Метеороло́гия (от греч. μετέωρος – небесный и ...логия), наука об атмосфере и происходящих в ней процессах и явлениях. Основной раздел метеорологии – физика атмосферы, которая, в свою очередь, подразделяется по изучаемым объектам и процессам. Исследованием атмосферных процессов занимается динамическая метеорология, её важнейшей проблемой является разработка численных методов прогнозов погоды; солнечную и земную радиацию изучает актинометрия, оптические явления в атмосфере – атмосферная оптика; выделены также такие сферы исследования, как атмосферное электричество и акустика. Большое внимание в метеорологии уделяется вертикальному строению атмосферы, обособлена физика приземного слоя атмосферы, поскольку область соприкосновения земной поверхности и атмосферы определяет в основном формирование тепло- и влагообмена между ними. В приземном слое (слое дыхания) важнейшую роль играет содержание химических, физических и биологических загрязнений, поскольку в этом слое протекает жизнь и деятельность человека, формируется экологическое состояние воздушного бассейна и природной среды. Аэрология рассматривает процессы в свободной атмосфере, где влияние земной поверхности менее существенно. Аэрономия изучает самые верхние слои атмосферы. Одной из основных целей исследований атмосферы является анализ и прогноз погоды, этим вопросом занимается синоптическая метеорология – наука о погоде и методах её предсказания. Близка к метеорологии климатология – наука о климатах Земли и их изменениях в прошлом и настоящем. Существенных успехов достиг ряд прикладных метеорологических дисциплин, таких как авиационная, сельскохозяйственная и морская метеорология.

Очерк развития науки

Метеорология – древняя наука. Сведения о погоде требовались человечеству по мере развития земледелия, скотоводства, мореплавания и иных видов деятельности, например строительства жилья и т. д. Информация о различных метеорологических явлениях, погоде и способах её предсказания содержится в древних легендах и летописях, особенно богаты ею древние китайские хроники. Первым дошедшим до нас систематическим описанием атмосферных явлений с попытками их объяснения является труд «Метеорологика» Аристотеля; Плиний Старший в «Естественной истории» для целей мореплавания описывал ветры, преобладающие в тех или иных районах античного мира. Римский поэт Вергилий в поэме «Георгики» приводил некоторые приметы плохой погоды, пытаясь дать её прогноз. В древности получили распространение предсказания погоды по движениям планет и фазам Луны. В Средневековье использовались также приметы погоды, связанные с церковным календарём. Например, погода каждого месяца наступающего года определялась по погоде на Рождество и в последующие 11 дней. Первый прогноз погоды на каждый день, по-видимому, составил немецкий астролог Г. Энгель в своей книге «Практика» (1488). Помимо астрологических и календарных прогнозов, для предсказаний погоды довольно широко использовались народные приметы, в том числе связанные с атмосферными явлениями. Подобные приметы, возникавшие в результате внимательного наблюдения за окружающей средой, имели значение для последующего развития метеорологии как науки. Первый систематический дневник погоды принадлежит английскому метеорологу У. Мерлу и относится к 1337–1344 гг. Упоминания об измерениях количества выпадавших осадков имеются в хрониках стран Древнего мира: Древнего Египта, Ассирии, Вавилонии, Индии, Китая и Кореи; тогда же были известны приборы для измерения направления и скорости ветра. Приборы для измерения влажности воздуха упоминаются впервые в 15 в. в трудах кардинала Николая Кузанского, а затем в дневниках Леонардо да Винчи. Это были весовые гигрометры, принцип действия которых основан на измерении увеличения веса сухого гигроскопичного материала при росте влажности воздуха. Более ценным для науки явился изобретённый Фердинандом II Тосканским конденсационный гигрометр. Однако становление метеорологии как науки в современном её понимании началось в 17 в. с изобретения основных приборов для осуществления метеорологических наблюдений. Наибольший вклад в налаживание инструментальных метеорологических наблюдений принадлежит итальянским учёным, и прежде всего Г. Галилею с учениками, которыми были высказаны идеи создания термометра, барометра и дождемера. К середине 17 в. в Италии в немалом количестве изготавливались спиртовые термометры и ртутные барометры. Новую эпоху в гигрометрии составили труды швейцарского естествоиспытателя О. Б. де Соссюра, применившего для измерения влажности воздуха обезжиренные волосы и определившего их «точку крайней влажности» (насыщения) под колоколом. На основании исследований Соссюра П. Л. Дюлонгом, Ж. Л. Гей-Люссаком был разработан новый психрометрический метод измерения влажности, широко практикуемый и в наше время. Постоянные инструментальные наблюдения приземного атмосферного давления начались во Франции (Париж, Клермон) и в Швеции (Стокгольм) в 1640-х гг., температуры воздуха – в 1654 г. в Италии (Флоренция). Измерения характеристик состояния атмосферы вдали от земной поверхности стали возможны намного позднее.

