气象学与气候学课件Word下载.docx

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零碎的定性观察和描述，积累了一些感性认识和经验；

对某些天气现象做出了一定的解释.具有天象学的性质。

*主要成就

我国：

文字——观测记录、物候文献、经验知识；

观测仪器——测风、测湿、测雨

国外：

希腊——亚里斯多德、“气候”

2、初建时期

*时间：

十六世纪中叶到十九世纪末

温度表的发明（1593）

气压计的发明（1643）

天气图的发展（1860～1865）

气候图（1879、1882）

《气候学手册》（1883）

*特点：

独立的学科

3、发展时期

1）前期：

20世纪前50年

*气象学方面主要成果

锋面学说、长波理论、降雨学说

*气候学方面

气候分类（1918，柯本）

动力气候学（1930-1940，柯本和盖格儿）

天气气候学的发展（1942，雅各布斯）

2）近期：

20世纪50年代以后

开展大规模的观测试验

对大气现象进行数值模拟

把大气当作一个整体来研究

气候系统概念的提出、国际合作、气候模式、交叉学科

第一章大气概述

*大气的组成

*大气的结构——高度及垂直分层

*大气的物理性状

第一节大气的组成

大气是由多种气体混合组成的，此外，还悬浮有一些固体杂质和液体微粒。

一、干洁空气

1、定义及组成

“洁”——洁净

定义：

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。

组成：

干洁空气中大多数气体的临界温度低于自然情况下大气中可能出现的最低温度，CO2的临界温度虽然较高，但它所对应的临界压力却大大超过其实际分压力。

因此，干洁空气中的所有成分都呈气体状态。

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%。

微量气体含量的表示：

*微量气体含量通常用体积或质量混合比表示，即单位体积（或质量）大气中微量气体所占体积（或质量）的比例。

*以mL/L或mg/g表示

*也用ppm、ppb、ppt表示

2）组成

“单一”成分的气体，平均分子量28.97

均质大气——90km以下非均质大气——90km以上

主要成分（定常成分）——N2、O2次要成分（可变成分）——CO2、O3

2、大气中的氮和氧

①大气的起源

*原始大气（氢、氦为主）

*次生大气（水汽、二氧化碳等）

*现代大气（氮、氧为主要成分）

②氮、氧的作用

3、大气中的二氧化碳

①来源

*动、植物的呼吸作用

*砍伐森林

②分布和变化

*分布：

①、垂直分布——20km以下②、水平分布——不均匀

*时间变化：

季节变化——冬多夏少

长期变化——增加

③作用

*重要的温室气体

*“空中肥料”

引起气候变化的因素:

自然波动:

太阳辐射的变化;

火山爆发等；

人类活动：

温室气体和硫化物气溶胶的排放、土地利用的变化等。

4、大气中的臭氧

①来源：

光化反应

②分布

垂直分布规律“臭氧空洞”

③作用

“温室气体”“保护伞”

经过多年的实际调查发现，在南极上空臭氧层出现“空洞”这一新现象，引起了世界各国科学家的极大注视。

近几年，每逢到8～11月时，美国的观测卫星便在南极上空拍摄照片，观察臭氧层的变化情况，发现臭氧层逐年变薄，并已形成一个相当大的空洞。

到目前为止，南极臭氧层空洞（简称为臭氧空洞）的面积已达900万平方公里。

南极臭氧空洞的解释：

*宇宙高能粒子簇破坏了臭氧层。

*化学反应引起臭氧损耗造成臭氧空洞。

*大量废气的排放使臭氧层出现空洞。

早在20世纪70年代初期，科学家们指出人类向大气中排放的氟氯烃等物质会使大气中的臭氧遭到破坏，随后联合国环境署制定了“世界保护臭氧层行动计划”。

1985年21个国家的政府代表签署了《保护臭氧层维也纳公约》，呼吁各国政府采取联合行动，保护臭氧层。

1987年9月，36个国家和10个国际组织的140名代表和观察员在加拿大蒙特利尔集会，通过了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，进一步提出了控制消耗臭氧层物质的具体措施和方案。

