大尺度天气系统及其天气特征.docx

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大尺度天气系统及其天气特征

大尺度天气系统及其天气特征

一、气团

1、气团的概念：

气团是指一定范围内物理属性相对均匀的大块空气。

水平范围：

几千公里，垂直范围几公里到十几公里。

常可发展到对流层顶。

气团的形成：

气团形成在大范围性质相对均匀的下垫面上空，且环流条件有利于空气停滞或缓行。

2、气团的分类

3、影响我国的气团

（1）变性极地大陆气团（变形西伯利亚气团）：

来自西伯利亚、蒙古地区。

冬季可影响我国各地，夏季仅影响我国北方和西北地区。

在这种气团控制下，冬季大陆辐射冷却强烈，气温低，水汽含量少，天气晴朗寒冷干燥。

（2）热带太平洋气团：

来自热带太平洋和南海的热带海洋气团。

夏季，出西北部分地区外，全国各地均可受其影响；冬季仅影响华南与西南地区。

该气团控制的地区常出现对流性天气。

    （3）热带大陆性气团：

来自欧洲大陆副热带地区，夏季影响我国西部地区有时也可影响到华北，在该气团控制下，天气晴朗少云、炎热干燥，造成我国西北地区的酷暑。

    （4）赤道气团（季风气团）：

来自印度洋。

夏季影响华南地区造成长江流域以南地区的大量降水。

4、活动在华南地区的气团及其天气特征。

    冬天：

主要受来自西伯利亚冷气团的影响，天气寒冷、干燥，偶受暖气团的影响。

    夏天：

主要受来自热带太平洋和南海的海洋气团的影响，天气闷热，多雷雨。

二、锋

1、锋的概念：

锋面是指性质不同的气团相接触的交界面或过渡面。

    当冷暖空气相遇时，在他们之间形成一个狭窄而倾斜的过渡带，其宽度在近地面气层中约数十公里，在高空可达200～400公里，过渡带的宽度与大范围的气团相比显得很狭小，可近视看成是一个几何面，称为锋面，锋面两侧气团的性质差别很大，气象要素值和天气现象发生剧烈的变化。

锋面与地面的交线称为锋线，简称锋。

    锋线长的有数千公里，短的有几百公里。

锋面是具有三维空间结构的天气系统，在空间随高度向冷空气团一侧倾斜，所以冷气团处在下方，暖气团在上方，通常暖空气会沿着锋面向上爬，绝热冷却，容易发生水汽凝结，所以，锋面多阴雨天气。

