大气科学概论课件

大气的组成

大气的铅直结构

大气的物理性质大气成分与结构大气的组成大气的铅直结构大气的物理性质大气成1第一节大气的组成

干洁大气（即干空气）水汽悬浮在大气中的固液态杂质地球大气由三个部分组成:表2-1干洁大气的成分（高度25km以下）气体成分所占体积（%）临界温度（℃）临界压强（大气压）氮78.08-147.233.5氧20.95-118.940.7氩0.93-122.048.0二氧化碳0.03231.073.0臭氧0.00006-5.092.3干洁大气100-140.737.2第一节大气的组成干洁大气（即干空气）地球大气由三2作用：在天气气候变化中扮演了重要角色。

能强烈吸收地面放射的长波辐射并向地面和周围大气放出长波辐射，对大气起着“温室效应”。二、水汽大气成分作用：在天气气候变化中扮演了重要角色。能强烈吸收3

大气中悬浮着的各种固体和液体微粒（包括气溶胶粒子和大气污染物质两大部分）。三、大气中的杂质气溶胶粒子：作用：

吸收太阳辐射，使空气温度增高，但也削弱了到达地面的太阳辐射；

缓冲地面辐射冷却，部分补偿地面因长波有效辐射而失去的热量；降低大气透明度，影响大气能见度；充当水汽凝结核，对云、雾及降水形成有重要意义。

大气中悬浮着的各种固体和液体微粒（包括气溶胶粒子和4第二节大气的铅直结构第二节大气的铅直结构5对流层：特点：主要天气现象均发生在此层。

温度随高度升高而降低。（平均高度每升高100m，气温下降0.65℃。）空气具有强烈的垂直运动和不规则的乱流运动。气象要素的水平分布不均匀。第二节大气的铅直结构对流层：特点：主要天气现象均发生在此层。温6

地面辐射差额

太阳辐射辐射地面辐射差额太阳辐射辐射7第二节太阳辐射一、太阳辐射强度和太阳常数太阳辐射强度（太阳辐射通量密度）太阳辐射强度及单位定义：单位时间内投射到单位面积上的太阳辐射能量。单位：W·m-2

太阳常数（S0）太阳常数及变化范围定义：当地球位于日地平均距离时(约为1.496×108km)，在地球大气上界投射到垂直于太阳光线平面上的太阳辐射强度。第二节太阳辐射一、太阳辐射强度和太阳常数太阳辐射强度8

定义二、太阳高度角、太阳方位角和昼长太阳高度角（h）太阳光线与地表水平面之间的夹角。(0°≤h≤90°)赤道地区一年中春分和秋分时太阳高度角最大，冬至和夏至时，太阳高度角最小。定义二、太阳高度角、太阳方位角和昼长太阳高度角（h）太9水平面上得到的太阳辐射能随着h的增加而增加。

h的计算公式sinh＝sinφsinδ+cosφcosδcosω式中：φ为观测点纬度，δ为赤纬，ω是时角。

纬度Φ变化于-90°（南半球）—+90°（北半球），赤纬δ变化于-23°27ˊ（冬至）—+23°27ˊ（夏至）之间水平面上得到的太阳辐射能随着h的增加而增加。h的计算10…………(3-12)