到目前为止，《议定书》的缔约方已达到165个之多，反映了世界各国政府对保护臭氧层工作的重视和责任。

联合国环境署还规定从1995年起，每年9月16日为“国际保护臭氧层日”，以增加世界人民保护臭氧层的意识，提高参与保护臭氧层行动的积极性。

我国政府和科学家们非常关心保护大气臭氧层这一全球性的重大环境问题。

我国早于1989年

就加入了《保护臭氧层维也纳公约》，先后积极派团参与了历次的《公约》和《议定书》的缔约国会议，并于1991年加入了修正后的《议定书》。

我国还成立了保护臭氧层领导小组，开始编制并完成了《中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案》。

根据这一方案，我国已于1999年7月1日冻结了氟氯化碳的生产，并将于2010年前，全部停止生产和使用所有消耗臭氧层物质。

二、大气中的水汽

1、来源

*水面的蒸发

*植物的蒸腾

2、分布

*垂直分布——主要集中在大气的底层

*水平分布——海洋上空多于陆地上空

*时间变化

3、作用

*天气变化的重要角色

*影响能量的传输和转化

三、大气气溶胶

——大气中悬浮的固体和液体微粒

*自然源

——火山喷发、被风吹起的土壤微粒、海水飞溅等

*人为源

*垂直分布

*水平分布

*破坏能见度

*凝结核

§

1.2大气的结构

一、大气的高度

大气的总质量：

5.27×

1018kg

大气密度随高度的变化

*物理上界——极光、1200km

*着眼于大气密度——2000～3000km

二、大气的垂直分层

1、垂直分层的依据

大气在垂直方向上物理性质有显著差异

2、大气的垂直分层

对流层的范围

*纬度变化

低纬度地区——17～18km

中纬度地区——10～12km

高纬度地区——8～9km

*季节变化

——夏季>

冬季

对流层的内部结构

*下层——扰动层、摩擦层、行星边界层

*中层

*上层

*对流层顶

**霾，也称灰霾（烟霞），是指原因不明的因大量烟、尘等微粒悬浮而形成的浑浊现象。

霾的核心物质是空气中悬浮的灰尘颗粒。

空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等粒子也能使大气混浊，视野模糊并导致能见度恶化，如果水平能见度小于10000米时，将这种非水成物组成的气溶胶系统造成的视程障碍称为霾（Haze）或灰霾（Dust-haze），香港天文台称烟霞（Haze）。

**霾和雾：

区别在于发生霾时相对湿度不大，而雾中的相对湿度是饱和的（如有大量凝结核存在时，相对湿度不一定达到100％就可能出现饱和）。

一般相对湿度小于80％时的大气混浊视野模糊导致的能见度恶化是霾造成的，相对湿度大于90%时的大气混浊视野模糊导致的能见度恶化是雾造成的，相对湿度介于80-90%之间时的大气混浊视野模糊导致的能见度恶化是霾和雾的混合物共同造成的，但其主要成分是霾。

