气象学与气候学

第1页共33页第一章引论第一节气象学、气候学研究的对象、任务和发展简史一.气象学与气候学研究的对象和任务：由于地球的引力作用，地球周围聚集着一个气体圈层，构成了所谓的大气圈。地球表面没有任何地点不在大气圈的笼罩之下；它又是如此之厚，以致地球表面没有任何山峰能穿过大气层。大气圈是人类地理环境的重要组成部分。1.气象学研究的对象和内容：气象学：研究大气现象和过程，探讨其演变规律和变化，并直接或简介用之于指导生产实践为人类服务的科学。气象学研究的基本内容：（1）把大气当作研究的物质客体来探讨其特性和状态；（2）研究导致大气现象发生发展的能量来源、性质及其转换；（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）探讨如何应用这些规律，为预测和改善大气环境服务。2.气候学及其研究的内容：天气和气候：天气是指某一地区在某一瞬时或某一短时间内大气状态和大气现象的综合。气候是指在太阳辐射、大气环流、下垫面性质和人类活动长时间相互作用下，在某一时段内大量天气过程的综合。气候学：研究气候形成、分布和变化的科学。二.气象学与气候学研究的发展简史：1.萌芽时期：时间：十六世纪中叶以前。特点：由于人类活动和生产的需要，进行了一些零星的、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。这时期从学科性质上来讲，气象学与天文学是混在一起的，具有天象学的性质。主要成就：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：3.发展时期：时间：20世纪以来。特点：摆脱了定性描述阶段，进入到定量试验阶段，从认识自然，逐步向预测自然、控制和盖在自然的方向发展。这一时期又可分为早期和近期两个阶段。1）早期：20世纪的前50年气象学的重要进展：锋面学说；长波理论；降雨学说。气候学的重要进展：气候分类；动力气候学；小气候研究。2）近期：20世纪50年代以后特点：开展大规模的观测试验；对大气物理现象进行数值模拟试验；把大气作为一个整体进行研究；气候系统概念的提出；人类活动与气候相互影响研究等等。第2页共33页三.气象学与气候学和自然地理学的关系：1.自然地理学研究的对象和内容：一般认为，自然地理学是研究地球表层自然环境的学科。自然地理学是以人类赖以生存的地球表层自然环境的区域特征、区域分异及其发展过程与变化规律为研究对象的。从自然地理学的研究对象出发，自然地理学的研究内容主要包括：（1）人类赖以生存的地球表层自然环境的组成、结构及其区域分异规律；（2）人类赖以生存的地球表层自然环境系统的成因与规律；（3）人类赖以生存的地球表层自然环境系统的运行机制；（4）人类与地球表层自然环境的相互作用、相互影响；（5）地球表层自然环境的评估、预测、规划、管理、优化、调控。2.自然地理学与地球表层系统：地球系统：地球表层系统、地球内部系统。地球表层系统：地球表层自然系统——自然地理学；地球表层人文系统——人文地理学。地球表层自然系统包括：大气圈——大气科学；水圈——水文学；岩石圈——地质学；生物圈——生物学。自然地理学是大气科学、水文学、地质学与生物学的交叉学科或边缘学科。第二节气候系统概述一.气候系统的基本概念：1.气候与气候系统：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：大气圈是气候系统中最活跃、变化最大的组成部分。1）大气圈的组成：大气是由多种气体混合组成的，此外，还悬浮由一些固体杂质和液体微粒；大气的气体组成成分：主要成分——氮、氧、氩，99.96％；微量气体成分——二氧化碳、臭氧、甲烷等；干洁空气：90km以下可以看成是分子量为28.97的“单一成分”的气体；大气中臭氧的形成、分布与作用；大气中的二氧化碳；大气中的水汽；大气气溶胶粒子。2）大气的结构：大气的上界：物理上界——1200km；着眼于大气密度，约2000－3000km。