2、锋的分类及锋面天气

    根据锋的移动情况，可把锋分为：

冷锋、暖锋、准静止锋、锢囚锋四大类。

    暖锋――暖气团推动锋面向冷气团一侧移动。

坡度小，锋面在地面的覆盖范围广，空气湿度大，在锋面上形成一定的锋面云系。

天气变化为：

晴—阴—降雨。

降水区域宽，持续时间长。

地面锋线移过本地后，天气逐渐晴朗，气温升高，气压降低。

    冷锋――冷气团推动锋面向暖气团一侧移动。

    缓行冷锋（一型冷锋）：

锋面云系与形成的降水和暖锋相似，次序相反，天气变化为：

雨层云—降水—锋移动，云层逐渐升高，降水停止，气压升高，温度降低，风力减小。

    急行冷锋（二型冷锋）：

移动快，锋面坡度大，锋前暖空气被迫急剧抬升，产生剧烈的天气变化，但范围较窄。

天气现象：

夏半年积雨云和雷暴天气。

冬

季大风天气，沙尘暴。

    冷锋是影响我国天气最重要也是最常见的天气系统之一。

缓行冷锋（一型冷锋）（徐玉貌等，2000）              急行冷锋（二型冷锋）

    准静止锋――当冷暖气团势力相当时，锋面的移动十分能缓慢或在原地来回摆动，这种锋称为准静止锋，简称静止锋。

通常将6小时内锋面位置变化小于一个纬度的锋定为准静止锋。

    根据其所停滞的地理位置称之为华南准静止锋、江淮静止锋、昆明准静止锋、天山准静止锋、秦岭准静止锋、华北静止锋等。

    华南静止锋的特点：

１２月～７月活动频繁。

是出现在华南地区及南海地区准静止锋的总称，其天气特征为：

锋面维持时间长；降水范围大，降水累积量大。

    锢囚锋――由冷锋赶上暖锋或者两条冷锋迎面相遇叠并而形成的锋称为锢囚锋。

在锢囚锋的锢囚过程中，暖空气被抬离地面，凌驾在上空。

三、气旋

１、气旋的概念：

气旋就是低压区，在水平方向上，风绕低压中心逆时针转。

２、气旋的分类：

可把气旋分为有锋面气旋和无锋面气旋，或温带气旋和热带气旋。

３、气旋的天气特征

    锋面气旋：

是温带地区最常见的一类气旋，我国的锋面气旋多产生于高原以东长江中下游及以北地区。

其发展过程为：

初生阶段—发展阶段—锢囚阶段—消亡阶段（如下图）。

    温带气旋主要有：

东北气旋、蒙古气旋、黄河气旋、江淮气旋、东海气旋。

    热带气旋：

形成于热带海洋上，具有暖中心结构、强烈的气旋性涡旋。

具有强大的破坏力，是一种灾害性天气。

同时也带来充沛的雨水，有利于缓和或解除盛夏旱情。

是热带地区最重要的天气系统。

四、反气旋１、反气旋的概念：

反气旋就是高压区，在水平方向上，风绕高压中心顺时针旋转。

２、反气旋的分类：

　　冷性反气旋：

由冷空气堆积而成的高压，如极地高压、蒙古高压。

　　暖性反气旋：

指中心暖于四周的高压，如南亚高压、副热带高压。

３、影响华南地区的反气旋及其天气特征：

    冬天：

冷高压在极地附近形成后，南移影响华南地区，其前锋为一冷锋，冷锋过境时，常带来大风降温天气，冷锋过后，在高压中心附近地区，为寒冷、晴朗天气。

    夏天：

华南地区主要受副热带高压影响。

    副热带高压是指热带地区（２０～４０ºＮ）稳定少变的大型高压系统，简称副高。

它对我过天气的影响主要有两方面，一是副高内部的晴朗少云，炎热天气，二是副高与其周围天气系统（如西风槽、锋面、台风、气旋、切变线等）相互作用所造成的影响。

五、切变线和槽线

    切变线：

切变线是大气中指风向、风速发生急剧改变的狭窄区域。

    切变线在地面和高空均可发生，但以１５００～３０００m之间发生较多。

    切变线的天气特点：

易形成阴雨天气，并且容易产生暴雨或雷雨。

    槽线：

槽线是指大气高空波动最大点地的连线。

它不断自西向东移动。

　　　　　影响我国的槽线主要有三种：