太阳方位角（A）

定义太阳光线在水平面上的投影和当地子午线的夹角。

计算公式式中A值：正南：A=0正南以西：A>0正南以东：A<0

…………(3-12)太阳方位角（A）定义太阳光线在水11北半球太阳方位角的季节变化规律（1）除北极外，一年中只有春分日和秋分日，日出正东日没正西（2）夏半年内，日出东偏北方向，日没西偏北方向；且愈近夏至日，日出日没方位愈偏北（3）冬半年内，日出东偏南方向，日没西偏南方向；且愈近冬至日，日出日没方位愈偏南（4）南半球除春分日和秋分日外，季节变化与北半球相反北半球太阳方位角的季节变化规律（1）除北极外，一年中只有春分12全球昼长时数的分布规律（1）当Φ>0，δ>0时，北半球处于夏半年（春分至秋分之间），此时，日出在6时之前，日落在18时之后，昼长时数>12小时；当Φ>0，δ<0时，北半球处于冬半年（秋分至春分之间），此时，日出在6时之后，日落在18时之前，昼长时数12<小时；当Φ﹤0，δ﹥0时，南半球处于冬半年（春分至秋分之间），此时，南半球日出在6时之后，日落在18时之前，昼长时数<12小时；当Φ<0，δ<0时，南半球处于夏半年（秋分至春分之间），此时，南半球日出在6时之前，日落在18时之后，昼长时数>12小时；φ为纬度，δ为赤纬全球昼长时数的分布规律（1）φ为纬度，δ为赤纬13全球昼长时数的分布规律（2）当δ=0时，全球处于春分日或秋分日，此时，全球日出在6时，日落在18时，昼长时数=12小时；北半球处于夏半年而南半球处于冬半年时，北极圈内为永昼、南极圈内为永夜；反之，南极圈内为永昼、北极圈内为永夜。从冬至到夏至：北回归线以北随纬度升高，昼长时数逐渐变长，南回归线以南随纬度升高，昼长时数逐渐变短；从夏至到冬至：北回归线以北随纬度升高，昼长时数逐渐变短，南回归线以南随纬度升高，昼长时数逐渐变长。全球昼长时数的分布规律（2）14辐射差额分布对中国气候分布有何影响？年总辐射差额最大的地区为海南岛，最小的地区为川黔地区。①夏季辐射差额最大，冬季最小；气温夏季最高，冬季最低②辐射差额北方地区春季＞秋季，南方地区秋季＞春季；气温北方地区春温＞秋温，南方地区秋温＞春温③辐射差额北方地区春秋季变化快，南方地区春秋季变化慢；气温北方地区春秋季升降快，南方地区春秋季升降慢④辐射差额年较差随纬度增加而增大，气温年较差随纬度增加而增大⑤辐射差额夏季南北差异小，冬季南北差异大；气温夏季南北温差小，冬季南北温差大⑥辐射差额39°N以南全年各月均为正值，39°N以北冬季出现负值；气温愈往北方，冬季愈长，温度愈低辐射差额分布对中国气候分布有何影响？年总辐射差额最大的地区为15

热量收支

空气的温度热量热量收支空气的温度热量16第一节热量收支热量平衡过程地球表面吸收太阳辐射能后，会通过各种热量收支方式，产生能量的转换和输送而达到平衡，这样的物理过程称为热量平衡过程。第一节热量收支热量平衡过程地球表面吸收太阳辐17二、热量收支(交换)方式二、热量收支(交换)方式18一、地面温度和热量收支的关系地面温度变化与地面热量收支示意图1．地面温度日变化曲线；2．地面热量支出日变化曲线；3．地面热量收入日变化曲线。Tm：地面最低温度；TM：地面最高温度

一天中地面最高温度、地面最低温度出现在地面热量收支相抵（平衡）的时刻。对于北半球而言,一年中地面最热月温度，一般出现在７月或８月，地面最冷月温度一般出现在１月或２月。一、地面温度和热量收支的关系地面温度变化与地面热量收支示意图19第四节空气温度一、大气中的热量交换方式交换方式以平流热交换、对流热交换、乱流热交换、潜热交换为主。作用平流：主宰季节更替和天气冷暖变化。对流：是对流性降水的主要原因。乱流：对一些低云和雾的生消起重要的作用。潜热交换：对气温的升降、大气中水分的三态相变起着不可替代的作用。第四节空气温度一、大气中的热量交换方式交换方式以平20近地层气温的日变化极值温度出现的时间季节最高气温最低气温夏季14～15h05～06h冬季13～14h04～05h气温的日变化：气温一天中有一个最高值和一个最低值。通常最高温度出现在14时，最低温度出现在05时，即日出前后。气温日较差随着距地面高度的增加逐渐减小，位相也在不断落后。二、空气温度的时间变化空气内能变化表达式△U=△W+△Q近地层气温的日变化极值温度出现的时间季节最高气温最21天气状况：陆地＞海洋裸地＞覆盖地沙土、深色土、干松土＞粘土、浅色土、潮湿土下垫面性质：晴天＞阴天地形：凹地＞平地＞凸地季节：夏季＞冬季，一年中春季气温日较差最大。影响气温日较差的因子纬度：随纬度增加而减小。天气状况：陆地＞海洋裸地＞覆盖地沙土、深色土、干松土＞粘22近地层气温的年变化最冷、最热月出现的时间

