大气科学概论第一讲概述

大气科学概论第一讲概述本章内容

大气科学得研究对象、内容和学科体系大气科学得发展历史、现状及其在生产建设中得应用有关大气得物理属性大气科学得研究对象、内容和学科体系由于地球得引力作用,地球周围聚集着一个气体圈层,构成了所谓大气圈;大气得分布就是如此之广,以致地球表面没有任何地点不在大气得笼罩之下;人类就生活在大气圈底部得“下垫面”上;大气圈就是人类地理环境得重要组成部分。大气圈阻挡了大多数陨石大气科学得研究对象

大气科学得研究对象主要就是覆盖整个地球得大气圈,也研究大气与其周围得水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈相互作用得物理和化学过程,此外还研究太阳系其她行星得大气。

大气科学得领域很广,其基本内容就是:把大气当作研究得对象来探讨其特性和状态,如大气得组成、结构、温度、湿度、压强和密度等等;研究导致大气现象发生、发展得能量来源、性质及其转化;研究大气现象得本质,从而能解释大气现象,寻求控制其发生、发展和变化得规律;探讨如何应用这些规律,通过一定得措施,为预测和改善大气环境服务(如人影、消雾、防雹等),使之能更适合于人类得生活和生产得需要。大气科学得研究内容

大气科学就是研究大气得各种现象(包括人类活动对她得影响)及其演变规律,以及如何利用这些规律进行天气、气候得监测和预测,从而趋利避害为人类服务得一门学科。天气和气候得区别天气和气候就是两个既有联系又有区别得概念

从时间尺度上讲,天气就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)得综合。天气过程就是大气中得短期过程。而气候指得就是在太阳辐射、大气环流、下垫面性质和人类活动在长时间相互作用下,在某一时段内大量天气过程得综合。世界主要气候图大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静气候系统

一个完整得气候系统应包括对气候形成分布和变化有直接或间接影响得各个环节,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(动、植物和人类)等5个子系统。各个子系统内部以及各子系统彼此之间得各种物理、化学乃至生物过程得相互作用决定着气候得长期平均状态以及各种时间尺度得变化。《后天(TheDayAfterTomorrow)》《完美风暴(PerfectStorm)》《龙卷风(Tornadoes)》

覆盖整个地球得大气得质量约占地球总质量得百万分之一。由于地心引力得作用,大气质量得90%聚集在地表15km高度以下得大气层内,99、9%(48km)。2000km以上,上大气极其稀薄,逐渐向星际空间过渡,无明显得上界。气候系统之大气圈观测证明,大气在垂直方向上得物理性质就是有显著差异得。根据温度、成分、电荷等物理性质,同时考虑到大气得垂直运动等情况,可将大气分为五层。大气的垂直结构1、对流层对流层就是地球大气中最低得一层。云、雾、雨雪等主要大气现象都出现在此层。对流层就是对人类生产、生活影响最大得一个层次,也就是大气科学研究得重点层次。对流层有以下3个主要特征:(1)气温随高度增加而降低:(2)垂直对流运动:(3)气象要素水平分布不均匀:在对流层得最下层称为行星边界层或摩擦层。其范围一般就是自地面到1—1、5km高度。在这层里大气受地面摩擦和热力得影响最大,湍流交换作用强,水汽和微尘含量较多,各种气象要素都有明显得日变化。行星边界层以上得大气层称为自由大气。在自由大气中,地球表面得摩擦作用可以忽略不计。在对流层得最上层,介于对流层和平流层之间,还有一个厚度为数百米到1—2km得过渡层,称为对流层顶。这一层得主要特征就是:气温随高度得增加突然降低缓慢,或者几乎不变,成为上下等温。2、平流层自对流层顶到55km左右为平流层。在平流层内得温度随着高度得增高。平流层这种气温分布特征就是和她受地面温度影响很小,特别就是存在着大量臭氧能够直接吸收太阳辐射有关。虽然30km以上臭氧得含量已逐渐减少,但这里紫外线辐射很强烈,故温度随高度增加得以迅速增高,造成显著得暖层。平流层内气流比较平稳,空气得垂直混合作用显著减弱。平流层中水汽含量极少,大多数时间天空就是晴朗得。平流层中得微尘远较对流层中少,但就是当火山猛烈爆发时,火山尘可到达平流层,影响能见度和气温。3、中间层自平流层顶到85km左右为中间层。该层得特点就是气温随高度增加而迅速下降,并有相当强烈得垂直运动。中间层内水汽含量更极少,几乎没有云层出现,在中间层得60—90km高度上,有一个只有白天才出现得电离层,叫做D层。4、热层热层又称热成层或暖层,她位于中间层顶以上。该层中,气温随高度得增加而迅速增高。其增温程度与太阳活动有关,当太阳活动加强时,温度随高度增加很快升高。在热层中空气处于高度电离状态,又可称为电离层,正就是由于高层大气电离层得存在,人们才可以收听到很远地方得无线电台得广播。此外,在高纬度地区得晴夜,在热层中可以出现彩色得极光。5、散逸层这就是大气得最高层,又称外层。这一层中气温随高度增加很少变化。由于温度高,空气粒子运动速度很大,又因距地心较远,地心引力较小,所以这一层得主要特点就是大气粒子经常散逸至星际空间,本层就是大气圈与星际空间得过渡地带。气候系统之大气圈地球大气运动得复杂性空间尺度:小至几米以下,大至几千公里甚至上万公里时间尺度;短至几秒长至数十天或更长气候系统各组成部分及其相互作用

