meteorologiczne pomiary i obserwacje
 
Encyklopedia
meteorologiczne pomiary i obserwacje,
pomiary instrumentalne wartości elementów meteorologicznych oraz obserwacje wizualne (wzrokowe) obiektów (np. chmur, cząstek opadowych) i zjawisk atmosferycznych, wykonywane w celu poznania aktualnego stanu atmosfery.
Pomiarom podlegają gł.: temperatura i wilgotność powietrza, ciśnienie atmosferyczne, parowanie z powierzchni Ziemi, ilość opadów, kierunek i prędkość wiatru, usłonecznienie, wielkości określające promieniowanie w atmosferze. Obserwacje wizualne dotyczą m.in. zachmurzenia i widzialności, zjawisk optycznych. Do pomiarów stosuje się odpowiednio: termometry, higrometry, barometry, ewaporometry, deszczomierze, aktynometry, pyrheliometry, pyranometry, pyrgeometry i in., lub zastępujące je urządzenia automatyczne. Wyniki m.p. i o. służą do opracowywania prognoz pogody i są wykorzystywane do badania procesów fiz. zachodzących w atmosferze oraz klimatu, a także do celów praktycznych, np. w energetyce, rolnictwie, komunikacji, budownictwie; umożliwiają ostrzeganie przed niebezpiecznymi zjawiskami atmosferycznymi. Podstawową zasadą wykonywania m.p. i o. jest ich porównywalność; dlatego też dokonuje się ich w jednakowych warunkach oraz według jednolitych zasad. Ze względu na globalny charakter procesów atmosferycznych m.p. i o. przeprowadza się na całym globie, na lądzie, morzu i w powietrzu oraz z przestrzeni kosmicznej.
Organizacja pomiarów i obserwacji. Obserwacje meteorologiczne, prowadzone przez służby krajów członkowskich Światowej Organizacji Meteorologicznej (WMO), są realizowane zgodnie ze wspólnie wypracowanymi zasadami, określonymi w ramach programu Światowej Służby Pogody przez: Globalny System Obserwacyjny (Global Observing System, GOS) — koordynujący standaryzację pomiarów na lądzie, morzu i w powietrzu, Globalny System Telekomunik. (Global Telecommunication System, GTS) — umożliwiający sprawne rozpowszechnianie informacji, oraz Globalny System Przetwarzania Danych (Global Data Processing System, GDPS) — zajmujący się efektywnym przetwarzaniem pozyskanych danych, tworzeniem centrów przetwarzania, unifikacją produktów (danych, prognoz, ostrzeżeń, ekspertyz). Rozpowszechnianie i wymiana danych są normowane 40. rezolucją XII Świat. Kongresu Meteorologicznego.
W ramach GOS działają stacje naziemne — realizujące pomiary meteorologiczne w różnym zakresie, stacje aerologiczne — dostarczające danych o stanie atmosfery do wys. 30 km, stacje na samolotach — przekazujące wartości elementów meteorologicznych z miejsc o określonych współrzędnych, stacje radarowe — określające rozkład elementów meteorologicznych w odległości do 200 km od miejsca, w którym znajduje się radar, stacje odbioru danych satelitarnych; urządzenia pomiarowe są też umieszczane na bojach zakotwiczonych i bojach dryfujących na morzu, a także na statkach i platformach morskich. Istnieją również stacje realizujące pomiary specjalne (np. sondaże ozonowe, pomiary zanieczyszczeń atmosfery, pomiary radioaktywności), których zakres nieustannie się zwiększa. Wprowadza się też stacje automatycznie redagujące i przekazujące dane do centrów łączności działających w ramach GTS.
W przypadku stacji naziemnych jednolitość warunków pomiaru zapewnia umieszczenie podstawowych przyrządów do pomiaru temperatury i wilgotności powietrza w klatce meteorologicznej (drewniana szafka o żaluzjowych ścianach, pomalowana na biało, z drzwiczkami skierowanymi na północ, umieszczona 2 m nad poziomem gruntu). Klatkę umieszcza się w tzw. ogródku meteorologicznym — terenie wyrównanym i porośniętym trawą, na którym mogą się znajdować także różne przyrządy pomiarowe.
