第八章：大气与海洋

海洋学基础主讲：林卫兵海洋学基础主要内容及学时安排第一章：绪论2学时第二章：地球科学与海底系统4学时第三章：海水的物理性质和大洋的层化结构2学时第四章：海水的化学组成和特性2学时第五章：海洋环流2学时第六章：海洋中的波动现象2学时第七章：潮汐2学时第八章：大气与海洋2学时第九章：海洋生物2学时第十章：大洋调查方法简介2学时复习作业：2学时海洋学基础第八章：大气与海洋海洋学基础主要内容：2学时第八章：大气与海洋1、地球大气的平均状态2、海洋上的天气系统3、海洋---大气的相互作用第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.1地球大气的成分与气象要素一、地球大气的成分：不变成分：N2、O2、Ar、Ne、Kr、Xe、He等；各成分间大致保持固定比例。可变成分：水汽、二氧化碳、臭氧以及碳、硫、氮的化合物等；这些气体在大气中的比例随时间、地点而变。干空气：除水汽以外的纯净大气；氮、氧、氩三种气体就占了空气容积的99.66%。观测表明：实际大气在85km以下，由于大气运动和分子扩散的结果，使得空气充分混合，干洁大气中各成分的比例得以维持常定。大气的高层，主要成分仍为氮和氧，其他气体的含量减少。海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.1地球大气的成分与气象要素大气中二氧化碳只占整个大气容积的万分之三，多集中在20km以下。它主要是有机物燃烧、腐烂和生物呼吸过程中产生的。温室气体：二氧化碳等。二氧化碳能强烈地吸收地球表面发出的长波辐射并放出长波辐射。这种“温室效应”在二氧化碳浓度不断增加时，可能会改变大气热平衡，导致大气低层和地面的平均温度上升，这将引起严重的气候问题。其他成分：水汽及其液态（大气中水汽仅占地球总水量的0.001%。）、固态微粒。含有水汽的空气称为湿空气。海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.1地球大气的成分与气象要素二、地球大气的垂直分层：地球大气在不同的高度有不同的特征，按大气的温度结构分成:对流层、平流层、中层和热成层，它们分别由称为“顶”的隔层（如对流层顶）分开。①对流层：对流层是大气的最低层，下界是地球表面，上界是对流层顶。特点：温度随高度降低；大气的铅直混合强；气象要素水平分布不均匀。海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.1地球大气的成分与气象要素二、地球大气的垂直分层：②平流层：由对流层顶向上到50km左右的气层称为平流层。平流层的底层温度随高度无大变化，其上部的温度随高度增加而明显增高。平流层中水汽含量很少，几乎没有在对流层中经常出现的各种天气现象。此外，由于空气中尘埃很少，大气透明度很高。海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.1地球大气的成分与气象要素二、地球大气的垂直分层：③中层：从平流层顶到（80～85）km高度的气层称中层,也称中间层。该层的最重要特点是温度随高度升高而降低得很快，到中层顶温度下降到180K，是大气中最冷的部分。平流层和中层约包含了大气质量的1/4。在中层以上，大气更稀薄了，其质量大约只占大气总质量的十万分之一。海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.1地球大气的成分与气象要素④热成层：热成层是中间层顶以上的大气层，温度始终是随高度增加的。太阳辐射中波长小于0.17μm的紫外线辐射几乎全被该层中的分子氧和原子氧吸收，吸收的大部分能量用于使气层增温。热成层的温度日变化和季节变化很显著，白天和夜间温差可达几百度。高纬地区经常会出现一种辉煌瑰丽的大气光学现象极光。海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.1地球大气的成分与气象要素二、地球大气的垂直分层：⑤逸散层：热层顶以上大气的边缘层，叫逸散层。在这一层地球大气消失于星际空间的气体中，这是由于这一层温度极高，空气极稀薄，地球引力很小，高速运动着的空气原子克服地球引力和其周围空气的阻挡，而逸散于星际空间。海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.1地球大气的成分与气象要素三、气象要素及其影响因素1、气温：大气的冷热程度。气象上使用的温标，一种是摄氏温标记作“℃”；一种是开氏温标记作“K”。开氏温标的零度是绝对零度，即分子完全停止运动的温度。它们之间的换算关系为：T/K=273+t。地面气温：是指离地面1.5m高度上百叶箱所测得的温度。表示大气中物理现象与物理过程的物理量称为气象要素。海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.1地球大气的成分与气象要素最冷月海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.1地球大气的成分与气象要素1月气温分布特点：①等温线大致呈纬向分布，南半球比北半球规则。从赤道向高纬度逐渐降低，相同纬度南半球气温高于北半球；②北半球等温线在大陆上向赤道凸出，表明陆地气温低于同纬度洋面气温；南半球等温线在大陆上向极地凸出，表明陆地气温高于同纬度洋面气温；③北半球暖洋流经过的洋面等温线向极地凸出，表明洋面气温高于同纬度的陆地；南半球受冷洋流影响，等温线向赤道凸出，表明洋面气温低于同纬度的陆地；④最冷和最热地区气温分布与当地气候状况相关。海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.1地球大气的成分与气象要素最热月海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.1地球大气的成分与气象要素7月气温分布特点：①同1月气温分布特点①；②北半球南北温差小于1月分，等温线稀疏；等温线除欧亚大陆中部均向北凸出，表明陆地气温高于同纬度洋面，洋流影响不明显；③南半球由于海水调节作用，等温线与1月分布相似。海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.1地球大气的成分与气象要素2、影响大气温度的因素太阳辐射：随纬度变化。海拔高度：6.5°C/Km。地面性质：海陆差别。海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.1地球大气的成分与气象要素3、气压：大气的压强。单位：“帕”、“百帕”。