航海气象学与海洋学课件.ppt

1、航海气象学与海洋学,*气象学与海洋学主要是研究发生在大气和海洋中的各种物理现象的本质及其发展演变规律的学科。 研究对象：三种介质（大气、海洋、地壳），两个界面（水气界面、水地界面） *航海气象学与海洋学是专门研究大气、海水的运动变化规律以及海-气相互作用在航海活动中应用的学科。是气象学与海洋学的分科。 *一个优秀的航海者必须懂得如何避离不利天气和尽可能利用有利天气，选择最佳天气航线，从而掌握海上航行的主动权。,第一章 气象学基础知识,1 大气概况 2 气温 3 气压 4 空气水平运动-风 5 大气环流 6 大气湿度 7 空气的垂直运动和大气稳定度 8 云和降水 9 雾和能见度 10 船舶海洋水

2、文气象观测,几个重要的专业术语,大气（Atmosphere） 包围地球表面的整个大气层。 天气 (Weather) 指一定区域在较短时间内各种气象要素的综合表现。天气表示大气运动的瞬时状态。 气候 (Climate) 指某一区域天气的多年平均特征，其中包括各种气象要素的多年平均及极值。气候表示长时间的统计平均结果。,几个重要的专业术语,气象要素（Meteorologyelements) 反映大气状态的物理量或物理现象，主要有：气温、气压、风、湿度、云、能见度和天气现象(雨、雪、霜、雷暴、霾、龙卷、露点、冰雹)。 海洋要素（Marine elements） 反映海洋状态的物理量或物理现象。如海温

3、、盐度、海浪、海流和海冰等。,第一节 大 气,一、大气的组成： 大气成分：主要由多种气体、水汽和悬浮的杂质构成。 干洁空气（Dry air）:（除水汽和杂质以外的空气）主要成分为氮（78.09%）、氧(20.95%）、氩（0.93%）、二氧化碳（0.03）等。 稀有气体：氢、氖、氦、氪、氙、氡、臭氧等。,大 气 成 分,大气是可压缩气体，大气密度随高度增加而迅速减少。观测表明，10公里以内集中了75%的大气质量，35公里以下则达99%，近地面空气标准密度为1293g m-3,大气的总质量为5.3 1021g 。其中影响天气、气候变化的主要大气成分为二氧化碳、臭氧和水汽。,大气中的易变成分,1.

4、 二氧化碳（carbon dioxide）:平均含量0.03%,若达到0.2-0.6，就对人体有害。二氧化碳能强烈地吸收和放射长波辐射，对地面和大气的温度分布有重要影响，类似温室效应，直接影响气候变迁。含量城市多于农村，夏季多于冬季，室内多于室外。,大气中的易变成分,2. 臭氧（ozone）：主要存在于20-40公里气层中，又称臭氧层（Ozonsphere）。臭氧是吸收太阳紫外线的唯一大气成分，若没有臭氧层，人类和动物、植物将受到紫外线的伤害。,大气中的易变成分,3.水汽（vapour）：含水汽的空气叫作湿空气（wet air）。空气中的水汽含量随纬度、时间、地点而变化。 湿空气在同一气压和温

5、度下，只有干空气密度的62.2。大气中水汽含量范围在04，具有固、气、液三态，是常温下发生相变的唯一大气成分，它也是造成云、雨、雪、雾等天气现象的主要物质条件。 水汽能强烈地吸收和放出长波辐射，并在相变过程中吸收和放出潜热能，对地面和空气的温度影响很大。 *湿空气的密度为干空气密度与水汽密度二者之和，因水汽密度比 干空气密度小，两者之比为0.622，因此，水汽的存在使实际大气的密度变小,大气中的易变成分,4.杂质：悬浮在空气中的固体或液体微粒，主要包括尘埃、烟粒、细菌、病毒、花粉和微小盐粒等。它们主要集中在大气的低层，影响能见度，能吸收部分太阳辐射，并对太阳辐射具有散射作用。在水汽相变过程中，

6、杂质可以作为凝结核。,二、大气的垂直结构,根据气温、水汽的垂直分布、大气扰动程度和电离现象等不同等特点，自下而上将大气分为五个层次。（P5） 1. 对流层（Troposphere）：下界为地面，上界随纬度和季节变化，平均厚度10-12公里。通常在高纬为6-8Km，中纬度10-12Km，低纬度17-18Km。夏季对流层的厚度比冬季高。对流层集中了大气质量的80和全部水汽，与人类关系最为密切，大气中几乎所有的物理和化学过程都发生在该层。对流层具有三个主要特征。,对流层中三个主要特征, 气温随高度而降低。平均幅度为-0.65/100m。 即 0.65/100m 称为气温垂直递减率。 具有强烈的对流和

