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单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,气象学与气候学,第一章,绪论,第一节,：,概念,第二节：意义,第三节：发展史,第一节,概念,大气科学：研究大气结构、组成、物理现象、化学反应、运动规律及其他问题的科学,气象学：研究大气现象（风云雨雪干湿雷电）及其状态（温度压强湿度密度）的形成原因、变化规律和时空分布的科学,气候学：研究气候的特征、分布、变化、形成及其与人类活动相互关系的学科。,概念差别：,天气：,某一地区在某一瞬间或某一短时间内大气状态（温度、相对湿度气压等）和大气现象（风、云、雨、雪、降水等）的综合。,属于短时间内的微观现象，,研究对象：地球上的大气,气候：,是指在太阳辐射、大气环流、下垫面性质和人类活动长,时间相互作用下，在某一时段内天气过程的综合。包括平均天气状况，也包括极端天气状况。,属于长时间宏观现象，,研究对象：气候,系统（五大圈）,第二节,意义,情报服务,预报服务,气候资源利用,人工影响天气,第三节,发展史,定性观察和描述,-,定量深入研究各种大气物理过程,20,世纪,70,年代以前,传统气候学,20,世纪,70,年代以后,当代气候学,（二）天气学,：,1,、定义：研究地球条件下不同的区域内所产生的天气过程、天气系统的成因、演变规律，并在天气预报上应用的科学。,2,、研究对象：地球上的大气,（三）气候学：,1,、定义：研究地球上气候的形成原因、分布类型、变化规律的科学。,2,、研究对象：气候,系统（五大圈）,。,第二章 大气的基本情况,气候系统：,是一个由大气圈、水圈、陆地表面、冰雪圈和生物圈等方面组成的物理系统，它决定气候的形成、分布、变化。,一、大气圈,(,一,),大气的组成,1,、,干洁大气,（,N,2,、,O,2,、,O,3,、,CO,2,等,2,、水汽,3,、悬浮着的质粒（固体、液体）。,成云致雨的必要条件,主要,成分,次要,成分,水 汽,固体杂质,生物体的基本成分,维持生物活动的必要物质,植物光合作用的原料；对地面保温,吸收紫外线，使地球上的生,物免遭过量紫外线的伤害,成云致雨的必要条件；对地面保温,大气组成,主 要 作 用,干,洁,空,气,O,3,N,2,O,2,CO,2,大气各成分的作用,1,、,干洁大气：,大气中除固体杂质和水汽之外的全部混合气体，称为干洁空气。,氮和氧容积占,99.04,，加上氩，三者合占,99.97,，其他气体仅占,0.03%,。,臭氧,(O,3,),：,臭氧的生成有三条途径：太阳紫外线作用；有机物氧化；雷电作用,.,臭氧垂直分布：,从,510,公里高度出现，向上逐渐增加，,2030,公里达最大，再向上逐渐减少，,5060,公里高度消失。,大气臭氧浓度随高度的变化,臭氧的作用：,臭氧的生成与分解，吸收了全部的紫外线，对地面生 物起屏蔽作用。,关于南极臭氧洞的研究：,1),南极臭氧洞的特征,a,、春季臭氧总量与十年前相比减少了,3040,。,b,、臭氧总量减少主要发生在,1525,的高度。,c,、,春季减少明显，其它季节不明显。,d,、,臭氧减少的同时，平流层下部出现气温下降的趋势。大气中臭氧减少可导致全球气候发生变化。,e,、臭氧减少是从,19741979,年（七十年代）开始的,南极臭氧洞减少的可能原因：,动力学效应：极夜后太阳从地平线上升起，臭氧吸收太阳光，产生上升气流，上升气流使臭氧减少。,太阳周期活动：太阳活动极小的年代里，南极,O,3,总量在春末会有明显的降低。