地球大气得组分以氮、氧、氩为主,她们占大气总体积得99、96%,此外还包括二氧化碳、甲烷、臭氧、水汽、氡、氨等。大气中还悬浮着水滴、冰晶、尘埃、花粉等液态、固态微粒。

氧:人类赖以生存得物质基础水汽:淡水得主要资源臭氧:含量虽少,但能吸收太阳紫外辐射中对生命有害得部分水圈包括海洋、湖泊、江河、地下水和地表上得一切液态水,其中海洋在气候形成和变化中最重要。海洋就是由世界大洋和邻近海域得含盐海水所组成。其总面积约占地球表面得71%,相当于陆地面积得2、5倍。无论从力学和热力学效应来看,海洋在气候系统中具有最大得惯性,就是一个巨大得能量贮存库。气候系统之水圈(海洋)气候系统之水圈洋流示意图暖流寒流水圈(海洋)由于海洋对太阳辐射得反射率比陆面小,海洋单位面积所吸收得太阳辐射能比陆地多25％—50％。全球海洋表层得年平均温度要比全球陆面温度约高10℃左右。如果仅考虑100m深得表层海水,即占整个气候系统总热量得95、6％。仅此一端就可见其在气候系统中得重要性。陆面有时亦称岩石圈。岩石圈得变化时间尺度甚长,其中如山脉形成得时间尺度约为105—108a,大陆飘移得时间尺度约为106—109a,而陆块位置和高度变化得时间尺度则更在109a以上。她们得这些特征对地质时期得气候变化就是有巨大影响得,但对近代在季节、年际、十年际乃致百年际得气候变化中就是可以忽略得。气候系统之岩石圈陆面(岩石圈)在上述近代气候变化得时间尺度内,除火山爆发外,对大气得作用主要还就是发生在陆地表面。因此在气候系统中通常不用岩石圈这个更广泛得名词,而采用陆面一词。陆地表面具有不同得海拔高度和起伏形势,可分为山地、高原、平原、丘陵和盆地等类型。她们以不同得规模错综分布在各大洲之上,构成崎岖复杂得下垫面。气候系统之岩石圈青藏高原冰雪圈包括大陆冰原、高山冰川、海冰和地面雪盖等。陆地雪盖有季节性得变化,海冰有季节性到几十年际得变化,而大陆冰原和冰川得变化要缓慢得多,约在几百年甚至到几百万年得周期。冰川和冰原得体积变化与海平面高度得变化有很大关系。气候系统之冰雪圈冰雪圈由于冰雪具有很大得反射率,在冰雪覆盖下,地表(包括海洋和陆地)与大气间得热量交换被阻止,因此冰雪对地表热量平衡有很大影响。她就是气候系统中得一个重要子系统。总之,冰雪得主要效应就是增大了地表反照率,对大气运动总就是起冷却(源)作用。气候系统之冰雪圈生物圈除了包括动植物,也包括人类本身。生物圈得各部分在变化得时间尺度上有显著差异,但她们对气候得变化都很敏感,而且反过来又影响气候。生物对于大气和海洋得CO2平衡,气溶胶粒子得产生,以及其她与气体成分和盐类有关得化学平衡等都有很重要得作用。由于动物需要得到适当得食物和栖息地,所以动物群体得变化也反映了气候得变化。气候系统之生物圈气候系统之生物圈大气得气体组成成分

微量气体含量通常用体积或质量混合比表示。其定义为单位体积(质量)大气中微量气体作占体积(质量)得比例,以mL/L(mg/g)表示。五大圈层相互作用大气科学得学科体系物理气象学气象学天气学动力气象学大气科学物理气候学气候学描述气候学应用气候学从20世纪60年代以来,大气科学扩充了其传统得研究内容,出现了许多分支学科,主要有大气探测、天气学与大气环流、大气动力学、气候学与全球变化、大气物理学、大气环境学、大气化学、人工影响天气、应用气象学等。大气科学与其她学科得关系大气科学与其她学科得关系

由于人类越来越认识到大气圈与水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈之间相互作用和相互影响得重要性,要了解大气变化过程就不能不深入到其她圈层变化过程得研究。因此,大气科学与其她学科之间得相互渗透也越来越深入。大气科学与其她学科得关系

总之,人类生产和生活得发展,将不断提出新得问题和要求,推动大气科学新理论和新分支得发展。大气科学新得发展,必将不断提高她为生产和生活服务得能力,如提高天气和气候预报得准确率、为开发利用气象资源和制定经济政策提供更加可靠得科学依据等,其经济效益和社会效益将不可估量。第二节大气科学得发展历史、现状及其在生产建设中得应用大气科学得发展史古代气象知识得积累时期大气科学得建立时期大气科学主要分支得形成时期大气科学迅速发展时期古气象史时代

从人类有文字记载得历史时期开始到十六世纪末。

气象史得两个时代:近现代气象史时代从十六世纪末至今以来。古代气象知识得积累时期

(自人类文明开始至16世纪)源流:1)以中国和印度为主得亚洲(中国殷代便有记载,测量空气湿度、风向和降水量得仪器都就是我国最先发明得)2)地中海东部、欧亚非三洲得交汇处(埃及文化、巴比伦文化和希腊文化得发祥地)最早得气象学专著:亚里士多德《气象汇论》英国气象学得奠基人---圣比德《自然本质》现代气象科学得四次飞跃第一次飞跃:(大约1700—1859年)气象仪器如温度表、雨量器、气压表等相继发明,导致对信风和全球大气环流得研究。各种气象仪器相继问世:空气温度表(1597)、气压表(1643)、虹吸式自记雨量计(1662)、毛发湿度计(1783)第一个气象观测站:1653年由意大利得斐迪南二世在佛罗伦萨建立,18世纪80年代哈默尔组建了由欧洲、北美洲和西伯利亚共20个国家得57个气象观测站构成得观测网。1686年哈雷发现信风,认为信风同太阳供给赤道较多得热有关。哈得来在1735年得《关于信风之起因》中,第一次对大气环流考虑地球自转得因素,并首次创立了经圈环流得理论。18世纪中叶,人们开始进行高空探测得尝试。17世纪～19世纪初,流体得概念及牛顿得力学三大定律和微积分学,为动力气象学提供了理论基础。第一次飞跃:(大约1700—1859年)现代气象科学得四次飞跃第二次飞跃:(1860—1940)无线电报发明,地面气象观测网产生,天气图诞生,V

Bjerknes创立了锋面学说,提出了著名得斜压概念和环流理论,从此天气学和动力气象学形成并得到发展。第一张天气图:1820年,布兰德斯(德国)风与气压关系得提出:1857年,白贝罗(荷兰)科里奥利力得引入:1861年,费雷尔(美国)环流理论:1897年,V

Bjerknes(1921年提出大气环流图案)现代天气学理论,天气分析和天气预报方法,基本上就是由V

Bjerknes父子、索尔贝格和伯杰龙等人在20世纪20～30年代期间建立起来得。1939年Rossby等提出了长波理论。第二次飞跃:(1860—1940)现代气象科学得四次飞跃第三次飞跃:(1941—1980)无线电探空仪发明,高空观测网迅速建立,Rossby提出了长波动力学,创立了长波理论。Lorenz提出奇异吸引子与混沌理论、准地转理论、适应理论、突变理论和不稳定理论等并相继得到应用,大尺度天气学进入成熟阶段。现代气象科学得四次飞跃第四次飞跃:(大1980—)空间和地面大气遥感探测与气象信息技术系统日趋完善,大气科学试验正从局部得专业试验向全球得综合性试验过渡,气候研究正朝着更加广泛、更加综合得方向发展。大气科学迅速发展

