Основы физической метеорологии

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
Ж.В. Рыбакова 
 
ОСНОВЫ  
ФИЗИЧЕСКОЙ МЕТЕОРОЛОГИИ 
 
Учебное пособие 
 
Научный редактор 
канд. физ.-мат. наук В.Г. Блинкова 
 
 
 
 
 
Томск 
Издательство Томского государственного университета 
2022 

Рыбакова Ж.В. Основы физической метеорологии 

2 

УДК 551.51 (075.8) 
ББК 26.23я73 
        Р93 
 
 
Рыбакова Ж.В. 
Р93 
Основы физической метеорологии : учеб. пособие /  
 
науч. ред. В.Г. Блинкова. – Томск : Издательство Томского 
 
государственного университета, 2022. – 202 с. 

 
ISBN 978-5-907572-01-0 

 
Настоящее учебное пособие состоит из основных разделов физической 
метеорологии, которая является базовым предметом в системе подготовки 
специалистов в области метеорологии. Указанные разделы в пособии из-
ложены в компактном виде, не включают в себя больших математических 
выводов и не содержат значительного количества формул. Акцент делает-
ся на понимание физической сущности метеорологических величин, при-
ведённых формул и уравнений, а также процессов, протекающих в атмо-
сфере. Таким образом, пособие даёт возможность студентам изучить ос-
новное содержание физической метеорологии.  
Для студентов-метеорологов и студентов смежных специальностей, для 
лиц, не изучавших метеорологию, но собирающихся поступать в магистра-
туру или аспирантуру для продолжения образования в области, требующей 
знания данной дисциплины, а также для лиц, изучавших данный базовый 
предмет в период, достаточно далёкий от момента поступления в магистра-
туру или в аспирантуру. 
 
УДК 551.51 (075.8) 
ББК 26.23я73 
 
Рецензент 
канд. физ.-мат. наук Е.В. Харюткина 
 
 
 
ISBN 978-5-907572-01-0  
 
 
© Рыбакова Ж.В., 2022

1. Начальная метеорология 

3 

 
 
1. НАЧАЛЬНАЯ МЕТЕОРОЛОГИЯ 
 
1.1. Метеорологические величины и атмосферные  
явления. Градиенты метеорологических величин 
 
Метеорология – это наука об атмосфере, внешней оболочке 
нашей планеты, о её составе и строении. Физическая метеороло-
гия – это физика атмосферы, т.е. наука о физическом состоянии 
атмосферы, о процессах, в ней протекающих. Задача физической 
метеорологии – по имеющимся данным установить диагноз атмо-
сферы, следовательно, определить её состояние. Не имея такого 
диагноза, невозможно выстроить прогноз состояния атмосферы, 
т.е. определить её состояние в будущем. 
В основе определения физического состояния атмосферы содержатся 
два важных понятия – метеорологические величины и 
атмосферные явления. Сущность этих понятий – количественные и 
качественные характеристики атмосферы. Атмосферное давление, 
температура воздуха и подстилающей поверхности, влажность 
воздуха, скорость и направление ветра, количество облаков, суммы 
осадков и другие количественные характеристики состояния 
атмосферы – это метеорологические величины.  
Облака, туманы, атмосферные осадки, шквал, метель, гроза, 
зарница, радуга, гало, венец, мираж и другие качественные характеристики 
состояния атмосферы – это атмосферные явления.  
Атмосферные явления являются результатом резкого изменения 
хотя бы одной метеорологической величины в ходе определённого 
процесса. Атмосферные явления связаны с рядом метеорологических 
величин, характеризующих эти явления. Например, 
у облаков, являющихся атмосферными явлениями, – это высота 