西北槽、青藏槽、南支槽。

　　　　　槽线前部，常有降水天气，槽线后部，天气好转，为晴朗天气。

天气系统

一、天气·天气系统·天气过程的基本概念

    1、天气：

天气是指瞬时或一段时间内大气中风、云、降水温度等气象要素的综合状况。

    2、天气系统：

能显示大气中天气变化及其空间分布的独立系统。

如气团、锋、气旋、反气旋、高空槽脊、切变线、低涡、低空急流等。

　　  不同的天气系统有不同的天气特征。

    3、天气过程：

天气系统随时间和空间的演变过程，称为天气过程。

　　　在天气过程的不同阶段，能形成不同的天气特征。

二、天气系统的分类

根据天气系统从生成到消亡所需的时间及其所占空间范围的大小，可把天气系统分成四大类。

地球大气概述

1、熟悉大气的主要成分；了解大气各组成成分氮、氧、臭氧和二氧化碳的特点和变化规律；理解大气及

    各组成分在生态系统中的作用；了解大气污染物的种类、来源和大气污染的防治。

了解大气质量标准（GB3095--1996）。

 2、熟悉大气分层的依据，理解大气在铅直方向上各个层次的主要特点。

地球大气概述

第一节大气的组成

 包围地球的空气称为大气。

大气为地球生命的繁衍，人类的发展，提供了理想的环境。

它的状态和变化，时时处处影响到人类的活动与生存。

地球上的大气是由多种气体组成的混合体，并含有水汽和部分杂质。

它的主要成分是氮、氧、氩等。

在80-100公里以下的低层大气中，气体成为可分为两部分：

一部分是“不可变气体成分”，主要指氮、氧、氩三种气体。

这几种气体成分之间维持固定的比例，基本上不随时间、空间而变化。

另一部分为“易变气体成分”，以水汽、二氧化碳和臭氧为主，其中变化最大的是水汽。

总之，大气这种含有各种物质成分的混合物，可以大致分为干洁空气、水汽、微粒杂质和新的污染物。

一、干洁空气

    干洁空气是指大气中除去水汽、液体和固体微粒以外的整个混合气体，简称干空气。

它的主要成分是氮、氧、氩、二氧化碳等，其容积含量占全部干洁空气的99.99％以上。

其余还有少量的氢、氖、氪、氙、臭氧等。

    由于大气中存在着空气运动和分子扩散作用，使不同高度、不同地区的空气得以进行交换和混合。

从地面向上至到80-100公里高处，干洁空气的各种成分的比例基本上是不发生变化的。

干洁大气的主要成份和比例如表：

表1－1干洁大气成份表

其中对人类活动及天气变化有影响的大气成份为：

（1）氧气：

氧气占大气质量的23％，它是动植物生存、繁殖的必要条件。

氧的主要来源是植物的光合作用。

有机物的呼吸和腐烂，矿物燃料的燃烧需要消耗氧而放出二氧化碳。

（2）氮气：

氮气占大气质量的76％，它的性质很稳定，只有极少量的氮能被微生物固定在土壤和海洋里变成有机化合物。

闪电能把大气中的氮氧化（变成二氧化氮），被雨水吸收落入土壤，成为植物所需的肥料。

　　（3）二氧化碳：

二氧化碳含量随地点、时间而异。

人烟稠密的工业区占大气质量的万分之五，农村大为减少。

同一地区冬季多夏季少，夜间多白天少，阴天多晴天少。

这是因为植物的光合作用需要消耗二碳。

（4）臭氧：

臭氧是分子氧吸收短于0.24微米的紫外线辐射后重新结合的产物。

臭氧的产生必需有足够的气体分子密度，同时有紫外辐射，因此臭氧密度在22—35公里处为最大。

臭氧对太阳紫外辐射有强烈的吸收作用，加热了所在高度（平流层）的大气，对平流层温度场和流场起着决定作用，同时臭氧层阻挡了强紫外辐射，保护了地球上的生命。

二、水汽

    水汽在大气中含量很少，但变化很大，其变化范围在0-4％之间，水汽绝大部分集中在低层，有一半的水汽集中在2公里以下，四分之三的水汽集中在4公里以下，10-12公里高度以下的水汽约占全部水汽总量的99％。

