هواشناسی

هواشناسی (به انگلیسی: Meteorology) شاخه ای از علوم جوی است که شامل ماهیت و فیزیک اتمسفری با هدف تمرکز بر پیش بینی هوا است. مطالعهٔ هواشناسی به هزاران سال قبل برمی گردد اما فرایندهای اصلی در این زمینه تا قرن ۱۸ انجام نشده بود. در قرن ۱۹ فرایندهای نسبتاً کمی در این زمینه بعد از شبکه های مشاهدهٔ هوا که در محل های خارجی ایجاد شده بود، انجام شد. تلاش های اصلی در پیش بینی وضع آب و هوا بستگی به اطلاعات و داده ها داشت. تا قبل از بیان قوانین فیزیک و مهم تر از آن استفاده از کامپیوتر کاری انجام نشده بود. استفاده از کامپیوتر برای حل بسیاری از معادلات برای مدل سازی آب و هوا است. در نیمهٔ دوم قرن بیستم پیشرفت های مهمی در پیش بینی وضعیت آب و هوا به دست آمد.پدیده های هواشناسی، رویدادهای آب و هوایی قابل مشاهده هستند که توسط علم هواشناسی توضیح داده می شوند. پدیده های هواشناسی با تغییرات اتمسفر زمین توضیح و تفسیر می شوند: دما، فشار هوا، بخار آب، جریان باد و اختلاف و ارتباط این متغیرها و اینکه در زمان چطور تغییر می کنند. مقیاس های فضایی مختلف برای توصیف و پیش بینی آب و هوای یک محلی، منطقه ای و جهانی استفاده می شوند.هواشناسی، اقلیم شناسی، فیزیک جوی و شیمی جوی زیر شاخه های علوم جوی هستند. هواشناسی و آب شناسی باهم حوزهٔ جدیدی به اسم آب و هواشناسی به وجود می آورند. تعامل های بین جو زمین و اقیانوس ها بخشی از سیستم جو اقیانوسی است. هواشناسی در حوزه های مختلفی مثل ارتش، تولید انرژی، حمل و نقل، کشاورزی و ساخت و ساز کاربرد دارد. کلمهٔ هواشناسی در انگلیسی (meteorology) ریشهٔ یونانی دارد و به معنی بسیار بالا در آسمان و مطالعهٔ اشیای موجود در هوا است.
هواشناسی، هوا را و اقلیم شناسی، آب و هوا را شناسایی و تبیین می کند.
هواشناسی وضعیت جوی را به طور عام و برای یک لحظه بررسی می کند؛ اما، آب و هواشناسی تیپ هوای غالب یک مکان معین را در دوره طولانی مطالعه و تفاوت های آب و هوایی مکان ها را کشف می کند.
هدف هواشناسی شناخت مطلق و عام اتمسفر و تغییرات آن (هوا) است؛ ولی در آب و هواشناسی سعی می شود با شناخت آب و هوای هر منطقه، تأثیرهای آب و هوایی آن بر روی فعالیت های انسانی مشخص شود.
هواشناس وضع هوا را در کوتاه مدت پیش بینی می کند؛ اما، آب و هواشناس بر اساس عوامل به وجود آورنده آب و هوا، پدید آمدن آب و هوای خاصی را در مکانی خاص و با توجه به تأثیر آن در زندگی انسان ها، پیش بینی می کند.
یونانیان واژه متیورولوگیا را، برگرفته از کلمه «متیوروس»، به معنی اشیای معلق در آزمایش های مربوط به هوا، به اضافه «لوگوس» که به خطابه یا درس ترجمه شده است، برای این علم بکار برده اند. لیکن، امروزه مطالعه جو زمین چنان به رشته های تخصصی تقسیم شده است که واژه فراگیر متئورولوژی (هواشناسی) که از یونانیان باستان بر جای مانده است، هیچ کس را ارضا نمی کند. از اینرو، برای مطالعه بخشی از جو که در آن یونش و گسست مهم است و روی هم رفته بالاتر از ارتفاع حدود ۳۵Km قرار دارد، واژه آیرونومی (نزدیک جو بالا) را بکار می برند، در حالی که برخی، به عنوان نامی فراگیر، علم (یا علوم) جو را می پسندند.دانشمند ایرانی سده پنجم هجری، ابوحاتم اسماعیل اسفزاری خراسانی برای نخستین بار در جهان پدیده های جوی و هواشناسی را به زبان فارسی در کتاب خود به نام آثار علوی گردآوری نموده است.