Zakres obserwacji i pomiarów zależy od założonego celu. W największym zakresie m.p. i o. są realizowane na stacjach najwyższego rzędu, popularnie zw. synoptycznymi (na kuli ziemskiej jest ich ok. 10 000, w Polsce ok. 60). Do podstawowych mierzonych w nich parametrów należą: temperatura (w tym maks. i minim.), wilgotność powietrza, kierunek i prędkość wiatru, ciśnienie i jego tendencja, widzialność, ilość opadu i wysokość pokrywy śnieżnej, wielkość zachmurzenia i wysokość podstawy chmur; obserwuje się w nich takie zjawiska jak opady i osady, burze oraz zjawiska optyczne. Dane w postaci zakodowanej depeszy przekazuje się do ośrodków przetwarzania. Stacje są lokalizowane na otwartym terenie, aby wyniki prowadzonych tam pomiarów i obserwacji były reprezentatywne dla obszaru o promieniu ok. 50 km. Ze względu na konieczność międzynar. wymiany informacji m.p. i o. na tych stacjach są realizowane w terminach określonych przez WMO (00, 03, 06, 09, 12, 15, 18, 21 TUC; czasu rachuba); w wielu krajach (w tym w Polsce) są wykonywane częściej, np. co godzina, a na stacjach zlokalizowanych na lotniskach — co pół godziny. Pozyskane informacje umożliwiają przygotowanie prognoz pogody w różnych skalach przestrzennych i czasowych.
Stacje niższego rzędu, np. posterunki meteorologiczne, dostarczają danych o sytuacji meteorologicznej na mniejszych obszarach. Mierzy się na nich gł. temperaturę powietrza i wielkość opadów, a niekiedy także inne elementy meteorologiczne. Na posterunkach meteorologicznych z tradycyjnym (manualnym) wyposażeniem pomiarowym (termometry rtęciowe, higrometr włosowy, deszczomierz) przeprowadza się też obserwacje zjawisk atmosferycznych. Pomiary i obserwacje są w nich dokonywane 3 razy na dobę (6, 12, 18 TUC). Na posterunkach meteorologicznych wyposażonych w systemy automatyczne pomiary są przeprowadzane automatycznie (np. co 10 min) i zapisywane w pamięci komputera serwisowego z możliwością przekazywania danych do ośrodka łączności. W celu zachowania jednorodności tak zbieranych informacji z danymi zbieranymi dotychczas manualnie, elektroniczne przyrządy do pomiarów automatycznych są instalowane w konwencjonalnych klatkach meteorologicznych. Obecnie stacje tego typu podają dane zwykle 24 razy na dobę. Na posterunkach opadowych (w Polsce ok. 1000) mierzy się wielkość opadów i prowadzi obserwacje wizualne zjawisk atmosferycznych. Na niektórych stacjach są mierzone składowe bilansu promieniowania (bilans energetyczny atmosfery ziemskiej) oraz wielkości określające promieniowanie w atmosferze ziemskiej.
Na stacjach aerologicznych (na kuli ziemskiej jest ich 900, w Polsce — 3) prowadzi się regularne radiosondaże (radiosonda) polegające na pomiarach ciśnienia, temperatury i wilgotności powietrza przy użyciu aparatury automatycznej wynoszonej przez balony wypełnione wodorem lub helem; wyniki, przetworzone na sygnały elektr., są następnie przekazywane drogą radiową do stacji wyposażonej w odpowiednie urządzenia odbiorcze; w ten sposób uzyskuje się informacje o pionowym profilu atmosfery do wys. 30 km. W niektórych stacjach aerologicznych wyznacza się też pionowy profil zawartości ozonu.
W monitorowaniu stanu atmosfery coraz częściej wykorzystuje się radar. Współczesny radar meteorologiczny pozwala na śledzenie rozwoju i przemieszczania się chmur z opadem, wyznaczanie przestrzennego rozkładu opadu, określanie jego fazy i szacowanie ilości. Umożliwia też prezentację przekrojów atmosfery. Nowoczesne systemy radarów dopplerowskich pozwalają na lokalizację stref zbieżności wiatru (uskoków wiatru), szczególnie niebezpiecznych dla lotnictwa, określanie prawdopodobieństwa wystąpienia niebezpiecznych zjawisk atmosferycznych, śledzenie tras burz, analizę struktury chmur burzowych i in. W systemie obserwacyjnym istotna rola przypada satelitom meteorologicznym. Obserwacji atmosfery dokonuje obecnie kilkanaście satelitów meteorologicznych. Dane uzyskane z satelitów pozwalają na określenie stanu atmosfery nad całym globem, co jest szczególnie użyteczne w odniesieniu do przestrzeni nad oceanami, dla których brak jest klas. danych obserwacyjnych. Umożliwiają wyznaczenie położenia i śledzenie ewolucji układów chmurowych (frontów i układów niżowych), np. wykrywanie i prognozowanie ewolucji cyklonów tropikalnych. Są też wykorzystywane w badaniach bilansu energ. atmosfery ziemskiej i do wyznaczania profili pionowych jej parametrów, znajdują także zastosowanie w hydrologii, ochronie środowiska i in. W m.p. i o. są również stosowane sodary, wykorzystujące fale akustyczne do badania stratyfikacji atmosfery, oraz lidary, wykorzystujące promieniowanie lasera do określania składu atmosfery, pomiaru widzialności i in.
