气象学与气候学第一章.ppt

气象学与气候学 Meteorology and Climatology,主讲： 刘琰琰 大气科学学院 成都信息工程学院,课程设置,总学时：40学时 参考书目气象学与气候学 主编 周淑贞 高教出版社 考核： 平时成绩占20%，出勤考核（3次以上缺勤总成绩视为不及格）、作业 闭卷考试成绩占80%,课程内容,为什么要学习气象学与气候学,从专业角度讲 地理信息系统和遥感技术在气象方面的应用 环境科学专业的一个重要知识组成部分 就业优势 从应用角度讲 本课程与人类的生产生活有着密切联系,课程目标,掌握大气中的物理现象、物理过程和大气运动的基本原理 掌握天气演变和气候的形成、分布、变化的基本原理 了解人类对天气的影响和改造的基本原理,课程的学习目的与基本要求,主要讲授：气象、天气、气候的基本知识、基本理论和有关观测的技能和方法。 基本掌握：大气物理性状、大气的热能学、大气水分与大气运动、天气系统和天气过程 重点掌握：气候的形成和分布的规律；了解气候变化和人类活动对气候的影响，并通过实践初步掌握气象观测技能和方法。,第一章 引论,一 气象学与气候学的研究对象与任务及简史 二 气候系统概述 三 有关大气的物理性状,一 气象学与气候学的研究对象与任务和简史 1.1 有关气象学与气候学的基本概念 1.2 气象学与气候学的研究对象 1.3 发展简史,基本概念 1,大气 atmosphere 包围地球的圈层气态物质空气，统称为大气 气象 大气中的冷、热、干、湿、风、云、雨、雪、 雾、霜、雷电、光等各种物理现象和物理过程的统称。,本学科的研究对象主要包括三个, 即:气象学、天气学和气候学,气象学（Meteorology） a. 气象学的定义 运用物理学原理和数学物理方法，研究发生于大气中一切物理性质、物理现象和物理过程的大气学科。 物理现象：风、云、雨、雪、雹、冷暖、干湿、光、电、声等现象。 物理过程：大气中增温、冷却、蒸发、凝结的过程。,物理现象,大气中的光现象,积雨云降雨已移过测站，但云的后部仍在下雨，被太阳照射之后，由于雨滴对阳光的折射和反射作用而形成内紫外红的虹（一次反射，两次折射）。同时也出现明显的内红外紫的霓（两次反射，两次折射）。霓弱于虹,物理现象,物理现象,天空中的圆月被一层薄云遮盖，月光透过薄云时，产生衍射而形成了彩色光环的华。,高积云的边缘已遮住了太阳，由于云中水滴对阳光的衍射而形成内蓝外红的华。,根据华环直径的变化，可以预测天气。如果华环逐渐扩大，表明云里水滴、冰晶因为蒸发而在变小，所以不会下雨，或者晴天就将来临。 如果华环直径在缩小，表明云里水滴、冰晶在逐渐增大，云层逐渐增厚，天气将转阴雨。民间说：“大华晴，小华雨。”,物理现象,云层薄而均匀，阳光透过云层形成一个晕圈，在太阳两侧的晕圈上出现两个光斑，叫做“幻日”、“假日”。Sun dogs,飘浮在空中的六角形柱状的冰晶体，偶尔会整整齐齐地垂直排列在空中。当太阳光射在这一根根六角形冰柱上，就会发生非常规律的折射现象。,物理过程,CO2增加可使大气增温。,物理过程,地球上的水汽循环,b. 气象学的研究对象 地球上的大气 其中主要内容有： （1）大气一般的组成、范围、结构及各种要素等； （2）大气现象的发生、发展及能量来源； （3）探求大气现象的本质及其变化规律； （4）将大气现象中的规律应用于实践。,气象学因国民经济建设和人民生活要求，已形成众多分支（大气物理学，天气学，气候学，农业气象学，水文气象学，航空气象学；各类建设和生活需求海洋预报、台风预报、沙尘暴预报、紫外线预报，穿衣指数、晾晒指数、舒适度指数、大气环境指数、孝喘指数）。