مطالعه و پژوهش دربارهٔ تمامی جنبه های جو زمین که به طور تفصیلی از سطح زمین تا سطح بالایی جو را در بر می گیرد، امروزه تحت عنوان علوم جوی نامیده می شود. واژه قدیمی و مصطلح تر هواشناسی مطالعه سطوح پایانی جو را، که دارای تغییرات دائمی است، شامل می شود. بشر از ابتدای خلقت به دلیل تماس نزدیک با طبیعت و مشاهده عینی پدیده های جوی همواره نسبت به کشف این پدیده ها کنجکاوی نشان داده است. اولین تجربه عینی پدیده های جوی شاید مشاهده رعد و برق و آتش گرفتن جنگل ها بوده که بعدها به کشف آتش منجر شده است. همچنین اولین کوشش انسان برای تهیه غذا و کشاورزی نیز همراه با دیده بانی هوا بوده است.هواشناسی شاخه ای تخصصی از فیزیک پیشرفته است که از ابزارهای ریاضی پیچیده ای بهره می گیرد و بر همه علوم فیزیک تکیه ای استوار دارد. هواشناسی بیش از همه با نظریه تابش الکترومغناطیسی، ترمودینامیک، مکانیک کلاسیک، فیزیک شاره ها، شیمی فیزیک و نظریه لایه مرزی سر و کار دارد. اگر جو زیرین نیز در آن گنجانده شود، فیزیک خورشید، طیف شناسی، فیزیک پلاسما، یونش، فیزیک ذرات بنیادی، پدیده های اشعه ایکس، نور شناخت، فیزیک پرتوی کیهانی، پدیده های برانگیزش، الکترودینامیک، مگنتو هیدرودینامیک، انتشار رادیویی و سایر فرایندهای مربوطه را نیز باید فرا گرفت.
اگر چه موضوع مطالعه هواشناسی و اقلیم شناسی، اتمسفر (هواسپهر) است، ولی هر کدام با نگرشی متفاوت آن را بررسی می کنند:

هواشناسی (meteorology)
مشاهده و بررسی علمی جَو(اتمسفر)، برای پیش بینی دقیق وضع هوا. به این منظور داده های فراهم آمده از ایستگاه ها و ماهواره های هواشناسی در مؤسسات مرکزی را با رایانه مقابله می کنند. به این ترتیب نقشه های هواشناسیو پیش بینی هوا براساس قرائت های جاری، و در فواصل زمانی منظم، تهیه می شوند. با استفاده از روش های تحلیلی جدید، و به کارگیری رایانه های قدرتمند، پیش بینی وضع هوای شش روز آینده امکان پذیر است. در ایستگاه های هواشناسی عامل های تعیین کنندۀ وضع هوا قرائت می شوند. این عامل ها عبارت اند از فشار جَو، دما، رطوبت، باد (با مقیاس بوفورت)، پوشش ابر، شامل تعیین نوع ابر و اندازه گیری ابرناکی، و بارش باران، برف، تگرگ، که هر دوازده ساعت اندازه گیری می شود. از ماهواره نیز برای پخش اطلاعات ایستگاه های زمینی، و ارسال تصاویر تشکیل ابر، ردیابی الگوهای وزش باد و پوشش برف و یخ استفاده می کنند.تاریخچه. گذشته از بعضی از مشاهدات، که ارسطو در کتاب هواشناسیبه آن ها اشاره کرد، هواشناسی تا پایان قرن ۱۶ به علمی دقیق تبدیل نشد. در این زمان گالیلهو اعضای آکادمی فلورانسنخستین دماسنج قابل اعتنا را ساختند. در ۱۶۴۳ اوانجلیستا توریچلیاصل جَوسنجیرا کشف کرد. تحقیقات رابرت بویلدر زمینۀ گازها، و تحقیقات دستیارش رابرت هوکدر زمینۀ جَوسنج ها، مبانی فیزیکی لازم را برای درک آب وهوا فراهم آورد. گابریل فارنهایتبا اختراع نوعی دماسنج جیوه ای بهتر، ابزار مناسب تری برای ثبت دما به دست داد.
نقشه های هواشناسی. در اوایل قرن ۱۹، مجموعه ای از ایستگاه های هواشناسی در فرانسه تأسیس، و نقشه های هواشناسی، با استفاده از داده های جمع آوری شده، ترسیم شد. نخستین نقشۀ هواشناسی انگلستان، که بادهای بسامانو بادهای موسمیرا نشان می داد، در ۱۶۸۸ ترسیم شد. نخستین گزارش تلگرافی هواشناسی در ۳۱ اوت ۱۸۴۸ مخابره شد. نخستین گزارش تلگرافی روزانۀ هواشناسی طی نمایشگاه بزرگدر ۱۸۵۱ فراهم شد.