最热月最冷月大陆性气候区季风气候区7月1月海洋性气候区8月2月气温的年变化对于北半球大陆性气候区和季风性气候区，一年中最热月和最冷月分别出现在7月和1月，海洋性气候区落后一个月左右，分别出现在8月和2月。近地层气温的年变化最冷、最热月出现的时间23气温年较差的影响因子纬度：随纬度增加而增大。距海远近：远海区＞近海区地形及天气状况：与日较差同近地层气温的非周期变化由大规模冷暖空气活动所引起,出现在季节交替之际。由气候异常如厄尔尼诺效应、拉尼娜效应引起。气温年较差的影响因子纬度：随纬度增加而增大。距海24大气中的水分

空气湿度

蒸发和蒸散

凝结和凝结物

降水大气中的水分空气湿度蒸发和蒸散凝结和凝结物降25第一节空气湿度

空气湿度：空气中水汽含量的多少或潮湿程度。湿度参量：表征空气中水汽含量的多少和潮湿程度的物理量。湿度参量水汽压相对湿度露点温度饱和差比湿混合比绝对湿度第一节空气湿度空气湿度：空气中水汽含量的多少或潮湿程26一、空气湿度参量水汽压（e）反映空气中水汽含量的多少水汽含量

水汽压e

定义：空气中水汽的分压强。单位：百帕(hPa)1百帕(hPa)=100帕斯卡(Pa)一、空气湿度参量水汽压（e）反映空气中水汽含量的多少定27

饱和水汽压（E）反映空气的最大水汽容纳能力饱和水汽压取决于温度（马格奴斯半经验公式）定义：饱和湿空气中水汽的分压强。影响因子：EET温度T

E

蒸发面性质E过冷却水＞E冰蒸发面形状E凸面＞E平面＞E凹面

液体含盐度含盐度

E

饱和水汽压（E）反映空气的最大水汽容纳能力定义：饱和湿空28影响水面蒸发速率的因子影响水面蒸发速率的因子有气温、湿度、气压、风、蒸发面性质、蒸发面形状和含盐度等气温升高，E饱和水汽压增大，饱和差增大，水面蒸发速率增大水汽压（湿度）增大，饱和差变小，水面蒸发速率减小气压升高，水面蒸发速率减小风速增大，水面蒸发速率增大蒸发面性质：过冷却水面上方的蒸发速率大于冰面上方的蒸发速率蒸发面形状：W凸面＞W平面＞W凹面含盐度增大，水面蒸发速率减小影响水面蒸发速率的因子影响水面蒸发速率的因子有气温、湿度、气29气压和风

气压作用于空气的力风气压和风气压30国际标准单位：帕（帕斯卡Pa）和百帕（百帕斯卡hPa）1hPa＝100Pa＝100N／m2

标准大气压（0℃，45°N／S，海平面上）P0＝760mm汞柱＝1013.25hPa第一节气压气压（大气压强）P单位面积上所受到的大气压力。单位面积上空气柱的重量。气压的单位国际标准单位：帕（帕斯卡Pa）和百帕（百帕斯卡hPa）第31铅直气压梯度

﹣——＝gz

P

dPdz气压高度海拔高度（m）气压（hPa）3000012160001001100025055005003000700150085001000一、气压随高度的变化铅直气压梯度dPdz气压高度海拔高度气压3000032

