气象学与气候学电子教材

气象学与气候学电子教材第一章：绪论——气象与气候的世界1.1气象学与气候学的定义及研究对象我们生活在地球大气的底部，时刻感受着它的呼吸与脉动。晴日的温暖，雨天的湿润，风的呼啸，雪的静谧——这些都是大气运动的直接体现。气象学，正是研究大气中各种物理现象和物理过程的科学。它关注的是瞬时或短时间内（通常指几天到几周）大气状态的变化，例如我们日常所关注的气温、气压、湿度、风、云、降水等天气要素的演变，以及由此引发的各种天气现象。气候学则是在气象学基础上发展起来的，它研究的是地球上气候的形成、分布、变化规律以及气候与人类活动、自然环境相互关系的科学。气候，通常指的是一个地区在较长时期内（一般以数年到数十年，乃至数百年以上为周期）大气的平均状态及其统计变化特征。因此，气候是对天气的长期概括和综合，而天气则是气候在短时间尺度上的具体表现。气象学与气候学虽然研究的时间尺度有所不同，但它们紧密相连，共同构成了我们认识大气圈奥秘的重要学科。它们的研究对象不仅包括大气本身的各种物理过程，还涉及大气与海洋、陆地表面、冰雪圈、生物圈乃至人类活动之间复杂的相互作用。1.2气象学与气候学的重要性气象与气候对人类社会的重要性不言而喻。从最基本的衣食住行，到农业生产的丰歉、水利工程的规划、交通运输的安全、能源的合理利用，再到环境保护、防灾减灾以及应对全球气候变化等重大议题，无不与气象学和气候学的研究成果息息相关。农业生产高度依赖天气与气候条件。适时的降水、适宜的温度是作物生长的基本保障，而干旱、洪涝、霜冻、冰雹等气象灾害则可能导致农作物减产甚至绝收。准确的天气预报和气候预测能够帮助农民合理安排农事活动，趋利避害。在工业与交通领域，气象条件同样扮演着关键角色。例如，大雾、暴雨、强风等恶劣天气会严重影响公路、铁路、航空和海上交通的安全与效率；某些工业生产过程对温度、湿度等气象要素有特定要求；风能、太阳能等清洁能源的开发利用也离不开对当地气候资源的评估。气象灾害，如台风、暴雨、洪涝、干旱、高温、寒潮等，常常给人类生命财产带来巨大损失。气象学的研究能够提高灾害性天气的监测预警能力，为防灾减灾决策提供科学依据，从而最大限度地减少损失。进入现代社会，气候变化已成为全球关注的焦点。气候的异常波动，如全球平均气温的上升、极端天气事件发生频率的增加等，对生态系统、粮食安全、水资源、人类健康乃至国际政治经济格局都产生着深远影响。气候学的研究有助于我们理解气候变化的机制，预测未来的气候趋势，并制定相应的适应与减缓策略。1.3气象学与气候学的发展简史人类对大气现象的观察和思考由来已久。早在古代，人们就开始根据星辰的运行、云的形态、风的变化来推测天气，并积累了许多感性认识和经验总结，例如我国古代的二十四节气、物候观测以及大量的天气谚语。这些都是气象学的萌芽。然而，真正意义上的近代气象学始于17世纪末。随着温度计、气压计等测量仪器的发明，以及气象观测站的逐步建立，人们开始用定量的方法研究大气现象。19世纪中叶，电报的发明使得异地气象观测资料能够迅速集中和分析，为天气图的诞生奠定了基础，天气预报由此逐步发展起来。20世纪以来，气象学与气候学进入了快速发展的时期。无线电探空技术的应用，使得人们能够获取大气垂直方向的详细资料；气象雷达和气象卫星的相继问世，极大地拓展了气象观测的范围和能力，特别是对台风、暴雨等中小尺度天气系统的监测能力得到了显著提升。同时，物理学、数学、计算机科学等学科的进步，为大气动力学、数值天气预报和气候模式的发展提供了坚实的理论基础和强大的工具。数值天气预报已成为现代天气预报的主要手段，气候模式也被广泛应用于气候模拟和预测研究。如今，气象学与气候学正朝着更加精细化、综合化和智能化的方向发展，不断深化我们对地球大气系统的认识，并为人类社会的可持续发展贡献力量。1.4本教材的结构与学习方法本教材旨在为初学者提供一个关于气象学与气候学的系统性入门知识框架。我们将从大气的基本组成和结构入手，逐步探讨大气中的主要物理过程，如热力过程、水分循环、大气运动等，进而介绍天气系统的特征与演变规律，最后扩展到气候的形成因素、气候分类以及当前备受关注的气候变化问题。学习气象学与气候学，需要注重理论与实践的结合。建议读者在学习过程中，多关注日常天气现象，尝试运用所学知识进行解释；积极参与课堂讨论和实践活动，如图解天气图、分析气候资料等。同时，气象学与气候学是一门综合性很强的学科，涉及物理学、地理学、数学等多个学科的知识，因此，具备一定的相关学科基础将有助于更好地理解本教材的内容。保持好奇心和探索精神，将使你的学习过程更加充满乐趣和收获。---第二章：大气的组成与垂直结构大气，这层包裹着地球的无形外衣，是地球生命赖以生存的基本条件之一。它不仅为我们提供了呼吸所需的氧气，还调节着地球表面的温度，阻挡了来自宇宙空间的有害辐射，并参与了地球上的水分循环和物质循环。要理解大气中的各种现象，首先需要了解大气的组成及其在垂直方向上的结构特征。2.1大气的组成地球大气是多种气体的混合物，并含有少量的悬浮固体杂质和液体微粒。其组成可以分为三个部分：干洁空气、水汽和大气气溶胶。2.1.1干洁空气通常所说的干洁空气，是指去除了水汽和悬浮杂质的大气。它的主要成分是氮气和氧气，二者约占干洁空气体积的99%。氮气约占78%，氧气约占21%。除了这两种主要气体外，干洁空气中还含有少量的稀有气体（如氩、氖、氦、氪、氙等）和一些微量气体（如二氧化碳、臭氧、甲烷、一氧化二氮等）。尽管这些微量气体的含量很低，但它们在大气物理过程和地球环境中扮演着至关重要的角色。例如，二氧化碳是植物进行光合作用不可或缺的原料，同时也是一种重要的温室气体，能够吸收地面长波辐射，对大气起到保温作用。臭氧主要集中在平流层中，形成所谓的“臭氧层”，它能强烈吸收太阳紫外辐射，保护地球上的生命免受过量紫外线的伤害。然而，在近地面，臭氧却是一种主要的空气污染物，对人体健康和植物生长有害。甲烷、一氧化二氮等也是重要的温室气体，它们的含量变化对气候有着不可忽视的影响。2.1.2水汽大气中的水汽含量很少，其体积百分比通常在0%到4%之间变化。它主要来自于海洋、湖泊、河流等水体表面的蒸发以及植物的蒸腾作用，并通过大气环流进行输送。水汽在大气中的存在形式多样，可以是气态的水汽，也可以凝结成液态的水滴或固态的冰晶，从而形成云、雾、雨、雪、霜、露等各种天气现象。水汽是大气中唯一能在常温常压下发生相变的成分，这一特性使得它在大气能量转换和天气变化中起着核心作用。水汽的相变过程伴随着潜热的释放或吸收，是大气运动的重要能量来源之一。同时，水汽也是一种重要的温室气体，对地面保温有着显著贡献。2.1.3大气气溶胶大气气溶胶是指悬浮在大气中的固态和液态微粒的总称，其直径通常在几纳米到几十微米之间。它们的来源非常广泛，既有自然源，如火山喷发产生的火山灰、海水蒸发形成的盐粒、土壤扬尘、森林火灾产生的烟粒、植物释放的花粉等；也有人为源，如工业排放的粉尘、汽车尾气、化石燃料燃烧产生的颗粒物等。大气气溶胶虽然含量很少，但它们的作用不容忽视。首先，它们可以作为云凝结核或冰核，对云的形成和降水过程起着关键作用。其次，气溶胶能散射和吸收太阳辐射与地面长波辐射，从而影响地球的辐射平衡，进而对气候产生影响。此外，一些气溶胶微粒（如PM2.5）还会对空气质量和人体健康造成直接危害。2.2大气的垂直结构地球大气的密度和性质在垂直方向上并非均匀分布，而是呈现出明显的层次结构。这种分层主要是根据大气温度随高度的变化特征来划分的。从地面向上，通常将大气分为对流层、平流层、中间层和热层。在热层之上，还有一个散逸层，但由于那里的大气极其稀薄，已逐渐接近星际空间，有时也不将其视为大气的一个独立层次。2.2.1对流层对流层是大气圈的最底层，其下界为地面，上界高度随纬度和季节而变化。在低纬度地区，对流层顶的高度约为17-18公里；在中纬度地区，约为10-12公里；在高纬度地区，仅为8-9公里。同一地区，夏季对流层顶的高度要高于冬季。对流层是大气中最活跃的一层，也是与人类关系最为密切的一层。我们所感受到的各种天气现象，如云、雾、雨、雪、风等，几乎都发生在这一层。对流层的主要特征包括：1.气温随高度的增加而降低。这是因为对流层大气的主要热源是地面长波辐射，离地面越远，获得的热量越少，温度也就越低。平均而言，每上升100米，气温约下降0.65℃，这一数值称为气温垂直递减率，也叫干绝热直减率。2.空气具有强烈的对流运动。由于地面受热不均以及气压分布的差异，使得对流层内空气的垂直和水平运动都比较旺盛，这也是“对流层”名称的由来。对流运动有利于水汽、热量和杂质在垂直方向上的交换和输送。3.气象要素水平分布不均匀。由于海陆分布、地形起伏、植被覆盖等下垫面因素的影响，对流层内的温度、湿度、气压等气象要素在水平方向上的分布存在着明显的差异。在对流层的顶部，有一个厚度数百米到一、二公里的过渡层，称为对流层顶。对流层顶的气温随高度变化很小，甚至可能出现温度随高度升高而略微升高的现象，这对对流层内的对流运动起到一定的抑制作用，使得对流层内的水汽、尘埃等难以向上扩散。2.2.2平流层自对流层顶向上到约50公里高度的大气层称为平流层。平流层的主要特征与对流层有显著不同：1.气温随高度的分布先是变化不大，然后随高度的增加而显著升高。这是因为在平流层中上部存在着臭氧层，臭氧能够强烈吸收太阳紫外线辐射，从而使得该层大气温度升高。因此，平流层顶（距地面约50公里处）的气温可达到0℃左右。2.空气以水平运动为主，垂直运动非常微弱。这是由于平流层中温度随高度升高而升高，使得空气层结比较稳定，不利于对流运动的发展，因此称为“平流层”。3.水汽和尘埃含量极少，天气现象少见。由于平流层水汽含量极低，几乎没有对流层中那种复杂的天气现象，能见度通常很好。平流层中的臭氧层是地球生命的重要保护伞，它能吸收大部分对生物有害的短波紫外线。然而，人类活动排放的某些化学物质（如氟氯烃类化合物）会破坏臭氧层，导致臭氧空洞的出现，这已成为一个全球性的环境问题。2.2.3中间层从平流层顶到85公里左右的高度，称为中间层。中间层的主要特征是：1.气温随高度的增加而迅速降低。由于该层中几乎没有臭氧，而氮和氧等气体所能吸收的太阳辐射又大部分被上层大气吸收，因此中间层的气温随高度递减很快，到中间层顶（约85公里），气温可降至-83℃以下，是整个大气层中温度最低的区域。2.空气的垂直对流运动比较强烈。由于气温随高度降低，层结不稳定，因此中间层内也存在着较强的垂直对流运动，故又称其为“上对流层”。3.在中间层顶部，夏季夜间有时会出现夜光云，这是一种由极细的尘埃微粒组成的云，呈现出银白色的光芒。2.2.4热层（暖层）中间层顶以上的大气层统称为热层或暖层。该层的上界并不明确，一般认为可延伸到800公里左右的高度。热层的主要特征是：1.气温随高度的增加而迅速升高。热层大气直接吸收了太阳短波辐射中的紫外线和X射线，这些高能辐射使得大气分子和原子大量电离，同时释放出巨大的能量，导致该层气温急剧升高。在300公里高度处，气温可达到上千摄氏度，再向上，气温变化趋于平缓。2.空气处于高度电离状态。由于太阳高能辐射的作用，热层中的气体分子（如氧气、氮气）被大量电离为正离子和自由电子，因此热层也常被称为电离层。电离层能反射无线电波，对地面无线电通讯具有重要意义。根据电离程度的不同，电离层又可分为D层、E层和F层。2.2.5散逸层热层顶以上的大气统称为散逸层。这里的大气极其稀薄，气体粒子之间的距离非常遥远。由于受到地球引力的束缚较弱，一些高速运动的气体粒子能够挣脱地球引力的作用而逃逸到宇宙空间中去，因此称为散逸层。散逸层是大气圈与星际空间的过渡地带。了解大气的垂直结构，有助于我们理解不同高度上发生的物理过程及其对人类活动和地球环境的影响。每一层都有其独特的物理特性和现象，共同构成了我们这个复杂而奇妙的大气系统。---第三章：大气的基本物理性状大气的物理性状是描述大气状态和变化的基础，主要包括气温、气压、湿度、风、云量、能见度等气象要素。这些要素的数值及其组合，决定了当时当地的天气状况，并影响着气候的形成与演变。本章将重点介绍气温、气压、湿度这些基本物理性状的概念、变化规律及其在大气过程中的作用。3.1气温气温是表示空气冷热程度的物理量，它实质上是空气分子平均动能大小的表现。空气获得热量时，分子运动加剧，平均动能增加，气温就升高；反之，空气失去热量时，分子运动减缓，平均动能减小，气温就降低。3.1.1气温的表示方法常用的气温单位有摄氏度（℃）和华氏度（℉），在理论研究中还常用开尔文（K，绝对温标）。它们之间的换算关系如下：摄氏度与华氏度的换算：℃=(℉-32)×5/9；℉=℃×9/5+32摄氏度与开尔文的换算：K=℃+273.15气象观测中，通常以百叶箱中距离地面1.5米高度处测得的空气温度作为标准气温。3.1.2气温的变化气温在时间和空间上都存在着复杂的变化。1.气温的时间变化气温的日变化：一天中，气温有一个最高值和一个最低值。最低气温通常出现在日出前后，因为在夜间，地面不断向外放射长波辐射而冷却，日出前地面储存的热量达到最少