هواشناسي

هواشناسي شاخه اي از علوم جوي است كه شامل شيمي جوي و فيزيك جوي است ، و تمركز اصلي آن بر پيش بيني هوا است. مطالعه هواشناسي به هزاره ها برمي گردد ، اگرچه پيشرفت چشمگيري در هواشناسي تا قرن هجدهم رخ نداد. قرن نوزدهم پس از تشكيل شبكه هاي مشاهده آب و هوا در مناطق وسيع ، شاهد پيشرفت متوسطي در اين زمينه بود. تلاش هاي قبلي براي پيش بيني آب و هوا به داده هاي تاريخي بستگي داشت. پس از تبيين قوانين فيزيك و به ويژه ، توسعه رايانه ، امكان حل خودكار بسياري از معادلات كه مدل هوا را فراهم مي كنند ، در نيمه دوم قرن بيستم بود كه موفقيت قابل توجهي در آب و هوا ايجاد كرد پيش بيني حاصل شد يك حوزه مهم پيش بيني آب و هوا پيش بيني آب و هواي دريايي است زيرا به ايمني دريايي و ساحلي مربوط مي شود ، كه در آن اثرات آب و هوايي همچنين شامل فعل و انفعالات جوي با آبهاي بزرگ است.

پديده هاي هواشناسي حوادث آب و هوايي قابل مشاهده هستند كه توسط علم هواشناسي توضيح داده مي شوند. پديده هاي هواشناسي با متغيرهاي جو زمين توصيف و كميت مي شوند: دما ، فشار هوا ، بخار آب ، جريان جرم و تغييرات و فعل و انفعالات آن متغيرها و نحوه تغيير آنها در طول زمان. مقياس هاي مختلف مكاني براي توصيف و پيش بيني آب و هوا در سطح محلي ، منطقه اي و جهاني استفاده مي شود.

هواشناسي ، اقليم شناسي ، فيزيك جوي و شيمي جوي زيرشاخه هاي علوم جوي هستند. هواشناسي و هيدرولوژي زمينه بين رشته اي هواشناسي را تشكيل مي دهند. فعل و انفعالات بين جو زمين و اقيانوس هاي آن بخشي از يك سيستم جفت-اقيانوسي است. هواشناسي در بسياري از زمينه هاي مختلف مانند ارتش ، توليد انرژي ، حمل و نقل ، كشاورزي و ساخت و ساز كاربرد دارد.

كلمه هواشناسي از يونان باستان μετέωρος metéōros (شهاب سنگ) و -λογία -logia (- (o) logy) است ، به معني "مطالعه چيزهايي كه در هوا هستند".

تاريخ
مقاله اصلي: جدول زماني هواشناسي
پرهليون (سانداگ) در ساووي

توانايي پيش بيني باران و سيل بر اساس چرخه هاي سالانه به وضوح توسط انسان حداقل از زمان استقرار كشاورزي استفاده شده است ، اگر نه زودتر. رويكردهاي اوليه براي پيش بيني آب و هوا بر اساس طالع بيني بود و توسط كشيشان انجام مي شد. كتيبه هاي ميخي در لوح هاي بابلي شامل ارتباط رعد و برق و باران بود. كلداني ها هاله هاي 22 و 46 درجه را از هم متمايز كردند. [1]

Upanishads هند باستان شامل ذكر ابرها و فصول است. [2] ساماودا فداكاري هايي را ذكر مي كند كه بايد هنگام مشاهده برخي پديده ها انجام شود. [1] اثر كلاسيك Varāhamihira ، Brihatsamhita ، كه در حدود 500 سال پس از ميلاد نوشته شده است ، [2] شواهدي از مشاهده هوا را فراهم مي كند.