جمع آوری داده. مشاهدات هواشناسی صرفاً از ایستگاه های زمینی صورت نمی گیرد و از کشتی های هواشناسی، هواپیما و ایستگاه های خودکاری، از قبیل رادیوگمانه، نیز داده جمع آوری می شود. از رادار هم برای تهیۀ نقشۀ ابرها و طوفان ها استفاده می کنند. ماهواره ها همچنین، برای ارسال تصاویر از توزیع ابرها روی کرۀ زمین به کار می آیند.
ایستگاه های دیده بانی. مکان هایی که در آن ها اندازه گیری های مطلق و اعمال استانداردهای قابل اعتماد، حتی الامکان با اسباب های اندازه گیری خودکار، صورت می گیرد. نتایج این اندازه گیری ها را غالباً ، به منظور وارسی و کارهای پژوهشی، تکثیر می کنند. عواملی مانند میزان الکتریسیتۀ جَو و تابش خورشیدی، فقط در ایستگاه های دیده بانی و سایر تأسیسات پژوهشی مشابه، اندازه گیری می شود.
ایستگاه های تهیۀ گزارش اقلیم شناختی. وضعیت روزانۀ هوا را گزارش می دهند و طی ساعات معینی از روز مشاهدات صورت گرفته را ثبت می کنند تا داده هایی تجمعی، مانند دمای میانگین، دماهای حداکثر و حداقل، بارش باران، تابش خورشید، فشار میانگین، روزهای مِه آلود و یخبندان، بارش برف، و دامنه و استمرار پوشش برف به دست آیند. در این ایستگاه ها، پس از تحلیل آماری، نمودارها و جدول های اقلیم شناختی تهیه می شوند تا فراوانی عوامل مختلف آب وهوایی مانند تندبادو یخبندانرا نشان دهند.
ایستگاه های هواشناسی کشاورزی. به مشاهداتی می پردازند که در هواشناسی کشاورزی، یا خُردهواشناسیبه کار می آید. در این موارد لازم است عوامل آب وهوایی به تفصیل مطالعه شوند. برای مطالعه و کنترل گسترش بیماری های نباتی ناشی از شته ها یا ویروس های بادبُرد، باید اطلاعات مفصلی دربارۀ دما، رطوبت، و باد، در ارتفاعاتی پایین تر از ارتفاع میانگین محصولات کشاورزی، در اختیار داشت. جزئیات مرتبط با یخ دره ها، بادشکن هاو درجۀ یخبندانی که به گیاهان صدمه می زند، نیز بررسی می شود.
ایستگاه های باران سنجی. میزان بارش باران را اندازه گیری می کنند. بیشتر این ایستگاه ها میزان بارش روزانه را اندازه گیری می کنند، اما ایستگاه های واقع در نقاط دورافتاده، میزان بارش ماهانه را هم اندازه گیری می کنند.
ایستگاه های گزارش همدید. (ایستگاه های گزارش همدید). به مشاهدۀ هم زمان در سراسر جهان می پردازند و گزارش های خود را در قالبی توافق شده گزارش می کنند، درنتیجه مقایسۀ مستقیم این گزارش ها امکان پذیر است. مشاهده در این ایستگاه ها به بررسی عوامل آب وهوایی ضروری برای پیش بینی هوا محدود است. گزارش ها به مرکزی ملی ارسال و گزیده ای از آن ها برای استفادۀ کشورهای دیگر توزیع می شود.
تحلیل. تودۀ انبوه داده های همدید، که جمع آوری شده و انتشاریافته اند به منظور پیش بینی وضع هوا روی نمودارهای هواشناسی همدیدرسم می شوند. اغلب سازمان های هواشناسی، روزانه، نسخه هایی اصلاح شده از این نمودارها را منتشر می کنند که در آن ها نمادهای استاندارد به کار می رود.
اندازه گیری و توصیف شرایط. دیده بانی هواشناختی، به هر منظور که صورت گیرد، باید واضح، دقیق و در کل با نتایج ایستگاه های دیگر مقایسه پذیر باشد. لازم است گفته شود هوا آفتابی یا ابری است، یا طوفان تندری درگرفته است؛ تمایز بین باران، برف و تگرگ آشکار شود؛ توضیح داده شود که برفابه برف آبدار، برف در حال آب شدن یا مخلوط برف وباران، و برف خوره چیزی بین تگرگ و برف است؛ لازم است که توضیح داده شود که نرمه باران، حاصل از قطره های بسیار کوچکی است که حد واسط بین باران و ابر یا قطره های آبی است که به اندازۀ کافی بزرگ شده اند و به زمین می افتند؛ توصیف بارش باران نیز به صورت رگبار، منقطع یا پیوسته؛ یا به صورت سبک، ملایم یا سنگین نیز سودمند است. آهنگ بارش و میزان بارش کل طی دوره ای مفروض را نیز می توان با باران سنج اندازه گیری کرد. شدت و جهت باد را با بادسنج یا بادنمای پره ای به دقت اندازه گیری می کنند. ابرها به دقت مشاهده می شوند، زیرا رابطه ای نزدیک با سایر عوامل هواشناختی دارند. وجود مِه و سایر عوامل محدودکنندۀ دید نیز حاکی از وضعیت هوایی است که به منطقه نزدیک می شود، و از اهمیت بسزایی برخوردار است.
