气象学与气候学：第一章 引论

气象学与气候学MeteorologyandClimatology天气/气象雨闪电雷阵雨（阵性降水）层积云（连续性降水）人工增雨火箭高炮碘化银

增雨宁夏20030406人工增雨，福州，2003雨和降水有何关系?冰雹，北京，20050531冰露霜雾淞山地之雾斗笠云旗云环状云垂直对流垂直对流龙卷龙卷台风，太平洋飓风，北美台风“鸣蝉”台风“蝎虎”横扫日本台风－杰拉华Jelawat马来西亚，2000年西移路径台风“洛克”，2005西北移路径台风“碧利斯”，2000转向路径台风“电母”，2004气候变化大气污染城市的3C污染：Coal、Car、Constructionsite人类活动电厂排污土法炼焦，山西酸雨使森林枯萎酸雨对石像的腐蚀复活节岛全球一氧化碳污染图2000.04.30.

燃烧化石燃料而产生南极臭氧洞全球变暖北极冰盖加速消融北极冰盖加速消融北极冰盖加速消融长江源——格拉丹冬雪山冰川加速消融◆

图瓦卢

南太平洋岛国图瓦卢，由九个弧状珊瑚小岛构成，总面积只有26km2，最高海拔＜4.5m，总人口1.1万人。专家预言，如果地球环境继续恶化，在五十年之内，图瓦卢九个小岛将全部没入海中。图瓦卢人民成了名符其实的“环境难民”，从2002年起正式举国迁往新西兰。

下一个会轮到谁呢？基里巴斯、库克群岛、瑙鲁和西萨摩亚，以及马尔代夫等由珊瑚礁构成的低地岛国，也面临着同图瓦卢一样的威胁。全球第一个国家因海平面上升而迁国图瓦卢1190个珊瑚岛所构成的群岛小国平均海拔只有1米，人口

28万

印度洋岛国马尔代夫九江，1998.08.09长江，1998广西梧州，2005.06.内蒙的草原塔里木河畔塔克拉玛干沙漠边缘黄沙湮没的绿洲第一章引论第一节气象学与气候学的研究对象

内容和简史一、气象学的研究对象和内容1、研究对象气象学：研究大气圈中大气现象和过程，探讨其演变规律，并直接或间接用之于指导生产实践为人类服务的科学。大气圈：在地球引力作用下聚集在地球周围的气体圈层。Date:20060720(YYYYMMDD)GMTTime:082858(HHMMSS)

NadirPointLatitude:21.5,Longitude:113.3

SpacecraftAltitude:181nauticalmiles(335km)2、气象学研究的基本内容：（1）大气的特性和状态：大气的组成、范围、结构、温度、湿度、压强、密度……（2）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）如何应用这些规律，为预测和改善大气环境服务。二、气候学及其基本任务气候学：研究气候形成、分布和变化的科学。气候学基本任务①通过一定的方法（气象观测、统计分析等），记叙所观测到的气候现象，从定性和定量两方面说明它们的特性。②探讨并掌握天气演变和气候形成的规律性，了解和解释不同地区的气候特征，进行气候分类和气候区划，研究气候变迁的原因及其规律。③应用已发现的规律，采取有效措施，充分利用气候资源，减少人类活动对气候的不利影响，防御或减少气候灾害。三、气候与气象（天气）的区别与联系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。气候指的是太阳辐射、大气环流、下垫面和人类活动在长时间相互作用下，某一时段内大量天气过程的综合（含某地多年来经常发生的天气状况及某些年份偶尔出现的极端天气状况）。要了解一地的气候，必须作长时期的观测，才能总结出当地多年天气变化的情况。即气候过程是在一定时段内由大量天气过程综合而得出的长期大气过程，二者之间存在着统计联系，从时间上反映出微观与宏观的关系。天气变化快，变化的周期短。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。气候变化的周期有季际、年际、十年际、百年际、千年际、万年际等等。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（太阳辐射）和下边界（下垫面）的各种物理过程和化学过程。一个完整的气候系统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。四、气象学与气候学的发展简史1、萌芽时期时间：十六世纪中叶以前。特点：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了一定的解释。学科性质：气象学与天文学混在一起，具有天象学的性质。主要成就：殷代--甲骨文对风、云及雨等天气现象的记载；春秋战国—二十四节气；西汉—相风铜鸟、铜凤凰风向器；宋代—土炭湿度计；亚里士多德的《气象学》，意识到太阳光倾斜对气候的影响，建立了热带、温带和寒带等气候带概念；15世纪中期认识到气候的形成还与大气环流、海陆分布有关。