,化学效应学说：,氟氯,11,和氟氯,12,化学性能稳定并对人体无害被大量应用。这些物质的消失是到达平流层之后，,受波长,0.1750.22,的紫外线照射分解，放出氯原子（,Cl,），,Cl,原子消灭,O,3,。,二氧化碳,(,CO,2,）,CO,2,的自然来源：燃料的燃烧，有机物的腐化，,动植 的呼吸。,CO,2,的人为来源：,原子武器试验把放射性碳带进大气。,化学燃料的燃烧,。,CO,2,对太阳辐射吸收甚少，但却能强烈地吸收地面辐射，同时又向周围空气和地面放射长,波辐射。因此它们都有使空气和地面增温的效应。,二氧化碳含量逐年递增,冰雪反馈机制：,论述,CO,2,浓度增大时的气候变化,CO,2,增多，大气温度上升冰雪覆盖面积减小地球反射率减小地,气系统获得辐射能增多气温上升冰雪面积进一步消融，,当,CO,2,浓度比现在增加,50%,，就可能使极冰消融，其结果会使北半球高纬年雨量、经流量增大，中纬地区干旱性增强，潮湿的热带地区对流雨要加多，海平面升高,20140,厘米。,氧,(O,2,),氧是一切生命所必须的，这是因为动物和植物都要进行呼吸，都要在氧化作用中得到热能以维持生命。氧还决定着有机物质的燃烧、腐败及分解过程。植物的光合作用又向大气放出氧并吸收二氧化碳。,氮,(N,2,),氮能够冲淡氧，使氧不致太浓，氧化作用不过于激烈。大量的氮可以通过豆科植物的根瘤菌固定到土壤中，成为植物体内不可缺少的养料,。,近期研究发现雷电,是制造天然优质的,“氮肥厂,”,2,、水汽,水汽主要来源于海洋、江河湖沼和土壤，以及潮湿物体表面的蒸发和植物的蒸腾。,大气中的水汽含量极不固定，随时间、地点、条件而不同。其所占容积变化范围为,04,。观测结果表明，在,1.52km,高度，水汽含量只及地面,的,1/2,；在,5km,高度，只相当于地面的,1/10,，再往上更少。所以海拔较低，比如海南等地区，降水的发生基本在,700hPa,以下（,3km,）,水汽含量虽然不多，但它在大气温度变化范围内可以发生汽态、液态和固态三相转化,;,人们常见的云、雾、雨、雪等天气现象，都是水汽相变的表现。此外,;,水汽还善于吸收和放射长波辐射，显著影响大气和地表的温度。,3,、固体杂质,大气中悬浮着多种固体微粒和液体微粒，统称,大气气溶胶粒子,。,固体微粒,有的来源于自然界，如火山喷发的烟尘，被风吹起的土壤微粒，海水飞溅扬入大气后而被蒸发的盐粒，细菌、微生物、植物的孢子花粉，流星燃烧所产生的细小微粒和宇宙尘埃等；,多集中于大气的底层。有许多可以成为水汽凝结的核心，对云、雾的形成起重要作用。,同时固体微粒能散射、漫射和吸收一部分太阳辐射，也能减少地面长波辐射的外逸，,对地面和空气温度有一定影响，并会使大气的能见度变坏。,（二）大气的结构,（大气的分层）,a,大气的厚,1),大气的物理上界：按极光出现的高度，大气上界为,1200,。,2),按气体密度估计的大气上界为,2000-3000,。,b,大气质量的垂直分布：,50,的大气质量集中在,5,以下；,75,的大气质量集中在,10,以下；,90,的大气质量集中在,15,以下；,95,的大气质量集中在,20,以下。,C.,大气的分层,大气在垂直方向上的物理性质是有显著差异的。