ДИНАМИЧЕСКАЯ МЕТЕОРОЛОГИЯ

ДИНАМИЧЕСКАЯ МЕТЕОРОЛОГИЯ, теоретическая метеорология, раздел метеорологии, занимающийся теоретическим изучением атмосферных процессов в тропосфере и нижней стратосфере с использованием ур-ний гидромеханики, термодинамики и теории излучения. За пределами Д. м. остаются лишь теория электрич., аку-стич. и оптич. явлений в атмосфере.

Гл. задача Д. м.- прогноз погоды, именно разработка численных методов прогноза метеорологич. элементов (давления, темп-ры, ветра, облачности, осадков, видимости) на различные сроки на основе изучения общей циркуляции атмосферы, т. е. системы крупномасштабных переносов воздуха над нашей планетой. Д. м. занимается и более ограниченными задачами - анализом происхождения и поведения атм. волн и вихрей различного масштаба и деталей общей циркуляции (фронтов атмосферных и струйных течений), а также атм. турбулентности и конвекции.

Попытки теоретич. объяснения отдельных особенностей атм. циркуляции восходят к 1-й пол. 18 в. (англ. учёный Дж. Хэдли). В нач. 19 в. П. Лапласом была теоретически установлена связь между изменением атмосферного давления с высотой и темп-рой (барометрическая формула) и тем заложены основы статики атмосферы. В 1-й пол. 19 в. возникла термодинамика, к-рая вскоре была применена к объяснению отд. атм. процессов (таких, как фён). Однако только в 80-х гг. в работах нем. учёных Г. Герца, В. Бецольда и др. оформилась теория адиабатич. процессов (т. е. процессов, в к-рых можно пренебречь теплообменом) в атмосфере, содержащей водяной пар; дальнейшее её развитие относится уже к 20 в. (англ, учёный У. Н. Шоу, норв. учёные А. Рефсдаль, Я. Бьеркнес и др.). В 1-й пол. 19 в. франц. учёный Г. Кориолис предложил теорему об относит. движении на вращающейся Земле, что позволило применить ур-ния гидродинамики, сформулированные Л. Эйлером ещё в 18 в., к метеорологич. проблемам. У. феррель (США) в ряде исследований, начатых в 1856, дал первую теоретич. модель общей циркуляции атмосферы, основанную на ур-ниях гидромеханики, что способствовало оформлению Д. м. как науч. дисциплины. В 80-х гг. 19 в. крупный вклад в развитие Д. м. внёс Г. Гельмгольц, предложивший теоретич. модель общей циркуляции поверхности разрыва (атм. фронты). В 1897 В. Бьеркнес теоремами о циркуляции и вихреобра-зовании положил начало "физической гидродинамике" атмосферы как сжимаемой жидкости наиболее общего типа (бароклинной жидкости), в к-рой распределение плотности зависит от распределения как давления, так и темп-ры. В 1904 он сформулировал задачу прогноза погоды как решение ур-ний атм. термогидродинамики. Развитие идей В. Бьеркнеса определило дальнейшие успехи Д. м. В нач. 20 в. М. Маргулес в Австрии, В. Бьеркнес и др. построили теорию атм. фронтов; Маргулес также заложил основы энергетики атмосферы. В это же время интенсивно изучалась атм. турбулентность, определяющая вертикальный обмен тепла, влаги, коллоидных примесей и количества движения в атмосфере.

В 20-х гг. 20 в. начинается быстрое развитие Д. м. в СССР; сформировалась сов. школа Д. м., основанная А. А. Фридманом. Ещё в 1914 Фридман совместно с швед, учёным Т. Гессельбергом впервые дал оценки порядков величин осн. метеорологич. элементов (давления, темп-ры, влажности и др.) и их изменчивости, позволившие упростить ур-ния Д. м. В 1922 Фридман построил и детально проанализировал общее ур-ние для определения вихря скорости, характеристики местного вращения среды около мгновенных осей в движущейся жидкости, к-рое впоследствии приобрело фундаментальное значение в теории прогноза погоды. Н. Е. Кочин в 1931 решил задачу о потере устойчивости поверхности раздела между двумя воздушными массами, связанной с образованием циклонов, а в 1935 развил теорию общей циркуляции атмосферы, использовав идею о планетарном пограничном слое. А. А. Дородницын (1938, 1940) теоретически решил задачу о влиянии горного хребта на возд. поток, в 1940 он рассчитал суточный ход темп-ры. Принципиальным шагом в решении осн. практич. задачи Д. м. - прогноза погоды - явилась работа И. А. Кибеля, в к-рой был дан метод прогноза поля давления и темп-ры на сутки (1940). Основы гид-родинамич. метода долгосрочных прогнозов были заложены в работе Е. М. Блиновой (1943). Один из узловых вопросов Д.м.-взаимосвязь полей давления и ветра в атмосфере - был исследован швед. учёным К. Г. Росби (1938) и успешно решён А. М. Обуховым в СССР в 1949. В дальнейшем эта задача была обобщена в работах 1950-х гг. И. А. Кибеля и А. С. Монина, что позволило в 1960-х гг. перейти к более точным методам прогноза погоды. Первые численные прогнозы давления были выполнены в 1951 амер. учёным Дж. Чарни и др. Существенным шагом в теории прогноза явились работы Г. И. Марчука и Н. И. Булеева (1953; СССР) и К. Хин-кельмана (ФРГ), в к-рых впервые учитывалось влияние процессов на большой площади на изменение атм. условий в пункте, для к-poro рассчитывается прогноз. Появление в 50-х гг. ЭВМ и бурное развитие вычислит, математики дали толчок интенсивному развитию мн. разделов Д. м.