西汉长安城的相风铜鸟汉代青铜相风铜鸟2、发展初期

时间：十六世纪中叶到十九世纪末。特点：气象学、气候学与天文学逐渐分离，成为独立的学科。主要成就：应用：温度表；气压表；毛发湿度表；建立气象台站、地面气象观测网；地面天气图；理论：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；气温、气压及降水分布图。v01000v04001v04002v12001v12201v12211v12212台站年月平均气温平均气温距平平均最高气温平均最低气温v12011v12012v13003v13007v13011v13052极端最高气温极端最低气温平均相对湿度最小相对湿度降水量最大日降水量3、发展时期时间：20世纪以来。特点：地面气象观测和高空直接观测，摆脱了定性描述阶段，进入到定量试验阶段。1）早期----20世纪前50年气象学的重要进展：锋面学说：为进行1—2天的天气预报奠定了物理基础。长波理论：既为进行2—4天的天气预报奠定了理论基础，同时也使气象学由两维空间真正发展为三维空间的科学。降雨学说（冰水共存、大小水滴共存）：为人工影响冷云、暖云降水奠定了基础。气候学的重要进展：气候型的概念；气候分类法；动力气候学；小气候研究。2）近期：20世纪50年代以后特点：运用气象卫星、探空气球等开展国际性的大规模观测试验，服务于中长期天气预报（10-14天）；对大气物理现象进行数值模拟试验（大气环流、云内雨滴的生成过程）；把大气作为一个整体进行研究，加强气象学与其他学科之间的联系；人类活动与气候相互影响研究等；成就---“气候科学领域中的科学革命”1972瑞典斯德哥尔摩联合国环境大会；1974联合国粮食大会；1974世界气象组织与世界科学联盟关于气候模拟的研讨会，提出CS和WCP；1979日内瓦第一次世界气候大会（WCC），批准WCP；制定NCP；成立IPCC；1990日内瓦第二次WCC；1992里约热内卢《世界气候框架公约》。我国的情况？第二节

气候系统概述1、气候系统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。2、大气圈

1）大气的组成多种气体、悬浮固体杂质和液体微粒；气体组成成分：氮、氧、氩（99.96％）；二氧化碳、臭氧、甲烷等；氧：80km以下，主要以分子形式存在；80km以上，由于紫外线的照射，主要以原子形式存在。氮：250km以上，基本上以原子形成存在。水汽：来源，时、空分布及作用；臭氧：分布：在近地面层臭氧含量很少；从10km高度开始逐渐增加；在12—15km以上含量增加得特别显著；在20—30km高度处达最大值；再往上则逐渐减少；到55km高度上极少。形成：主要是由于在太阳短波辐射下，通过光化学作用，氧分子分解为氧原子后再和另外的氧分子结合而形成的。原因：在低层空气中，太阳短波紫外线大大减少，氧分子的分解也就大为减弱，所以氧原子数量减少，以致臭氧形成减少。在20~30km高度这一层中，既有足够的氧分子，又有足够的氧原子，这就造成了臭氧形成的最适宜条件，故这一层又称臭氧层；在大气的上层，太阳短波强度很大，致使氧分子离解增多，因此氧原子和氧分子相遇的机会很少，即使有少量臭氧形成，由于它吸收一定波长的紫外线，又引起自身的分解，因此在大气上层臭氧的含量不多；影响：臭氧能大量吸收太阳紫外线，使臭氧层增暖，影响大气温度的垂直分布，从而对地球大气环流和气候的形成起着重要的作用。同时它还形成一个“臭氧保护层”，使得到达地表的对生物有杀伤力的短波辐射（波长小于0.3μm）大大降低了强度。南极臭氧洞二氧化碳、甲烷、一氧化二氮等－－温室气体：对太阳辐射吸收甚少，却能强烈吸收地面辐射，同时又向周围空气和地面放射长波辐射。都有使空气和地面增温的效应－－温室效应；气溶胶粒子：悬浮着的多种固体微粒和液体微粒的统称。作用或影响：水汽凝结核心；散射、吸收部分太阳辐射；减少地面长波辐射的外逸，对地面和空气温度有一定影响。液体微粒：指悬浮于大气中的水滴和冰晶等水汽凝结物。影响：以云、雾形式影响能见度；减弱太阳辐射和地面辐射。