根据温度、成分、电荷等物理性质，同时考虑到大气的垂直运动等情况，可将大气分为五层,大气分为五层：,对流层平流层中间层热层散逸层,大气的垂直分层,对流层,平流层,对流旺盛近地面，,纬度不同厚度变；,高度增来温度减，,只因热源是地面；,天气复杂且多变，,风云雨雪较常见,气温初稳后升热,只因层中臭氧多,水平流动天气好,高空飞行很适合,上冷下热,高空对流,电,离,层,高层大气,电离层能反射,无线电波，对,无线电通讯有,重要作用,层,范 围,特 征,现 象,重要的副层,对,流,层,平均：011，,赤道附近：017、18,km,极地：08、9,km,1、温度随高度递减,2、垂直对流强烈,3、气象要素水平分布不均匀，对流层顶的温度低纬-83，高纬-53,包含了大气质量3/4和几乎所有的水汽，云、雨、雷电等发生在此层,02为行星边界层（磨擦层）,2以上为自由大气,顶部为同温层,平,流,层,对流层顶55,1、气温逆增（先等温后逆温）,2、气流平稳,3、,O,3,在平流层顶消失,天气晴好,有臭氧层,O,3,的吸收紫外线作用使平流层增暖，平流层顶比对流层温度高出6070之多,中间,层,5585,km,气温递减,有垂直运动,出现电离层、夜光云,中间层顶的温度180,K,热层,85800,km,气温迅速增高，顶部达2000,k.,空气分子处于高度电离状态,电离层,极光,散逸层,暖层以上,空气分子向宇宙空间逃逸,(,二,),、其他圈层,1.,水圈：水圈是指地表上的一切液态水。,水圈对气候的影响很大。其中海洋面积最大，在气候形成和气候变化中起的作用最为重要。,由于海洋面积大，反射率小，到达地面的太阳辐射,80,为海洋表面所吸收，全球海洋表面的平均温度要比全球陆面高,10,。,海洋热容量大，是巨大的能量存储库。仅,100,米深的海水获得热量占整个气候系统总热量的,95,。,海水的异常必然会导致气候异常。如：厄尔尼诺,。,4.生物圈：生物圈包括陆地和海洋中的植物，在海洋、陆地、和空气生活的动物，包括人类。生物对于大气和海洋的二氧化碳平衡，气溶胶粒子的产生以及其它与气体成分和盐类有关的化学平衡等有很重要的作用。,2.岩石圈：在近代气候变化的时间尺度内，对大气产生作用的主要是陆地表面。特别是其海拔高度和起伏地势构成崎岖 下垫面对气候影响复杂多样。,3.冰雪圈：全球陆地约有10.6被冰雪所覆盖。冰具有很大反射率，在冰雪覆盖下，地面与大气间热量交换被阻止。冰雪对地表热量平衡有很大影响。,二、,有关大气的物理性状,一、主要气象要素,气象要素是指表示大气属性和大气现象的物理量,如气温、气压、湿度、风向、风速、云量、降水量、能见度,等等。,（一）气温,概念,表示空气冷热程度的物理量。其温度的高低只与气体分子运动的平均动能有关。,单位：,目前我国规定用摄氏度（）温标。以气压为,1013.3hPa,时纯水的冰点为零度（,0,），沸点为,100,度（,100,），其间等分,100,等份中的,1,份即为,1,。,在理论研究上常用,绝对温标,，,以,K,表示,，这种温标中一度的间隔和摄氏度相同，但其零度称为“绝对零度”，规定为等于摄氏,-273.15,。因此水的冰点为,273.15K,，,沸点为,373.15K,。,两种温标之间的换算关系如下,T=t+273.15t+273,（二）气压 指大气的压强。,是地表单位面积上承受的大气柱重量。某地点气压值等于从观测高度至大气上界单位面积上承受的大气柱重量。,（,1,）毫米水银柱高度,（,mm,）,（,2,）百帕,（,hpa,）,=,毫巴,1,百帕（,hpa,）,100,帕,1mm,4,3hpa,1,帕（,hp,）,压力相当于,1m,2,面积上受到,1,个牛顿的力。即：,1Pa,1N,m,2,标准大气压（也叫海平面气压）：,当选定纬度,（,）,45N,时，,T=0,C,海平面上气压 为：（,P,）,1013.3hpa,（,101325hp,）,=760mm,水银柱高度。,（三）湿度,概念,表示大气中水汽量多少的物理量。