Первая международная метеорологическая сеть была организована в 1654 г. Фердинандом II Тосканским. Семь из его станций располагались в Северной Италии и четыре – в Варшаве, Париже, Инсбруке и Оснабрюке. Во Флоренции ежедневно осуществлялось 15 наблюдений. Следующей важной вехой в развитии метеорологических наблюдений явилось создание в 1780 г. сети из 37 станций, две из которых находились в Северной Америке. В России первый ряд метеорологических наблюдений произведён в 1724–1725 гг. в Санкт-Петербурге. Лондонское королевское общество, разработавшее в эти же годы первую инструкцию по проведению метеорологических наблюдений, стало собирать и регулярно публиковать результаты наблюдений, осуществлявшихся в различных европейских странах. В 1730-х гг. участниками Великой Северной экспедиции под руководством В. Беринга в Сибири была организована сеть из 12 метеорологических станций. Метеорологическая сеть станций в современном понимании этого слова впервые создана Мангеймским метеорологическим обществом (Германия) в конце 18 в.

В середине 19 в. во многих странах стали возникать специальные метеорологические учреждения, одно из первых организовала в 1855 г. Великобритания. Затем метеорологические службы появились в других европейских странах и в США. В 1849 г. в Санкт-Петербурге открылась Главная физическая обсерватория, среди задач которой были организация и повседневное руководство метеорологическими наблюдениями на всей территории России. В 1872 г. при Главной физической обсерватории создана служба погоды, на базе которой возникла современная Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Главная же физическая обсерватория, будучи переименована в Главную геофизическую обсерваторию (с 1924), продолжает работать как один из ведущих научных центров России по физике и химии атмосферы.

В 1873 г. в Вене состоялся первый Международный метеорологический конгресс, который рекомендовал, какие именно конструкции метеорологических приборов надо использовать, по каким правилам и в какие сроки производить наблюдения, как обмениваться данными наблюдений между странами. Конгресс создал Постоянный комитет директоров национальных метеорологических служб, на основе которого действует современная Всемирная метеорологическая организация (ВМО).

Одной из проблем в физике и метеорологии в 18 в. и отчасти в 19 в. было применение в разных странах различных температурных шкал. Например, немецкий физик И. Г. Ламберт описал 19 шкал. Общее же их число доходило до 60, и некоторые, например шкала Делиля, использовались в России ещё в 1-й половине 19 в. Значительно дольше удержалась шкала Реомюра, а шкала Фаренгейта до сих пор используется метеорологической службой США, Великобритании и других англоязычных стран.

