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气象学与气候学 第一章绪论 第一节 概念第二节 意义第三节 发展史 第一节概念 大气科学 研究大气结构 组成 物理现象 化学反应 运动规律及其他问题的科学气象学 研究大气现象 风云雨雪干湿雷电 及其状态 温度压强湿度密度 的形成原因 变化规律和时空分布的科学气候学 研究气候的特征 分布 变化 形成及其与人类活动相互关系的学科 概念差别 天气 某一地区在某一瞬间或某一短时间内大气状态 温度 相对湿度气压等 和大气现象 风 云 雨 雪 降水等 的综合 属于短时间内的微观现象 研究对象 地球上的大气气候 是指在太阳辐射 大气环流 下垫面性质和人类活动长时间相互作用下 在某一时段内天气过程的综合 包括平均天气状况 也包括极端天气状况 属于长时间宏观现象 研究对象 气候系统 五大圈 第二节意义 情报服务预报服务气候资源利用人工影响天气 第三节发展史 定性观察和描述 定量深入研究各种大气物理过程20世纪70年代以前 传统气候学20世纪70年代以后 当代气候学 二 天气学 1 定义 研究地球条件下不同的区域内所产生的天气过程 天气系统的成因 演变规律 并在天气预报上应用的科学 2 研究对象 地球上的大气 三 气候学 1 定义 研究地球上气候的形成原因 分布类型 变化规律的科学 2 研究对象 气候系统 五大圈 第二章大气的基本情况 气候系统 是一个由大气圈 水圈 陆地表面 冰雪圈和生物圈等方面组成的物理系统 它决定气候的形成 分布 变化 一 大气圈 一 大气的组成1 干洁大气 N2 O2 O3 CO2等2 水汽3 悬浮着的质粒 固体 液体 成云致雨的必要条件 主要成分 次要成分 水汽 固体杂质 生物体的基本成分 维持生物活动的必要物质 植物光合作用的原料 对地面保温 吸收紫外线 使地球上的生物免遭过量紫外线的伤害 成云致雨的必要条件 对地面保温 干洁空气 O3 N2 O2 CO2 大气各成分的作用 1 干洁大气 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 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 臭氧 O3 臭氧的生成有三条途径 太阳紫外线作用 有机物氧化 雷电作用 臭氧垂直分布 从5 10公里高度出现 向上逐渐增加 20 30公里达最大 再向上逐渐减少 50 60公里高度消失 大气臭氧浓度随高度的变化 臭氧的作用 臭氧的生成与分解 吸收了全部的紫外线 对地面生物起屏蔽作用 关于南极臭氧洞的研究 1 南极臭氧洞的特征a 春季臭氧总量与十年前相比减少了30 40 b 臭氧总量减少主要发生在15 25 的高度 c 春季减少明显 其它季节不明显 d 臭氧减少的同时 平流层下部出现气温下降的趋势 大气中臭氧减少可导致全球气候发生变化 e 臭氧减少是从1974 1979年 七十年代 开始的 南极臭氧洞减少的可能原因 动力学效应 极夜后太阳从地平线上升起 臭氧吸收太阳光 产生上升气流 上升气流使臭氧减少 太阳周期活动 太阳活动极小的年代里 南极O3总量在春末会有明显的降低 化学效应学说 氟氯11和氟氯12化学性能稳定并对人体无害被大量应用 这些物质的消失是到达平流层之后 受波长0 175 0 22的紫外线照射分解 放出氯原子 Cl Cl原子消灭O3 二氧化碳 CO2 CO2的自然来源 燃料的燃烧 有机物的腐化 动植的呼吸 CO2的人为来源 原子武器试验把放射性碳带进大气 化学燃料的燃烧 CO2对太阳辐射吸收甚少 但却能强烈地吸收地面辐射 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 二氧化碳含量逐年递增 冰雪反馈机制 论述CO2浓度增大时的气候变化CO2增多 大气温度上升 冰雪覆盖面积减小 地球反射率减小 地 气系统获得辐射能增多 气温上升 冰雪面积进一步消融 当CO2浓度比现在增加50 就可能使极冰消融 其结果会使北半球高纬年雨量 经流量增大 中纬地区干旱性增强 潮湿的热带地区对流雨要加多 海平面升高20 140厘米 氧 O2 氧是一切生命所必须的 这是因为动物和植物都要进行呼吸 都要在氧化作用中得到热能以维持生命 氧还决定着有机物质的燃烧 腐败及分解过程 植物的光合作用又向大气放出氧并吸收二氧化碳 氮 N2 氮能够冲淡氧 使氧不致太浓 氧化作用不过于激烈 大量的氮可以通过豆科植物的根瘤菌固定到土壤中 成为植物体内不可缺少的养料 近期研究发现雷电是制造天然优质的 氮肥厂 2 水汽水汽主要来源于海洋 江河湖沼和土壤 以及潮湿物体表面的蒸发和植物的蒸腾 大气中的水汽含量极不固定 随时间 地点 条件而不同 其所占容积变化范围为0 4 观测结果表明 在1 5 2km高度 水汽含量只及地面的1 2 在5km高度 只相当于地面的1 10 再往上更少 所以海拔较低 比如海南等地区 降水的发生基本在700hPa以下 3km 水汽含量虽然不多 但它在大气温度变化范围内可以发生汽态 液态和固态三相转化 人们常见的云 雾 雨 雪等天气现象 都是水汽相变的表现 此外 水汽还善于吸收和放射长波辐射 显著影响大气和地表的温度 3 固体杂质大气中悬浮着多种固体微粒和液体微粒 统称大气气溶胶粒子 固体微粒有的来源于自然界 如火山喷发的烟尘 被风吹起的土壤微粒 海水飞溅扬入大气后而被蒸发的盐粒 细菌 微生物 植物的孢子花粉 流星燃烧所产生的细小微粒和宇宙尘埃等 多集中于大气的底层 有许多可以成为水汽凝结的核心 对云 雾的形成起重要作用 同时固体微粒能散射 漫射和吸收一部分太阳辐射 也能减少地面长波辐射的外逸 对地面和空气温度有一定影响 并会使大气的能见度变坏 二 大气的结构 大气的分层 a 大气的厚1 大气的物理上界 按极光出现的高度 大气上界为1200 2 按气体密度估计的大气上界为2000 3000 b 大气质量的垂直分布 50 的大气质量集中在5 以下 75 的大气质量集中在10 以下 90 的大气质量集中在15 以下 95 的大气质量集中在20 以下 C 大气的分层 大气在垂直方向上的物理性质是有显著差异的 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 大气分为五层 对流层平流层中间层热层散逸层 大气的垂直分层 对流层 平流层 上冷下热高空对流 高层大气 二 其他圈层 1 水圈 水圈是指地表上的一切液态水 水圈对气候的影响很大 其中海洋面积最大 在气候形成和气候变化中起的作用最为重要 由于海洋面积大 反射率小 到达地面的太阳辐射80 为海洋表面所吸收 全球海洋表面的平均温度要比全球陆面高10 海洋热容量大 是巨大的能量存储库 仅100米深的海水获得热量占整个气候系统总热量的95 海水的异常必然会导致气候异常 如 厄尔尼诺 4 生物圈 生物圈包括陆地和海洋中的植物 在海洋 陆地 和空气生活的动物 包括人类 生物对于大气和海洋的二氧化碳平衡 气溶胶粒子的产生以及其它与气体成分和盐类有关的化学平衡等有很重要的作用 2 岩石圈 在近代气候变化的时间尺度内 对大气产生作用的主要是陆地表面 特别是其海拔高度和起伏地势构成崎岖下垫面对气候影响复杂多样 3 冰雪圈 全球陆地约有10 6 被冰雪所覆盖 冰具有很大反射率 在冰雪覆盖下 地面与大气间热量交换被阻止 冰雪对地表热量平衡有很大影响 二 有关大气的物理性状一 主要气象要素气象要素是指表示大气属性和大气现象的物理量如气温 气压 湿度 风向 风速 云量 降水量 能见度等等 一 气温概念 表示空气冷热程度的物理量 其温度的高低只与气体分子运动的平均动能有关 单位 目前我国规定用摄氏度 温标 以气压为1013 3hPa时纯水的冰点为零度 0 沸点为100度 100 其间等分100等份中的1份即为1 在理论研究上常用绝对温标 以K表示 这种温标中一度的间隔和摄氏度相同 但其零度称为 绝对零度 规定为等于摄氏 273 15 因此水的冰点为273 15K 沸点为373 15K 两种温标之间的换算关系如下T t 273 15 t 273 二 气压指大气的压强 是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 mm 2 百帕 hpa 毫巴1百帕 hpa 100帕1mm 4 3hpa 1帕 hp 压力相当于1m2面积上受到1个牛顿的力 即 1Pa 1N m2标准大气压 也叫海平面气压 当选定纬度 45 N时 T 0 C 海平面上气压为 P 1013 3hpa 101325hp 760mm水银柱高度 三 湿度概念 表示大气中水汽量多少的物理量 常用 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 和饱和水汽压 E 水汽压 e 大气中水汽本身具有的压力叫水汽压 单位 hpa 饱和水汽压 E 是指饱和湿空气中的水汽压 因为超过这个限度 水汽就要开始凝结 饱和水汽压随温度按指数规律变化 温度越高 E越大 即大气中所能容纳的水汽越多 纯水面饱和水汽压与温度的定量关系式 马格奴斯Magnus E E 10at b t 式中 E 饱和水汽压 E 6 11hpa 气温为零摄氏度时的饱和水汽压值 t 实际气温 a b 经验系数 水面a 7 5 b 237 冰面a 9 5 b 265 5 2 相对湿度 f 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 相互关系式 f e E 100 相对湿度直接反映空气距离饱和的程度 当其接近100 时 表明当时空气接近于饱和 当水汽压不变时 气温升高 饱和水汽压增大 相对湿度会减小 当e不变 温度逐渐上升时 E增大 f值逐渐减小 已出现的云雾会逐渐消散现象 e不变 温度逐渐下降时 E逐渐减小 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 3 饱和差 d 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 饱和差表示实际空气距离饱和的程度 表达式 d E ed 0空气远离饱和状态d 0 E e 空气达饱和d 0空气达过饱和 4 比湿 q 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 气压 p 关系式为q 0 622e p g g 或q 622e p g kg 5 水汽混合比 一团湿空气中 水汽质量与干空气质量的比值称水汽混合比 即 单位 g g 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 概念 当空气中水汽含量不变 气压一定时 使空气冷却达到饱和时的温度 称露点温度 简称露点 Td 单位 K例 某地某日14点时 t 30 E 42 5hpa e 31 7hpa f 31 7 42 5 100 74 58 未饱和 当t由30 降至25 时 E 31 7hpa e 31 7hpa f 100 此时的t 25 即为露点温度值 1 要使空气达到饱和出现露点 首先是降低气温 2 增加水汽含量 使空气出现饱和达到露点 饱和水汽压变化曲线 露点定义 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t td之差 判断空气的饱和程度 当t td t td 0时 饱和 出现凝结现象当t td t td 0时 未饱和 空气干燥当t td t td 0时 过饱和 可能产生降水气温降低达到露点 是导致水汽产生凝结的重要途径 四 降水概念 降水是指从天空降落到地面的液态或固态水 包括雨 毛毛雨 雪 雨夹雪 霰 冰粒和冰雹等 降水量指降水落至地面后 固态降水则需经融化后 未经蒸发 渗透 流失而在水平面上积聚的深度 降水量以毫米 mm 为单位 五 风概念 空气的水平运动称为风 风是一个表示气流运动的物理量 既有大小 风速 还有方向 风向 1 风向风向是指风的来向 地面风向用16方位表示 高空风向常用方位度数表示 即以0 表示正北 90 表示正东 180 表示正南 270 表示正西 在16方位中 每相邻方位间的角差为22 5 2 风速概念 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三者换算关系表 六 云量云是悬浮在大气中的小水滴 冰晶微粒或二者混合物的可见聚合群体 底部不接触地面 如接触地面则为雾 且具有一定的厚度 云量是指云遮蔽天空视野的成数 将地平以上全部天空划分为10份 为云所遮蔽的份数即为云量 例如 碧空无云 云量为0 天空一半为云所覆盖 则云量为5 七 能见度能见度 是指视力正常的人在当时天气条件下 能够从天空背景中看到和辨出目标物的最大水平距离 单位用米 m 或千米 km 表示 二 空气的状态方程空气状态常用密度 体积 V 压强 P 温度 t或T 表示 对一定质量的空气