,概念 2,天气 某一地区在某一瞬间或某一段时间内大气状况和大气现象的综合。 大气状态：大气的气压、气温和湿度等。 大气现象：大气中的风、云、雾、雨、雪等现象。 天气预报：气温、相对湿度、露点、气压、风速及风向、云覆盖度、降水等 例如：三亚市某日的最高气温30C，最低气温20C ，午后有雷阵雨，这些都属于天气现象。 “今天天气很好，风和日丽，晴空万里；昨天天气很差，风雨交加”等等,天气学 a.天气学的定义: 天气学是研究一定地理条件下，不同区域内所产生的天气系统、天气过程的成因演变规律，并在天气预报上应用的科学。 天气系统：引起天气变化和分布的高压、低压、高压脊和低压槽等。 天气过程：天气系统的发生、发展、消失和演变的全过程。 天气预报：人们根据对天气演变规律的认识，利用多种观测及模拟手段，对未来一定时期内天气变化作出主、客观的判断。 b.天气学的研究对象: 地球上的天气。,天气系统,气候 Climate 在太阳辐射、大气环流、下垫面性质和人类活动的长期作用下，在某一时段内大量天气的综合。不仅包括该地多年的平均天气状况，也包括某些年份偶尔出现的极端天气状况。,概念 3,气候学 Climatology a.气候学的定义 气候学是在一定时段内由大量天气过程综合而得出的大气过程，是该时间段内全部气候成分的平均统计特征, 广义上讲是大气科学、海洋学、地球物理和地球化学、地理学、地质学、冰川学、天文学、生物学以及有关的社会科学相互渗透和共同研究的交叉科学。 b.气候学的研究对象：地球上的气候。 气候系统内各成员相互作用，气候形成和变化过程，气候变化的机制。（气候） 探索气候变化与人类活动的相互关系。（气候与人）,三部分的关系： 气象学是基础，天气学是纽带，气候学是综合。,1.气候和天气关系密切，却是既有联系又有区别的二个不同概念： a. 天气:一个地区短时间内大气 的具体状态。 例如：三亚市某日的最高气温30C，最低气温20C ，午后有雷阵雨 b. 气候：指一个地方多年的天气平均状况。 例如：在中国，东部地区7月较为闷热；北方地区1月和2月多严寒天气；某市年平均气温为25C，昆明四季如春，这些都属于气候现象。,2.气候是长期天气状况的综合，但不是天气状况的简单平均 天气过程短期过程。 天气特征瞬息万变的不稳定特性。 气候过程长期天气过程。 气候特征相对稳定特性。 气候虽具一定稳定性，但仍有变化 例如：南京春末初夏出现常规梅雨气侯，但有些年份则出现无雨的空梅或雨量过多的梅雨现象。,3.变化周期不同: 天气：变化快，周期短。 短期天气过程：5天； 中期天气过程：5-10天； 长期天气过程：10天-3个月。 气候：变化慢，周期长。 主要分：年、十年、百年、千年、万年 例如：大冰期-120万年； 中国明清时代的寒冷期长达500年。,天气与气候的差异,30,31,研究任务和内容: P3 （一）通过实践，掌握气象观测、气候统计分析和气候调查的方法，来记述所观测到的气候现象，从定性和定量两方面说明他们的特性。 （二）探讨它们的正确解释和研究它们的发展规律，特别要掌握天气演变和气候形成的规律性，了解和解释各不同地区的气候特征，弄清气候资源及其地理分布，进行气候分类和气候区划，研究气候变迁的原因及其规律。 （三）应用已发现的规律，采取有效措施，充分利用气候资源，减少人类活动对气候的不利影响，防御或减少气候灾害，为有关的生产建设服务。 （四）气象学、气候学与自然地理学、环境生态学和区域地理等有密切的依存关系，在教学中还应注意为这些有关后续课程奠定必要的基础。