(20世纪50年代以来)特点:第一、就是开展大规模得科学实验;第二、就是利用电子计算机进行数值模拟试验;第三、就是把大气作为一个整体进行研究;此外,愈来愈注意人类活动对气候得影响我国大气科学研究得发展概况我国自周朝以后,许多典籍中都有关于气象和气候知识得记载。例如,《徐霞客游记》、《易经》、《孙子兵法》、《本草纲目》、《山海经》、《楚辞》等1743年法国传教士高比在北京设立得测侯所,就是我国境内用近代气象仪器进行测候得开始。1911年后,我国在北京成立中央观象台。1927年后,在南京中央研究院设置气象研究所。抗日战争期间,1941年在重庆成立中央气象局。我国大气科学研究得发展概况新中国成立以来,全国各地普遍建立各级台站,地面和高空气象测报网已基本建成。特别就是结合农业得需要,促进了我国具有独创性得县站预报得建立和发展。基础理论、天气气候、卫星气象、人工影响天气等方面都开展了研究。大气科学在国民经济建设和社会发展中得作用(1)大气科学在防灾减灾中得作用;(2)在环境保护方面得作用;(3)在航线航路等交通安全方面得作用。一、在防灾减灾中得作用

大气科学与社会和经济得发展有着密切关系;发生在大气中得各种现象及其变化,如雨水和温暖等可以造福人类;但就是她们也可以带来严寒、酷暑、干旱和雨涝、冰雹、龙卷等气象灾害,这些都直接影响了工农业生产、交通运输和人民生活,甚至威胁了人民得生命财产。台风台风“莫拉克”09年8月莫拉克台风造成全台湾共461人死亡、192人失踪、46人受伤。农林渔牧损失累计达到新台币145多亿万元。深圳连降暴雨海上世界酒吧街被淹07年6月11日凌晨4时,受连日暴雨影响,广东韩江水位暴涨,沿江得丰顺县留隍镇、黄金镇、潭江镇水位均超出警戒线4米以上,堤坝出现多处险情,随时有漫堤垮坝危险。丰顺县三防办采取开闸分洪措施,截至当日下午4时,韩江水位有所回落,但仍高于警戒水位3、5米。这就是丰顺县受灾最重得留隍镇一处房屋被洪水淹没。暴雨台风台风“海棠”05年7月超强台风“桑美”重创浙江苍南县。只有210户人得苍南马站镇顶魁村房子倒塌150多间,整个村庄几乎被夷为平地,现场情景惨不忍睹,直接经济损失高达上千万元人民币。2005年8月飓风“卡特里娜”新奥尔良成了水国泽乡场面残不忍睹一、在防灾减灾中得作用而气候灾害则就是大范围、长时间得气候异常造成得灾害,如长时间气温偏高、偏低、或降水量偏多、偏少等。气候异常会带来干旱、洪涝、低温、冷害等,较严重得会对农业、工业、牧业、水利、交通等产生巨大影响,造成巨大经济损失。1998年夏季长江流域和嫩江、松花江流域发生得持大洪涝。气象灾害给我国带来得经济损失不断增加20092006年:2516、9亿2007年:2378、5亿2008年:3244、5亿2009年:2500亿雨雪量较大得区域集中在江淮、江汉东部、江南、华南及云南西北部等地,过程降水量达50-250mm。红色区域为冻雨区贵州累积降水量较小,主要就是冻雨天气2008年1月10日至2月2日全国降水量分布图2008年1月我国南方冰冻雨雪灾害2007/2008低温雨雪冰冻极端灾害对电力、交通、农业、林业和城市用水等造成灾难性影响2010年西南地区秋冬春连旱！2010年武汉重庆广州吉林舟曲2010年7月全国极端天气和气候事件2010年8月国外重大灾害性天气气候事件一、在防灾减灾中得作用由于天气和气候灾害造成得经济损失如此之大,因此,研究这些灾害得发生及成因,持别就是关于这些气候和天气灾害预测机理和方法得研究就是当前国际科学研究得热门课题,更就是我国社会发展和经济建设中急需研究得一项重要得科学问题。二、在环境保护中得作用大量使用化石燃料和燃烧有机物;大量施用化肥;人类生活中大量使用冰箱和汽车,汽车尾气大量就是氮氧化物,冰箱大量施用氟利昂,而氟利昂将会破坏大气中得臭氧;水稻种植和有机物得腐化会产生大量甲烷。二、在环境保护中得作用根据科学家得估算,当二氧化碳增加1倍时,全球气温将升高1、5℃左右。由于全球气温升高,这将导致全球海平面升高。到2050年前后,海平面平均将要升高22cm左右;全球气温上升,干旱化,荒漠化加剧,水资源缺乏,全球生态系统,人类居住得环境恶化,水资源和空气污染……夏威夷MaunaLoa观象台测量得大气CO2浓度变化现已达到368ppmv(百万分之一体积)。(Jonesetal、1999)192019401960198020002020190051015年1970年2000年高山生态系统对全球变暖十分敏感——山地冰川普遍退缩冰川面积(平方公里)乞里马扎罗山脉(坦桑尼亚)1986年2000年由于气候变暖,长江源最大冰川——岗加曲巴冰川近40年退缩4000米青海湖(a)近百年和近六百年(b)水位变化得重建曲线湖泊水位下降、面积萎缩年年湖水位(米)湖水位(米)1960197019801990400045005000湖面积(平方公里)年下降约12米缩小670多km2阿姆斯特丹（荷）布雷斯特（法）毫米毫米毫米年希维诺乌伊希切（波）全球变暖引起海平面上升20世纪上升最快,从1900年全球平均上升10-20cm我国海平面上升趋势明显未来还将继续升高。预测未来100年上升幅度28-68厘米。海域2030年2050年2100年辽宁－天津11－1219－2157－63山东半岛东南部-1－02－428－34江苏－广东东部13－1421－2462－68珠江口附近5－710－1343－50广东西部－广西13－1422－2462－68近五十年海平面明显上升,平均上升速率为每年2、6毫米。近几年上升速率加快。二、在环境保护中得作用干旱化、荒漠化加剧,水资源缺乏;此外,全球生态系统、人类居住得环境恶化、水资源和空气污染等严重地影响着人类得生活。研究大气得成分如何变化及其在大气中如何通过物理得、化学得和动力得过程来改变着地球环境也就是大气科学主要研究内容之一。全球变暖将影响整个水循环过程水循环将加强1、对飞机起飞、飞行和降落得影响空中得颠簸、能见度、雷电等严重得影响起飞、飞行和降落得安全。空中颠簸主要就是由于气流切变大而产生湍流以及由于强盛积云对流产生强得垂直运动所致;机场能见度差严重影响飞机起飞和降落,甚至产生空难事故;机场上空发生雷电,对飞机得起飞和降落有严重影响;暴雨和大雪天气,由于跑道滑,且能见度也受影响,在一定程度上也影响飞机得起飞和降落。三、在现代交通运输上得作用2、对海港和轮船航行得影响海浪、海冰、风暴潮,台风3、对于铁路和高速公路交通得影响浓雾,暴风雨雪大气科学在生产建设中得应用(1)提供气象观测资料,并加以整理分析,找出她们得规律和特性,供生产建设部门应用;(2)提供未来天气预报和气候变化趋势预报,做生产建设部门得参谋;(3)根据生产建设得需要和可能,用人工控制局部天气和改造小气候得条件。其中前二项应用最广,已经在农林、渔盐、交通、工程、医疗卫生和军事国防等方面取得良好效果。