در سال 350 قبل از ميلاد ، ارسطو هواشناسي را نوشت. [3] ارسطو بنيانگذار هواشناسي محسوب مي شود. [4] يكي از چشمگيرترين دستاوردهاي توصيف شده در هواشناسي ، توصيف آنچه اكنون به عنوان چرخه هيدرولوژيك شناخته مي شود است. [5]

در كتاب دي موندو (ساخته شده قبل از 250 قبل از ميلاد يا بين 350 تا 200 سال قبل از ميلاد) اشاره شده است: [6]

    اگر بدن تابشي به آتش كشيده شود و با شدت به زمين بپيچد ، صاعقه ناميده مي شود. اگر فقط نيمي از آتش باشد ، اما همچنين شديد و عظيم باشد ، آن را شهاب سنگ مي نامند. اگر كاملاً عاري از آتش باشد ، آن را پيچ سيگار مي نامند. همه آنها "پيچ پيچ" ناميده مي شوند ، زيرا آنها بر روي زمين قرار مي گيرند. رعد و برق گاهي دودي است ، و سپس آن را "رعد و برق در حال سوختن" مي نامند ؛ گاهي اوقات به سرعت در امتداد دارت مي رود ، و سپس گفته مي شود زنده است. جسم آن را "صاعقه كشيدن" مي نامند.

دانشمند يوناني تئوفراستوس كتابي در زمينه پيش بيني وضعيت هوا تنظيم كرد ، به نام كتاب علائم. كار تئوفراستوس براي نزديك به 2000 سال در مطالعه هوا و پيش بيني هوا تأثير غالب داشت. [7] در سال 25 ميلادي ، پمپونيوس ملا ، جغرافي دان امپراتوري روم ، سيستم منطقه اي آب و هوايي را رسميت داد. [8] به گفته توفيك فهد ، در حدود قرن 9 ، الديناوري كتاب النبات (كتاب گياهان) را نوشت كه در آن به كاربرد هواشناسي در كشاورزي در طول انقلاب كشاورزي مسلمانان مي پردازد. وي ويژگي هواشناسي آسمان ، سيارات و صورتهاي فلكي ، خورشيد و ماه ، مراحل قمري را نشان مي دهد كه فصول و باران را نشان مي دهد ، آنوا (اجرام آسماني باران) و پديده هاي جوي مانند باد ، رعد و برق ، برف ، سيل ، دره ها ، رودخانه ها ، درياچه ها. [9] [10] [نياز به تأييد]

تلاش هاي اوليه براي پيش بيني هوا اغلب مربوط به پيشگويي و پيشگويي بود و گاهي اوقات بر اساس عقايد نجومي بود. دريادار فيتزرواي سعي كرد رويكردهاي علمي را از رويكردهاي نبوي جدا كند. [11]

تحقيق درباره پديده هاي جوي بصري
گرگ و ميش در ساحل بيكر
همچنين نگاه كنيد به: رنگين كمان و گرگ و ميش

بطلميوس در مورد شكست اتمسفر نور در متن مشاهدات نجومي نوشت. [12] در سال 1021 ، الاهازن نشان داد كه شكست هوا نيز باعث گرگ و ميش مي شود. وي تخمين زد كه گرگ و ميش از زماني شروع مي شود كه خورشيد 19 درجه پايين تر از افق باشد ، و همچنين از يك تعيين هندسي بر اين اساس استفاده كرد تا حداكثر ارتفاع ممكن جو زمين را 52000 گذرگاه (حدود 49 مايل يا 79 كيلومتر) تخمين بزند. [13]

سنت آلبرت بزرگ اولين كسي بود كه پيشنهاد كرد هر قطره از باران به شكل كره اي كوچك باشد و اين فرم به معناي توليد رنگين كمان در اثر تعامل نور با هر قطره باران است. [14] راجر بيكن اولين كسي بود كه اندازه زاويه اي رنگين كمان را محاسبه كرد. وي اظهار داشت كه قله رنگين كمان نمي تواند بالاتر از 42 درجه بالاتر از افق ظاهر شود. [15] در اواخر قرن سيزدهم و اوايل قرن 14 ، كمال الدين الفريسي و تئودوريك فرايبرگ اولين كساني بودند كه توضيحات درستي در مورد پديده اوليه رنگين كمان ارائه دادند. تئودريك فراتر رفت و رنگين كمان ثانويه را نيز توضيح داد. [16] در سال 1716 ، ادموند هالي اظهار داشت كه شفق قطبي ناشي از "جريان مغناطيسي" است كه در امتداد خطوط ميدان مغناطيسي زمين حركت مي كند.
ابزار و مقياس طبقه بندي