对流层的主要特征

*一是温度随高度的升高而降低；

因为该层的热量来自于地面的长波辐射，平均气温递减率为0.65oC/100m；

*二是具有强烈的对流运动；

因为地面受热不均。

*三是天气现象复杂多变；

几乎所有的水汽、云、雨、雷、电等现象都发生在此层。

平流层的特征

*气温随高度升高的分布

下层：

其上界离地面约35~40km，为同温层

上层：

其上界离地面约50~60km，为逆温层，即气温随高度的升高而降低。

因为平流层上层含有大量的臭氧，臭能大量地吸收太阳紫处线而增温。

*气流以水平运动为主，逆温的存在，对流不易产生。

*水汽、尘埃含量少，天气晴朗，能见度好。

中间层的特征

高度：

平流层顶至85km处。

（1）温度随高度的升高而迅速下降。

因为臭氧的含量下降。

（2）空气以垂直运动为主。

但由于空气稀薄，所出现的天气现象已不如对流层复杂。

（3）在80km处白天出现一个电离层。

暖层的特征

增温——等温；

中间层至800km处

（1）空气质量小，空气稀薄，空气密度只占空气总质量的0.5%，在120km高空，空气密度小至声音都难于传播。

（2）温度随高度升高而升高。

因为所有波长小于0.175μm的太阳紫外辐射都被暖层中的大气物质所吸收。

（3）空气处于高度电离状态，能反射无线电波。

（4）出现极光现象。

散逸层（外层）的特征

因大气十分稀薄，离地面远，受地球引力场约束微弱，一些高速运动的空气质点就能散逸

到星际空间，所以本层称为散逸层。

根据宇宙火箭探测资料，地球大气层之外，还有一层极其稀薄的电离气体，可伸展到22000公里高度，称为地冕。

这可能就是地球大气层向宇宙空间的过渡区域。

从大气与地表自然环境之间关系来说，对流层具有特别重要的意义。

本节总结：

*大气是各种气体的混合物，严格地讲还含有少量悬浮的固体和液体微粒。

氮、氧、氩是组成空气的基本成分；

二氧化碳、臭氧等的含量与人类活动有密切的关系；

水汽等是易变的成分。

*大气成分、温度、密度等在垂直方向上存在显著差异，由此可将大气分为五层：

对流层、平流层、中间层、暖层、散逸层。

其中对流层集中了75％的大气质量和90％的水汽，是气象学研究的重点。

1.3大气的物理性状

一、大气的基本物理性质

*连续性

–流体微团：

宏观——非常小；

微观——非常大

–连续性

*流动性

*不可压缩性

*粘性

*大气密度的空间分布不仅与压强有关，而且还依赖于温度；

*大气运动可以看成由两部分组成的：

一是有规则的运动；

二是无规则的运动。

一、主要的气象要素

*气象要素是指表示大气属性和现象的物理量，如气温、气压、湿度、风向、风速、云量、降水量、能见度等。

*气象要素的观测地面气象观测站

1.气温

*定义：

反映空气冷热程度的物理量。

*单位：

绝对温标（热力学温标，Kelvin）

摄氏温标（Celsius）

华氏温标（Fahrenheit）

*观测

干湿球温度表最高气温表最低气温表双金属温度计

2.气压

定义：

——大气压强。

静止大气中任意高度上的气压值等于单位面积上所承受的大气重量。

单位：

帕斯卡、百帕

毫米水银柱高度（mmHg）

大气压

观测：

动槽水银气压表空盒气压计

3.湿度

表示大气潮湿程度的物理量

表示湿度的常用物理量：

绝对湿度

水汽压和饱和水汽压、饱和差

相对湿度

比湿

混合比

露点

（定义、表达式、单位、换算）

单位体积湿空气中所含的水汽量

*表达式：

g/m3

*水汽压：

大气中水汽所产生的那部分压强P=Pd+ee=P-Pd

*水汽压与绝对湿度的换算关系：

*饱和差

–饱和空气

–饱和水汽压

–饱和差

*相对湿度

–定义：

实际水汽压与同温度下的饱和水汽压的比值

–表达式：

–意义

单位质量湿空气中所含的水汽量

*意义：

讨论气块升降运动过程中的水相变化

*换算关系：

一团空气中水汽的质量与干空气的质量之比。

*公式及单位

*与水汽压的换算关系

*定义

*意义

4.降水

概念：

降水

降水量

雨量器

虹吸式雨量计

5.风

——空气的水平运动称为风。

风向

风速

目测风力等级

电接风向风速仪

三、大气状态方程

*理想气体的状态方程

*干空气状态方程

*湿空气状态方程

1、理想气体状态方程

*理想气体

–分子本身的大小比起分子间的距离来要小得多