,1、掌握方法、记叙现象，说明特征；,2、探讨规律，弄清分布，进行区划；,3、应用规律，采取措施，防御灾害；,4、为有关后续课程奠定基础。,气象学与气候学的发展简史,1. 萌芽时期 时间：16世纪中叶以前 特点：由于人类生活和生产的需要，进行一些零星的、局部的气象观测，积累一些感性认识和经验，对某些天气现象做出一定的解释 在我国 在国外,在我国： 三千年前殷代甲骨文中出现关于大气现象的记载 春秋战国时期确定二十四节气 秦汉时出现世界上最早关于物候的文献吕氏春秋、淮南子和礼记等 风向器、湿度计的发明和应用，始自汉代的雨量和水旱灾记录丰富、历史最悠久 积累了大量的预知未来天气的天气谚语,星星密，雨滴滴。 星星稀，好天气。 星星明，来日晴。 蜜蜂归窠迟，来日好天气。 鱼儿出水跳，风雨就来到。 水缸穿裙，大雨淋淋。 朝霞不出门，晚霞行千里。 三月三，脱了棉袄换布衫。,日落乌云涨，半夜听雨响。 日落胭脂红，非雨便是风。 日落云里走，雨在半夜后。 天上跑台云，地上雨淋淋。 西北起黑云，雷雨必来临。 云自东北起，必有风和雨。 有雨山戴帽，无雨山没腰。 天上鱼鳞斑，晒谷不用翻。,天气谚语,国外气象学的萌芽： 公元前4世纪希腊哲学家Aristotle著有气象学一书 古希腊人认为地球上由于太阳光线倾斜角度的不同，才产生气候的差异，并建立了关于热带、温带和寒带的概念 在这一时期，气象学和天文学是混在一起的，可以说具有天象学的性质,2. 发展初期 时间：16世纪中叶到19世纪末 特点： 各学科的发展为气象学与气候学的发展奠定了理论基础 气象观测仪器的发明，地面气象观测台、站相继建立，形成了地面气象观测网；并因无线电技术的发明，能够开始绘制地面天气图 由于具备了上述条件，气象学、气候学乃与天文学逐渐分离，成为独立的学科。,主要成果 发明诸多气象观测仪器 1593年，意大利学者伽利略发明温度表 1643年，意大利学者托里拆利发明气压表 1653年，意大利北部建立了第一个地面气象观测站 1783年，索修尔发明毛发湿度表 1860-1865年间各国纷纷绘出了天气图,伽利略,温度计,托里拆利,气压计,主要成果 研究成果 关于海平面上风压关系定律、气旋模式和结构、大气中光电现象和云雨形成的初步解释、大气环流的若干现象解释等 出版比较有质量的世界范围内的气候图 1983年，德国学者汉恩出版了世界上最早的气候学巨著气候学手册,3. 发展时期 时间：20世纪以来 特点：随着生产发展的需要和技术的进步，不但进行地面气象观测，也进行高空直接观测，从而摆脱了定性描述阶段，进入到定量试验阶段，从认识自然，逐步向预测自然，控制和改造自然的方向发展。这一时期又可分为早期和近期两个阶段。 a. 早期 时间：20世纪前50年 特点：利用传统探空工具，观测开始向高空发展，为高空气象学的发展奠定了基础。,主要成果,我国： 竺可桢，气象台站和雨量站的建立。偏重于我国气候区划和季节的划分，以及对我国的季风、寒潮、台风和旱涝问题的研究。,一丝不苟座右铭 排万难冒百死以求真知做人原则 博学之，审问之，慎思之，明辨之，笃行之处世原则,b.近期 时间：20世纪50年代以后 主要特点表现为： 大规模的观测实验； 对大气物理现象进行数值试验； 把大气作为一个整体进行研究； 气候学领域的科学革命。,二 气候系统概述 2.1 气候系统组成 2.2 大气圈（组成和结构） 2.3 水圈、陆面、冰雪圈和生物圈,气候系统：一个包括大气圈、水圈、陆地表面、冰雪圈和生物圈在内的，能够决定气候形成、气候分布和气候变化的统一的物理系统。