气象基础知识

1气象基础知识一，人工影响天气1.概述2.人工降水3.人工消雾4.人工防雹5.人工消云6.人工防霜冻二，空气污染1,概述2.空气污染3.污染源与污染物4.大气环境质量5.大气污染的危害与影响6.大气污染的防治三，大气科学1.概述2.厄尔尼诺现象3.什么是天气预报4.什么是气象、天气和气候5.天气学,天气图,副热带高压,天气,天气系统,气团,锋面,温带气旋,温带反气旋,切变线,大气环流,大气动力学人工影响天气根据人们的意愿，通过人为干预，使某些局地天气现象朝有利于人们预定目的的方向转化，以克服或减轻恶劣天气引发的灾害，这种改造自然的科学技术措施称人工影响天气。由于天气过程的能量十分巨大，一个10立方公里的云体，其含水量的凝结潜热相当于10万吨煤燃烧发出的热量，而一个台风的水汽每分钟释放的潜热，便相当于20个百万吨级核弹爆炸所释放的能量数。因此直接制造和消灭一个天气过程是不可能的，比较现实的作法是在云、降水和其他过程中某些关键环节，施放一些催化剂，因势利导，促使天气过程按预定方向发展，以少量代价换取巨大经济效益。中国人从17世纪至今的土炮、火炮消雹，便是人工影响天气的例子。目前正在各国试验的人工影响天气项目有：人工降水、人工消雾、人工防雹、人工削弱台风、人工消云、人工防霜冻、人工抑制雷电等。我国从50年代开始，至今已在大多数省（自治区）开展了人工影响天气试验。世界上第一次对自然云作人工催化试验则是1946年美国V.J.谢费尔等进行的，从那时起至今，全世界已有80多国家与地区开展过人工影响天气试验。2i)人工降水也称人工增雨，是根据不同云层的物理特性，选择合适时机，用飞机、火箭弹向云中播散干冰、碘化银、盐粉等催化剂，促使云层降水或增加降水量。人工增雨常分为暧云催化剂增雨与冷云催化剂增雨。欲要暧云（温度高于0℃的云）降水，就得使云中半径大于0.04毫米的大云滴有足够的数密度，让它们迅速与小云滴碰并增长，成为半径超过1.0毫米的雨滴形成降水，因此在那些大云滴数密度小而无法形成降雨的云中，用飞机、炮弹携带等方法，播撒盐粉、尿素等吸湿性粒子，使形成许多大云滴，便可导致形成或增加降水。欲要冷云降水，就得使冷云上部的冰晶数密度超过1个/升，对那些冰晶数密度不足的冷云，用飞机等播撒干冰、碘化银等催化剂，便可产生大量冰晶，促成或增加降水。为了弄清楚人工催化剂的效果，弄清人工增雨量的多少，常常要进行检验。由于云和降水过程十分复杂，使人工降水和降水检验的方法措施还都很不完善，有待进一步深入研究。ii)人工消雾大雾降低能见度、影响飞机起降、容易引发严重交通事故，人类希望能适时进行人工消雾。我们把用人工播撒催化剂、人工扰动空气混合或在雾区加热等方法，使雾消散，称为人工消雾。人工消雾分为人工消暧雾（雾区温度高于0℃）和人工过冷雾（雾区气温高于0℃，雾滴为过冷却水滴等）。目前有三种消暧雾试验方法：①加热法：对小范围区域雾区如机场跑道等，大量燃烧汽油等燃料、加热空气使雾滴蒸发而消失。②吸湿法：播撒盐、尿素等吸湿质粒作催化剂，产生大量凝结核，水汽在凝结核上凝结长成大水滴,雾滴会蒸发并在大水滴上凝结，使雾消失。③人工扰动混合法：用直升飞机在雾区顶部搅拌空气，把雾顶以上干燥空气驱下来与雾中空气混合，雾便消失。人工消过冷雾的方法是用飞机或地面设备，将干冰、液化丙烷等催化剂播撒到雾中，产生大量冰晶，它们通过贝吉龙冰水转化过程，夺取原雾滴的水分、雾滴便蒸发而冰晶不断长大降落地面，雾便消失。这种方法效果显著，已能实际应用。iii)人工防雹用人工方法使雹云不能降冰雹，或减弱雹强度的措施，称人工防雹或人工抑雹。中国人很早以前就使用土炮防雹，17世纪末清代的“广阳杂记”对土炮防雹就有明确记载。20世纪50年代以后，包括我国在内的许多国家开展了防雹试验。通过气象雷达或有经验的观测者目视，识别出冰雹云(比一般雷雨云发展更旺盛、厚度更大、闪电更频繁等)，然后采用如下两类方法防雹：①播催化剂法，用火箭、高炮、飞机等把碘化银播撒到雹云中，产生大量冰核进而形成大量人工雹胚胎，它们与云中原来的冰雹胚胎争夺水分，使大家都不能长大成对人畜与作物产生危害的大雹块，在落出云底后还可能逐渐融化成雨滴。