Historia. Człowiek od początku swoich dziejów obserwował pogodę, zwłaszcza zjawiska dla niego niekorzystne. Wzmianki o zjawiskach atmosferycznych występują w źródłach chiń. i indyjskich z poł. IV tysiąclecia p.n.e. Około 400 p.n.e. Hipokrates napisał dzieło „o powietrzu, wodzie i miejscu”, ok. 350 p.n.e. Arystoteles — dzieło Meteorologika, w którym znajdują się opisy burz, wiatrów, chmur, zjawisk opt. i in., a ok. 300 p.n.e. Teofrast z Eresos — traktat „o znakach deszczu, wiatru, burzy i dobrej pogody”. Z okresu średniowiecza są znane kroniki pogody — stosunkowo systematyczne zapiski codziennego stanu pogody; najstarsze z nich, z 1337–44, prowadził W. Merle w miejscowości Dryby k. Oksfordu. Opisy znajdujące się w wymienionych dziełach i kronikach były oparte wyłącznie na obserwacjach wizualnych.
Przełom w rozwoju obserwacji meteorologicznych nastąpił po skonstruowaniu pierwszych przyrządów pomiarowych: 1641 termometru cieczowego przez wielkiego księcia toskańskiego Ferdynanda II (na podstawie pomysłu Galileusza) i 1643 barometru rtęciowego przez E. Torricellego i jego ucznia V. Vivianiego. W 1654 została uruchomiona pierwsza sieć stacji meteorologicznych działających na jednolitych zasadach, tzw. sieć florentyńska, zorganizowana przez Ferdynanda II; obejmowała 11 stacji, w tym 7 na terenie Włoch, jedną w Warszawie. W 1724–35 na terenie Wielkiej Brytanii działała sieć zorganizowana przez Tow. Król. w Londynie. Obserwacje meteorologiczne w XVIII w. prowadziły towarzystwa nauk. i indywidualne osoby. Przyrządy pomiarowe umieszczano zwykle w metalowej szafce za oknem budynku, na różnej wysokości, a obserwacje przeprowadzano w różnych terminach i z różną częstotliwością; ich wyników nie można więc było ze sobą bezpośrednio porównywać. Dużą rolę odegrała tzw. sieć mannheimska, działająca 1781–92, zorganizowana przez stowarzyszenie Societas Meteorologica Palatina; liczyła 39 stacji położonych w Europie i Ameryce Północnej (od Uralu do Grenlandii), a obserwacje wykonywano o godz. 7, 14 i 21 czasu miejscowego. Dane pochodzące z tej sieci stały się podstawą dla H. Brandesa do wykreślenia 1820 pierwszych map synoptycznych. Duże znaczenie miało zastosowanie do przekazywania wyników m.p. i o. telegrafu, początkowo opt., a od poł. XIX w. elektrycznego.
Pionową strukturę atmosfery zaczęto badać dzięki zastosowaniu balonów; pierwsze pomiary temperatury powietrza przeprowadzono 1783 podczas załogowego lotu balonem; 1893 zastosowano meteorograf — urządzenie umieszczane w balonie, samoczynnie rejestrujące wartości ciśnienia atmosferycznego, temperatury i wilgotności powietrza. Dalszy postęp w badaniach wyższych warstw atmosfery przyniosło skonstruowanie przez P. Mołczanowa 1928 radiosondy. W latach 40. XX w. zastosowano radar do obserwacji meteorologicznych, w latach 50. powstały stacje automatyczne. W tym samym czasie do badania atmosfery zaczęto wykorzystywać (w USA i ZSRR) rakiety meteorologiczne, początkowo konstruowane z wykorzystaniem głowic rakiet V-2, później o innej konstrukcji (w Wielkiej Brytanii, Hiszpanii, Szwecji i Polsce). W Polsce 1966–71 prowadzono regularne sondaże rakietowe, które pozwoliły na poznanie rozkładu przestrzennego wiatrów do wys. 37 km (pułap rakiety Meteor 1), później do wys. 70 km (rakieta Meteor 3). W latach 70. na całym świecie zaprzestano badań rakietowych, a wprowadzono metody satelitarne (1959 po raz pierwszy użyto satelity do badań meteorologicznych, 1960 wypuszczono pierwszego satelitę meteorologicznego TIROS I, USA).