地面天气形势图（地面天气图、地面图）

本站气压海平面气压等高面（海拔高度为0）上的等压线（每隔2.5hPa）图二、气压的水平分布气压订正

海平面气压场地面天气形势图（地面天气图、地面图）二、气压的33

海平面气压场的基本型式（气压系统）低压（低气压、气旋）高压（高气压、反气旋）D逆时针旋转向中心辐合绝热上升多阴雨天气G顺时针旋转向四周辐散绝热下沉多晴好天气北半球，低压控制区内水平气流呈逆时针旋转，高压控制区内呈顺时针旋转海平面气压场的基本型式（气压系统）低压（低气压、气旋34高空天气形势图（高空天气图、高空图）等压面上的等高线（每隔4位势什米）图等高线的单位：位势高度位势米、位势什米1位势什米＝10位势米H＝z·g／9.8H位势高度（位势米）z海拔高度（米）g重力加速度高空气压场高空天气形势图（高空天气图、高空图）高空气压场35高空气压场的基本型式（气压系统）D低压逆时针旋转高压顺时针旋转G脊G脊线脊前脊后槽线槽D槽前槽后高空气压场的基本型式（气压系统）D低压逆高压顺G脊G脊线脊前36二、摩擦层中风的变化日变化

近地层白天午后最大，夜间和清晨最小；上层白天午后风小，夜间风大晴天>阴天，陆地>海洋年变化

我国大部份地区春季是冷暖空气交替时期，所以春季风最大。一般北半球中纬度地区，冬季最大，夏季最小；垂直变化

摩擦层中，在气压场随高度不变的前提下，风速随高度升高逐渐增大，风向随高度上升而逐渐右转。二、摩擦层中风的变化日变化近地层白天午后最大，37天气系统和天气过程

天气系统天气过程天气系统和天气过程天气系统38第一节天气系统气团锋气旋反气旋高空槽脊切变线、低涡、低空急流第一节天气系统气团39一、气团定义

大范围的空气团，在其内部气象要素的水平分布比较均匀，垂直分布基本一致，在其控制的区域内，天气气候特征也大致相同。

气团的概念尺度水平尺度几十千米，垂直尺度几至几十千米一、气团定义大范围的空气团，在其内部气象要素的40

气团的形成和变性形成的条件①大范围性质均匀的下垫面；②适合的环流条件（反气旋）。气团的变性变性气团

气团内部多晴好天气冷暖气团交界处多阴雨天气气团的形成和变性形成的条件①大范围性质均匀的下垫面41二、锋

锋的概念锋区（锋面）：冷、暖气团之间的过渡区域。700hPa地面冷气团暖气团二、锋锋的概念锋区（锋面）：冷、暖气团之间的过渡区域42锋的移动方向冷锋暖锋准静止锋锢囚锋冷暖冷暖冷暖冷冷暖冷锋暖锋准静止锋锢囚锋锋的移动方向冷锋暖锋准静止锋锢囚锋冷暖冷暖冷暖冷冷暖冷锋暖43第二节天气过程寒潮天气过程大型降水天气过程台风天气过程对流性天气过程第二节天气过程寒潮天气过程44寒潮天气过程：一种大规模的强冷空气的活动过程。

寒潮天气：剧烈的降温和大风；

有时伴有雨、雪、雨凇、霜冻、风沙、雷暴（春秋的江南地区）

寒潮大风：西北大风（东北、内蒙古）偏北大风（华北、黄淮）东北大风（长江以南）一、寒潮天气过程

概念寒潮天气过程：一种大规模的强冷空气的活动过程。一、寒45

我国各地的雨季华南沿海4月～10月中旬长江流域6月上旬～9月初华北、东北7月中旬～8月底云贵高原5月下旬～10月下旬青藏高原北部6月中旬～10月下旬新疆全年分配较均匀二、大型降水天气过程

概念范围广大的降水（连续性或阵性的大范围雨雪及夏季暴雨）。我国各地的雨季华南沿海4月～10月中旬长江流域6月上旬～463月下旬～5月上旬江南地区江南春雨期5月中旬～6月上旬（25天）华南地区华南前汛期6月中旬～7月上旬（20天）江淮地区江淮梅雨7月中旬～8月下旬（40天）华北、东北地区华北、东北雨季华南地区华南后汛期9月中旬～10月上旬淮河流域淮河秋雨期