فشار هوا. اگرچه وضع هوا را می توان تا حدودی از مشاهدۀ ابرها استنتاج کرد، اندازه گیری های حالت فیزیکی جَو در حداکثر ارتفاع ممکن صورت می گیرد. وزن هوا بر هر نقطه و به سمت پایین نیرو وارد می کند، نیرویی که در همۀ جهات ایجاد می شود فشار هوا نام دارد. فشار هوا را با جَوسنجو جَونگاراندازه گیری می کنند و واحد اندازه گیری آن میلی بار است. با افزایش ارتفاع، ضخامت لایۀ هوا بر فراز هر نقطه کاهش می یابد؛ به عبارت دیگر با افزایش ارتفاع، فشار کاهش می یابد. میزان کاهش فشار هوا تا ارتفاع شانزده کیلومتری دَه به یک است. اگر دمای هوا معیّن باشد، می توان میزان کاهش فشار را محاسبه کرد: در نزدیکی سطح دریا، به ازای هر دَه متر ارتفاع، فشار به اندازۀ یک میلی بار کاهش می یابد. برای مقایسۀ فشار بین تعداد زیادی ایستگاه واقع در ترازی ثابت، فشارها را به فشار در سطح دریا تحویل می کنند، یعنی قرائت جَوسنج را چنان تنظیم می کنند که فشار در سطح دریا را نشان دهد.
دما. اندازه گیری دمای هوا ممکن است دشوار باشد، زیرا دماسنجدمای خود، و نه دمای محیط اطراف را اندازه گیری می کند. به علاوه، تغییرات دما با ارتفاع، به ویژه در چند متر نخست، نامنظم است. بنابراین ممکن است دما در فاصلۀ یک متر از سطح زمین به اندازۀ پنج درجۀ سانتیگراد پایین تر از دما در ترازی نزدیک تر به زمین باشد. هنگامی که هوا صاف است، عکس این پدیده مشاهده می شود. از طرف دیگر، دمای هوایی که ۱۰۰ متر بالا می رود فقط به اندازۀ یک درجه کاهش می یابد، علت آن تغییر ارتفاع و انبساط ناشی از کاهش فشار است. بنابراین دما را در ارتفاعی استاندارد، معمولاً۱.۲ متر بالاتر از سطح زمین، اندازه گیری می کنند و آن را به دما در سطح دریا تحویل نمی کنند. با قرار دادن دماسنج در پوشینۀ استیونسونآن را با محیط اطراف همدما می کنند .
رطوبت. برای تعیین رطوبت هوا قرائت های صورت گرفته با دماسنج معمولی را با قرائت های صورت گرفته با دماسنجی مقایسه می کنند که مخزن آن در پارچۀ موسلین مرطوب پیچیده شده است (← رطوبت سنج). دما و رطوبت لایه های فوقانی هوا را با اسباب های اندازه گیری متصل به هواپیما، بالون کوچک، یا حتی موشک تعیین می کنند. با استفاده از هواپیما، دما و رطوبت هوا را تا ارتفاع پانزده کیلومتر از سطح زمین اندازه گیری می کنند. در گذشته لازم بود اسباب های اندازه گیری متصل به بالون را بازیابی کنند تا نتایج اندازه گیری قرائت شود؛ اکنون بالون های مجهّز به رادیوگمانه، این نتایج را به ایستگاه های زمینی مخابره می کنند. از بالون برای اندازه گیری شدت باد نیز استفاده می کنند، زیرا بالون را باد حمل می کند و بی سیم ها یا رادارهای جهت یاب نیز میزان انحراف بالون را محاسبه می کنند. به این ترتیب سرعت و شدت باد در ارتفاعات مختلفی، که بالون از آن ها می گذرد، تعیین می شود.
کشتی های هواشناسی. الگوی گزارش هایی که این کشتی ها تهیه می کنند مشابه گزارش های ایستگاه های هواشناسی زمینی است، اما حالت و دمای دریا را نیز دربر می گیرند. کشتی های هواشناسی ممکن است در نقاط ثابت گشت بزنند، به دیده بانی بپردازند و به رادیوگمانه نیز مجهّز باشند. از این کشتی ها به منزلۀ راهنمای ناوبری هواپیماها نیز استفاده می کنند. در صورت لزوم آن ها را به وسایل امدادرسانی نیز مجهّز می کنند.