气象学与气候1.doc

气象学与气候学绪 论大气圈内的多种气体、水汽和固体等物质构成了人类和生物生存的自然空间。紧贴地表的对流层大气的物理现象变化尤其重要，是人类研究环境的重要对象。大气的功能使人类受到保护一、大气与自然地理学的相互关系（1）自然地理学研究内容人类生存活动所必需的自然空间，它在人类社会发展中，所依赖的是自然环境与自然资源之间的相互影响关系。（2）自然地理学包括4个子系统 地质地貌系统 （岩石圈） 大气与大气系统 （大气圈） 水与水圈系统 （水 圈） 土壤生物生态系统 （生物圈） （3）大气圈与各圈层关系 大气圈与岩石圈气候条件通过大气条件的外力作用，对地质、地貌的形成和发展产生着巨大影响。即气条件的外力 地质、地貌 大气圈与水圈 通过大气物理过程、大气运动，对其（水圈）产生深刻影响。即大气物理过程、 大气圈与生物圈 通过各种气候条件，影响和决定各种生存生物的种群及生物生存的生态系统 总结 大气圈不断对生物圈、岩石圈、水圈发生作用， 而他们反过来又直接影响着当地的天气、气候，从而使地表的自然状况处在应有的平衡之中。即岩石、水、生物三圈层对大气圈有反馈作用。二、基本概念大气（atmosphere）：包围地球的圈层气态物质空气，统称为大气。气象（meteor）：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。 气象学（meteorology） 概念-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。 气候学（climatology） 概念：某地气候在太阳辐射、大气环流、下垫面性质和人类活动长时间的相互作用下，某时段内（一般指30年以上）大量天气过程的综合。四个基本特征：（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。 天气（weather）概念某地区，在某短时间内气象要素（气温、气压、湿度等）和天气现象（云、雨、雾等）的综合。微观 （2）气候是长期天气状况的综合。宏观 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。（3）气候具有显著的区域性规律 外地气候规律不能完全适合于本地，而本地气候规律必须据本地气候资料并结合本地的地理环境来进行探索。（4）气候虽具一定稳定性，但仍有变化 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。天气与气候天气的概念：指一个地区短时间内大气 的具体状态。 气候的概念：指一个地方多年的天气平均状况。三、研究对象、任务和发展简史（书上37） 第一章大气概述大气的物质组成（1）干洁空气 （2）水汽 （3）固态、液态颗粒大气由多种气体（干洁空气）和水汽及固体粒子三部分物质组成。（1）干洁空气干洁空气的物质成分，主要由氧(O2)、氮(N2)二种气体组成，还有能引起气温明显增高的微量气体二氧化碳(CO2)、臭氧(O3)二种气体。 0 90 km内的干洁空气各种气体成分比例基本不变，100 km以上氧分子离解为氧原子，250km氮基本离解。 氧 (O2) 占整个大气容积 23.15（五分之一以上）的氧，人们一直认为，是绿色植物的光合作用，补足了大气中因燃烧和生物呼吸作用消耗掉的氧。其实供应大气中氧的主要来源，是在海洋、湖泊等水体表面的浮游生物藻类。 如：海洋中含有定量的氧，并同大气中的氧保持大致的平衡，大气的氧气少了，海洋中的氧气就进来补充。 氧是一切生物生存和消失的基本保证，被人们称为“有生命的气体” 。 氮 (N2) 占整个大气容积 75.52（34以上）的氮，早期来源于小行星与刚形成的地球碰撞产生的气体中，近期研究发现雷电是制造天然优质的“氮肥厂”。 作用： 氮能降低大气氧浓度，缓减氧化作用，并为植物生长时不可缺少的养料。全球每年可从大气中得到 250 万吨氮二氧化碳 (CO2) 占空气容积仅 0.05 的二氧化碳，来源地表火山喷发、燃料燃烧、动植物呼吸及有机物腐败等，主要集中在20km以下大气浅薄底层。含量城市工业中心、火山周围较高，农村较少。 最大特点：对太阳辐射吸收很少，主要吸收和放射长波辐射。对大气有增温作用，被称为“温室气体”，直接干扰气温垂直变化规律，间接影响气候变化。臭氧(O3) 占空气容积微不足道的臭氧，其微不足到的变化，对气温和气候影响十分明显。 来源低层大气有机物的氧化和雷电作用（少量）及高层大气的太阳紫外线作用（大量）。 12km50km含地球大气90的量，被称为“臭氧层”。原因9最大特点：能大量吸收太阳紫外线增暖气温。直接影响气温垂直分布规律，但吸收高层大气大量太阳紫外线使地表生物和人类免遭伤害。 