我国雨带3月下旬～5月上旬江南地区江南春雨期5月中旬～6月上旬（47每年初夏，发生在我国：东西向从湖北宜昌至上海，南北向为26～34

N长时间的连阴雨天气。宜昌沪、苏、皖赣、湘、鄂

江淮梅雨定义每年初夏，发生在我国：东西向从湖北宜昌至上海，南北向48江淮梅雨天气过程在对流层中不同高度的主要天气系统对流层上层（100、200hPa等压面）：南亚高压（青藏高压）。对流层中层（500hPa等压面）：高纬度地区为阻塞形势（阻塞高压）；中纬度地区为较平直的西风气流，浅槽东移；副热带地区为带状副高，脊线位于日本南部至华南。低空（700、850hPa等压面）：西南涡、西南低空急流和江淮切变线。地面：江淮气旋和江淮静止锋。江淮梅雨天气过程在对流层中不同高度的主要天气系统49台风（中国及东亚地区）飓风（美国及大西洋地区）热带风暴（印度洋地区）三、台风天气过程台风：形成在热带海洋上，具有暖中心结构的强烈发展的热带气旋。台风（中国及东亚地区）三、台风天气过程台风：形成在热带海洋上50台风形成条件初始扰动暖性洋面：海水温度＞26.5℃地转偏向力作用：距赤道5个纬距以上对流层风垂直切变小台风生命史形成期发展期成熟期衰亡期：台风强度减弱，影响范围缩小

台风的形成和生命史台风降水的来源：（1）云墙降水;（2）螺旋云带降水；（3）台风与其他天气系统相互作用产生的降水；（4）与台风相联系的热带云团的降水。台风形成条件初始扰动暖性洋面：海水温度＞26.5℃地转偏向力51雷暴一般雷暴：阵雨强雷暴：暴雨、大风、冰雹、龙卷（强对流天气）四、对流性天气过程概念雷暴：旺盛发展的积雨云中发生的雷电交作的激烈放电现象。天气：阵雨、大风、冰雹、龙卷等分类对流性天气：雷暴所产生的天气现象。强对流性天气：强雷暴所产生的天气现象。雷暴一般雷暴：阵雨强雷暴：暴雨、大风、冰雹、龙卷（强对流天气52气候

气候形成的因素世界气候及其分类中国气候气候气候形成的因素53第一节气候的形成因素太阳辐射、宇宙地球物理因子、下垫面、大气环流、人类活动。气候形成的因素：一、辐射因素辐射差额的影响因子地理纬度、海陆分布、云量、海拔高度、地形辐射差额的变化辐射差额呈带状分布，随纬度的增加而减小辐射差额的年较差随纬度的增加而增大第一节气候的形成因素太阳辐射、宇宙地54二、下垫面因素海陆分布、地形、海气相互作用和洋流、植被、土壤、冰雪覆盖等海陆分布海陆分布对气候的影响使温度的纬向带状分布发生变形，在同一气候带中可出现不同的气候型。使海洋和陆地在获得相同太阳辐射的前提下，表面温度变化产生差异。冷热源上第一节气候的形成因素二、下垫面因素海陆分布、地形、海气相互作用和洋流、植被、土壤55大气中水汽的供应者，距海远近不同，使空气湿度和降水量发生变化。使在同一纬度带中可出现海洋性气候和大陆性气候。

在近海地区形成海陆风。

大气中水汽的供应者，距海远近不同，使空气湿度和降使在同一56华北暖温带气候秦岭山脉华中亚热带气候

南岭山脉华南热带气候地形地形对气候的影响地形对邻近地区气候的影响。地形本身所形成的独特的气候；气候分界线：华北暖温带气候地形地形对气候的影响地形对邻近地区气候57海气相互作用和洋流海气相互作用沃克（Walker）环流赤道太平洋西东暖冷偏东风偏西风上升下沉厄尔尼诺（ElNino）现象南美西海岸的厄瓜多尔和秘鲁附近太平洋沿岸的寒流水温异常升高，并扩展到赤道东太平洋，向西延伸到日界附近的现象。赤道东太平洋海表温度异常增暖的现象。海气相互作用和洋流海气相互作用沃克（Walker）环58南方涛动（SouthernOscillation）南太平洋副热带高压与印度洋赤道低压之间气压变化的负相关现象。ENSO厄尔尼诺现象和南方涛动的合称。南方涛动指数（SOI）通常用南太平洋的塔希堤岛和澳大利亚的达尔文岛的海平面气压差来表示南方涛动的振动和位相指数（SOI）。