–除了气体间的相互碰撞及气体分子与容器器壁的碰撞外，分子间再无其它作用，且分子的重力可忽略不计

–分子与器壁的碰撞是完全弹性的

*标准状况大气

*理想气体状态方程

理想气体状态方程

*1摩尔气体质量的状态方程普适气体常数

*M克质量气体的的状态方程比气体常数

2、干空气状态方程

*干空气的比气体常数

3、湿空气状态方程

*湿空气状态方程的推导

*虚温的定义及物理意义

第二章大气的热能和温度

本章主要内容：

*地球表层系统的能量来源及其传输、转换

*空气的增温和冷却

*气温的时间变化和空间分布

基础知识

*热力学的知识

2.1有关辐射的基本知识

一、基本概念

1、辐射、辐射能

自然界中的一切物体,都以电磁波的形式时刻不停地向四周放射能量,这种传播能量的方式称为辐射。

通过辐射传播的能量，称为辐射能，简称辐射。

有关辐射的基本概念

*电磁波是由不同波长的波组成的合成波。

它的波长范围从10E-10微米（1微米=10E-4厘米）的宇宙线到波长达几公里的无线电波。

γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线，超短波和长波无线电波都属于电磁波的范围。

2、辐射通量

单位时间内通过某一表面积的辐射能。

焦耳/秒（J/s），瓦特（W）太阳表面的辐射通量为：

3.86×

1026W

3、辐射通量密度

单位时间内通过单位面积的辐射能。

（单位：

W/m2）太阳表面的辐射通量密度为：

6.34×

107W/m2

辐射能力（或放射能力）物体放射的辐射通量密度

4、辐射强度

定义

与辐射通量密度的关系

二、基本定律

*所有物体不论其温度如何，都向外放射辐射能。

*温度较高的物体单位面积放射的总能量，要比温度低的物体放射多。

*物体温度愈高，其放射的最大辐射的波长愈短；

反之，物体的温度愈低，其放射的最大辐射波长愈长。

*辐射能力强的物体，其吸收辐射的能力也强；

反之，辐射能力弱的物体，吸收能力也弱。

黑体吸收能力最强，放射能力也最强。

1、斯蒂芬-玻尔兹曼定律

*黑体放射能力与波长的关系

*表达式

*应用

例：

*已知太阳的放射能力（6.34×

107W/m2），求太阳表面的有效温度。

*已知太阳的放射能力，求地球的有效温度。

地球的有效温度——地球的放射能力

地球的放射能力——？

2、维恩位移定律

*黑体的放射波长与温度的关系

*举例

3、基尔荷夫定律

1）内容

一定温度（T）、任何物体、一定波长、放射能力、吸收率

2）证明

3）推论

*对于某一物体而言，如果在温度T时，能放射某一波长的辐射，那么，在同温度下也必定能吸收同一波长的辐射。

*对于不同性质的物体而言，放射能力较强的物体，其吸收能力也较强，放射能力较弱的物体，其吸收能力也较弱。

*同一系统内的不同性质的物体达到平衡后，各物体的放射能力与吸收率的比值相等，与物体的性质无关。

*比辐射率；

比辐射率=同温、同波长的吸收率

4）意义

*适合于处于辐射平衡的任何物体

2.2太阳辐射

本节导学：

基本概念

到达大气上界的太阳辐射（影响因素，时空分布规律）；

太阳辐射在大气中的减弱（原因，规律）；

到达地面的太阳辐射（影响因素、规律）；

地面对太阳辐射的反射。

一、太阳辐射光谱和太阳常数

1、太阳辐射光谱

.主要（99％）集中在0.15～4微米的范围内；

.可见光区占50％、红外区43％、紫外区7％；

.放射能力极大值对应的波长0.475微米

2、太阳常数

日地平均距离

大气上界

太阳辐射强度

1370瓦/平方米

导出数据：

太阳的放射能力；

太阳的有效温度等。

二、到达大气上界的太阳辐射

1、影响因素

1）日地距离

2）太阳高度

3）白昼长短

——太阳辐射在大气上界的时空变化与分布是由太阳与地球间的天文位置决定的，又称天文辐射。

2、天文辐射的时空分布

分析各因子的影响结果

太阳高度角

——纬度和季节变化

白昼长短

日地距离

——季节变化

变化和分布规律

天文辐射的时空分布规律

*就全年来看，赤道地区所接受到的天文辐射最多，向两极逐渐减少；

*夏半年，天文辐射最大值出现在回归线附近，由此向两极减少；

*冬半年，天文辐射最大值出现在赤道地区；

*天文辐射的南北差异冬半年大于夏半年；

*天文辐射的夏半年与冬半年的差值随纬度的增加而增加；