7、湍流运动。是引起大气上下层动量、热量、能量和水汽等交换的主要方式。 气象要素沿水平方向分布不均匀。如温度、湿度等。,摩擦层与自由大气,根据大气运动的不同特征通常将对流层分为： 摩擦层(friction layer) ：摩擦层又称边界层，从地面到1Km高度，其厚度夏季高于冬季，白天高于夜间。湍流输送是该层的基本运动特点。 自由大气(free atmosphere) ：自由大气的基本运动形式是波动，地面摩擦作用减小，可忽略不计，这样大气的运动显得比较简单和清楚。 对流层顶：厚度约为1-2Km，温度随高度呈等温或逆温状态。,大 气 的 垂 直 分 层,2. 平流层（Stratosphere）：厚度：

8、自对流层顶到大约55Km左右。 特点： 空气的垂直运动比较弱，主要是水平运动。 水汽含量少。 气温随高度递增（最初等温，到20-25Km气温突增，主要是臭氧吸收太阳紫外线）。 气层稳定利于飞机飞行。 3. 中间层（Mesosphere）：厚度：自平流层顶到85Km左右。特点： 温度随高度迅速下降（无臭氧，有强烈垂直运动）。 大约在65Km处是电离层，白天强，夜间弱。,大气的垂直分层,4. 热层（Thermosphere）：厚度：85-800Km。 特点： 气温随高度迅速增加。 空气高度电离，又称电离层。电离层的程度也有差别，比较强的为E层（100-120Km）和F层（200-240Km)，反射

9、无线电波，对通信有重要意义。 5. 逸散层（Exosphere）: 厚度： 800Km以上。 特点：气温也随高度增加，大气质点摆脱地球引力的束缚，向星际空间散逸。,大气的垂直高度,大气上界：大气很难定出上界，一般以物理现象发生的最高高度为上界。极光发生在高纬度不同高度上，但最高达到1000-1200Km作为大气的物理上界.但由卫星探测的大气上界为2000-3000Km。,极光,第二节 气 温,气温是大气的重要状态参数之一，是天气预报的直接对象。气温的分布和变化与气压场、风场、大气稳定度以及云、雾、降水等天气现象密切相关。 1. 定义：气温是表示空气冷热程度的物理量。可以通过温度表或温度计直接测

10、得。,2温标：温度的数值表示法称温标。常用的温标有三种。 摄氏温标 ：把水的冰点温度定为0，沸点为100，多数非英语国家使用。 华氏温标 ：水的冰点温度定为32F，沸点212F。一些英语国家多使用。 摄氏与华氏的关系： 绝对温标(K氏温标) K：水的冰点温度定为273K，沸点为373K（由英国物理学家Kelvin提出）。多用于理论计算。 关系： K273C,5换算成华氏温度和绝对温度分别为： A. 41F、278K B. 37、273K C. 41F、273K D. 37F、278K,太阳、地面和大气辐射,1辐射的基本特性 在自然界中凡温度高于绝对零度的物体均发出电磁波，电磁波按其波长分为射线

11、、X射线、可见光、红外线和无线电波。温度高，辐射强，多为短波；温度低，辐射弱，多为长波。不同波长的辐射具有不同的吸收，反射和透射特性。物体因放射辐射消耗内能而使本身的温度降低，同时又因吸收其它物体放射的辐射能并转变为内能而使本身的温度增高。 太阳（表面温度约为6000K）放出短波辐射（0.154m)。地面和大气（温度约为300K）放出长波辐射(3120m)。太阳辐射是地球和大气的唯一能量来源。,太阳、地面和大气辐射,若将太阳对地球大气系统的辐射作为100份，其中地球大气系统反射和散射占30份，大气吸收占19份，地球表面吸收51份。地球表面通过长波辐射（21份）、热传导（7份）和水汽相变（23份

12、）等过程释放能量，大气在吸收太阳短波辐射和地面长波辐射的同时又放出长波辐射（19份），最终向外层空间的辐射总量也为100份，使地球大气系统的温度保持恒定。,地球表面净辐射收支随纬度变化,地球表面接收到的太阳辐射随纬度是不均匀的，而地球表面放出的长波辐射随纬度变化不大，因此，全年平均而言，赤道热带地区得到热量，极地高纬地区失去热量（如图）。大气和海洋中热量的经向交换，使各纬度带的年平均气温变化保持恒定。,空气增热和冷却方式,空气的增热和冷却主要是非绝热过程引起的，受下垫面的影响很大。下垫面是泛指不同性质的地球表面。下垫面与空气之间的热量交换途径有以下几种： 1 热传导（Conduction）：空