大气臭氧的季节变化和纬度分布大气臭氧的分布随纬度和季节的不同而不同：对纬度而言，臭氧总量的极小值在赤道附近，极大值在南北纬60o附近；就季节而言，春季出现极大值，秋季出现极小值。（2）水汽 来源海洋、江、河、湖泊等各种水体、土壤和潮湿物体表面蒸发和植物蒸腾。 含量1.5km2km为地表一半，5km高度仅为地表110，随高度增加迅速减少。 主要特点：有三相变化，是天气变化中成云致雨主要因素。 能吸收、放射长波辐射增暖气温。 能量转换和物质循环的途径（3）固态、液态粒子 固态微粒 主要来源海浪、风沙、植物及生活生产垃圾。 最大特点：能够充当水汽的 凝结核。 能吸收一部分太阳辐射和阻挡地表 放热，减小气温变化振幅。 液态粒子 来源地表各种水体等。 主要特点：常聚集成云、雾，降低大气能见度。 减弱太阳辐射、地面辐射，影响低层大气温度。大气圈层结构 大气圈下界地表 大气圈上界不同学者研究结果不同。一般按人造卫星探测资料为依据，定为 2000 km3000 km。 世界气象组织（WMO）规定，按气温随高度分布特征，将大气圈分为五层（对流层、平流层、中间层、暖层、散逸层）。其中，对流层贴近地表，对人类影响最大。对流层（troposhere） 对人类生活、生产关系最密切，是气象、气候工作者和不同学科科研人员研究的重点层次。（ 1） 范围： H 010 km，但因各纬度地表热量（气温）分布不同而厚度不均。 低纬度：平均 1718 km 中纬度：平均 1012 km 高纬度：平均 8 9 km 不同区域、不同季节其厚度范围不一。 例：南京夏季厚约15km，冬季厚约11km。（2）对流层特征（三个） 气温随海拔高度增加而降低（用气温垂直递减率（r）表示 即：单位距离内的气温差）。 表达式 ： r dT/dZ = 0.65 /100 m 式 中： 负号表示气温垂直向上减小，而温度取正值；dT为垂直高度内温度的改变量；dZ为垂直高度的改变量。 空气铅直对流运动显著，天气现象复杂多变。 气象要素水平分布不均匀。据不同温、湿度、气流运动、天气变化，对流层可细分为上、中、下三层。 下层（摩擦层）：02 km 特点水汽、尘埃含量最高，气象要素日变化大，低云、雾、霾、浮尘现象频繁，气流交换明显。 中层：26 km 特点受地表影响小，大气降水和云现象发生层。 上层：610 km 左右 特点气温0，水汽含量极少，冰晶、过冷水滴（t 0，仍未结冰的水）组成云，中纬度、热带常出现风速30ms强风带 对流层顶（tropopause）（1）范围： 对流层平流层间过渡层。 厚 度对流层之上几百米2 km （2）特点： 气温随高度增加递减很慢或几乎不变。平流层（stratosphere）（1）范围：对流层顶52 km（2）特点： 平流层下层气温受地面影响很小，在25km处形成高空暖区。臭氧影响 水汽含量少，气流十分平稳。平流层由此得名，是飞机飞行的理想层次。中间层（ mesosphere）（1）范围： 5280 km（2）特点：气温迅速下降, 空气上下垂直对流旺盛，故被称作高空对流层。暖层（ionosphere）（1）范围： 80800 km（2）特点： 气温随高度升高明显，温度梯度较大。O2吸紫外线有关 空气（大气）处于高度电离状态。散逸层（exosphere）（1）范围： 800 km 按气温分布，为离地表最远的大气层。（2）特点：几乎不受地球引力场作用影响，大气质点常能自由散逸到星际空间。 地冕（1）范围：20003000 km22000 km（2）特点：电离气体组成的稀薄大气层。大气圈到星际空间呈逐步过渡状态。大气物理性状 一、基本概念 二、气象要素气温（air temperature） 概念 表示空气冷热程度的物理量。（1）摄氏温标（）（celsius temperature scale） 0100（2）绝对温标（K ）（absolute temperature scale） 273373 K （绝对零度273 K ）（3）华氏温标（ ）（Fahrenheit temperaturescale）很少国家用（美国）32212 三种温标换算： C=59（F32） F95(C32) KC+273 (4)动能与温度成正比,沸点与气压成正气压（atmosphere pressure或 barometric pressure)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（mmHgmm）（2）百帕（hectopascalhpa） 1百帕（hpa）100帕（PascalPa） 1帕 （hp）压力相当于1m2面积上受到1个牛顿的力。