*天文辐射随纬度增加而减少的速度在45°

～55°

间最大；

*极圈内有极昼和极夜现象。

三、太阳辐射在大气中的减弱

1、减弱的原因

1）大气对太阳辐射的吸收作用

大气吸收太阳辐射的主要成分有臭氧、氧、水汽、二氧化碳，尘埃等。

*几乎所有波长小于0.3微米的太阳辐射在达到对流层顶以前就被大气吸收了，而高层大气对于波长大于0.35微米的太阳辐射几乎是透明的。

*太阳辐射中的红外部分主要被对流层中的水汽、二氧化碳所吸收。

*大气各成分对可见光范围内的太阳辐射吸收很少。

*大气对太阳辐射的吸收是有选择性的。

2）大气对太阳辐射的散射作用

散射：

平行光遇到空气中的分子、尘埃、云滴后，可以以这些质点为中心，四面八方地传播开来，这种现象为散射。

*分子散射

——对波长有选择性

*粗粒散射

——对波长无选择性

*散射理论的应用

3）大气对太阳辐射的反射作用

*反射对各种波长没有选择性

*云的反射作用最显著

*云的反射能力随云状和云厚而不同

大气对太阳辐射的吸收、散射和反射

2、减弱的规律——布格公式

布格公式（Bouguer）

*标准大气柱质量（大气质量）地面气压为标准气压（1013.25hPa）时，太阳光线垂直投射到地表，单位截面积空气柱的内的大气质量。

*大气质量数

四、到达地面的太阳辐射

到达地面的太阳总辐射＝太阳直接辐射＋散射辐射

1、直接辐射

1）定义

2）影响因子

3）时间变化和水平分布

太阳高度角对直接辐射的影响

*太阳高度角愈小，等量的太阳辐射散布的面积就愈大；

*太阳高度角愈小，太阳辐射穿过的大气层愈厚。

直接辐射的时间变化和纬度分布

*年变化

*日变化

*纬度分布

2、散射辐射

*散射辐射的强弱也与太阳高度角及大气透明度有关。

*散射辐射的变化主要决定于太阳高度角的变化。

3、总辐射

2.3地面和大气辐射

一、地面、大气辐射及其交换

1、地面和大气辐射

*地面辐射宇宙中的任何物质，只要它的温度高于绝对零度时都能放射能量，地面吸收太阳辐射后转变为热能后，使地面增温，然后日夜不停的向外放射辐射，这就是地面辐射。

*大气辐射大气对太阳辐射的吸收很少，但能强烈的吸收地面的辐射，大气主要靠吸收地面辐射后升温，它也日夜不停的向外放出辐射，叫大气辐射。

*根据斯蒂芬－波尔兹曼定律物体温度越高放射辐射的能力越强，所以太阳辐射的能力远远高于地面和大气；

也可以通过公式具体计算出大气、地面在一定温度下的辐射能量。

*根据维恩定律可以计算出大气、地面在自然温度幅度内的波长范围根据计算地面和大气的辐射波长范围大概在3～120微米属于红外辐射，其辐射能最大的波段集中在10微米附近。

所以将地面、大气的辐射称为长波辐射。

而将太阳辐射称为短波辐射。

2、地面和大气辐射的交换

1）大气对地面辐射的吸收

*大气对地面长波辐射的吸收能力极强，吸收的主要成分是水汽、二氧化碳和臭氧。

*大气对地面长波辐射的吸收是有选择性的。

*“大气窗口”

a大气中的各种物质对在8～12μm的地面长波辐射吸收最弱，透明度最大，而对其他波段的地面辐射透射率近于零，即吸收率近似为1，所以把这个波段叫做大气窗口。

b这个波段的辐射，正好位于地面辐射能力最强处，所以地面辐射有20%的能量经过这个窗口射向宇宙空间。

——遥感

2）大气逆辐射和大气的保温效应

*大气逆辐射

大气辐射中向下的那一部分因为刚好和地面辐射相反，故称大气逆辐射。

*大气的保温效应

a大气对地面辐射的强烈吸收

b大气逆辐射

*地面有效辐射

a定义

b表达式

c意义

d影响因素

二、地面及地气系统的辐射差额

辐射差额：

自然界中的一切物体，不仅不停地向外放出辐射能，而且还不停地吸收别的物体放出的辐射能，在某一时段内，收支辐射能的差值即为辐射差额。

1、地面辐射差额

*定义及表达式

*意义

*时间变化和水平分布

4）时间变化和水平分布

夜间为负；

白天为正；

转化时间日出后、日落前1小时。

最大值出现在夏季，最小值出现在冬季；

年变化随纬度而异，纬度越低，辐射差额保持正值的月份越多。

大部分地区辐射差额年均值为正就整个地球表面平均来讲收入是大于支出的，也就是说，地球表面通过辐射的交换来获得热量。

2、大气的辐射差额

3、地气系统的辐射差额

1）定义及表达式

2）分布

*就其年平均值来讲，低纬度为正，高纬度为负

*就全球来讲，地气系统辐射差额的多年平均值为零