,45,2.1 气候系统组成,气候系统：一个包括大气圈、水圈、陆地表面、冰雪圈和生物圈在内的，能够决定气候形成、气候分布和气候变化的统一的物理系统。,大气圈：气候系统的主体，最可变的部分。 水圈：主体是海洋，海洋在气候形成变化中起着十分重要的作用（面积大，比热大，含有大量盐分，水汽蒸发旺盛等）。 岩石圈：影响较缓慢。 冰雪圈：致冷致干效应。 生物圈：反映灵敏，变化是可见的。,46,2.1 气候系统组成,2.2 大气圈,大气圈是指因地球的引力而聚集在地表周围的气体圈层。 大气圈无色无味，那么它是否真的存在呢？,大气圈存在的主要证据或现象,大气圈存在的主要证据或现象: a.蓝色的天空 这是由于大气中的一些非常细小物质成分，如气体、粉尘等非球形微粒，它们的直径较阳光的波长小得多，因此，蓝色的散射量较之于其他任何一种颜色能更多地被选择散射。这种散射称瑞利散射。,b.白云 如果形成散射的粒子的形状是球形的，而且其直径并不比阳光的波长小，所有的波长都是平均地被散射的，这种散射称迈耶散射。因此，云是白色的。,c.风 有风就说明有物质的存在，因为风是由于大气不同部位的压力差别造成的。如果在真空中就不会有风了。,没有大气保护的月球表面,太空中的飞船,返回舱,神州飞船返回舱,返回舱着地后表面留下了与大气摩擦、烧蚀的痕迹,1. 大气的组成 a. 大气圈的总质量： 51018 kg b. 大气密度： 1293g/m3 (气压 1013.25hPa，0) c. 主要成分： d. 成分的分类及其特点： （1）恒定组分：氮、氧、氩 （2）可变组分：二氧化碳、臭氧、水蒸汽 （3）其他组分：粉尘、硫氧化物、氮氧化物,大气的组成,地球大气气体的组成,350ppm 387ppm,干洁大气的主要成分： O2、N2 、 CO2 、O3 O2的作用 （1）用于呼吸作用维持生命，新陈代谢 （2）有机物燃烧、腐化、分解 （3）植物光合释放氧气 N2的作用 （1）冲淡氧气，控制氧化速率 （2）固氮，植物养料 CO2的来源及作用 来源：有机物燃烧，腐烂和生物呼吸 作用：温室气体，植物光合作用原料,O3的来源 来源：高空臭氧、低空臭氧 氧分子 光解作用 为氧原子, 再 化学反应与另外的氧分子结合 O2O+O2O3 臭氧的形成过程在大气层中主要由太阳紫外辐射来完成，少量是由于有机物的氧化、雷电和火山喷发等而产生的。 O3层的破坏：主要为CFC 氯氟烃的英文名称Chloro-fluoron-carbon 臭氧层空洞 南极上空的臭氧层空洞是指每年的8月下旬至10月上旬，在2025公里高度的南极大陆上空，臭氧总量开始减少并出现空洞, 10月初空洞面积最大，可达2,000多万公里，覆盖了整个南极大陆及南美洲南端的上空； 11月份臭氧浓度才重新增加，臭氧层空洞也逐渐消失。,由三个氧原子组成，平均含量为0.010.1ppm，大部分集中在1030km的平流层，对流层臭氧仅占10%。臭氧在地球大气化学中起着非常重要的作用，臭氧通过吸收太阳辐射维护地球的能量平衡和生态平衡。,臭氧O3 (Ozone),臭氧层的破坏与保护,南极上空的臭氧层空洞就像一个巨大的蓝色水滴,9月16日为 国际保护臭氧层日,水汽 （1）水汽的来源：蒸发和蒸腾作用 （2）水汽的时空分布： 地面高空，热带极地，海洋沙漠，夏季冬季 （3）水汽的作用：云和降水的源泉 影响地面、空气温度及大气垂直运动,大气中的水分循环,大气中的水分循环类型及环节、作用 海陆间大循环：是在海洋与陆地之间，其环节包括蒸发、水汽输送、凝结降水、地表径流、下渗、地下径流。作用是使陆地水不断得到补充，水资源得以再生，是最重要的循环，又称大循环。 