第三章 气象气候

第三章

大气圈和气候系统地球大气的起源：大气演化第一代大气(约46-36亿年前)46亿年前，地球原始大气由氢、氦(宇宙中发现)和氢的化合物如甲烷和氨组成。初期地球炽热的地表，使这些气体获得较高能量，他们大多从地球逃逸第二代大气(约36亿年-数亿年前)最初地球和小行星的剧烈碰撞产生高温，使地球内部的水汽、氧和二氧化碳等释放出来。由于地球引力够大，这些气体被吸引住。第二代大气组成约：80%的水汽、10%的二氧化碳、以及氮气等第三代大气：现代大气(数亿年前至今)组成：(1)混合气体—干空气（dryair），主要组成为氮气、氧气、氩和二氧化碳(2)水之三相(水汽、水粒、冰粒)—云雾（cloud/fog）(3)固态或液态之其他小颗粒子—气溶胶（aerosol）第一节

大气的组成和热能

一、大气的成分大气主要成分：约78%的氮气、21%的氧气，这个比例在0～80公里的大气层几乎不变氮气和氧气氮气：土壤细菌靠生物过程耗费氮气，但是动植物腐烂放出氮气回到大气。氧气：与其他物质生成氧化物或呼吸作用放出二氧化碳都使氧气耗减，但太阳光使二氧化碳和水经过光合作用使氧气增加。水汽空气中不可见,变化大。成云可见。唯一三态存在的东西。水汽重要性在于：①可成云致雨；②释放潜热；③温室气体。二氧化碳生成：主要是植物腐烂、火山喷发、动物一生的呼气，燃料燃烧(如石油、天然气等)、毁林(燃烧、遗弃腐烂)等。清除：光合作用，CO2储存到植物体内，海洋是个大储库，浮游植物吸收CO2进入组织器官，溶入海表水，在混合到深水层。海洋CO2的储量是大气总量的50多倍。Hawaii观测站（MaunaLoaObservatory）图中显示二氧化碳季节变化是由于北半球大陆上的植被冬枯夏荣的结果。二氧化碳也是温室气体。其它还有：CH4、N2O、氟里昂等甲烷有机废物被填埋后，在高温和细菌的作用下向外界释放大量甲烷；天然气管道；采煤中煤层深处的甲烷被释放；牲畜粪便发酵；反刍动物的肠气。增长量在过去一个世纪每年约0.5%。一氧化二氮（N2O）又称笑气，因为吸入一定浓度的这种气体后会引起面部肌肉痉挛，看上去像在发笑一样，主要是使用化肥和燃烧化石燃料和生物体所产生的。每年浓度以0.25%的速率增加。太阳紫外线可以使它分解。

氟里昂应用广泛的化工原料，如冰箱、空调制冷剂，杀虫剂的分散剂，橡胶、塑料制品的添加剂等。氟里昂—美国杜邦公司最得意的产品之一。不易燃烧，不具腐蚀性，无毒，性能稳定，价格便宜。1个氟立昂分子大约会破坏1万个臭氧分子。

“已经可以肯定地说，是人类的工业活动破坏了臭氧层。像人造海绵、一次性饭盒、泡沫塑料、摩丝等‘发泡’的产品中都含有类似氟里昂的氯氟烃。”臭氧臭氧在离地面10-55千米的范围内形成臭氧层。它是地球上所有生物的“保护伞”。如果它被破坏，紫外线便会长驱直入。如果它减少1%,损害人体的紫外线就会增加2.3%，皮肤癌的发病率就会增加5.5%。气溶胶：

悬浮固态和液态微粒

自然、人为排放，如：风从地表卷起尘沙和土粒飞到空中；海洋中波浪飞溅的盐水滴浮在空中；森林火灾的烟雾经常被带到离地面的高空；火山爆发喷发数以吨计的火山灰和气体进入大气。污染物：对自然和生物有危害汽车尾气排放大量的NO2，CO和碳氢化合物。在阳光下，NO2与碳氢化合物和其他气体反应生成臭氧。含硫燃料（如煤和石油）的燃烧释放无色气体SO2进入大气。包含硫酸滴的雨可腐蚀金属和表面；高浓度的SO2使人产生严重的呼吸困难。第一节

大气的组成和热能

二、大气的结构大气的厚度：天有多高？99%质量集中在30公里以下

航天飞机看到的日落的情景，大气的“厚度”明确地可以分辨出来。大气垂直结构大气压强气压：从观测高度到大气上界单位面积上铅直空气柱的重量为大气压，简称气压大气垂直分层根据温度随高度的分布。对流层0-11公里，温度随高度减小，减温率平均为6.5℃/1000米。原因：阳光加热地面，而地面又加热它上面的空气。包含了地球上我们熟悉的所有天气。

平流层11-50公里，气温随高度不变（逆温）。原因：臭氧吸收紫外太阳能加热了平流层。大部分太阳能在平流层上层就被吸收。另外，由于低密度，能量从平流层上层到下层的速度非常慢。

中间层50-85公里，气温随高度下降，因为几乎没有臭氧吸收太阳辐射。因此，分子，尤其是中层顶附近，失去比得到能量多，结果能量损失冷却。因此，我们发现中层温度随高度一直到85km，变得越来越冷。在85km处，大气达到它的最低平均温度-90℃。暖层85-500公里，气温随高度增加，氧吸收太阳射线，加热了大气。因为相对较少的原子和分子在热层，吸收少的太阳能，可以导致温度的巨大增加。大约500公里，原子、分子可逃到外太空的区域，有时叫外逸层，可以代表我们大气的上界。散逸层第一节

大气的组成和热能三、大气的热能几个概念能量：是物体做功能力的量度，有动能和势能。能量有多种形式，可以一种转化为另一种，但不能产生和消失。这是能量守恒定律温度：表征物体的冷热程度。实际上是物质分子平均动能大小的反映。获得能量，分子速度增大，平均动能增大，于是温度上升。热量：就是由于温度差异，能量从一个物体到另一物体。传完后，储存为内能。能量传输是由于传导、对流和辐射辐射任何物体，温度不为绝对零度时，都以电磁波形式向四周放射能量，同时也接收着周围射来的电磁波，万物都在进行着辐射能量的交换。太阳、大气和地球就是以电磁波形式传递能量。

短波辐射太阳辐射

长波辐射第一节

大气的组成和热能太阳辐射强度：表示太阳辐射能强度的物理量，即单位时间内垂直投射在单为面积上的太阳辐射能直接辐射：从太阳直接发射到地面的部分散射辐射：经大气散射后到达地面的部分二者之和就是到达地面的太阳辐射总量，称为总辐射辐射平衡：大气和地面吸收太阳短波辐射，又依据本身的温度向外发射长波辐射，形成地气系统与宇宙空间的能量交换。在地气系统内部，地面与大气也不断以辐射和热量输送形式交换能量。在某一时段内物体能量收支的差异。

太阳辐射和地球辐射＜4m的辐射就是太阳辐射，也称短波辐射，而＞4m的辐射为地球辐射，也称为长波辐射或热红外辐射。T=6000K最大辐射的波长max0.483m(蓝光)，主要集中在可见光波段。=0.17～4m太阳辐射大气获得热量的结构1.对太阳辐射的直接吸收2.对地面辐射的吸收3.潜热输送4.感热输送地气系统的辐射平衡太阳辐射及地球吸收太阳能的情况左：地球辐射平衡

右：大气温室效应

当太阳辐射在空间传播时，未与任何东西作用，直到遇到大气。在日地平均距离时，大气层顶处垂直太阳光线的表面接收的能量基本不变，即1367W/m2。这个值叫太阳常数。

大气对太阳辐射的散射

空气分子对短波(蓝)比长波(红)散射强。散射产生蓝天散射产生的壮丽的日落太阳辐射贡献太阳辐射及地球吸收太阳能的情况地－气系统的能量平衡温度日变化第一节

大气的组成和热能

四、气温最高温度最低温度年照射变化局地区域

季节变化影响温度变化的因子纬度海陆分布洋流海拔高度世界七月平均气温世界一月平均气温气温资料及

温度测量温度日较差日平均温度月平均温度温度年较差年平均温度第二节

大气水分和降水

主要内容1.大气湿度2.蒸发和凝结3.水汽的凝结现象4.大气降水主要概念1湿度2蒸发量主要过程1蒸发和凝结2降水的形成水的相变绝对湿度即单位体积空气所含有的水汽质量，或水汽密度，如1千克/立方米比湿、混合比好处：即同一空气块，如果没有水汽加入或移出，空气块的比湿或混合比是保守的。比湿随纬度的变化相对湿度这是最常用的方式，80%的相对湿度，表示离饱和还有20%的程度。有两种改变相对湿度的方法：增加或减少水汽含量，也可降低或升高温度。相对湿度

的变化露点在一定的水汽含量下，能够饱和的温度。如：在摄氏10度空气饱和，现在升高到20度，因为气温越高能够容纳的水汽越多，这时空气不饱和了。现在反过来说，如果现在30度，而空气水汽含量和刚刚10度时相同，那么，当气温降到10度时空气就饱和了。所以10度是目前大气的露点温度。对冰面，称霜点温度。气温30度露点10度实际水汽压12mb饱和水汽压42mb则相对湿度为12/42=29%相对湿度和露点温度

露点差极地：气温-2度，露点-2度，RH=100%沙漠：气温35度露点5度RH=16%露—空气中水汽以液滴形式液化在地面覆盖物体上的液化现象。

霜—附着在地面或植物上面的微细冰粒，是接近地面的水蒸气冷至摄氏零度以下凝结而成的

雾

RH<75%，凝结过程已开始，继续上升，能见度降低。远处景物灰的面罩。RH接近100%，霾粒变大，在不活跃的核上也开始凝结。再变大，人眼可看见，但更降低能见度，小于1km，空气中有数以百万计的悬浮水滴，霾变成接地的云层，称雾。雾形成原因是：一是冷却，温度降到露点以下；二是蒸发或混合。蒸发使水汽增多，湿空气和干空气混合可使水汽饱和。云的作用短波反射：阳伞效应长波吸收：温室效应1802年，法博物学者拉马克提出了第一个区分云的系统。1803年，英国博物学者L.Howard，发展的云分类系统得到了公众的接受。依据地面观测，引入拉丁字来描述。薄层状的，Stratus，(层状,layer)，层云膨胀的泡沫状的，Cumulus，(团团的,heap)，积云丝缕状的，Cirrus，(卷卷头发的,Curlofhair)，卷云下雨的云，Nimbus，(强烈降水的,Violentrain)，雨云云的分类1887年，瑞典Abercromby和Hildebrandsson评述了上述系统并发表了云图（国际云图），一直用到现在（除了少数特殊的云），分4族10属。每族以云底高度来区分：高、中、低云、和垂直比水平发展强的云族（简称直展云）(中国为3族10属，即直展云也并入低云)。云的名称—根据云低高度和垂直发展基本云型小结毛卷云密卷云伪卷云钩卷云高云系列卷积云高云系列薄幕卷层云毛卷层云高云系列透光高积云

蔽光高积云

荚状高积云

高云系列积云性高积云

絮状高积云

堡状高积云

中云系列透光高层云

蔽光高层云

中云系列雨层云

碎雨云

低云系列透光层积云

蔽光层积云

低云系列积云性层积云

堡状层积云

荚状层积云

低云系列层云

碎层云

低云系列卫星观测云静止气象卫星极轨气象卫星可见红外卫星云图增强红外云图水汽云图第二节

大气水分和降水

降水的类型对流雨地形雨锋面雨台风雨降雨的

地理分布100810101006水平气压梯度力（Hpa）等压线高压低压第三节

大气运动和天气系统

一、冷热不均引起的大气运动气压：单位面积上空气柱的质量高空的气压高低与地面相反空气水平运动的直接原因：气压差异地面冷热不均大气垂直运动同一水平面产生气压差异大气水平运动大气运动的根本原因：热力环流（大气运动最简单的形式）注意：等压面凸起的地方是高压区，等压面下凹的地方是低压区高压、低压是针对同一水平面而言的。但不同高度上的高压数值不一定比低压数值大HL地面ABC受热冷却冷却LLL低H高太阳辐射对各纬度加热不均，造成高低纬度间的热量差异（1）气压梯度单位距离内的气压差，又叫水平气压梯度（2）水平气压梯度力促使大气由高压区流向低压区的力（3）水平气压梯度力大小方向与气压梯度成正比垂直等压线，由高压指向低压二、大气的水平运动-----风10101008100610041002（百帕）水平气压梯度力1、水平气压梯度力是形成空气水平运动的原动力，是形成风的直接原因特点：等压线越密集，水平气压梯度力越大，风速越大2、大气只受水平气压梯度力作用：风向垂直等压线，高压指向低压地转偏向力N:向右S:向左方向：垂直于风向大小：赤道为0，纬度越高地转偏向力越大特点：只改变方向，不改变速度大小2、地转偏向力对风的影响风向10101008100610041002（百帕）（高）（低）气压梯度力地转偏向力（北半球）背风而立，低压在左，

高压在右风向与气压分布的关系风压定律风向：平行于等压线（高空风）地转偏向力+水平气压梯度力二力作用3、摩擦力对近地面风的影响气压梯度力（高）（低）（北半球）风向摩擦力地转偏向力（1）气压梯度力：风向垂直等压线，由高压指向低压（2）气压梯度力+地转偏向力风向平行于等压线（3）气压梯度力+地转偏向力+摩擦力风向斜穿等压线小结风压定律：背风而立，低压在左前，高压在右后风向：斜穿等压线（低空风）大气运动原因太阳辐射能量源泉大气运动各纬度加热不均高低纬度间热量差异根本原因引起空气垂直运动产生水平气压差异直接原因空气水平运动（风）水平气压梯度力原动力城市与郊区之间的热力环流上升气流市区郊区郊区由郊区流向市区由郊区流向市区1、大气环流的概念全球性的有规律的大气运动2、大气环流的形成A高低纬间热量差异B地转偏向力C太阳直射点的南北移动D海陆热力性质差异形成季风气压带、风带南北移动单圈环流三圈环流气压带和风带二、大气环流030N60N90N高低纬间热量差异----单圈环流赤道低压带极地高压带副热带高压带东北信风带24副极地低压带中纬西风带极地东风带76低纬环流中纬环流高纬环流1358910高低纬间热量不均，地转偏向力--三圈环流Theprevailingcirculationoftheatmosphere赤道低压带副热带高压带副热带高压带副极地低压带副极地低压带极地高压带极地高压带东北信风中纬西风极地东北东南信风中纬西风极地东风地球上的气压带和风带SatelliteviewoftheatmosphericcirculationattheSouthPole

DaytimedevelopmentofseabreezeNighttimedevelopmentoflandbreezeWinterandsummermonsoonwindpatternsforsoutheastAsia