Obserwacje i pomiary meteorologiczne w Polsce. Wzmianki o niekorzystnych warunkach pogodowych i groźnych zjawiskach atmosferycznych (suszach, powodziach, silnych mrozach) na ziemiach pol. pojawiają się w źródłach hist. od XIII w. W XIII w. powstał traktat o zjawiskach opt. w atmosferze, spisany przez Witelona. Pod koniec XV i na pocz. XVI w. były prowadzone, przez profesorów Akad. Krak., kroniki pogody dotyczące Krakowa i jego okolic, wśród nich kroniki M. Biema — najstarsze zachowane po kronikach Merle’a. W XVI w. ukazała się praca M. Mirowskiego o przyczynach i skutkach wiatrów, a 1643 wydano pierwszy pol. podręcznik meteorologii J. Poczapowskiego. Pierwsze w Polsce pomiary instrumentalne wykonywano od 1654 w Warszawie na stacji należącej do sieci florentyńskiej. Obserwacje meteorologiczne na ziemiach pol. prowadzono m.in.: w Wilnie (od 1720), Warszawie (np. pomiary temperatury wykonywane 1725–28 przez Ch. Erndtela oraz 1760–62 przez J.E. Guettarda), Gdańsku (od 1739), Toruniu (od 1751). W końcu XVIII w. rozpoczęto systematyczne obserwacje meteorologiczne, m.in. w Warszawie (1779–99 prowadzone przez J.F. Bystrzyckiego na tarasie Zamku Król. oraz 1803–28 przez A. Magiera), a także we Wrocławiu (od 1791) i w Krakowie (seria rozpoczęta 1792 przez Jana Śniadeckiego i w zachowanych warunkach kontynuowana do dziś). Opisy pomiarów temperatury, ciśnienia, składu powietrza i in. zamieścił 1805–06 S. Staszic w swoich rozprawach o górach. W 1825 uruchomiono stację meteorologiczną przy Obserwatorium Astr. na terenie uniwersyteckiego Ogrodu Bot. w Warszawie, czynną do dziś; 1885 rozpoczęła działalność stacja przy Muzeum Przemysłu i Rolnictwa w Warszawie (ob. Biblioteka Roln.) oraz tzw. sieć warszawska na terenie Królestwa Pol., uruchomiona z inicjatywy E. Dziewulskiego. Po odzyskaniu niepodległości sieć ta stała się podstawą zorganizowanej 1918 państw. służby meteorologicznej.
Obecnie w Polsce pomiary i obserwacje meteorologiczne będące podstawą meteorologicznej osłony kraju i społeczeństwa są realizowane przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej (IMGW) i odbywają się w ramach sieci hydrologiczno-meteorologicznej IMGW. Sieć ta 2001 składała się m.in. z: 3 obserwatoriów, 61 stacji meteorologicznych I rzędu, 8 stacji meteorologicznych realizujących pomiary dla Lotniskowych Biur Meteorologicznych, 3 stacji aerologicznych, 4 stacji badań specjalnych, 3 radarów meteorologicznych, 9 stacji skażeń radioaktywnych, 3 stacji zanieczyszczeń atmosfery, kilku stacji badań pionowego rozkładu ozonu oraz zawartości ozonu przy powierzchni Ziemi, 54 stacji rejestrujących czas usłonecznienia, ok. 150 posterunków meteorologicznych i klimatologicznych, manualnych i automatycznych, prawie 1000 posterunków opadowych, 3 stacji odbioru danych satelitarnych. M.p. i o. są również wykonywane przez odpowiednie jednostki organizacyjne niektórych ministerstw, np. Ministerstwa Środowiska, Ministerstwa Infrastruktury, Ministerstwa Obrony Nar., a także w ramach instytutów nauk.-badawczych oraz wyższych uczelni.
Elżbieta Klejnowska, Urszula Kossowska-Cezak
Bibliografia
U. Kossowska-Cezak, D. Martyn, K. Olszewski, M. Kopacz-Lembowicz Meteorologia i klimatologia, Warszawa 2000;
A. Woś Meteorologia dla geografów, Warszawa 2002.
Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia