气候学第一章.ppt

气候学 马轮基广西壮族自治区气象培训中心0771 5894074malunji 2 关于教材 气象与气候学 气象与气候学 第一版于1979年问世 1985年出第二版 1997年第三版 1982年本书第一版获国家优秀教材纪念奖 1988年本书第二版获国家教委颁发的优秀教材二等奖 周淑贞 女 江苏南京人 1938年毕业于中央大学地理系 曾任上海交通大学讲师 解放后任上海航务学院副教授 华东师范大学教授 总共16学时 重点讲授第一章引论的1 2节 第六 七 第八章 3 课时分配计划 第一章引论 1学时 第二章大气的热能和温度 0学时 第三章大气中的水分 0学时 第四章大气的运动 0学时 第五章天气系统 0学时 第六章气候的形成 5学时 第七章气候带和气候型 5学时 第八章气候变化和人类活动对气候的影响 5学时 安排3次作业 学习结束后闭卷考试 4 第一节气候学的研究对象 任务和发展简史 由于地球的引力作用 地球周围聚集着一个气体圈层 构成了所谓大气圈 人类就生活在大气圈底部的 下垫面 上 大气圈是人类地理环境的重要组成部分 强大的太阳辐射是地球上最重要的能源 大气中所发生的一切物理 化学 现象和过程 除决定于大气本身的性质外 都直接或间接与太阳辐射和下垫面有关 这些现象和过程对人类的生活和生产活动关系至为密切 5 气象学 定义 专门研究大气现象和过程 探讨其演变规律和变化 并直接或间接用之于指导生产实践为人类服务的科学 基本内容 1 把大气当作研究的物质客体来探讨其特性和状态 如大气的组成 范围 结构 温度 湿度 压强和密度等等 2 研究导致大气现象发生 发展的能量来源 性质及其转化 3 研究大气现象的本质 从而能解释大气现象 寻求控制其发生 发展和变化的规律 4 探讨如何应用这些规律 通过一定的措施 为预测和改善大气环境服务 如人工影响天气 人工降水 消雾 防雹等 使之能更适合于人类的生活和生产的需要 6 气象学的分支 1 专门研究大气物理性质及其变化原理的大气物理学 2 着重讨论天气现象及其演变规律 并据以预报未来天气变化的天气学 3 与地理和环境关系最密切的气候学 其他 应用气象学 污染气象学 雷达气象学 科学分类 自然科学 地球科学 大气科学北京大学 南京大学 中山大学的气象系在二十世纪八十年代中期纷纷改称 大气科学系 7 大气科学的学科分类代码 170地球科学170 15大气科学170 1510大气物理学 包括大气光学 大气声学 大气电学 云雾物理学 边界层物理学 中层物理学等 170 1515大气化学170 1520大气探测 包括大气遥感 170 1525动力气象学 包括数值天气预报与数值模拟等 170 1530天气学170 1535气候学170 1540云与降水物理学170 1545应用气象学170 1599大气科学其他学科 8 天气和气候 两个既有联系又有区别的概念 气候学研究的对象是地球上的气候 从时间尺度上讲 天气是指某一地区在某一瞬间或某一短时间内大气状态 如气温 湿度 压强等 和大气现象 如风 云 雾 降水等 的综合 天气过程是大气中的短期过程 气候指的是在太阳辐射 大气环流 下垫面性质和人类活动在长时间相互作用下 在某一时段内大量天气过程的综合 不仅包括该地多年来经常发生的天气状况 而且包括某些年份偶尔出现的极端天气状况 9 天气与气候的概念差异 天气过程的时间分段一般以5天以下为短期天气过程 5 10天为中期天气过程 10天 3个月为长期天气过程 气候变化的周期相对于天气来讲是较长的 它的时间变化尺度有季际 年际 十年际 百年际 千年际 万年际等等 而决定气候变化的因子不仅是大气内部的种种过程 还决定于发生在大气上边界和下边界处的各种物理过程和化学过程 10 秦大河报告中的天气与气候 天气是指短时间 几分钟到几天 发生的气象现象 如雷雨 冰雹 台风 寒潮 大风等 气候是指长时期内 月 季 年 数年 数十年和数百年等 天气的平均或统计状况 通常由某一时段的平均值以及距平均值的离差 距平值 表征 主要反映一个地区的冷 暖 干 湿等基本特征 11 气候系统的概念 一个完整的气候系统应包括对气候形成分布和变化有直接或间接影响的各个环节 