در سال 1441 ، پسر شاه سجونگ ، شاهزاده مونجونگ كره ، اولين باران سنج استاندارد را اختراع كرد. [17] اينها به عنوان يك ابزار رسمي براي ارزيابي ماليات زمين بر اساس برداشت بالقوه يك كشاورز در سراسر سلسله چوسون كره ارسال شده است. در سال 1450 ، لئونه باتيستا آلبرتي يك دماسنج صفحه اي با چرخش ايجاد كرد و به عنوان اولين باد سنج شناخته شد. [18] در سال 1607 ، گاليله گاليله يك ترموسكوپ ساخت. در سال 1611 ، يوهانس كپلر اولين رساله علمي درباره بلورهاي برف نوشت: "Strena Seu de Nive ***angula (هديه اي براي سال نو از برف شش ضلعي)." [19] در سال 1643 ، Evangelista Torricelli فشارسنج جيوه را اختراع كرد. [18] در سال 1662 ، سر كريستوفر رن سنج باران سطل مكانيكي ، خود تخليه و نوك را ابداع كرد. در سال 1714 ، گابريل فارنهايت مقياس قابل اعتمادي را براي اندازه گيري دما با دماسنج از نوع جيوه ايجاد كرد. [20] در سال 1742 ، اندرس سلسيوس ، ستاره شناس سوئدي ، مقياس دماي "سانتيگراد" ، سلف مقياس فعلي سانتيگراد را پيشنهاد داد. [21] در سال 1783 ، اولين رطوبت سنج مو توسط Horace-Bénédict de Saussure نشان داده شد. در سال 1802–1803 ، لوك هاوارد درباره اصلاح ابرها نوشت ، كه در آن انواع ابرها را به نام هاي لاتين اختصاص داده است. [22] در سال 1806 ، فرانسيس بوفورت سيستم خود را براي طبقه بندي سرعت باد معرفي كرد. [23] در اواخر قرن نوزدهم اولين اطلس ابر منتشر شد ، از جمله اطلس ابر ابر ، كه از آن زمان تاكنون در چاپ باقي مانده است. پرتاب اولين ماهواره موفق هواشناسي ، TIROS-1 ، در آوريل 1960 ، آغاز سني است كه اطلاعات آب و هوا در سطح جهاني در دسترس قرار مي گيرد.
تحقيقات تركيب جو

در سال 1648 ، بليز پاسكال كشف كرد كه فشار جو با افزايش ارتفاع كاهش مي يابد و نتيجه گرفت كه در بالاي جو خلا وجود دارد. [24] در سال 1738 ، دانيل برنولي ، هيدروديناميك را منتشر كرد و تئوري جنبشي گازها را آغاز كرد و قوانين اساسي را براي نظريه گازها وضع كرد. [25] در سال 1761 ، جوزف بلك كشف كرد كه يخ بدون تغيير دماي آن هنگام ذوب ، گرما را جذب مي كند. در سال 1772 ، دانش آموز بلك ، دانيل رادرفورد ، نيتروژن را كشف كرد كه آن را هواي فلوگستيك ناميد و با هم تئوري فلوگيستون را توسعه دادند. [26] در سال 1777 ، آنتوان لاووازير اكسيژن را كشف كرد و توضيحي در مورد احتراق ارائه داد. [27] در سال 1783 ، در مقاله لاووازير "Reflexions sur le phlogistique" [28] ، وي نظريه فلوگستون را مستهلك كرده و يك نظريه كالري را پيشنهاد مي كند. در سال 1804 ، سر جان لزلي مشاهده كرد كه يك سطح مات سياه و سفيد م effectivelyثرتر از يك سطح صيقلي باعث تابش گرما مي شود و اين نشان دهنده اهميت تابش بدن سياه است. در سال 1808 ، جان دالتون از تئوري كالري در يك سيستم جديد شيمي دفاع كرد و نحوه تركيب آن با ماده ، به ويژه گازها را توصيف كرد. وي پيشنهاد كرد كه ظرفيت گرمايي گازها به طور معكوس با وزن اتمي متفاوت است. در سال 1824 ، سادي كارنو با استفاده از تئوري كالري ، كارايي موتورهاي بخار را تجزيه و تحليل كرد. او مفهوم فرايند برگشت پذير را توسعه داد و با فرض اينكه چنين چيزي در طبيعت وجود ندارد ، قانون دوم ترموديناميك را پايه ريزي كرد.
تحقيق در مورد سيكلون ها و جريان هوا
گردش عمومي جو زمين: غرب غربي و بادهاي تجاري بخشي از گردش جو زمين هستند.
مقالات اصلي: اثر كوريوليس و بادهاي غالب