常用：（,1,）水汽压（,e,）,和饱和水汽压（,E,）（,2,）,绝对湿度,（,a,）（,3,）,相对湿度,（,f,）（,4,）,饱和,差（,d,）（,5,）,比湿（,q,）,和混合比（,）（,6,）,露点（,td,）,（,1,）水汽压,（,e,）,和饱和水汽压（,E,）,水汽压（,e,）：,大气中水汽本身具有的压力叫 水汽压。单位,：,hpa,饱和水汽压（,E,）：,是指,饱和湿空气中的水汽压。因为超过这个限度，水汽就要开始凝结。,饱和水汽压随温度按指数规律变化，温度越高，,E,越大，即大气中所能容纳的水汽越多。,纯水面饱和水汽压与温度的定量关系式（,马格奴,斯,Magnus,）,E,E,。,10,at,（,b,t,）,式中：,E,饱和水汽压，,E,。,6.11hpa,（,气温为零摄 氏度时的饱和水汽压值,），,t,实际气温（），,a,、,b,经验系数（水面,a,7.5,，,b,237,；,冰面,a,9.5,，,b,265.5,）,（,2,）相对湿度,（,f,）,概念,空气中的实际水汽压,(e),与同温度下的饱和水汽压,(E),之,比。,相互关系式：,f=e/E,100%,相对湿度直接反映空气距离饱和的程度。当其接近,100,时，表明当时空气接近于饱和。当水汽压不变时，气温升高，饱和水汽压增大，相对湿度会减小。,当,e,不变，温度逐渐上升时，,E,增大，,f,值逐渐减小。已出现的云雾会逐渐消散现象。,e,不变，温度逐渐下降时，,E,逐渐减小，,f,值逐渐增大。空气由未饱和饱和过饱和状态，出现水汽发生凝结的云雾，甚至降水现象,。,（,3,）饱和差（,d,）,概念,在当时气温下应有的饱和水汽压,（,E,）,与实际水汽压,（,e,）,之差。,单位,：,hpa,，,饱和差表示实际空气距离饱和的程度。,表达式：,d,E,e,d,0,空气远离饱和状态,d,0,（,E,e,）,空气达饱和,d,0,空气达过饱和,（,4,）比湿,（,q,）,概念：,一团湿空气中，水汽的质量与该团空气的总质量比值,叫,比湿,。,单位,：,g/g,，,g/kg,表达式,q=m,w,/,（,m,d,+m,w,）,式中：,m,w,湿空气质量，,m,d,干空气质量。,比湿与水汽压（,e,）、,气压（,p,）,关系式为,q=0.622e/p,（,g/g,）或,q=622e/p,（,g/kg,）,（,5,）,.,水汽混合比,（,）,一团湿空气中，水汽质量与干空气质量的比值称水汽混合比（,）,即：（单位：,g/g,）,表达式,=m,w,/,m,d,混合比与水汽,压（,e,，,hpa,）、,气压（,p,，,hpa,）,关系式为,=0.622e/,（,p-e,）,（,g/g,）,或,=622e/,（,p-e,）,（,g/kg,）,（,6,）露点（,T,d,）,概念,：,当空气中水汽含量不变，气压一定时，使空气冷却达到饱和时的温度。称露点温度，简称露点（,T,d,），,单位：,、,K,例：某地某日,14,点时，,t,30,、,E,42.5hpa,、,e,31.7hpa,、,f,31.7,42.5100,74.58,（,未饱和）。当,t,由,30,降至,25,时，,E,31.7hpa,，,e,31.7hpa,，,f,100,，,此时的,t,25,即为露点温度值。,1,）要使空气达到饱和出现露点，首先是降低气温。,2,）增加水汽含量，使空气出现饱和达到露点。饱和水汽压变化曲线,（,露点定义,）,实际大气处于未饱和状态是经常的，饱和状态时较少，因此露点温度总比实际大气温度低，只有当空气在饱和状态时，气温,（,t,）,露点温度（,t,d,）。,可据,t,t,d,之差，判断空气的饱和程度。