Daytimedevelopmentofvalleybreeze

Nightimedevelopmentofmountainbreeze三、主要天气系统（一）锋面系统锋面冷气团暖气团冷暖气团的交界面叫锋面锋面附近常伴有云、雨、大风等天气1、锋面及锋面附近天气锋线三、主要天气系统2、锋面类型及特点冷气团暖气团暖气团冷气团冷锋暖锋气团运动冷气团主动移向暖气团暖气团主动移向冷气团天气变化过境前过境时过境后气温高、气压低、晴朗阴雨、大风、降温气温降低、气压升高、晴朗气温低、气压高、晴朗阴雨天气气温升高、气压降低、晴朗（一）锋面系统冷锋暖锋Mapontheleft:CycloneisintheopenstageTwoconflictingairmasses,cPandmT,arecentersofhighpressure;inbetweenthereisalowpressurecenterCrosssectionalongthelineA-A'revealstypicalprofilesofacoldandawarmfrontsPrecipitationbehavesasexpectedalongthefronts:broadbandofprecipitationaheadofthewarmfront,narrowbandbehindthecoldfrontMapontheright(24hourslater):Cyclonemoved1000miNE(aspeedofabout65km/h)CycloneisnowintheoccludedfrontstageCrosssectionB-B'revealstypicalsituationforanoccludedfront:warmaircompletelyofftheground,precipitationoccursoverbroadarea,withparticularintensityalongthefrontline三、主要天气系统（二）低压（气旋）和高压（反气旋）系统低1005.01002.510001、低压与气旋三、主要天气系统（二）低压（气旋）和高压（反气旋）系统1005.01002.51000高2、高压与反气旋三、主要天气系统（二）低压（气旋）和高压（反气旋）系统3、比较气旋与反气旋的特点低气压高气压四周向中心中心向四周上升下沉阴雨晴朗气压中心气旋反气旋气流运动方向水平运动垂直运动天气状况气旋类型三、主要天气系统（二）低压（气旋）和高压（反气旋）系统4、锋面气旋（北半球为例）高低高压脊低压槽低冷锋高压脊线上气流以辐散为主，不易形成锋面。低压槽线上气流以辐合为主，易形成锋面。暖锋CirculationpatternsofhighandlowpressuresystemsintheNorthandSouthHemisphere第四节

气候的形成

一、气候和气候系统

气候的定义：是指某一地区多年间大气的一般状态及其变化特征。它既反映平均情况也反映极端情况，是各种天气现象的多年综合。气候：长时间尺度的大气过程天气：瞬时或短时间内的大气状态FactorsthatinfluencetheEarth'sclimate

气候系统气候的形成形成因子：A、太阳辐射——大气运动最根本的能源。B、地面状况——大气直接热源和水源。C、大气环流——双重性质影响气候。D、人类活动——释放能量改变地表特性。

北半球大陆性气候与海洋性气候的比较1、气温日较差：大陆性气候---大；海洋性气候---小2、气温年较差：大陆性气候---大；海洋性气候---小3、最高气温月：大陆性气候---7月；海洋性气候--1月4、最低气温月：大陆性气候---8月；海洋性气候--2月山地与附近平原气温日较差的比较地点1月4月7月10月年平均泰山5.96.55.86.56.2济南9.010.810.49.910.0三、气候带和气候型A.Tropicalrainyclimates

Af,Am:Tropicalrainforest;AwTropicalsavanna,

B.Dryclimates

BS:Steppe;BW:Desert;C.Humidmesothermalclimates

Cw:Warmwithdrywinter,Cs:Warmwithdrysummer,Cf:Humidtemperate,

D.Humidmicrothermalclimates

Df:Coldwithmoistwinter;DW:Coldwithdrywinter,E.Polarclimates

ET:Tundra,EF:Perpetualfrost南北回归线至南北纬30°之间，在副热带高压或信风带控制下，常年干旱少雨夏季受副热带高压控制，干燥少雨；冬季受西风带控制，暖湿多雨。终年盛行西风各月降水均匀成因：主要是气压带和风带的南北移动。成因：主要是海陆热力差异。特点：夏季高温多雨，冬季寒冷少雨。成因：主要是海陆热力差。特点：夏季高温多雨，冬季寒冷少大陆的内部，终年受大陆气团控制，降水较少两极地区以辐合下沉气流为主，全年降水稀少受太阳辐射的变化、下垫面条件的改变、大气环流的变化等自然原因的影响，地球气候是在不断变化的。地质时期（距今22亿年—1万年），曾反复出现过3次大冰期，气温呈下降趋势；大冰期之间为间冰期，气温呈上升趋势。一、气候变化简史第五节