即：1Pa1Nm2（3）毫巴（mb）现已基本不用 1mb1hpa100Pa100Nm2 三种气压单位换算：1mb1hpa0.75mm34mm 1mm1.33mb43mb43hpa 标准大气压（也叫海平面气压）： 当选定纬度（）45N时， T=0 ,海平面上气压为：（P）1013.3hpa（101325hp）=760mm湿度（humidity） 概念空气潮湿程度或水汽含量多少的物理量。（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）（water-vapour pressure）和饱和水汽压（E）（saturation water vapour pressure） 大气中水汽本身具有的压力叫水汽压。单位：mm、hpa 饱和湿空气中的水汽压叫饱和水汽压(也叫最大水压）。 单位：hpa饱和水汽压（E）与温度（t）按指数规律变化。温度高E值大，温度低E值小。 降低相同温度，温度高的饱和空气被凝结的水汽多，相反则少。 温度低的未饱和空气，只要降低较少温度，空气很快出现饱和。（2）绝对湿度（a）（absolute humidity） 概念单位体积空气中所含的水汽质量（即水汽密度）。 单位：g/cm3，g/m3。 大气中水汽密度现无法用仪器观测到，往往借助 每天观测的温度（T采用绝对气温）和水汽压（e）值，换算绝对湿度(a)值。 注意：绝对湿度(a)因水汽压(e)的单位不同，而有不同关系式。 e 取 mm，a 取 g/m3单位，其关系式为a=289 e/T 上式假定：摄氏气温16时（地面实际气温）， a=e数值相当。 e 取 hpa，a 取 g/m3单位，其关系式为 a=217 e/T （3）相对湿度（f）（relation humidity） 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。 单位： 相互关系式：f=e/E100%例 e=E 空气饱和 eE 空气处于未饱和状态 eE 空气为过饱和状态凝结降水 由上得到二个事实： e不变，温度逐渐上升，f值逐渐减小。空气由饱和转向未饱 和状态，出现云雾逐渐消散现象（温度愈高，f值愈小，愈 远离饱和；相反愈接近饱和）。 e不变，温度逐渐下降，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（4）饱和差（d）也叫湿度差（saturated odds） 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，mm 饱和差表示实际空气距离饱和的程度。 表达式：dEe d0 空气远离饱和状态 d0（Ee） 空气达饱和 d0 空气达过饱和（5）比湿（q）和混合比（） 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=mw/（md+mw）( 式中：mw湿空气质量，md干空气质量。) 比湿与水汽压（e，hpa）、气压（p，hpa）关系式为 q=0.622e/p （g/g）或q=622e/p （g/kg） 概念：一团湿空气中，水汽质量与干空气质量的比值叫混合比。 单位： g/g ， g/kg 表达式 =mw/md 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（Td）（dewpoint） 概念当空气中水汽含量不变且气压一定时，气温降低到使空气刚好达到饱和时的温度。单位： K 例：某地某日14点时，t30 、E42.5hpa、e31.7hpa、f31.742.510074.58 （未饱和）。 当t由30 降至25 时，E31.7hpa，e31.7hpa，f100，此时的t25 即为露点温度值。 由上证实二个事实 要使空气达到饱和出现露点，首先是降低气温。 增加水汽含量，使空气出现饱和达到露点。 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（td）。可据ttd之差，判断空气的饱和程度。 例： 饱和 f100 ttd ttd0 空气湿润、 出现凝结现象 未饱和 f100 ttd ttd0 空气干燥 过饱和 f100 ttd ttd0 水汽过多、产生降水 气温降低出现露点，是导致水汽产生凝结的重要途径（水汽雨水必经之途）。 风（wind） 概念相对于地表以水平运动为主的空气运动。用风向、风速表示。（1）风向 概念风吹的来向。 南风表示风从南面吹来，一般较暖湿。反之北风表示风从北面吹来，一般较干冷。风有地面风和高空风二种。（2）风速（wind speed） 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云（cloud） 概念由漂浮在大气