Большая практическая польза службы погоды, основанной на данных инструментальных метеорологических наблюдений, была осознана выдающимися учёными (А. Л. де Лавуазье во Франции и М. В. Ломоносовым в России) ещё в 18 в. Встал вопрос о составлении специальных карт, позднее названных синоптическими (от греч. σύνοψις – обозрение). С помощью таких карт было легче сопоставлять данные наблюдений разных метеорологических станций. Такие карты, применявшиеся в исследовательских целях, появились в 1-й половине 19 в. После изобретения телеграфа возникла возможность оперативного составления карт прогнозов погоды и использования их для оповещений о штормах и других опасных явлениях природы. Одним из стимулов для организации такой оперативной работы стала буря 2(14).11.1854 у берегов Крыма, имевшая катастрофические последствия для англо-французского флота, осаждавшего Севастополь. Составив задним числом карты погоды, директор Парижской обсерватории У. Леверье смог проследить путь этой бури к берегам Крыма из Средиземноморья и тем самым доказал принципиальную возможность её предсказания с некоторой заблаговременностью. Практически служба прогнозов погоды с самого начала имела международный характер, ибо погода не знает границ. Сначала в её функции входила только информация о текущей погоде, но вскоре её стали дополнять штормовыми оповещениями и даже краткосрочными прогнозами погоды. Такие прогнозы не всегда встречали повсеместное одобрение. Так, с 1861 г. организатор английской службы погоды Р. Фицрой начал печатать метеорологические прогнозы в газете «Таймс», но серьёзные ошибки в его прогнозах привели специальную комиссию, созданную для рассмотрения их качества, к выводу, что для ежедневных предсказаний погоды не имеется научных оснований, и публикация прогнозов прекратилась. Однако штормовые предупреждения Фицроя были популярны у английских моряков. Сходным образом обстояло дело с налаживанием службы прогнозов погоды и в других странах. В России служба штормовых предупреждений организована в 1874 г. и сначала ограничивалась публикациями информации о текущей погоде и штормовыми оповещениями моряков. С конца 19 в. началось составление предсказаний подъёма уровня воды в реке Нева. Нужды сельского хозяйства и быстро развивавшейся тогда в России железнодорожной сети потребовали составления долгосрочных прогнозов погоды.

Идея гидродинамического прогноза погоды принадлежит норвежскому учёному В. Бьеркнесу. Первая попытка рассчитать атмосферные движения на сутки вперёд по уравнениям гидродинамики с учётом силы Кориолиса предпринята в 1922 г. английским исследователем Л. Ф. Ричардсоном. Успехи динамической метеорологии этого периода также связаны с именами австрийского учёного М. Маргулеса, английского учёного У. Н. Шоу, шведского учёного К.-Г. Росби, советских учёных А. А. Фридмана, Н. Е. Кочина, И. А. Кибеля, Л. В. Келлера, А. А. Дородницына. Кибелю принадлежит первое решение задачи отделения в прогностических решениях уравнений динамики атмосферы погодообразующих волн от звуковых и гравитационных. Ричардсон не внёс соответствующих поправок, что и обусловило неудачу его вычислений. Десятилетием позднее Кибеля прогностическую задачу с разделением атмосферных движений решил американский метеоролог Дж. Чарни. Большой вклад в развитие гидродинамического метода описания общей циркуляции атмосферы внесли американские учёные во главе с Росби и Б. Гаурвицем. Дальнейшее развитие этого направления в СССР связано с исследованиями Г. И. Марчука, А. С. Монина, А. М. Обухова, Е. Н. Блиновой, Н. И. Булеева, М. И. Юдина, А. Ф. Дюбюка и др.