Рыбакова Ж.В. Основы физической метеорологии 

4 

нижней границы, водность, мощность. Другой пример. Когда мы 
говорим «град», мы имеем в виду атмосферное явление. Если же 
мы говорим об измеренном количестве выпавшего града, то имеем 
в виду метеорологическую величину. Таким образом, существуют 
метеорологические величины, «обслуживающие» атмосферные 
явления.  
Конечно же, и метеорологические величины, и атмосферные 
явления определяются характером атмосферных процессов.  
Совокупность метеорологических величин и атмосферных явлений 
в определённый момент времени или за небольшой промежуток 
времени называется погодой. Характерный режим погоды в 
определённой местности называется климатом. 
Метеорологические величины и атмосферные явления изменяются 
во времени и пространстве. 
Определение изменений метеорологических величин во времени 
служит установлению прогностических характеристик данных 
величин, т.е. их значений на определённое время вперёд. 
Изменения метеорологических величин в пространстве создают 
поля этих величин. Понятно, что поля метеорологических величин 
непрерывно изменяются во времени. Подробное изложение по 
этому поводу приводится в [2]. В данном пособии рассмотрим 
лишь понятие градиента метеорологических величин, определяющего 
их поле. 
Градиенты метеорологических величин представляют собой 
меру изменчивости этих величин в пространстве. Градиент метеорологических 
величин можно разложить на изменения в различных 
направлениях. Изменение метеорологических величин во всех 
направлениях определяется полным градиентом. Полный градиент 
метеорологической величины – это полная производная метеорологической 
величины по нормали к поверхности равных значений 

этой величины, взятая со знаком «минус»: 
dF
dN

, где F – произ-

1. Начальная метеорология 

5 

вольная метеорологическая величина, N – нормаль к поверхности 
равных значений метеорологической величины. В физической метеорологии 
обычно используются две слагаемые полных градиентов 
метеорологических величин – вертикальные градиенты и горизонтальные 
градиенты. Эти градиенты представляют собой частные 
производные метеорологических величин по вертикальному и 
горизонтальному направлениям со знаком «минус».  
Важно отметить, что в записи градиентов метеорологических 
величин знак «минус» есть всегда. Это связано с тем, что в случаях 
полного градиента изменение метеорологических величин берётся 
в направлении их убывания, поэтому изменения этих величин 
имеют отрицательные значения. Приращение расстояния вдоль 
нормали N всегда является положительной величиной. В результате 
отрицательное изменение значения метеорологической величины 
в пространстве в сочетании со знаком «минус» перед производной 
представляет собой величину положительную. 
Таким образом, полные градиенты метеорологических величин 
положительны всегда. 
Что касается горизонтальных градиентов метеорологических 
величин, то они тоже положительны всегда. Это связано с тем, что 
изменения этих величин в горизонтальном направлении тоже всегда 
берутся в сторону их убывания. 
Вертикальные же градиенты могут быть и положительными, и 
отрицательными, и равными нулю. В последнем случае метеорологическая 
величина с высотой не меняется. При положительном 
значении вертикального градиента метеорологической величины 
наблюдается убывание её значений с высотой, при отрицательном 
значении – возрастание. 
Градиенты метеорологических величин помогают судить о 
процессах, протекающих в атмосфере, о возможности и характере 
формирования определённых атмосферных явлений. Поля метео-
рологических величин определяют состояние атмосферы (устой-

Рыбакова Ж.В. Основы физической метеорологии 

6 

чива она или неустойчива и в какой мере, насколько велики скоро-
сти ветра), что является решающим фактором для представления 
направления и скорости развития любого атмосферного процесса. 
План рассмотрения метеорологических величин и атмосферных 
явлений приводится в [2]. 
 
 
1.2. Состав атмосферы 
 
Атмосфера имеет в своём химическом составе многочисленные 
газовые составляющие и разнообразные аэрозоли – твёрдые и 
жидкие взвешенные в воздухе частички. Иными словами, воздух 
представляет собой механическую смесь газов, включающую в 
себя аэрозоли различного происхождения. 
Доля всех составляющих в общем составе атмосферы различна, 
как различны и их свойства. По этой причине в нижних слоях ат-
мосферы все компоненты разделены нами на четыре группы. 
Первую из них составляют основные, в большой мере постоян-
ные компоненты. К ним относятся молекулярный азот, молекуляр-
ный кислород и аргон. В сумме на объёмное содержание этих га-
зов приходится 99,964 % (на азот 78,084 %, кислород – 20,946 %, 
аргон – 0,934 %). Газы этой группы в нижних слоях практически 
не поглощают лучистую энергию солнца. В высоких слоях атмо-
сферы кислород и азот лучистую энергию солнца поглощают. 
Длинноволновую же энергию излучения подстилающей поверхно-
сти газы этой группы не поглощают в каких-либо слоях нижней 
атмосферы. Итак, общими свойствами газов первой группы явля-
ются: 1) большая доля в общей смеси газов; 2) постоянство их со-
отношений до больших высот, примерно в нижнем 100-
километровом слое; 3) отсутствие поглощательной способности, 
как лучистой энергии солнца, так и длинноволнового излучения 
подстилающей поверхности в нижних слоях атмосферы. 