2）大气的结构（1）对流层：范围：～对流层顶特征：1）气温随高度增加而降低。2）垂直对流运动显著→对流层厚度的时空变化；水汽、能量及杂质的输送，利于成云致雨；3）气象要素水平分布不均匀。对流层的分层：行星边界层（或摩擦层）、自由大气、对流层顶（温度降低缓慢或几乎不变）。（2）平流层：范围：对流层顶～55km左右。特征：随高度的增高，气温最初保持不变或微有上升，约30km以上，气温随高度增加而显著升高（原因？）。气流比较平稳，垂直混合运动显著减弱；水汽含量极少。（3）中间层：范围：平流层顶～85km左右。特征：气温随高度增加迅速下降（顶部-113~-83℃）（原因？）；垂直运动强烈；水汽含量更少。（4）热层特征：气温随高度增加迅速升高（原因？）；增温程度还与太阳活动相关，如500km处500k~2000k。空气处于高度电离状态---“电离层”（E层—90~130km、F层—160~350km）---可反射无限电波；在高纬度晴夜，热层中可出现极光。（5）散逸层（外层）特征：该层的主要特点是大气粒子经常散逸至星际空间（原因？），是大气圈与星际空间的过渡地带。第三节大气的物理性状大气的物理性状主要以气象要素（气温、气压、湿度、风向、风速、云量、降水量、能见度等）和空气状态方程（干、湿空气状态方程和虚温）来表征。1、气温本质：空气的温度/冷热程度实质上是空气分子平均动能的表现。这一动能与绝对温度T成正比。0℃：气压为1013.25hPa时纯水的冰点温度。100℃?单位：绝对温度T与摄氏度℃；绝对零度：-273.15℃；2、气压气压指大气的压强。静止大气中任意高度上的气压值等于其单位面积上所承受的大气柱的重量。P=F/A=Mg/A单位：百帕（hPa）----1hPa等于1cm2面积上受到100牛顿（N）的压力时的压强值，即1hPa=100N/cm2=3/4mmHg一个标准大气压：温度为0℃、纬度为45°的海平面气压值（1013.25hPa）。3、湿度大气湿度：表示大气中水汽量多少的物理量。1）水汽压和饱和水汽压大气压力是大气中各种气体压力的总和。大气中的水汽所产生的那部分压力称水汽压（e），单位为hPa。在温度一定情况下，单位体积空气中的水汽含量有一定限度，如果水汽含量达到此限度，空气就呈饱和状态，这时的空气，称饱和空气。饱和空气的水汽压（e）称饱和水汽压（E），超过这个限度，水汽就要开始凝结。饱和水汽压随温度的升高而增大。2）相对湿度相对湿度（f）：空气中的实际水汽压与同温度下的饱和水汽压的比值，即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（e）不变时，气温升高，饱和水汽压增大，相对湿度会减小。3）饱和差在一定温度下，饱和水汽压与实际空气中水汽压之差称饱和差（d），即d=E-e。d表示实际空气距离饱和的程度。4）比湿比湿（q）：在一团湿空气中，水汽的质量与该团空气总质量（水汽质量加上干空气质量）的比值。单位：g/g或者g/kg。mw为该团湿空气中水汽的质量；md为该团湿空气中干空气的质量。对于某一团空气而言，只要其中水汽质量和干空气质量保持不变，不论发生膨胀或压缩，体积如何变化，其比湿都保持不变。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（γ）即：（单位：g/g）6）露点在空气中水汽含量不变，气压一定，使空气冷却达到饱和时的温度，称露点温度，简称露点（Td）。在气压一定时，露点的高低只与空气中的水汽含量有关，水汽含量愈多，露点愈高，所以露点也是反映空气中水汽含量的物理量。在实际大气中，空气经常处于未饱和状态，露点温度常比气温低（Td＜T）。因此，根据T和Td的差值，可以大致判断空气距离饱和的程度。4、降水与降水量降水：指从天空降落到地面的液态或固态水，包括雨、雪、雨夹雪、霰和冰雹等。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。5、风空气的水平运动称为风。风是一个表示气流运动的物理量（向量--风速、风向）。6、云和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，且具有一定的厚度。云量是指云遮蔽天空视野的成数。7、能见度能见度：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：米（m）或千米（km）。二、空气状态方程空气状态常用密度（ρ）、体积（V）、压强（P）、温度（t或T）表示。对一定质量的空气，其P、V、T之间存在函数关系。1、干空气状态方程一切气体在压强不太大，温度不太低的条件下，一定质量气体的压强和体积的乘积除以其绝对温度等于常数，即理想气体的状态方程。凡严格符合该方程的气体，称理想气体。实际上，理想气体并不存在，但在通常大气温度和压强条件下，干空气和未饱和湿空气都十分接近理想气体。在标准状态下（P0=1013.25hPa，T0=273K），1mol的气体，体积约等于22.4L，即V0=22.4L/mol。因此R*对1mol任何气体都适用，称普适气体常数。对于质量为M克，