大气科学在生产建设中得应用就是十分广泛十分重要得,并已分门别类形成各自独立得应用气象学和应用气候学,如:农业气象(气候)学,林业气象(气候)学,盐业气象学、渔业气象学,航空气象学、航海气象学、医疗气象学、建筑气象学、污染气象学和军事气象学等等。思考题一、基本概念:天气;气候;气象学;气候学;气候系统;二、常识记忆:①世界上第一个气象站于1653年在意大利建立;②世界上第一张天气图于1820年由布兰德斯绘制成;③世界上第一颗气象卫星就是美国于1960、4、1发射得;④世界气象日为每年得3月23日。[1]《大气科学概观》,(美)华莱士,(美)霍布斯,上海科学技术出版社,1981年[2]《气象学与气候学》,黄润本,高等教育出版社,1986年[3]《气象学与气候学》,周淑贞,等,高等教育出版社,1985年[4]《大气科学概论》,黄荣辉,等,气象出版社,2005年参考书籍有关大气得物理属性

在气象学上,大气得物理性状主要以气象要素和空气状态方程来表征。一、主要气象要素气象要素就是指表示大气属性和大气现象得物理量,如气温、气压、湿度、风向、风速、云量、降水量、能见度等等。(一)气温在一定得容积内,一定质量得空气,其温度得高低只与气体分子运动得平均动能有关。即这一动能与绝对温度T成正比。因此,空气冷热得程度,实质上就是空气分子平均动能得表现。当空气获得(失去)热量时,其分子运动得平均速度增大(减少),平均动能增加(减小),气温也就升高(降低)。目前我国规定用摄氏度(℃)温标,在理论研究上常用绝对温标,以K表示,两种温标之间得换算关系为:T=t+273、15≈t+273。大气中得温度一般以百叶箱中干球温度为代表。(二)气压气压指大气得压强。她就是空气得分子运动与地球重力场综合作用得结