大气的垂直分层：观测证明，大气在垂直方向上的物理性质是有显著差异的。根据温度、成分等物理性质，同时考虑到大气的垂直运动等情况，可将大气分为五层：（1）对流层：第3页共33页范围：～对流层顶（对流层顶高度的纬度、季节变化）主要特征：气温随高度增加而降低；垂直对流运动显著；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。（2）平流层：范围：对流层顶～55km左右。主要特征：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；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。主要特征：气温随高度增加迅速下降；垂直运动强烈；水汽含量更少；电离层D层。（4）热层：此层没有明显的顶部。有人观测在250～500km；有人认为可达800km。主要特征：气温随高度增加迅速升高；空气处于高度电离状态；在高纬度晴夜，可出现极光。（5）散逸层：是大气的最高层，又称外层。主要特征：该层的主要特点是大气粒子经常散逸至星际空间，是大气圈与星际空间的过渡地带。3、水圈、陆面、冰雪圈和生物圈：1）水圈：水圈包括海洋、湖泊、江河、地下水和地表上的一切液态水，其中海洋在气候形成和变化中最重要。海温的垂直变化：表层暖层、斜温层、冷水层。海洋在气候系统中具有最大的热惯性，是一个巨大的能量贮存库。2）陆面：岩石圈、陆地表面；岩石圈变化时间尺度长；陆面的动力作用和热力作用。3）冰雪圈：冰雪圈包括大陆冰原、高山冰川、海冰和地面雪盖等。冰雪圈的变化尺度：陆地雪盖——季节变化；海冰——季节到几十年际的；大陆冰原和冰川——几百甚至到几百万年。冰雪圈对地表热量平衡的影响：很大的反射率；阻止地表和大气间的热量交换。4）生物圈：对气候变化很敏感，反过来影响气候。对大气和海洋的二氧化碳平衡、气溶胶粒子的产生以及其他与气体成分和盐类有关的化学平衡等的作用。二.气候系统的基本性质：1.气候系统是一个复杂的、高度非线性的、开放的巨系统：1）气候系统是一个开放系统：气候系统与其外空间的物质交换是微乎其微的。从这个意义上，气候系统可以被看作是一个封闭系统。气候系统与外空间有能量交换。从这个意义上，气候系统是一个开放系统。第4页共33页2）气候系统是一个复杂的系统：无论从描述气候系统的物理量的空间分布和时间变化上讲，还是从气候系统中发生的过程类型上讲，气候系统都是非常复杂的。3）气候系统是一个高度非线性的系统：气候系统中的重要过程：物理过程、化学过程和生物过程。气候系统中发生的重要过程是气候系统各组成部分之间相互作用和相互影响的具体表现，是气候系统表现出高度非线性的根本原因。2.气候系统的热力学和动力学属性：气候系统各部分之间热力学和动力学属性的显著差异。3.气候系统的稳定性：气候系统的稳定性（广义）是气候系统演变的重要性质。气候系统稳定性的两个制约因素：能量收支方面的外部因素、气候系统内部的性质。气候系统的稳定性是相对的。4.气候系统的反馈过程：反馈机制对系统起内部控制作用，它来自于两个或更多子系统之间一种特殊的耦合或调整。在反馈过程中一部分输出又返回来充作输入，其结果是系统的净响应有了变化。反馈机制既可增强最终的输出结果(正反馈)，也可以减弱输出结果（负反馈）。反馈过程举例：正反馈过程——冰雪反照率反馈、水汽反馈、二氧化碳反馈；负反馈过程——云反馈。气候系统的敏感性和稳定性与反馈机制。5、气候系统的可预报性：Lorenz把气候预报分为两类，第一类是与时间有关的，即习惯上的气候预报问题；第二类是与时间无关的，对应于敏感性问题。气候系统的可预报性与外部强迫及内部过程的特性有关。三.气候系统演变的时空尺度：1.气候系统变化的多空间尺度性：气候系统的热力学状态和动力学状态具有空间分布上的不均匀性。这种空间不均匀性的尺度在量级上有一个非常宽的范围。2.气候系统的变化的多时间尺度性：气候系统的变化具有多时间尺度性。