除太阳辐射这个主要能源之外 气候系统包括大气圈 水圈 冰雪圈 陆地表面和生物圈 动 植物和人类 等5个子系统 各个子系统内部以及各子系统彼此之间的各种物理 化学乃至生物过程的相互作用决定着气候的长期平均状态以及各种时间尺度的变化 12 盖特斯 Gates 的 气候 定义 某一地区的气候状态 该地气候系统的全部成分在任一特定时段内的平均统计特征 优点 1 它指出气候的物质基础是气候系统 而不仅仅是大气 这和天气系统是有区别的 2 气候是一个历史的概念 它和特定的时间阶段相联系 而不存在绝对气候的概念 3 某一时段的气候状态是指这一时段气候系统各属性的平均统计特征 不像天气是指某一瞬时或某一短时间内大气状况和大气现象的综合 气候是发生在一定下垫面之上的 带有地方特点 现代气候学从概念上已经不再是气象学或地理学的一个分支 而是大气科学 海洋学 地球物理和地球化学 地理学 地质学 冰川学 天文学 生物学以至有关社会科学相互渗透 共同研究的交叉科学 13 气象学与气候学的萌芽时期 萌芽时期 主要指16世纪中叶以前这一漫长时期 这时期的特点是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 积累了一些感性认识和经验 对某些天气现象做出一定的解释 远在三千年前 中国殷代甲骨文中已有关于风 云 雨 雪 虹 霞 龙卷 雷暴等文字记载 公元前4世纪希腊大哲学家亚里斯多德 Aristotle 所著 气象学 Meteorolosis 一书 约在公元前350年 综合论述水 空气和地震等问题对大气现象也作了适当的解释 14 气象学与气候学的发展初期 发展初期 包括16世纪中叶到19世纪末 随着当时工业革命的需求 物理学 化学和流体力学等学科也快速发展起来 气象观测仪器纷纷发明 地面气象观测台 站相继建立 形成了地面气象观测网 无线电技术发明后 能够绘制地面天气图 1593年意大利学者伽利略发明温度表 1643年托里拆利发明气压表 1783年毛发湿度表诞生 1653年在意大利北部首先建立气象台 15 1854年 英法与帝俄在克里木半岛发生战争 英法联军舰队在黑海途中因风暴失事 近于全军覆没 1860 1865年间各国纷纷绘出了天气图 发展初期的主要研究成果有 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 从19世纪开始 陆续出版了一些比较有质量的气候图 如世界年平均气温分布图 世界月平均气压分布图 世界年降水量分布图等 德国学者汉恩 Hann 于1883年开始陆续出版了 气候学手册 三大卷 是气候学最早的巨著 16 在发展初期 中国的气象事业完全是半殖民地性质的 最早在中国境内用近代气象仪器进行气象观测的是法国传教士 法国传教士于1743年在北京设立测候所 从1830年起俄国又断断续续地派人来北京开展气象观测 1873年法国天主教会在上海徐家汇创建观象台 1893年德国人在山东青岛建立青岛观象台 此外还有在英国人掌握之下的海关测候所等共43处 17 气象学与气候学的发展时期 20世纪至今是气象学与气候学的发展时期 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 18 1 发展时期的早期 在20世纪的前50年 这时气象观测开始向高空发展 以风筝 带人气球及火箭等为高空观测工具 其所到达的高度当然是有限的 但已为高空气象学的发展奠定了基础 气象学的三大重要进展 锋面学说 长波理论 降雨学说 略 气候学的突出表现 创立了气候型的概念和多种各具特色的气候分类法 柯本 桑氏威特 阿里索夫 1930 1940年间柯本和盖格尔出版了五卷 气候学手册 发展了动力气候学 对贴近地面层的小气候研究逐步精确化和定量化 19 2 发展时期的近期 20世纪50年代以后为近期 由于电子计算机 雷达 激光 遥感及人造卫星等的使用 促进了气象学与气候学的发展 1 开展了大规模的观测试验 2 对大气物理现象进行数值模拟试验 3 把大气作为一个整体进行研究 4 气候学领域中的科学革命 20 气候学领域中的科学革命 自本世纪70年代以来 