1. Начальная метеорология 

7 

 Газы второй группы, в отличие от газов первой группы, харак-
теризуются высокой поглощающей способностью лучистой энер-
гии. Во вторую группу входят важные переменные составляю-
щие – водяной пар, углекислый газ и озон.  
Углекислый газ и водяной пар поглощают длинноволновую ра-
диацию. Основным поглотителем длинноволновой радиации явля-
ется водяной пар. Он имеет и наибольшее число полос поглощения 
в указанном диапазоне, и большую ширину этих полос, и высокий 
коэффициент поглощения в данных полосах. Кроме того, количе-
ство водяного пара при высокой температуре воздуха может быть 
весьма заметным. Объёмное содержание водяного пара изменяется 
от значений, лишь немного превышающих нулевые значения, до 
значений, составляющих почти 4 %. Увеличение содержания во-
дяного пара происходит за счёт уменьшения газов, входящих в 
группу постоянных компонент (первой группы). С увеличением 
температуры возрастает возможность принятия атмосферой водя-
ного пара. 
Второй газ этой группы – углекислый газ. На этот газ прихо-
дится 0,033 % объёмного содержания (в 1900 г. объёмное содер-
жание этого газа составляло 0,029 %). Не следует думать о том, 
что это увеличение незначительно. Любое, даже самое малое воз-
растание содержания данного газа приводит к ощутимым усилени-
ям парникового эффекта. В результате повышается температура 
воздуха и подстилающей поверхности, сокращаются площади за-
нятые снегом и льдом. В конечном итоге на Земле увеличивается 
площадь, занятая водой, сокращается поверхность суши. 
Третий газ второй группы – озон. В самых нижних слоях атмо-
сферы озона мало, к тому же в этих слоях озон является загрязни-
телем воздуха. Начиная с примерно с 10 км, содержание озона с 
высотой растёт. В слое 20–50 км озон является важным защитни-
ком всего живого от коротковолновой радиации, «щитом» для 
жизни на Земле. Животный и растительный мир нашей планеты не 

Рыбакова Ж.В. Основы физической метеорологии 

8 

готов к воздействию проникающей (биологически активной) ради-
ации, которую поглощает озон. Если бы такая радиация достигла 
живых объектов, то их клетки либо погибли бы, либо перероди-
лись. Важно заметить, что озон может поглощать лучистую энер-
гию в различных частях спектра, в том числе в области видимой и 
длинноволновой радиации. Что касается коротковолновой радиа-
ции, то она «обрезается» озоном в слое его наибольшего содержа-
ния (20–26 км) в диапазоне 0,22–0,29 мкм. По этой причине такая 
проникающая радиация при нынешнем содержании озона тропо-
сферы не достигает и влияния на нас не оказывает. В разрушении 
озона в основном участвуют окислы азота и хлориды, хотя могут 
реализовываться и другие процессы. 
Третью группу составляют многочисленные газы, не имеющие 
большой доли в общем составе нижних слоёв. Иными словами, 
газы этой группы представляют собой примеси в нижней атмосфе-
ре. Не следует, однако думать, что эти газы не играют большой 
роли в жизни на Земле. Возьмём, например, метан. Этот газ хоро-
шо поглощает длинноволновое излучение подстилающей поверх-
ности, поэтому является одним из компонентов парникового эф-
фекта. Другой пример – радон и йод. Радон является ионизатором 
воздуха. Если радона недостаточно, то число пар ионов, образую-
щееся в единичном объёме за единицу времени, снижается. В за-
висимости от концентрации радон и йод могут быть и полезными, 
и вредными для человека. Радон влияет на иммунные, половые, 
кроветворные клетки. Уменьшение содержания йода приводит к 
нарушению функции щитовидной железы, нервной системы чело-
века и к другим расстройствам. 
Четвёртую группу составляют не газы, а аэрозоли. Они могут 
быть взвешенными в воздухе жидкими или твёрдыми частичками 
различного размера, формы, цвета, запаха, различного химическо-
го состава и физических свойств. Аэрозоли бывают самого раз-
личного происхождения – частицы почвы, морская соль, продукты 