南方涛动（SouthernOscillation）59成因潮流：潮汐作用引起风生洋流（风洋流、吹流、漂流）：风吹海面引起密度流：密度分布不均引起补偿流东亚近海的洋流：黑潮暖流、亲潮寒流洋流暖流：由低纬流向高纬的洋流寒流：由高纬流向低纬的洋流热力特性成因潮流：潮汐作用引起东亚近海的洋流：黑潮暖流、亲潮寒流60三、大气环流大气环流的特性决定了进入某一地区的气团性质，从而决定着一定气团作用下的天气和气候。在低压经常控制的地区，云雨较多，获得的太阳辐射就比同纬度其他地方要少，温度较低；反之，在高压经常控制的地区，则相反。

大气环流维持了气候的相对稳定性。当大气环流形势趋向其长期平均的正常状态时，其作用下的各地的天气气候情况也是正常的；当大气环流形势在个别年份或个别时期异常时，便会发生该年份或该时期天气气候的反常。第一节气候的形成因素三、大气环流大气环流的特性决定了进入某一地区的气团性质，从61人类活动对气候的影响主要体现在三个方面：

①改变下垫面性质

森林、草原、农田（沙漠化效应、绿洲效应）水库（湖泊效应）城市（城市热岛效应）海洋石油污染（海洋沙漠化效应）

四、人类活动第一节气候的形成因素人类活动对气候的影响主要体现在三个方面：四、人类活动第一节62③人为释放热量各种能源和人畜新陈代谢放热（城市热岛效应、火炉效应）②改变大气成分二氧化碳CO2、甲烷CH4（温室气体）一氧化二氮N2O、氟氯烃化合物CFCS

（温室气体，破坏臭氧层）气溶胶（阳伞效应）③人为释放热量②改变大气成分63第二节世界气候及其分类一、气候带10°N10°S23°27′N23°27′S33°S33°N45°S45°N66°33′S66°33′N赤道赤道气候带热带气候带热带气候带副热带气候带副热带气候带暖温带气候带暖温带气候带冷温带气候带冷温带气候带极地气候带极地气候带第二节世界气候及其分类一、气候带10°N10°S23°264赤道气候带位置：10°N～10°S气候特点：全年高温少变，温度年较差很小降水丰沛，全年分配均匀热带气候带位置：10°N、S～23°27′N、S气候特点：温度高，温度年较差较大降水量大，降水集中于夏半年一年可分为热、雨、凉三季赤道气候带位置：10°N～10°S气候特点：全年高温少变65副热带气候带位置：23°27′N、S～33°N、S气候特点：温度年较差、日较差大大陆西岸：盛行西北风，气候干燥大陆东岸：盛行东南风，气候湿润副热带气候带位置：23°27′N、S～33°N、S气候66夏季受副热带高压影响欧亚大陆西岸高温干燥，具大陆性欧亚大陆东岸炎热多雨，具海洋性冬季受盛行西风带控制欧亚大陆西岸温暖多雨，具海洋性欧亚大陆东岸寒冷干燥，具大陆性暖温带气候带位置：33°N、S～45°N、S气候特点：欧亚大陆西岸：地中海气候欧亚大陆东岸：季风气候欧亚大陆两岸气候特点的差异（1）夏季受副热带高压影响暖温带气候带位置：33°N、S～4567冷温带气候带位置：45°N、S～66°33′N、S气候特点：欧亚大陆西岸：海洋性气候，夏季凉爽冬季温和，秋温高于春温，最冷月和最热月均落后大陆性气候一个月，温度年、日较差较小，气候湿润，降水丰富、全年分配均匀，变率小欧亚大陆东岸：大陆性气候，夏季炎热冬季严寒，春温高于秋温，温度年、日较差很大，日照丰富，气候干燥，降水少且集中于夏季，变率大。欧亚大陆两岸气候特点的差异（2）冷温带气候带位置：45°N、S～66°33′N、S气候特点68极地气候带位置：极圈内气候特点：最热月月平均温度≤10℃苔原气候带：最热月月平均温度0～10℃夏季极地大陆气团冬季北极气团冻原气候带：最热月月平均温度≤0℃全年北极气团极地气候带位置：极圈内气候特点：最热月月平均温度≤10℃苔69全球行星