С 1950-х гг. началось интегрирование уравнений гидро- и термодинамики атмосферы на электронных вычислительных машинах для целей краткосрочного (на 1–3 дня) прогноза погоды. Несколько позднее на более мощных машинах начались также численные эксперименты по расчёту характеристик общей циркуляции атмосферы. Синоптическая метеорология стала быстро развиваться благодаря трудам учёных Норвегии (В. Бьеркнес, Я. Бьеркнес, Х. Сольберг, Т. Бержерон) и СССР (С. П. Хромов, Х. П. Погосян, В. А. Бугаев, В. А. Джорджио, Н. Л. Таборовский, Б. Д. Успенский). Гидродинамические модели атмосферы, которые вначале относились к ограниченным территориям (например, охватывая только Северную Атлантику, Европу и территорию СССР), начали строиться сначала для полушарий, а затем стали глобальными. Вместе с тем появились детализованные численные прогностические гидродинамические модели локальной погоды, которые используют полушарные или глобальные прогнозы будущих состояний атмосферы на границах рассматриваемой области для прогноза на текущие сутки. Для предсказаний погоды на средние сроки (до 1–2 недель вперёд) в глобальных моделях вычисляется будущее состояние не только атмосферы, но и поверхностного слоя океана и учитывается взаимодействие между обеими средами. В результате современные прогнозы на 5 дней не уступают по качеству прогнозам на завтра, составлявшимся 50 лет назад. Разработка долгосрочных прогнозов погоды связана в СССР с именами метеорологов Б. П. Мультановского, Е. Н. Блиновой, С. Т. Пагавы, А. А. Гире, А. Л. Каца, Н. А. Багрова и др. Дальнейшее развитие этого направления существенно осложняется т. н. проблемой предсказуемости, суть которой в том, что малые неточности в задании начального состояния атмосферы (а они неизбежны из-за неполноты и ошибок метеорологических наблюдений) в силу нелинейности атмосферной динамики (воздушный поток переносит свои свойства, трансформируясь сам) растут во времени со всё возрастающей скоростью и через некоторое время (определяемое как предел предсказуемости) качество прогноза оказывается не лучше, чем при случайном угадывании. Заслуга в формулировке проблемы предсказуемости принадлежит американскому метеорологу Э. Лоренцу. Он оценил, что предел предсказуемости крупномасштабных метеорологических полей в одну неделю в принципе можно продлить до месяца. Выполняемые под эгидой ВМО исследования наблюдательных систем и экспериментов по предсказуемости (ТОРПЕКС) имеют целью через десятилетие отодвинуть предел предсказуемости до 2 недель. Основная надежда на достижение этого связана с эффективным использованием современных суперкомпьютеров. Это позволит сделать глобальные прогностические модели атмосферы и океана столь же детальными, как современные модели для целей локального прогноза. Но даже если эта цель будет достигнута, в чём сомневаются некоторые метеорологи, долгосрочный прогноз погоды (на месяц и сезон) всё ещё недостижим.

Актинометрия наиболее активно стала развиваться в 20 в. Большой вклад в разработку методов и приборов для измерения лучистой энергии и создание сети актинометрических станций в СССР внесли О. Д. Хвольсон, В. А. Михельсон, С. И. Савинов, Н. Н. Калитин, Ю. Д. Янишевский; в США – С. Ленгли, Ч. Г. Аббот; в Германии – Ф. Линке; в Швеции – А. Онгстрем. Важнейшие труды по теории переноса лучистой энергии в атмосфере принадлежат советским учёным Е. С. Кузнецову, В. В. Шулейкину, В. Е. Зуеву, К. С. Шифрину, а по измерениям радиации с искусственных спутников Земли – К. Я. Кондратьеву. Крупных результатов в изучении физики облаков и осадков добились в СССР Н. С. Шишкин, А. Х. Хргиан, А. М. Боровиков, И. П. Мазин. Задачу искусственного воздействия на облака, сформулированную В. Н. Оболенским в 1930-х гг., решили на практике Е. К. Фёдоров, Г. К. Сулаквелидзе, И. И. Гайворонский и другие учёные, удостоенные государственной премии. Большое достижение в метеорологии – создание службы по исследованию атмосферных загрязнений под руководством Е. К. Фёдорова и Ю. А. Израэля.