13、气与下垫面之间，通过分子热传导过程交换热量，又称感热。空气是热的不良导体。仅在贴近地面几厘米以内明显，故通常不予考虑。,空气增热和冷却方式,2 辐射（Radiation）：地气系统热量交换的主要方式。地面吸收太阳短波辐射，放射出长波辐射加热大气。如白天辐射增温，夜间辐射冷却。 3 水相变化：水有液态、气态和固态之间的变化。液体水蒸发，吸收热量；水汽凝结放出热量。一般下垫面水蒸发，吸收热量；上空水凝结放出热量。从而通过水相变化将下垫面的热量传给上层大气。,空气增热和冷却方式,4 对流（Convection) ：一般将垂直运动称对流，对流又分热力对流和动力对流。由于空气受热不均引起有规则的热空气上

14、升冷空气下沉称热力对流。由于动力作用造成的对流运动称动力对流，如空气遇山爬升等。,5 平流（Advection)：水平运动称平流。平流是大气中最重要的热量传输方式，范围大，持续时间长。如南风暖、北风寒、东风湿、西风干。平流是指某种物理量的水平输送，如温度平流、湿度平流等。,空气增热和冷却方式,6 乱流：又称湍流（Turbulence），是空气不规则的运动。乱流是摩擦层中热量、能量和水汽交换的主要方式。,空气增热和冷却方式,综上所知，空气与下垫面之间的热量交换是通过多种途径进行的。 通常，地面与大气之间的热量交换以辐射为主，乱流和水相变化次之；各地空气之间的热量交换以平流为主；上下层空气之间的热

15、量交换以对流和乱流为主。 在非绝热过程中，当空气上升时，膨胀降温；下降时，压缩增温。,气 温 的 日 年 变 化,大气的热量主要来自下垫面，气温具有与下垫面温度类似的周期性变化。如冬寒夏暖、午热晨凉反映了气温日、年变化的一般规律。,气温的日变化 diurnal variation of temperature,日变化:一天中气温有一个最高温度和最低温度。陆地上最高气温夏季出现在1415点，冬季出现在1314点。海洋上最高出现在12:30。陆地上最低气温出现在日出前，海洋上迟后12小时。 气温的日较差：一日中最高气温与最低气温之差。其大小与纬度、季节、下垫面性质、海拨高度及天气状况有关。一般有：

16、低纬高纬；陆上海上；夏季冬季；晴天阴天；低海拨高海拨。（吐鲁番海拔-154m，日较差大）,气温的年变化 annual variation of temperature,年变化：一年中月平均气温有一个最高值和一个最低值。 陆地：北半球:最高在七月份,最低在一月份。 南半球:最高在一月份,最低在七月份。 海洋：比陆地迟后一个月,即最高在八月,最低在二月 年较差：一年中月平均最高气温与月平均最低气温之差。它与下热面的性质、纬度和海拔等有关。 高纬低纬； 陆上海上； 海拔低海拔高,海平面平均气温的分布特点,海平面平均气温从赤道向高纬递减，南半球等温线大约与纬圈平行，北半球由于海陆分布不均匀，等温线不与

17、纬圈平行。 夏半球的等温线比较稀疏，冬半球较密集 夏季大陆为热源，海洋为冷源。冬季相反 冬季北大西洋的等温线向北突出十分显著，这是由墨西哥湾流造成的。,海平面平均气温分布特点, 在南半球不论冬夏，最低气温均出现在南极地区，而在北半球只有夏季在北极，冬季在西伯利亚东北部（佛科扬斯克）和格陵兰，称为“寒极”(Cold Pole)。 近赤道存在一个高温带1月和7月的平均气温均高于25 ，称为“热赤道”(Heat Equator)（10N左右）。它随季节偏向北半球。 全球平均气温为14.3 ，极端最高气温63 （索马里），极端最低气温-94 （南极附近）。,冬季海平面平均气温分布,夏季海平面平均气温分

18、布,对流层中气温的垂直分布,在对流层中气温随高度上升而降低。气温随高度递减的快慢可用气温的直递减率表示 ： 式中： T 表示高度增加 Z 时，相应的气温变化量。 Z 的单位通常取100m.负号表示气温随高度增加而减小。通常0。当=0时表示等温。当0时表示逆温，既在某一气层中，气温随高度增加而增加。 = 0.65/100m,气温对人体的影响,研究指出，人体对周围温度的感觉与介质是大气还是水有关。在大气中，气温为2829 时，人体皮肤不感温，这个温度称为生理零度。人体皮肤对气温的感觉是：低于25 有冷感，2528 时有温感，高于29 时有热感。 人体的感温还与风速有关，风速越大，感温越低，风速约在33kn