陆地内循环：陆地与陆地上空之间，其环节包括蒸发、植物蒸腾、凝结降水等。作用是补给陆地水体的水量，但所占份额较少。 海上内循环：海洋与海洋上空之间，其环节包括蒸发、凝结和降水等。作用是水循环的水量最大，对于全球的热量输送有着重要意义。,水分循环意义和作用 （1）联系调节作用：地球上的各种水体通过蒸发（包括植物蒸腾）、水汽输送、降水、下渗、地表径流和地下径流等一系列过程和环节，把大气圈、水圈、岩石圈和生物圈有机地联系起来，构成一个庞大的水循环系统。 （2）平衡更新作用：在水循环系统中，水在连续不断地运动、转化，使地球上各种水体处于不断更新状态，从而维持全球水的动态平衡。 （3）迁移交换作用：水循环还促使自然界物质的运动和能量的转化，从而使地球表层各圈层之间，以及陆地和海洋之间实现物质的迁移和能量的交换。 （4）影响塑造作用：水循环运动影响着全球的气候和生态，并且使水成为自然界最高动力作用的因子之一，不断地塑造着地表。,水循环对自然环境的影响 水循环影响气候变化，通过蒸发进入大气的水汽，是产生云、雨和闪电等现象的主要物质基础，空气中的水汽含量会直接决定区域的湿润状况。 水循环使得不同时段、不同地域内的水热状况得到重新分配，如水通过蒸发形式在某个时间和地区将太阳辐射转变为潜能，经过水循环，在另一个时间和地区内又通过降水形式将潜能释放。 （海洋中的暖流由低纬地区流向高纬地区时区时所释放的热量提高了周围地区的气温，寒流由高纬地区流向低纬地区时吸收了热量，降低了周围地区的气温。） 水循环还可使部分海洋水汽流随大气流深入大陆内部，虽然数量不多，但也能在一定程度减轻内陆的干燥程度，改变其自然景观。,气溶胶（Aerosols） 空气中悬浮的固态或液态颗粒的总称，能在空气中滞留至少几个小时。 尺度：10-3102m 数密度： 102106个/cm3 城市农村，陆地海洋，冬季夏季 作用：形成云、雾，降水条件 改变辐射平衡 造成大气污染，能见度降低 造成光学现象,来源：自然源和人为源,海水溅沫,气溶胶可以从两方面影响气候： 通过散射辐射和吸收辐射产生直接影响， 作为云凝结核或改变云的光学性质和生存时间而产生间接影响。,气溶胶放大照片,大气的结构,a. 对流层 厚度：平均1113km，赤道1718km，两极89km。 质量：约占大气圈质量的75。 气温：从下向上是降温的，大气降温率（气温直减率）是6.5 /km，对流层顶约-83 。 大气运动：空气具有强烈的对流、乱流运动。 成分：含水蒸气、尘埃，气象要素水平分布不均匀。 气象现象：风、霜、雨、雪、雹、雾等。 b.平流层 高度：从对流层顶到55km左右。 质量：几乎占大气圈质量的25。 气温：从下向上是升温的，到平流层的顶温度升到0 。 大气运动：水平运动，没有强烈的对流运动，天气多是晴朗的，飞机在此层飞行不易颠簸。 成分：几乎不含水蒸气、尘埃，存在数层臭氧层。 无天气现象。,c.中间层 高度：从平流层顶到8090km。 气温：从下向上是降温的，到中间层的顶温度降到-113-83 。 大气运动：有相当强烈的垂直运动。该层的60-90km高度上有一个只在白天存在电离层（D）。 d.暖层（热层、热成层） 高度：从中间层顶到800km（观测约在250-500km）。 气温：从下向上迅速升温，到300km高空，温度达1000 。（高纬度地区的晴夜，可以出现彩色的极光） 存在多层的电离层（E、F、G），也称电离层，反射无线电波。 e.散逸层（外层） 高度：从暖层顶到外层空间。 物质多以原子、离子状态存在。 是地球物质向宇宙空间扩散的部位。,各层的温