Изучение погоды и климата требует системного подхода. Для этого на метеорологических станциях по всему миру ведутся регулярные наблюдения за состоянием атмосферы по единой программе, в строго установленные сроки. Каждая страна имеет собственную сеть станций и наблюдательных постов. На их территории оборудуются специальные площадки с основными приборами и здания, где размещаются барометры и барографы, а также обрабатываются данные. Измеряются ключевые метеорологические элементы: температура, давление и влажность воздуха, скорость и направление ветра, облачность, количество осадков, видимость, температура почвы и воды, солнечная радиация и излучение Земли. В России станции делятся на три разряда. Вместе с научными учреждениями они обеспечивают страну оперативной информацией о погоде, прогнозами и климатическими характеристиками различных регионов.
Приборы и технологии наблюдений
Метеорологические приборы разнообразны: от простых с визуальным отсчетом до самопишущих (автоматически регистрирующих данные) и дистанционных, передающих показания на расстояние. Для глобального мониторинга атмосферы используются метеорологические спутники (см. Искусственные спутники Земли). Они измеряют радиационные потоки, температуру поверхности Земли и облаков, а также фотографируют облачный покров в видимом и инфракрасном диапазонах. Данные записываются на борту (например, на магнитную пленку) и передаются на наземные пункты. Высота полета таких спутников (400–1500 км) позволяет охватывать полосу обзора до 1000 км и более, что дает возможность отслеживать развитие атмосферных процессов в глобальном масштабе. Помимо инструментальных измерений, важна и визуальная оценка явлений: определение формы облаков, типа осадков и их интенсивности. Наблюдения ведутся не только государственной сетью, но и торговыми, военными судами, а также различными специализированными и местными организациями, которые координируют свою работу с основной сетью.
Школьные и любительские наблюдения
Юные краеведы и школьники также могут вносить свой вклад, проводя систематические наблюдения за местным климатом по специальным инструкциям. Для этого используются различные приборы, установленные на учебных метеоплощадках. Метеорологическая площадка должна быть удалена от крупных препятствий (зданий, деревьев) на расстояние, в 10–20 раз превышающее их высоту, и от больших водоемов. Ее стандартная форма — квадрат со сторонами, ориентированными по сторонам света, и минимальным размером 26x26 м. Для школьных нужд, если площадка не совмещена с географической, допустим минимальный размер 10x10 м.
На станциях государственной сети наблюдения проводятся 8 раз в сутки (в 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18 и 21 час по московскому декретному времени). На школьных площадках обычно ограничиваются тремя сроками, которые для удобства можно сдвинуть на час вперед.
Основные приборы и методы измерений
Температура и влажность. В стандартной метеорологической будке установлены термометры. Максимальный термометр (ртутный) фиксирует наивысшую температуру между сроками наблюдений; после снятия показаний его необходимо встряхнуть. Минимальный термометр (спиртовой) показывает самую низкую температуру; ее отмечает специальный штифт внутри капилляра. Для подготовки прибора к новым измерениям его переворачивают резервуаром вверх. Текущую (срочную) температуру воздуха измеряют сухим термометром психрометра. Влажность воздуха определяют с помощью психрометра (по разнице показаний сухого и смоченного термометров) и волосного гигрометра, который показывает относительную влажность в процентах. Зимой, при отрицательных температурах, обычно используют только гигрометр. В походных условиях удобен психрометр Ассмана, термометры которого защищены металлической оправой.
Осадки и снежный покров. Количество осадков измеряют осадкомером (дождемером), который состоит из приемного ведра, ветрозащитного устройства и мерного стакана. Прибор устанавливается на столбе высотой 1.6 м. Измерения проводят раз в сутки, утром. Высоту снежного покрова на площадке измеряют постоянной снегомерной рейкой, а за ее пределами — переносной. Эти замеры делают раз в 10 дней. Для определения плотности снега используют походный весовой снегомер.
Ветер и давление. Направление и скорость ветра определяют с помощью флюгера, установленного на высоком (9–12 м) столбе. Отклонение его доски соотносится с силой ветра по специальной таблице. Атмосферное давление обычно измеряют барометром-анероидом (с внесением поправок) или более точным ртутным барометром, которые размещаются в помещении.
Визуальные наблюдения и их обработка
Облачность и атмосферные явления. Наблюдения за облачностью проводят визуально, оценивая ее количество в баллах (от 0 — ясно, до 10 — сплошная облачность). По международной классификации различают 4 семейства и 10 основных родов облаков, для определения которых удобно пользоваться специальным атласом. Также без приборов фиксируют тип осадков (дождь, снег, град, морось и т.д.), туманы, электрические (гроза, зарница) и оптические явления (радуга, гало), а также особые характеристики ветра (шквал, метель). Все наблюдения записываются с помощью условных знаков, и точность этих записей крайне важна.
Обработка данных. В походных условиях наблюдения часто проводятся ежечасно: фиксируются показания приборов, состояние неба, форма и количество облаков, осадки. Собранные материалы затем обрабатываются: строятся графики изменения давления, температуры, облачности. Для быстрого измерения температуры воздуха в полевых условиях можно использовать термометр-пращу, вращая его над головой.
Интересной задачей является проверка народных примет о погоде и официальных прогнозов, анализ их точности и причин возможных ошибок. Также полезно сопоставлять погодные условия с оптическими явлениями в атмосфере и реакцией живой природы (поведением животных, состоянием растений).
Календарь погоды
Результаты регулярных наблюдений, проводимых на школьной географической площадке, заносятся в общешкольный календарь погоды. Обычно это большой лист ватмана, разграфленный на месяцы учебного года (с сентября по май). Каждый месяц делится на вертикальные колонки для ежедневного внесения данных: температуры (трижды в день), а также однократных замеров давления, влажности, ветра и облачности (например, в 13 часов). Отдельная широкая колонка предназначена для примечаний, где отмечают особые явления: грозы, туманы, радугу, а также ключевые фенологические события (первый снег, конец листопада). В конце каждого месяца подводятся итоги. Такой календарь можно вести не на весь год, а по сезонам, что делает его более наглядным и удобным для анализа.