    大气中的水汽来源于下垫面，包括水面、潮湿物体表面、植物叶面的蒸发。

由于大气温度远低于水面的沸点，因而水在大气中有相变效应。

水汽含量在大气中变化很大，是天气变化的主要角色，云、雾、雨、雪、霜、露等都是水汽的各种形态。

水汽能强烈地吸收地表发出的长波辐射，也能放出长波辐射，水汽的蒸发和凝结又能吸收和放出潜热，这都直接影响到地面和空气的温度，影响到大气的运动和变化。

三、杂质和微粒（气溶胶粒子）

    大气中除了气体成分以外,还有很多的液体和固体杂质、微粒。

杂质是指来源于火山爆发、尘沙飞扬、物质燃烧的颗粒、流星燃烧所产生的细小微粒和海水飞溅扬入大气后而被蒸发的盐粒，还有细菌、微生物、植物的孢子花粉等。

它们多集中于大气的底层。

液体微粒，是指悬浮于大气中的水滴、过冷水滴和冰晶等水汽凝结物。

    大气中杂质、微粒，聚集在一起，直接影响大气的能见度。

但它能充当水汽凝结的核心，加速大气中成云致雨的过程；它能吸收部分太阳辐射，又能削弱太阳直接辐射和阻挡地面长波辐射，对地面和大气的温度变化产生了一定的影响。

四、大气污染物

    随着人类社会生产力的高度发展，各种污染物大量地进入地球大气中，这就是人们所说的“大气污染”。

大气中污染物已经产生危害，受到人们注意的污染物大致有一百种左右，主要污染物如表1－2所示。

其中影响范围广，对人类环境威胁较大的主要是煤粉尘、二氧化碳、一氧化碳、碳化氢、硫化氢和氨等。

从污染物来源看，主要有燃料燃烧时从烟囱排出的废气与汽车排气和工厂漏掉跑掉的毒气，而烟囱与汽车废气约点总污染物的百分之七十之多。

表1－2大气中的主要污染物

五、大气中各种成分与生物的关系

    首先是大气中的水分通过降水进入土壤，滋养地面万物，土壤中水一部分通过植物的呼吸和蒸发以及土壤本身的蒸发排放到大气中，另一部分与植物和有机物的碳，氮，硫，磷元素产生生物化学反应，通过呼吸与分解又向大气排放二氧化碳，第三部分成为地表河流与地下水，在他们流向海洋的过程中遇到动物排泄的粪便，产生生物化学反应，这些反应物与陆地上的碳、氮、硫、磷等一起流入海洋，成为海洋生物的养分的一个来源，海洋生物的呼吸与分解又把二氧化碳排放到大气中。

大气中二氧化碳的另一个来源是人类燃烧矿物化石（煤，石油，天然气等）。

大气的二氧化碳通过光和作用成为陆地植物，海洋浮游植物的成分，同时上述生物向大气排放氧气。

    实际大气中除了气体成份之外，还有各种各样的固体、液体微粒。

我们称悬浮着液体、固体粒子的气体为气溶胶，悬浮在气体介质中沉降速度很小的液体和固体粒子称为气溶胶粒子，简称气溶胶；包括尘埃、烟粒、海盐颗粒、微生物、植物孢子、花粉等，不包括云、雾、冰晶、雨雪等水成物。