气候变化历史时期（1万年左右），有时为温暖期，有时为寒冷期。我国历史时期的气候大约可分为4个温暖期，4个寒冷期。19世纪末以来，世界气温出现明显的波动上升现象。MedievalWarmPeriod-orMedievalOptimum9thto14thCenturiesMannetal1999气候变化的基本因素气候形成的基本要素有哪几种?太阳辐射、大气环流、下垫面下垫面∶衬垫在大气层之下的一个“面”，通过热量与水份交换与大气层发生相互作用。其含义较“地面”广泛，包括草面、水面、冰面、林冠面等等。第五节

气候变化

二、气候变化的原因基本要素解释太阳辐射是大气中一切物理过程的基本动力。大气环流是由热辐射的不均衡分布所“驱动”，由地球旋转所“定型”的。大气环流的变化可视为气候变化的具体表现，至于变化的原因，则可以分别从太阳辐射和下垫面两方面去考察。第四类因素—宇宙地球物理—人类活动因素①太阳发出辐射的状况太阳活动变化②太阳辐射在太空的传播状况太阳系 位置变化③太阳辐射在地面的分布状况轨道参 数变化④太阳辐射被地球吸收的状况大气成 分变化对太阳辐射的理解⒈长期变化46亿年前太阳的光度仅为目前的70%有人认为太阳光度减少5%足以引起大冰期⒉短期变化太阳风、耀斑、太阳黑子太阳活动与气候的相关性 100多年来不断有人注意到太阳活动与气象资料之间的相关性，70年代以来更有大量事实支持这种相关性，日地关系研究已成为气候研究领域里的重要课题。但是太阳活动与地球气候之间联系的物理机制还没有令人满意的解释。 17世纪前后的“小冰期”正好发生在太阳活动低值期(蒙德尔黑子极小期)。 美国的干旱期有22年周期，与太阳黑子的22年周期相一致。太阳活动与巴西降雨上图∶巴西Fortalera的年降雨量(经平滑)下图∶太阳黑子22年周期(经去除趋势)1885—1925年太阳活动与土耳其湖面变化1944—1974年土耳其的Van湖的湖面升降(蓝色实线)与太阳黑子变化(红色虚线)太阳活动与雅典季风1891—1961年希腊雅典的季风年频数(绿色实线)和太阳黑子11年周期(红色虚线)米兰柯维奇冰期理论Adhemar(1842)最早提出冰期出现可能与岁差变动有关。Croll(1895)提出偏心率和黄赤交角变化可能引起冰期。Milankovitch(1920,1941)计算了60万年来3个不同纬度带由于3种轨道参数造成的夏半年日照量的变化，发现有9个日照量极小值，其出现的时间可与阿尔卑斯山冰期、冰阶相对比。米兰柯维奇计算曲线与实际温度曲线的比较气溶胶的气候效应气溶胶是大气中的悬浮粒子，半径在10-7～10-2cm，存在于大气层的不同高度，其来源包括自然(火山活动最重要)和人为。⑵气溶胶的气候效应气溶胶决定了大气浑浊度，对吸收辐射的影响很大。其影响主要是降温，但也可以是增暖。这取决于其大小、颜色、电磁性质和在大气中的分布状况。火山活动的降温作用已被实证。全新世新冰期可能与主要火山活动阶段有关。320个深海岩芯中粗粒火山灰的分析也支持火山活动导致气候变冷的见解。皮纳图博火山喷发的降温作用菲律宾的皮纳图博火山1991年7月喷发，将数百万吨火山灰喷入同温层，同时留下了2500—3000万吨二氧化硫气体(会变成硫酸滴烟雾，成为阻挡阳光的气溶胶)。这是继印尼的克拉卡托火山1883年爆发以来喷出物质最多的一次火山爆发。计算机气候模式预测会使地球降温0.5℃。1992年NOAA卫星观测到长达