در سال 1494 ، كريستف كلمب يك طوفان استوايي را تجربه كرد ، كه منجر به اولين گزارش مكتوب در مورد طوفان در اروپا شد. [31] در سال 1686 ، ادموند هالي مطالعه اي منظم از بادهاي تجاري و موسمي ارائه داد و گرمايش خورشيدي را دليل حركات جوي دانست. [32] در سال 1735 ، يك توضيح ايده آل از گردش جهاني از طريق مطالعه باد تجارت توسط جورج هادلي نوشته شد. [33] در سال 1743 ، هنگامي كه بنجامين فرانكلين در اثر طوفان از ديدن ماه گرفتگي جلوگيري كرد ، او تصميم گرفت كه سيكلون ها بر خلاف بادهاي موجود در مناطق پيراموني خود حركت كنند. [34] درك سينماتيك چگونگي دقيق چرخش زمين بر جريان هوا در ابتدا جزئي بود. گاسپارد-گوستاو كوريوليس مقاله اي در مورد عملكرد انرژي ماشين آلات داراي قطعات چرخان مانند چرخ هاي آب در سال 1835 منتشر كرد. [35]

در سال 1856 ، ويليام فرل وجود يك سلول گردش خون در عرض هاي مياني را پيشنهاد داد و هواي موجود در اثر انحراف نيروي كوريوليس منجر به بادهاي غربي غالب شد. [36] در اواخر قرن نوزدهم ، حركت توده هاي هوا در امتداد ايزوبارها نتيجه تعامل در مقياس بزرگ نيروي شيب فشار و نيروي انحرافي تلقي مي شد. تا سال 1912 ، اين نيروي منحرف اثر كوريوليس نامگذاري شد. [37] درست پس از جنگ جهاني اول ، گروهي از هواشناسان در نروژ به رهبري ويلهلم بجركنس مدل طوفان نروژي را تهيه كردند كه توليد ، تشديد و فروپاشي نهايي (چرخه زندگي) طوفانهاي عرض جغرافيايي مياني را توضيح مي دهد و ايده جبهه ها را معرفي مي كند ، يعني ، مرزهاي تندي بين هوا مشخص شده است. [38] اين گروه شامل كارل-گوستاف راسبي (كه اولين كسي بود كه جريان جوي را از نظر پويايي سيال در مقياس بزرگ توضيح داد) ، تور برگون (كه اولين بار نحوه شكل گيري باران را تعيين كرد) و يعقوب بجركنز بود.
شبكه هاي مشاهده و پيش بيني هوا
طبقه بندي ابرها بر اساس ارتفاع وقوع
اين "نقشه هيتوگرافي يا باران جهان" اولين بار توسط الكساندر كيت جانستون در سال 1848 منتشر شد.
اين "نقشه هيتوگرافيك يا باران اروپا" نيز در سال 1848 به عنوان بخشي از "اطلس فيزيكي" منتشر شد.
همچنين نگاه كنيد به: تاريخچه تجزيه و تحليل سطح آب و هوا