当,t,t,d,，,t,t,d,0,时，,饱和,，出现凝结现象,当,t,t,d,，,t,t,d,0,时，,未饱和,，空气干燥当,t,t,d,，,t,t,d,0,时，,过饱和,，可能产生降水,气温降低达到 露点，是导致水汽产生凝结的重要途径,。,（,四）,降水,概念,降水是指从天空降落到地面的液态或固态水，包括,雨、毛毛雨、雪、雨夹雪、霰、冰粒和冰雹,等。降水量指降水落至地面后（固态降水则需经融化后），未经蒸发、渗透、流失而在水平面上积聚的深度，降水量以毫米（,mm,）,为单位,。,（五）,风,概念,空气的水平运动称为风。风是一个表示气流运动的物理量。既有大小（风速），还有方向（风向）。,（,1,）风向 风向是指,风的来向。地面风向用,16,方位表示，高空风向常用方位度数表示，即以,0,表示正北，,90,表示正东，,180,表示正南，,270,表示正西。在,16,方位中，每相邻方位间的角差为,22.5,（,2,）风速,概念,单位时间里空气在水平方向上移动的距离。单位,:m/s,，,Km/h,，,海里,/h,三者换算关系表,米,/,秒,公里,/,时,海里,/,时,1,3.600,1.944,0.278,1,0.540,0.515,1.852,1,（六）云量,云是悬浮在大气中的小水滴、冰晶微粒或二者混合物的可见聚合群体，底部不接触地面（如接触地面则为雾），且具有一定的厚度。,云量,是指云遮蔽天空视野的成数。将地平以上全部天空划分为,10,份，为云所遮蔽的份数即为云量。例如，碧空无云，云量为,0,，天空一半为云所覆盖，则云量为,5,。,（七）能见度,能见度,是,指视力正常的人在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨出目标物的最大水平距离。单位用米（,m,）,或千米（,km,）,表示。,二、空气的状态方程,空气状态常用密度（,）、,体积（,V,）、,压强（,P,）、,温度（,t,或,T,）,表示。对一定质量的空气，其,P,、,V,、,T,之间存在函数关系。,（一）干空气状态方程,根据大量的科学实验总结出，一切气体在压强不太大，温度不太低（远离绝对零度）的条件下，一定质量气体的压强和体积的乘积除以其绝对温度等于常数，即,上式是理想气体的状态方程。实际上，理想气体并不存在，但在通常大气温度和压强条件下，干空气和未饱和的湿空气都十分接近于理想气体。,在标准状态下（,P,0,=1013.25hPa,，,T,0,=273K,），,1mol,的气体，体积约等于,22.4L,，即,V,0,=22.4L/mol,。,令：,为普适气体常数,PV=R*T,任意质量（,m,）,的理想气体状态方程,：,P=,RT,或,R,为比气体常数,R=R*/.,为,摩尔分子量,是对质量为,1,克的气体而言的，它的取值与气体的干、湿性质有关。,2,干空气状态方程,干空气比气体常数：,干,空气状态方程：,3.,湿空气状态方程与虚温,湿空气,干空气,水汽,压强,P P-e e,温度,T T T,密度,d,a,（,w,）,比气体常数,R R,d,R,w,从密度入手，湿空气的密度等于干空气密度,d,与水汽密度,w,之和,。,水的比气体常数是定量,且与,R,d,有关系,故,湿空气密度,得,若令,:,虚温,虚温的意义是在同一压强下，干空气密度等于湿空气密度时，干空气应有的温度。虚温和实际温度之差,T,为,可见空气中水汽压,e,愈大，这一差值便愈大。,引进虚温后，湿空气的状态方程可写成：,空气状态方程,理想气体状态方程：,PV=R*T,任意质量,理想气体状态方程,：,P=,RT,干,空气状态方程,：,湿空气状态方程：,若令,:,虚温,则,