气候异常现象频繁出现 已引起各国广泛的重视 再加上现代科学技术的迅速发展 气候学发生了重大变革 1979年在日内瓦召开了第一次世界气候大会 很多国家制订了国家气候计划 开展气候研究 国际上成立了政府间气候变化专业委员会 IPCC 1992年4月在巴西召开了 世界环境与发展大会 提出了 世界气候框架公约 通过气候模式来研究不同时间尺度 一个季节 一年 十年或更长时间 和不同空间尺度 地区 区域和全球 气候的可预报性问题 21 发展时期的中国气象事业 竺可桢在1927年创立了气象研究所 次年在南京北极阁建立气象台 这是继1913年北京成立观象台之后 我国自己设置的第二个设备较好的气象观测机构 此后20余年中 国内陆续建立了40多个气象站和100多个雨量站 开展了少数城市的高空探测 天气预报和无线电广播等业务 解放后第一个五年计划期间 全国共建立了各级气象台站1378个 目前 中国气象局有5万多职工 有2600多个气象台站 拥有两个类型的气象卫星 数值预报等 我国是世界气象组织的重要成员国 1987年2月成立了国家气候委员会 22 第二节气候系统概述 气候系统是一个包括大气圈 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 太阳辐射是这个系统的能源 在太阳辐射的作用下 气候系统内部产生一系列的复杂过程 这些过程在不同时间和不同空间尺度上有着密切的相互作用 通过物质交换和能量交换 各个组成部分之间紧密地结合成一个复杂的 有机联系的气候系统 大气圈是气候系统主体部分 也是最可变的部分 水圈 陆地表面 冰雪圈和生物圈都可视为大气圈的下垫面 23 气候系统的示意图 太阳 短波 辐射 陆地 长波 辐射 冰川和积雪 吸收反射发射 云 风 火山喷发 气体和火山颗粒 气 冰相互作用 海冰 海 气相互作用 径流 人类活动 陆面过程 湖泊与河流 洋流 冰 海洋相互作用 25 大气圈概述 大气是由多种气体混合组成的气体及浮悬其中的液态和固态杂质所组成 氮 N2 氧 O2 和氩 Ar 三者合占大气总体积的99 96 其它气体含量甚微 大气中水汽含量虽不多 但它是天气变化中的一个重要角色 具有气体 液体 固体三相的变化 大气中的二氧化碳 甲烷 一氧化二氮等都是温室气体 它们对太阳辐射吸收甚少 但却能强烈地吸收地面长波辐射 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 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 1 对流层 2 平流层 3 中间层 4 热层 5 散逸层 26 27 水圈概述 水圈包括海洋 湖泊 江河 地下水和地表上的一切液态水 其中海洋在气候形成和变化中的作用最为重要 海洋是由世界大洋和邻近海域的含盐海水所组成 其总面积为3 6亿km2 约占地球表面的71 相当于陆地面积的2 5倍 海洋对太阳辐射的反射率比陆面小 海洋单位面积所吸收的太阳辐射能比陆地多25 50 到达地表的太阳辐射约有80 被海洋吸收 海水还溶解一些的大气中的各种气体 其中以O2和CO2对海洋生物过程和气候过程十分重要 28 海陆分布图 课本13页的图是按照南北半球来画的 29 陆面概述 陆面亦称岩石圈 岩石圈的变化时间尺度甚长 山脉形成的时间尺度约为105 108a 大陆飘移的时间尺度约为106 109a 而陆块位置和高度变化的时间尺度则更在109a以上 这些特征对地质时期的气候变化是有巨大影响的 但对近代在季节 年际 十年际乃致百年际的气候变化中是可以忽略的 陆地表面具有不同的海拔高度和起伏形势 可分为山地 高原 平原 丘陵和盆地等类型 地表土壤作为大气中微粒物质的一个主要来源 在气候变化中产生巨大的影响 30 冰雪圈概述 冰雪圈包括大陆冰原 高山冰川 海冰和地面雪盖等 目前全球陆地约有10 6 被冰雪所覆盖 海冰的面积比陆冰的面积要大 但海冰仅占海洋面积的6 7 冰雪具有很大的反射率 在冰雪覆盖下 地表 包括海洋和陆地 与大气间的热量交换被阻止 因此 冰雪对地表热量平衡有很大影响 是气候系统中的一个重要子系统 31 生物圈概述 生物圈