1. Начальная метеорология 

9 

выветривания горных пород, вулканическая пыль, частицы дыма, 
облаков и туманов, микроорганизмы, пыльца растений и другие. 
С высотой состав воздуха изменяется. Прежде всего, это изме-
нение касается уменьшения числа аэрозолей, источником которых 
является подстилающая поверхность, уменьшается содержание 
примесей и даже газов второй группы. Вместе с тем при уменьше-
нии плотности воздуха с высотой и, следовательно, уменьшении с 
высотой содержания даже газов первой группы, количественные 
соотношения между основными газами (азотом, кислородом, арго-
ном) остаются примерно постоянными. Это постоянство просле-
живается до больших высот – приблизительно до 100 км. Именно 
слой от подстилающей поверхности до уровня 100 км над ней счи-
тается единым нижним слоем при рассмотрении атмосферы по 
составу воздуха. Причина сохранения основного состава воздуха в 
таком мощном слое заключается в интенсивном перемешивании 
воздушных слоёв по вертикали. Таким образом, изменение состава 
атмосферы до уровня 100 км существенным не является. 
Выше уровня 100 км происходит существенное изменение со-
става воздуха с высотой. В таких высоких от подстилающей по-
верхности слоях прослеживаются две причины такого изменения. 
Основная причина заключается в активной диссоциации молеку-
лярного кислорода выше 100 км. С высоты 250–300 км прослежи-
вается диссоциация и молекулярного азота. Другая причина за-
ключается в проявлении на больших высотах процесса гравитаци-
онного разделения газов по высоте – более тяжёлые газы располо-
жены ниже, чем более лёгкие. 
Под влиянием этих двух факторов в слое 300–1000 км основной 
состав воздуха представляет собой атомарный кислород с неболь-
шой примесью атомарного азота. Выше уровня 1000 км атмосфера 
состоит, главным образом, из лёгких газов – гелия и водорода. 
Таким образом, от подстилающей поверхности до уровня 
100 км состав воздуха, очищенного от примесей и переменных со-

Рыбакова Ж.В. Основы физической метеорологии 

10 

ставляющих, практически сохраняется, а состав воздуха выше 
100 км с высотой изменяется. 
Нижний слой атмосферы (до уровня 100 км) называется гомо-
сферой, а слой выше 100 км – гетеросферой. 
Лёгкие газы в самой верхней атмосфере имеют слабые связи 
гравитационной природы с центром масс планеты Земля, по-
этому они могут покидать пределы атмосферы данной системы, 
уходя в мировое пространство. Там они входят в состав меж-
планетного газа. 
В высоких слоях атмосферы частицы находятся под сильным 
влиянием потоков лучистой энергии солнца. Под этим влиянием 
происходит распад молекулярных частиц на атомарные ионизиро-
ванные частицы. Ионизация состоит в том, что внешний валент-
ный электрон, поглотив некоторую часть энергии, может уйти из 
нейтральной системы. В результате получается положительный 
ион и свободный электрон. Последний может присоединиться к 
нейтральной частице, образовав отрицательный ион. В конечном 
итоге в слоях атмосферы выше примерно 60 км имеется значи-
тельное количество ионов обоих знаков и свободных электронов. 
 
 
1.3. Строение атмосферы 
 
Атмосфера неоднородна во всех направлениях, особенно в 
направлении вертикальном. Неоднородность атмосферы в гори-
зонтальных и близких к ним направлениях находит отражение в 
наличии разнородных воздушных масс. 
Воздушные массы формируются над разнородными в тер-
могигрометрическом отношении видами подстилающей поверхности. 
Воздушные массы, находясь над этими поверхностями определённое 
время, получают от них различные свойства. 
Соприкосновение разнородных воздушных масс приводит к образованию 
между ними переходных зон. В этих зонах от одной