vysoudil, 2006 16 8 Kategorie klimatu 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) 18 eteorologická měření a pozorová termíny měření a 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 19 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) 22 12 13 Meteorologická měření a pozorování Me • 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 a 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.) eteorologická měření a pozorová 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 31 32 Meteorologická měření a pozorování Me • 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 pracoviště prostřednictvím zprávy SYNOP (lx hod.) - náhlé změny počasí (překročení stanovených mezí) na stanici předávány ihned ve formě zprávy BOUŘE } kontinuální záznam meteorolog, prvků 34 35 Meteorologická měření a pozorování MAT-IE: Brno, Czech Republic E LEV: 200 meters LA" 49-11.22 1. LONG: 616-35.76 ž TEMPERATURE (C) HEAT COOL PRECIPITATION l-rv; MEAN MEAN je:: JE:E ■■■■■=i i'AX ■T. MEAN □AYS DAYS MAX - --DAYS OF RAIN- OBS. OVER 2016 BI 2. 7 -2.3 B.2 493 . : B. e YR HO TOTAL DAV DATE 0 .38 3.00 39. 00 2316 BZ 8, 3 2.2 5.4 374,5 B. B 2016 03 ie 3 2.2 6.3 371. S B. 0 2016 81 S ,4 4.1 14 3 1 0 2016 Z'- 16 E 5.4 li.: 216. a B. e 2016 82 62 2 15.7 18 12 5 0 2016 05 23 2 li.: 17.1 66. e 28. e 2016 B3 33 8 18.8 08 8 3 0 2016 06 ;s : 15.2 21.4 2 . 7 95 . 9 2016 84 31 5 9.4 08 8 3 0 2016 C7 30 .e 16. 5 23.2 7. : 141, 9 2016 es 2E. e 14. 8 26.3 3 . s 70. 0 2016 85 23 .1 7.4 29 7 3 0 2016 23 .9 13.1 IB.4 4C . s 44. e 2016 86 23 1 3.4 15 5 3 0 2016 ie 17 : 9.9 13.8 25 . 9 0. 0 2016 87 128 8 52.8 31 18 8 1 2016 a 2016 es 28 2 14.7 21 4 3 0 2016 12 2016 89 7, e 6.3 95 2 1 0 2016 ie 6 1 4.1 04 2 1 0 19 : B.9 13.9 1697 . í 380. 2 2016 11 2016 12 352 8 52.8 3ul 61 31 36 18 Meteorologická měření a pozorování Me • 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 Meteorologická měření a pozorování 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 19 eteorologická měření a pozorová 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] _ t7 + t14 + 2 . r2i fd--a- 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) 39 41 Meteorologická měření a pozorování 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. 42 Meteorologická mereni a pozorovaní 23 Meteorologická měření a pozorování Me • 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) 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 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) 50 25 Meteorologická měření a pozorování rychlost ,1„p,ň *" m/% km/h ii ak větru v mířeni v 10 m označení — 0 0-0,2 0-1 0 bezvětří