Методы исследований

Метеорология как наука опирается на фактические сведения об атмосфере, погоде и климате, многолетние непрерывные ряды наблюдений, которые поставляет в первую очередь сеть метеорологических станций всего земного шара. Наблюдения проводятся синхронно по единому гринвичскому времени в 00, 03, 06, 09, 12, 15, 18 и 21 час стандартным набором метеорологических приборов. В метеорологических исследованиях пользуются как физическими, так и географическими методами. Анализ результатов наблюдений используется в метеорологии как средство для выяснения причинных связей изучаемых атмосферных явлений. Огромные массивы метеорологических наблюдений обрабатываются с помощью современных статистических методов, которые выявляют факты и связи между ними, а объясняют их законы физики, в частности законы движения сплошной среды, и географической закономерности; при этом используется физико-математический анализ. Измерения характеристик состояния атмосферы вдали от земной поверхности стали возможны при использовании воздушных змеев и аэростатов, а также путём измерений давления, температуры воздуха и других характеристик на горных склонах. Революционным для аэрологии стало оснащение воздушных шаров специально разработанной измерительной аппаратурой, с которой температура воздуха и другие показатели автоматически считывались и передавались по радио на Землю. Такие шары были названы радиозондами. Заслуга создания первого радиозонда в 1930 г. принадлежит советскому учёному П. А. Молчанову. Во 2-й половине 20 в. для метеорологических исследований стратосферы и более высоких слоёв атмосферы начали применять метеорологические ракеты, а в 1960 г. был запущен первый метеорологический спутник. В современной метеорологии используются новейшие методы дистанционных исследований атмосферы с орбитальных и стационарных искусственных спутников Земли, оборудованных телевизионными камерами для прослеживания облачного и ледового покровов Земли в видимых и инфракрасных лучах, радиолокационной радиометрической аппаратуры и лазеров. Спутниковые радиометры и спектрометры измеряют интенсивность солнечной радиации, отражённой от Земли, а также инфракрасной и микроволновой радиации, излучаемой земной поверхностью, облаками и самой атмосферой. Однако спутниковые радиационные данные содержат информацию только о довольно сильно сглаженных по вертикали метеорологических характеристиках состояния атмосферы, поэтому сохраняется необходимость в достаточно густой сети радиозондовых наблюдений, использовании кораблей погоды – специально оборудованных судов, постоянно работающих в тех районах Мирового океана, которые являются ключевыми для развития атмосферных процессов или очень удалёнными от суши. Продолжают наблюдения метеорологические ракеты и самолёты-лаборатории, сеть буйковых метеорологических станций.

Научные организации и периодические издания

Проблемы метеорологии в России изучают в организациях Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Гидрометеорологический центр Российской Федерации, Всероссийский научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации – Мировой центр данных в г. Обнинск, Главная геофизическая обсерватория имени А. И. Воейкова в Санкт-Петербурге, Центральная аэрологическая обсерватория в г. Долгопрудный, Институт глобального климата и экологии имени академика Ю. А. Израэля, Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт, Государственный гидрологический институт) и РАН (Институт вычислительной математики имени Г. И. Марчука, Институт физики атмосферы имени А. М. Обухова, Институт географии, Институт океанологии имени П. П. Ширшова и др.), в университетах на кафедрах метеорологии, в некоторых ведомственных институтах в соответствии с их профилем. Большое значение для метеорологии имеет международная кооперация, которая (в отношении научных и организационных мероприятий) координируется через ВМО, Международный союз геофизики и геодезии, Международное биоклиматическое общество и др.

Российские журналы и продолжающиеся издания, публикующие материалы в области метеорологии: «Метеорологический вестник» (1891–1935; после – «Метеорология и гидрология»), «Труды Государственного гидрологического института», «Гидрометеорологические исследования и прогнозы» (ранее Труды Гидрометеорологического научно-исследовательского центра Российской Федерации»), «Вестник Московского университета. Серия 5. География», «Известия РАН. Физика атмосферы и океана», «Известия Академии наук СССР. Серия географическая», «Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана», «Фундаментальная и прикладная климатология», «Вычислительные технологии», «Труды Главной геофизической обсерватории имени А. И. Воейкова», «Доклады Российской академии наук. Науки о Земле».