در اواخر قرن شانزدهم و نيمه اول قرن 17 ميلادي طيف وسيعي از ابزارهاي هواشناسي اختراع شد - دماسنج ، فشار سنج ، هيدومتر ، و همچنين باد و باران سنج. در دهه 1650 فيلسوفان طبيعي از اين ابزارها براي ثبت منظم مشاهدات هوا استفاده مي كنند. آكادمي هاي علمي دفتر خاطرات آب و هوا را تاسيس كردند و شبكه هاي مشاهده اي را سازماندهي كردند. [39] در سال 1654 ، فرديناندو دوم دو مديچي اولين شبكه مشاهده هوا را ايجاد كرد كه متشكل از ايستگاه هاي هواشناسي در فلورانس ، كوتيگليانو ، والومبروزا ، بولونيا ، پارما ، ميلان ، اينسبروك ، اوسنابروك ، پاريس و ورشو بود. داده هاي جمع آوري شده در فواصل زماني منظم به فلورانس ارسال مي شد. [40] در دهه 1660 رابرت هوك از انجمن سلطنتي لندن از شبكه هاي ناظر آب و هوا حمايت مالي مي كرد. رساله بقراط Airs، Waters، and Places آب و هوا را با بيماري ارتباط داده بود. بنابراين هواشناسان اوليه تلاش كردند تا الگوهاي آب و هوايي را با شيوع اپيدمي و آب و هوا با بهداشت عمومي مرتبط سازند.

در عصر عصر روشنگري ، هواشناسي سعي در منطق معاشرت در آب و هواي سنتي ، از جمله هواشناسي نجومي داشت. اما تلاش هايي نيز براي ايجاد درك نظري از پديده هاي آب و هوايي صورت گرفت. ادموند هالي و جورج هادلي سعي كردند بادهاي تجاري را توضيح دهند. آنها استدلال كردند كه جرم در حال افزايش هواي گرم استوا با ورود هواي خنك تر از عرض هاي جغرافيايي بالا جايگزين مي شود. جريان هواي گرم در ارتفاع زياد از استوا به قطب ها به نوبه خود تصوير اوليه گردش خون را ايجاد مي كند. سرخوردگي از عدم نظم و انضباط در بين ناظران هواشناسي و كيفيت پايين ابزارها ، دولت هاي نخستين كشور مدرن را وادار به سازماندهي شبكه هاي بزرگ مشاهده كرد. بنابراين در پايان قرن هجدهم ، هواشناسان به مقادير زيادي از داده هاي قابل اعتماد آب و هوا دسترسي داشتند. [39] در سال 1832 ، تلگراف الكترومغناطيسي توسط بارون شيلينگ ايجاد شد. [41] ورود تلگراف برقي در سال 1837 ، براي اولين بار ، روشي عملي براي جمع آوري سريع مشاهدات آب و هواي سطحي از يك منطقه وسيع فراهم كرد. [42]

از اين داده ها مي توان براي تهيه نقشه هاي وضعيت جو براي منطقه اي نزديك به سطح زمين و بررسي چگونگي تكامل اين حالت ها در طول زمان استفاده كرد. براي پيش بيني هاي مكرر هواشناسي بر اساس اين داده ها ، به يك شبكه قابل مشاهده از مشاهدات احتياج داشت ، اما تنها در سال 1849 بود كه موسسه اسميتسونيان شروع به ايجاد يك شبكه مشاهده در سراسر ايالات متحده تحت رهبري جوزف هنري كرد. [43] در اين زمان شبكه هاي مشاهده مشابهي در اروپا ايجاد شده است. كشيش ويليام كلمنت لي در درك ابرهاي سيروس و درك اوليه جريانهاي جت نقش اساسي داشت. [44] چارلز كنت مكينون داگلاس ، معروف به 'CKM' داگلاس مقالات لي را پس از مرگش خواند و مطالعات اوليه سيستم هاي آب و هوايي را ادامه داد. [45]

محققان قرن نوزدهم در هواشناسي به جاي اينكه به عنوان دانشمندان فداكار آموزش ببينند ، از زمينه هاي نظامي يا پزشكي گرفته شده اند. [46] در سال 1854 ، دولت انگلستان رابرت فيتزرواي را به دفتر جديد آماري هواشناسي در هيئت تجارت منصوب كرد تا وظيفه جمع آوري مشاهدات هوا را در دريا انجام دهد. دفتر FitzRoy در سال 1854 به اداره هواشناسي انگلستان تبديل شد ، دومين سرويس قديمي هواشناسي ملي در جهان (موسسه مركزي هواشناسي و ژئوديناميك (ZAMG) در اتريش در سال 1851 تاسيس شد و قديمي ترين سرويس هواشناسي در جهان است). اولين پيش بيني هاي هواشناسي روزانه توسط دفتر فيتزرواي در روزنامه تايمز در سال 1860 منتشر شد. سال بعد سيستم مورد استفاده براي بالا بردن مخروط هاي هشدار دهنده طوفان در بنادر اصلي هنگامي كه انتظار مي رفت تورم باشد ، معرفي شد.