1hPa=1000dyn·cm－21mmHg=1.33hPa1hPa=3/4mmHg气压场：在地图上根据各地气象台测定的数值用等压线勾画出高、低气压的分布区域。海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.1地球大气的成分与气象要素大气静力方程：大气的密度随高度的增加而减小，气压亦然。大气既有水平运动，也有铅直运动。由于大气铅直运动的加速度比重力加速度的数值小数个量级，就每一薄层大气来说，可以认为它受到重力与铅直方向的气压梯度力相平衡，即处于静力平衡状态。空气块在铅直方向所受重力为mg=ρgdz，其顶部和底部受到的压力差为：二者平衡则有：海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.1地球大气的成分与气象要素dp/dz=－ρg由于大气在水平方向气压分布相对均匀，100km内才有1hPa的气压差，而在近地面气层中，铅直方向每升高8m，气压就减少１hPa，因而在一定范围内可以认为p=p（z），大气静力方程：在实际大气中，除有强烈对流运动的地区外，静力方程都成立。该方程具有极广泛的用途。海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.1地球大气的成分与气象要素重力位势：H=1/g0∫0gdz单位：gpm—位势米。z天气分析中，通常在等压面上分析高度场，但这种高度场不是几何高度场，而是位势高度场。式中g0=9.80665，它不再表示重力加速度，而只是一个数值。H的单位是gpm（位势米），1gpm相当于9.80665J/kg的重力位势。所以g0可以看做是重力位势与位势高度之间的换算因子。位势高度与几何高度在量值上十分接近，但其意义却截然不同。海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.1地球大气的成分与气象要素4、湿度水汽压：湿空气中，由水汽所引起的压强称为水汽压。饱和水汽压：当水面水分子运动达到平衡状态时，由水汽所引起的压强称为饱和水汽压。玛格努斯（Magnus）经验公式：相对湿度：空气中实际水汽压e与同温度下的饱和水汽压E之比称为相对湿度。f=e/E×100%露点：湿空气等压降温达到饱和时的温度称为露点温度Td。5、风：为矢量；风向—风的来向。tbatEE100海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.2大尺度大气运动的基本特征一、大气运动的尺度特征大气运动的范围称之为“尺度”，大气的运动是十分复杂的。通常把有天气意义的大气运动，按其水平尺度可粗略地分为:大尺度系统：大气长波、大型气旋、反气旋，其水平尺度可达数千千米；中尺度系统：小型气旋、反气旋、热带风暴，水平尺度数百千米；小尺度系统：小型涡旋，雷暴等，水平尺度几十千米；微尺度系统：积云、浓积云，水平尺度几千米。海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.2大尺度大气运动的基本特征大气运动的尺度特征：水平尺度越大，生命史越长，铅直速度越小，受地转偏向力影响越大；反之水平尺度越小，生命史越短，铅直速度越大，受地转偏向力影响可忽略。L/mH/mU/(m·s–1)W/(m·s–1)τ/s大尺度系统1061041010－2105中尺度系统1051041010－2105小尺度系统104102--10410—10210－1104微尺度系统1031031--1010－1--1102—104特征量系统量大气运动分类及特征量水平尺度（L）、垂直尺度（H）、水平速度（U）、垂直速度（W）和生命史（τ）海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.2大尺度大气运动的基本特征二、自由大气的地转平衡运动在（1～1.5）km以上的大气中，摩擦力很小，可以忽略不计，通常称为自由大气。气压场在水平方向是不均匀的，虽然水平气压梯度的量值远小于铅直方向，但其对于大气水平运动是决定性的推动力。在自由大气中，大尺度水平运动基本上是在水平气压梯度力和科氏力相平衡的条件下维持的地转平衡运动，在北半球，科氏力在运动的右方。地转风关系地转风Vg和水平气压梯度垂直，即沿水平面上等压线吹。在北半球背风而立，高压在右低压在左；在南半球则相反，背风而立，低压在右，高压在左。海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.2大尺度大气运动的基本特征二、自由大气的地转平衡运动海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.2大尺度大气运动的基本特征海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.2大尺度大气运动的基本特征海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.2大尺度大气运动的基本特征海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.2大尺度大气运动的基本特征海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.3平均大气环流大范围的、半球的或全球、对流层、平流层或整层大气长期的平均运动状态，或某一时段的变化过程称为大气环流。大气的大尺度运动近似为水平运动，在铅直方向上，气压梯度与重力基本平衡，因而铅直加速度和铅直速度均很小；在水平方向，自由大气中的主要作用是气压梯度和科氏力，这导致了准地转平衡。大气运动大致平行于等压线，它的风速则反比于等压线之间的距离，在热带以外地区，等压线近似就是流线。海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.3平均大气环流1、海平面气压场及风场海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.3平均大气环流海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.3平均大气环流北半球－副热带高压－反气旋－顺时针旋转南、北半球的副热带地区（30°N和30°S附近）有半永久性的高压-副热带高压（简称副高）或反气旋。赤道一侧有几乎连续的低压带（热带辐合带，简称为ITCZ）冰岛低压阿留申低压阿留申低压海洋学基础第八章：大气与海洋§8.1地球大气的平均状态8.1.3平均大气环流夏季，南、北半球副热带高压向极地方向稍有推移。北大西洋和北太平洋上的副高已