最小的气溶胶粒子基本上由燃烧产生，如燃烧的烟粒，工业的粉尘，森林火灾，火山爆发等，也有宇宙尘埃。

大粒子和巨粒子的气溶胶粒子可由风刮起的尘埃、植物孢子和花粉或海面波浪气泡破裂产生。

气溶胶粒子可以吸附或溶解大气中某些微量气体，产生化学反应，污染大气。

气溶胶粒子还能吸附和散射太阳辐射，改变大气辐射平衡状态，或影响大气能见度。

六、环境空气质量标准（GB3095--1996）

    为规范全国范围的环境空气质量评价，便于环境空气质量功能区分类，国家环境保护局制定了环境空气质量标准（GB3095--1996）。

规定了各项污染物不允许超过的浓度限值。

大气的垂直结构

 按地球大气层的成分、温度、密度等物理性质在垂直方向上的变化，世界气象组织把大气层在垂直方向上分为五层，自下而上依次是：

对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层。

    对流层是紧贴地面的一层，它受地面的影响最大。

因为地面附近的空气受热上升，而位于上面的冷空气下沉，这样就发生了对流运动，所以把这层叫做对流层。

它的下界是地面，上界因纬度和季节而不同。

据观测，在低纬度地区其上界为17-18公里；在中纬度地区为10-12公里；在高纬度地区仅为8-9公里。

夏季的对流层厚度大于冬季。

以南京为例，夏季的对流层厚度达17公里，而冬季只有11公里，冬夏厚度之差达6公里之多。

对流层的主要特征为：

（1）气温随高度的增加而降低。

（2）空气具有强烈的对流和乱流运动。

（3）气象要素水平分布不均匀。

    在对流层的顶部，直到高于海平面50-55公里的这一层，气流运动相当平衡，而且主要以水平运动为主，故称为平流层。

    平流层之上，到高于海平面85公里高空的一层为中间层。

这一层大气中，几乎没有臭氮，这就使来自太阳辐射的大量紫外线白白地穿过了这一层大气而未被吸收，所以，在这层大气里，气温随高度的增加而下降的很快，到顶部气温已下降到-83℃以下.由于下层气温比上层高,有利于空气的垂直对流运动,故又称之为高空对流层或上对流层.中间层顶部尚有水汽存在,可出现很薄且发光的“夜光云”，在夏季的夜晚，高纬度地区偶尔能见到这种银白色的夜光云。

    从中间层顶部到高出海面800公里的高空，称为暖（热）层，又叫电离层。

这一层空气密度很小，在700公里厚的气层中，只含有大气总重量的0.5％。

据探测，在120公里高空，声波已难以传播；270公里高空，大气密度只有地面的一百亿分之一，所以在这里即使在你耳边开大炮，也难听到什么声音。

暖层里的气温很高，据人造卫星观测，在300公里高度上，气温高达1000℃以上。

所以这一层叫做暖层或者热层。

    暖层顶以上的大气统称为散逸层，又叫外层。

它是大气的最高层，高度最高可达到3000公里。

这一层大气的温度也很高，空气十分稀薄，受地球引力场的约束很弱，一些高速运动着的空气分子可以挣脱地球的引力和其它分子的阻力散逸到宇宙空间中去。

根据宇宙火箭探测资料表明，地球大气圈之外，还有一层极其稀薄的电离气体，其高度可伸延到22000公里的高空，称之为地冕。

地冕也就是地球大气向宇宙空间的过渡区域。

人们形象地把它比作是地球的“帽子”。

探测结果表明，地球大气圈的顶部并没有明显的分界线，而是逐渐过渡到星际空间的。

高层大气稀薄的程度虽说比人造的真空还要“空”，但是在那里确实还有气体的微粒存在，而且比星际空间的物质密度要大得多，然而，它们已不属于气体分子了，而是原子及原子再分裂而产生的粒子。

以80-100公里的高度为界，在这个界限以下的大气，尽管有稠密稀薄的不同，但它们的成分大体是一致的，都是以氮和氧分子为主，这就是我们周围的空气。

而在这个界限以上，到1000公里上下，就变得以氧为主了；再往上到2400公里上下，就以氦为主；再往上，则主要是氢；在3000公里以上，便稀薄得和星际空间的物质密度差不多了。

    自地球表面向上，大气层延伸得很高，可到几千公里的高空。

根据人造卫星探测资料的推算，在2000-3000公里的高空，地球大气密度便达到每立方厘米一个微观粒子这一数值，和星际空间的密度非常相近，这样2000-3000公里的高空可以大致看作是地球大气的上界。

