Meteorologija 2015/2016

izred. prof. dr. Nedjeljka Žagar

asist. Katarina Kosovelj

Spored: Predavanja, petek 8-10 Vaje, ponedeljek, 12-13 Govorilne ure: petek, 10-11, 13-16 in po dogovoru

Izpit Pisni izpit:

dva kolokvija, oba pozitivno ocenjena, ali

pozitivno ocenjen pisni izpit (nad 50%)

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 Serie)

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

Spletna stran: //www.fmf.uni-lj.si/~zagarn/meteorologija2015.php

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)

Percepcija meteorologije

VIR: HTTP://MY.ENGLISHCLUB.COM/PHOTO/HIGH-TECH-WEATHER-STATION

VIR: AGENCIJA ZA OKOLJE REPUBLIKE SLOVENIJE, ARSO

Na začetku so bile enačbe

XFxfv

puuV

tu

=∂

∂+−

∂

∂+∇⋅+

∂

∂ φω

yFyfu

pvvV

tv

=∂

∂++

∂

∂+∇⋅+

∂

∂ φω

αφ

−=∂

∂

p

CpQCppTTV

tT // =−

∂

∂+∇⋅+

∂

∂αωω

0=∂

∂+⋅∇p

V ω

RTp =α

qSpqqV

tq

=∂

∂+⋅∇⋅+

∂

∂ω

Navier Stokesove enačbe (2. Newtonov zakon)

Enačba plinskega stanja

Ohranitev mase (kontinuitetna enačba)

Ohranitev vodne mase

Ohranitev energije (1. stavek termodinamike)

Matematični opis atmosferskih procesov vključno z njihvim apovedovanjem kot ga je formulirao V. Bjerknes leta 1904

Od leta Gospodinova 1921, J. Bjerknes in S. Solberg

VIR: WWW.USPS.ORG

TOPLA FRONTA

HLADNA FRONTA

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

Stoletje pozneje

Sketch from L. Gandin, Machines Forecast the Weather. Leningrad: Gidrometeoizdat (1965)

© ECMWF

Pridobitev sinoptične karte danes

VIR: AGENCIJA ZA OKOLJE REPUBLIKE SLOVENIJE, ARSO

VIR: UK.WEATHER.COM

© ECMWF

VIR: AGENCIJA ZA OKOLJE REPUBLIKE SLOVENIJE, ARSO

VIR: UK.WEATHER.COM

© 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)

Pridobitev sinoptične karte danes

Vsebina 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

Demokracija v predavalnici

Povej, vprašaj, komentiraj, predlagaj naglas

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.

Osnovne spremenljivke (x, z, y, t) – lokacija v KKS in času (λ, ϕ, z, t) – lokacija v sfernem KS RE, (ponekje a, ali Rz): radij Zemlje Temperatura: T (°C, K=273.15+°C, °F=°C× 9⁄5 + 32 ) Gostota: ρ (kg/m3), specifični volumen: α=1/ ρ Zračni tlak (pritisk), 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 (%) Cp , Cv , L : različne specifične toplote (J/kg/K)

Osnovna enota

Delec zraka T,p,q

T,p,q T,p,q

Osnovne količine Opis suhega zraka (d-dry): Td, md, ρd , Rd

Opis vlažnega zraka (m-moist/vlažen, v-water vapour/vodna para, s-saturated/nasičen, d-dew point/rosišče): Tv, mv , ρv, e, es , Rv , αv , Td,

Γ (ponekje γ): vertikalni temperaturni gradient (oz. sprememba temperature z višino) Γd (ponekje Γa): vertikalni temperaturni gradient za nenasičeni delec zraka (suho- adiabatni gradient) Γm (ponekje Γs): vertikalni temperaturni gradient za nasičeni delec zraka (mokra adiabata)

Θ: potencialna temperatura (K), Θe 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 ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

∂

∂

∂

∂

∂

∂≡∇

zyx,,

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 na višini 2 m

06 UTC 12 UTC

Kje in kdaj je gradient temperature največji?

Porazdelitev tlaka zraka na nivoju morja

Kje je gradient tlaka največji?

Porazdelitev tlaka zraka na nivoju morja

Kje je gradient tlaka največji? Zakaj?

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

dttfdz

zfdy

yfdx

xfdf

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂=

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

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

∂

∂

∂

∂

∂

∂=∇=

zf

yf

xfffgrad ,,)(Gradient funkcije f:

dttfrdfdf∂

∂+⋅∇=

),,( dzdydxrd =

Diferencial radija vektorja:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

∂

∂

∂

∂

∂

∂≡∇

zyx,,

t.i. operator nabla

Časovne spremembe Najbolj pogosto nas zanima časovna sprememba (napovedovanje):

tf

dtdzzf

dtdyyf

dtdxxf

dtdf

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂=

tfVf

tf

dtrdf

dtdf

∂

∂+⋅∇=

∂

∂+⋅∇=

fVdtdf

tf

∇⋅−=∂

∂ 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