观测事实和古气候证据表明地球上的气候在过去发生了很大的变化，其变化有一个非常宽的时间谱，从月际到几亿年都有。第二章气候系统的热力过程第一节辐射的基本知识一.辐射的基本概念：1.辐射：自然界中的一切物体过程都以电磁波的方式向四周放射能量，这种传播能量的方式称为辐射。通过辐射传播的能量称为辐射能，也简称为辐射。2.辐射能基本特征量：第5页共33页辐射通量密度：单位时间内通过单位面积的辐射能量称辐射通量密度，单位W/m2。物体的放射能力：物体表面，在单位时间内、单位面积上射出的辐射能，单位W/m2。辐射强度:单位时间内，通过垂直与选定方向上的单位面积（对球面坐标，即单位立体角）的辐射能，单位W/m2或W/sr。辐射强度和辐射通量密度的关系。3.物体对辐射的反射、吸收与透射：物体所吸收的辐射与投射到该物体表面上的总辐射之比为物体对辐射的吸收率。物体所反射的辐射与投射到该物体表面上的总辐射之比为物体对辐射的反射率。透过物体的辐射与投射到该物体表面上的总辐射之比为物体对辐射的透射率。物体的吸收率、反射率和透射率的关系：α＋γ＋d＝1物体的吸收率、反射率和透射率大小随辐射的波长和物体的性质而改变。二.热辐射基本定律：1.普朗克定律：普朗克定律表明，黑体所放射的能量的大小和性质完全由它的温度决定。黑体所放射的单色辐射强度Bλ(T)的表达式如下：上式中，Bλ(T)是单位时间内单位面积在单位立体角内单位波长范围内的辐射能量；h＝6.63×10-23Js是普朗克常数；k＝1.38×10-23JK-1是玻耳兹曼常数。2.斯蒂芬－波尔兹曼定律：物体放射放射能力与温度和波长的关系。斯蒂芬－波尔兹曼定律：根据研究，黑体总的放射能力与它本身的绝对温度的四次方成正比，即上式中，σ＝5.67×10-8W/(m2*K4)为斯蒂芬－波尔兹曼常数。3.维恩位移定律：维恩位移定律：黑体的单色辐射强度极大值所对应的波长与其绝对温度成反比，即λmT＝C上式中，如果波长以微米为单位，C=2896μm*K。4.基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：在热力平衡条件下，任何物体的波长为λ的放射辐射强度Iλ与吸收率的比值和物体的性质无关，这一比值只是波长和温度的函数，即Iλ/aλ=f(λ,T)第二节太阳辐射的传输过程太阳辐射光谱：太阳辐射中辐射能按波长的分布。太阳辐射的波长范围：大约在0.15~4微米之间。在这段波长范围内，又可分为紫外光区、红外光区和可见光区。太阳辐射的能量第6页共33页主要分布在可见光区和红外区，前者占太阳辐射总量的50％，后者占43％。紫外区只占能量的7％。太阳常数：就日的平均距离来说，在大气上界，垂直于太阳光线的平面上，单位面积、单位时间内获得的太阳辐射能量。1981年世界气象组织推荐的太阳常数最佳值为1367（±7）W/m2。一.到达大气上界的太阳辐射：1.影响到达大气上界的太阳辐射的因素：天文辐射：太阳辐射在大气上界的时空分布是由太阳与地球间的天文位置决定的，又称天文辐射。日地距离与天文辐射；太阳高度与天文辐射；白昼长度与天文辐射。2.大气上界太阳辐射的时空分布特征：1）天文辐射随纬度的分布；2）天文辐射的季节变化。二.太阳辐射在大气中的减弱：太阳辐射光谱穿越大气厚的主要变化：总辐射能有明显地减弱；辐射能随波长的分布变得极不平衡；波长短的辐射能减弱更为显著。产生这些变化的原因是大气对太阳辐射的吸收、散射和反射。1.大气对太阳辐射的吸收：太阳辐射被大气吸收后转变为热能，从而使得到达地面的太阳辐射减弱。大气中吸收太阳辐射的成分主要有水汽、氧、臭氧、二氧化碳及固体杂质等。大气中的水汽、氧、臭氧、二氧化碳及固体杂质对太阳辐射的吸收特性。大气对太阳辐射吸收的总的特点：大气对太阳辐射的吸收是有选择性的；大气对太阳辐射的吸收带主要位于太阳辐射光谱两端能量较小的区域，因而大气直接吸收的太阳辐射并不多。2.大气对太阳辐射的散射：散射不像吸收那样把辐射能转变为热能，而只是改变辐射的方向。分子散射（蕾利散射）：概念和特点。粗粒散射：概念和特点。3.大气的云层和