太阳辐射

辐射的基本知识

一、辐射的概念（ConceptofRadiation）

 1、定义：

物体以电磁波或粒子的形式放射或输送能量的过程。

    2、辐射的波动性：

电磁波谱电磁波按波长不同顺序排列，称为电磁波谱（Electromagneticwavespectrum）。

λ*ν=3*108ms-1        （2－1）

    3、辐射的粒子性（ParticlenessofRadiation）

    粒子（量子-quantum）的概念：

微观世界的某些物理量不能连续变化而只能以某一最小单位的整数倍发生变化，这些最小单位就称为该量的量子。

    如电子是量子，每个量子的能量为：

  E=h*ν

h=6.63*10-27尔格.秒        （2－2）      

二、物体对辐射的吸收、反射和透射（Theabsorption,reflectionandtransmissionofobjectonradiation）

    物体对辐射的吸收、反射和透射能力，分别以吸收率a、反射率r、和透射率t来表示。

                            吸收率（a）：

    a=Qa/Q

                            反射率（r）：

    r=Qr/Q

                            透射率（d）：

    t=Qt/Q

                根据能量守恒原理，可得：

Q=Qa+Qr+Qt  

                            即  a+r+t=1        （2－3）讨论：

（1）a+r+t=1  给出了物体的吸收率a、反射率r、和透射率t之间的定量关系，

而且,  0≤a≤1，0≤r  ≤1，0≤  t  ≤1  ；

（2）不同的物体，其a、r、t各不相同，它们分别随物体性质的改变而变化；

    （3）同一物质，对不同波长的辐射，其a、r、t也各不相同，这种性质，称为物体对辐射的选择性吸收、反射和透射。

三、辐射的基本定律（BasiclawsofRadiation）定义：

a=1的物体为黑体，a=const<1的物体为灰体。

    1、斯蒂芬--波尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann）：

        E=σT4    （2－4）

σ=5.67*10-5尔格.厘米-2.开-4

意义：

黑体表面的辐射强度E，与其表面绝对温度T的4次方成正比。

    2、维恩（Wien）位移定律        λmax=c/T      （2－5）

C=2.898*10-1厘米.开

意义：

物体的温度愈高，它向外放出辐射光谱中具有最大能量所对应的波长愈短。

    3、基尔荷夫（kirchoff）定律（选择吸收定律）

    在一定温度下，任何物体对于某一波长的放射能力（eλ,T）与物体对该波长的吸收率（aλ,T）的比值，只是温度和波长的函数，而与物体的其它性质无关。

即:

Eλ,T只是波长和温度的函数。

          不同温度下黑体辐射强度与温度的关系

到达大气上界的太阳辐射

一、太阳的光源来源：

氢原子的聚合反应

二、日地关系（Therelationshipbetweenthesunandtheearth）

    1、地球的公转运动：

公转轨道为一椭圆、公转一周的时间为一年。

    2、地球的自转运动：

绕地轴旋转，自转一周为一天。

    3、地轴与地球公转轨道面的交角为66.5°，且地球在公转过程中，地轴方向保持不变。

    4、太阳直射地球的位置（直射点），用太阳赤纬δ来表示。

它在数值上与当地的地理纬度相等。

        -23.5°≤δ≤23.5°

三、太阳常数（Solarconstant）So和太阳辐射光谱（Solarspectrum）

  当日地处于平均距离时,在地球大气上界,垂直于太阳光线方向,单位时间内单位面积上接收到的太阳辐射能,就称为太阳常数,记为So

  　So  ＝1.96卡.厘米－２分－１

＝1367W.m-2

    ＝1.4105  Lux（lx）

四、太阳高度角

    1、太阳高度角（Solarelevationangle）的定义

太阳光线与地平面之间的夹角，称为太阳高度角。

规定：

0°≤h≤90°

    2、太阳高度角的计算方法

某地（φ）、某日（δ）、某时（t）的太阳高度角为：

Sinh=SinφSinδ+CosφCosδCost

特别地，t=0°时，h=90°-φ+δ

五、昼夜形成和日照长短

    1、昼夜形成（thecauseofdayandnight）  昼：

受光的半球  夜：

背光的半球

    2、日照时间长短（Sunshineduration）  昼长（日照时间）：

日出到日落的时间。

    昼夜长短随季节（时间）、纬度的变化，对北半球（φ）≥0°（N）；

        夏半年（δ≥0°，22/3—22/9）

    各地日照时数均≥12小时，且纬度愈高，日照时间愈长，北极圈以内为永昼。

        冬半年（δ≤0°，23/9—21/3）

    各地日照时数均≤  12小时，且纬度愈高，日照时间愈短，北极圈以内为永夜。

太阳辐射在大气中的减弱

太阳辐射通过大气时，分别受到大气中的水汽、二氧化碳、微尘、氧和臭氧以及云滴、雾、冰晶、空气分子的吸收、散射、反射等作用，而使投射到大气上界的太阳辐射不能完全到达地面。

一、大气对太阳辐射的吸收（absorpition）

    太阳辐射穿过大气层时，大气中某些成分具有选择吸收一定波长辐射性能的特性。

大气中吸收太阳辐射的成分主要有水汽、氧、臭氧、二氧化碳及固体杂质等。

太阳辐射被大气吸收后变成热能，因而