Основные уравнения. Д. м. рассматривает тонкий по сравнению со ср. радиусом Земли (6374 км) слой атмосферы толщиной в 20-30 км. Здесь сосредоточено почти 98% всей её массы, что обусловлено влиянием силы тяжести - одной из осн. сил, действующих на малый объём ("частицу") воздуха. Атмосфера Земли в этом слое - достаточно плотная среда, чтобы рассматривать её как непрерывную и применять к ней законы механики сплошных сред: закон сохранения массы, позволяющий написать ур-ние неразрывности, и закон изменения количества движения. Гл. силы, действующие на частицу воздуха (помимо силы тяжести), - отклоняющаяся сила вращения Земли (или Кориолиса сила) и диссипативные силы турбулентного трения. Осн. особенностями движений, рассматриваемых в Д. м., являются малость скорости ветра по отношению к скорости звука и большое влияние силы тяжести.

Динамика атм. процессов всевозможных масштабов тесно связана с притоком тепла. Применение первого начала термодинамики к атм. процессам даёт т. н. ур-ние притока тепла под действием трёх осн. источников тепла в атмосфере: лучистого и турбулентного притоков тепла, а также выделения энергии при фазовых переходах влаги из одних состояний в другие (пар, жидкие капли, лёд). Термодинамич. параметры атмосферы -давление, темп-pa и плотность - связаны уравнением состояния.

К перечисленным ур-ниям добавляются ур-ния, определяющие перенос лучистой энергии в атмосфере, перенос влаги, условия образования облаков и выпадения осадков. Граничные условия на земной поверхности связывают темп-ру воздуха с темп-рой поверхности материков и океанов. Взаимно обусловленными оказываются также возд. и океанич. течения. Т. о., общая постановка задачи Д. м. включает определение давления, плотности, темп-ры и влажности воздуха, трёх составляющих ветра, условий образования облаков и осадков в связи с величинами, характеризующими состояние океана и суши. Эта задача чрезвычайно сложна и решается лишь при весьма существ, упрощениях. Развитие Д. м. тесно связано с разработкой методов решения нелинейных ур-ний ма-тема-тич. физики.

Основные проблемы Д. м. 1) Изучение общей циркуляции атмосферы (ОЦА). Интегрирование ур-ний Д. м. на длит, сроки при возможно полном учёте тепло- и влагообмена в атмосфере, а также термич. и динамич. взаимодействия океана и атмосферы позволило создать математич. модель ОЦА, к-рая в гл. чертах соответствует данным наблюдений. Изменяя внеш. параметры, можно выяснить причины аномалий климата, а также установить закономерности климата прошлых геол. эпох. Эти работы имеют значение и для теории долгосрочного прогноза погоды. Имеющиеся эмпирич. сведения об атмосфере Земли ещё не вполне достаточны для построения полной модели ОЦА. В связи с этим важной задачей Д. м. является исследование глобальных атм. процессов путём изучения процессов переноса радиации, конвекции и др.

2) Исследование турбулентности в атмосфере и гидросфере. Роль турбулентного обмена в атмосфере весьма велика; за редким исключением все атм. движения по существу являются турбулентными. Для развития и совершенствования теории турбулентности необходимо наряду с разработкой математич. моделей развивать тонкие экспериментальные методы определения локальных и интегральных характеристик турбулентного обмена.

3) Прогноз погоды. Условно проблема делится на три части: краткосрочный прогноз на срок до 3 суток, долгосрочный прогноз (прогноз на 5-10 дней, прогноз на месяц и даже на сезон) и прогноз местных условий погоды. Начиная с 60-х гг. 20 в. прогнозы синоптич. положения (преим. распределения давления и др. метеорологич. элементов над обширным районом) на короткий срок методами Д. м. широко применяются в ряде стран с высокоразвитой вычислит. техникой (СССР, США, Великобритания, Франция, Швеция, Норвегия и др.). В опытном порядке составляются также долгосрочные прогнозы отд. элементов (ср. темп-pa и давление) на основе Д. м. Методы этих прогнозов более тесно связаны с моделями ОЦА, чем методы краткосрочного прогноза. Прогноз местных условий погоды составляется пока преим. эмпирич. путём на основе прогноза общего синоптич. положения. Теоретич. подходы к такому прогнозу трудоёмки и сложны; на базе Д. м. такие прогнозы составляются лишь в опытном порядке в наиболее хорошо оснащённых вычислит. техникой прогностич. центрах. Широкое использование сверхбыстродействующих ЭВМ позволит разрабатывать прогностич. схемы, в к-рых одновременно с долгоживущими особенностями метеорологич. режима будут получать и коротко-живущие, определяющие изменение условий погоды над небольшой территорией.

Лит.: Основы динамической метеорологии, Л., 1955; Белинский В. А., Динамическая метеорология, М. -Л., 1948; Марчук Г. И., Численные методы в прогнозе погоды, Л., 1967; Юдин М. И., Новые методы и проблемы краткосрочного прогноза погоды, Л., 1963; Монин А. С., Прогноз погоды как задача физики, М., 1969; Кабель И. А., Введение в гидродинамические методы краткосрочного прогноза погоды, М., 1957; Метеорология и гидрология за 50 лет Советской власти, под ред. Е. К. Федорова, Л., 1967. Е. М. Добрышман.