طي 50 سال آينده ، بسياري از كشورها خدمات ملي هواشناسي را ايجاد كردند. اداره هواشناسي هند (1875) براي پيروي از طوفان گرمسيري و موسمي تأسيس شد. [47] اداره مركزي هواشناسي فنلاند (1881) از بخشي از رصدخانه مغناطيسي دانشگاه هلسينكي تشكيل شد. [48] رصدخانه هواشناسي توكيو ژاپن ، پيشگام آژانس هواشناسي ژاپن ، ساخت نقشه هاي آب و هواي سطحي را در سال 1883 آغاز كرد. [49] اداره هواشناسي ايالات متحده (1890) زير نظر وزارت كشاورزي ايالات متحده تأسيس شد. اداره هواشناسي استراليا (1906) با يك قانون هواشناسي ايجاد شد تا خدمات هواشناسي ايالتي موجود را متحد كند. [50] [51]
پيش بيني عددي آب و هوا

در سال 1904 ، ويلهلم بجركنز دانشمند نروژي براي اولين بار در مقاله خود پيش بيني آب و هوا به عنوان مسئله اي در مكانيك و فيزيك استدلال كرد كه پيش بيني هوا از محاسبات براساس قوانين طبيعي امكان پذير است. [52] [53]

تنها در اواخر قرن 20 بود كه پيشرفت در درك فيزيك جوي منجر به پايه ريزي پيش بيني عددي عددي مدرن شد. در سال 1922 ، لوئيس فراي ريچاردسون "پيش بيني آب و هوا با فرايند عددي" [54] را پس از يافتن يادداشت ها و مشتقاتي كه در جنگ جهاني اول به عنوان راننده آمبولانس روي آنها كار مي كرد ، منتشر كرد. مي تواند ناديده گرفته شود ، و يك طرح محاسبه عددي كه مي تواند براي اجازه دادن به پيش بيني ها ابداع شود. ريچاردسون سالن اجتماعات بزرگي از هزاران نفر را در نظر داشت كه محاسبات را انجام مي دهند. با اين وجود ، تعداد زياد محاسبات مورد نياز براي انجام بدون رايانه هاي الكترونيكي خيلي زياد بود و اندازه شبكه و مراحل زماني استفاده شده در محاسبات منجر به نتايج غيرواقعي شد. اگرچه بعداً تحليل عددي دريافت كه اين به دليل بي ثباتي عددي بوده است.

از دهه 1950 پيش بيني هاي عددي با رايانه عملي شد. [55] اولين پيش بيني هاي هواشناسي از اين طريق با استفاده از مدل هاي باروتروپيك (در سطح يك سطح عمودي) انجام مي شود و مي تواند با موفقيت حركت گسترده اي از امواج راسبي در عرض جغرافيايي ، يعني الگوي پستي و بلندي هاي جوي را پيش بيني كند. [56] در سال 1959 ، اداره هواشناسي انگليس اولين رايانه خود را با نام Ferranti Mercury دريافت كرد. [57]

در دهه 1960 ، طبيعت آشفته جو براي اولين بار توسط ادوارد لورنز مشاهده و رياضيات توصيف شد و زمينه تئوري هرج و مرج را بنيان نهاد. [58] اين پيشرفت ها منجر به استفاده فعلي از پيش بيني گروه در بيشتر مراكز مهم پيش بيني شده است تا عدم اطمينان ناشي از طبيعت آشفته جو را در نظر بگيرد. [59] مدل هاي رياضي مورد استفاده براي پيش بيني آب و هواي بلند مدت زمين (مدل هاي آب و هوايي) ، امروزه داراي وضوح هستند كه مانند مدل هاي قديمي پيش بيني آب و هوا داراي وضوح هستند. اين مدل هاي آب و هوايي براي بررسي تغييرات طولاني مدت آب و هوا ، مانند اينكه چه عواملي ممكن است در اثر انتشار گازهاي گلخانه اي توسط انسان ايجاد شود ، استفاده مي شود.