②爆炸法，用高射炮、土炮或火箭等，向雹云的中、下部轰击，往往亦可使雹云不降雹，或在下风向区降小雹，这样便能抑制雹灾。这种方法在国内被较普遍采用，其防雹的物理机制尚待进一步研究。iv)人工消云用人工方法使局部区域云层消散的措施，称人工消云。大型运动会或某些航空活动等，有时希望晴朗无云，便可进行人工消云试验。人工消云分为：人工消冷云和人工消暧云。人工消冷云的方法是：播撒碘化银等人工冰核或播撒干冰等催化剂，产生大量冰晶，再通过贝吉龙冰水转化过程，原云中的过冷却水滴（云滴）蒸发失，水份转移到冰晶上经凝华冻结，冰晶长大成降水粒子，下降离开云体，使云消散。人工消暧云的方法是：向云中播散盐粉、尿素等吸湿性粒子，这些吸湿性凝核吸收水汽凝结长大，然后与原来云滴碰并长大，降出云外，使云消散。此外，还试验过消除积云的方法：在积云顶部摇撒盐粒、水滴、沙子等质粒，有时也观测到云消散，其原理尚待研究。一般说来所有人工消云方法均不够完善，尚没有达到实际应用阶段。v)人工防霜冻3用人工方法提高近地面气层和土壤表面温度，使作物和苗木等免受冻害的措施，称人工防霜冻。常有五类方法：①烟雾法，用柴草或废柴油等燃烧产生烟雾，以抑制地表面长波辐射降冷，还使水汽在烟粒上凝结而释放潜热，从而达到增温防霜冻。②扰动合法，晴夜的近地层常为逆温层，用吹风机吹风搅动，把上面暧空气搅动向下混合，达到提高下层温度以防霜冻。③灌水法与洒水法：寒潮来临前，给作物灌水，可防霜冻。可在作物表面连续洒水，使作物表面一层水膜在结冰时释放潜热，以达到保护作物不受霜冻之害。④加热法，在果园或珍贵作物园，摆许多加热炉直接加热空气以防霜冻。此法成本较高。⑤覆盖法，用农用薄膜覆盖小区域作物，阻止长波辐射降冷，可防霜冻。vi)播云（雾）催化剂人工影响天气过程中，为改变云（雾）微结构与演变过程，向云（雾）中播撒的物质，称播云（雾）催化剂。选用催化剂必须考虑有效、经济、不污染环境、容易播撒、安全无毒害等。当今所用催化剂有三类：①吸湿性巨核，包括盐（NaCl）、氯化钙、尿素和液水等，它们常用于对暧云的催化剂。②致冷剂，包括干冰（固体CO2）、液态丙烷、液氮、液态空气等，它们常用于对冷云作催化。投入冷云后，将使它们周围空气急速降冷，产生大量冰晶胚胎，并进一步生成冰晶。以干冰为例，实验室结果是：每1克干冰可产生1万亿个冰晶。③人工冰核，包括碘化银(AgI)等无机冰核及介乙醛等有机冰核，其中以碘化银最常用。它们常用于冷云增雨和防雹试验中，把它们播入云层，使云增加大量冰核，进而生成大量冰晶，造成增雨或消雹的效果。空气污染空气污染是大气科学的一个新分支，它是研究在不同气象条件下，进入大气的污染物在大气中输送、扩散稀释、转化和移除的规律及应用的科学。本学科萌芽于20世纪20年代，1921年英国人便进行大气扩散试验，但只是到了50年代后，现代工业的发展和城市人口高度集中，相继出现了严重的城市或工业区污染事件，以1952年12月的伦敦烟雾事件为例，夺去了四千多人的生命，这些促使人们对大气污染的广泛关注和研究，到60年代便逐渐形成这门独立的新学科。空气污染气象学研究的内容主要有：①污染源和污染物的种类和特性。②污染物在大气中的风输送、湍流扩散过程与规律。③污染物浓度观测与计算技术方法。④空气污染防治方法。⑤空气污染的危害及对人类生存环境的影响等。空气污染气象学对环境保护、城市规划和能源、化工、冶金、卫生、国防等部门都有极其重要的意义。空气污染气象学的研究方法有:野外测量、实验室（如风洞试验）和数值模拟研究等。i)空气污染由于人类活动或自然过程，向大气中排进了一些有害物质(称污染物)，当排入量够多(污染物浓度达一定限度)，则使原来洁净空气的品质下降，若这种情况维持时间够长，便会对人类、动物、植物和大气中的物品产生危害和不良影响，这种大气状态称为空气污染。组成空气污染有三个要素：污染源、污染物浓度、对人和生物有危害。洁净大气是人类赖于生存的必要条件之一，一个人在五个星期内不吃饭或5天内不喝4水，尚能维持生命，但超过5分钟不呼吸空气，便会死亡，人体每天要吸10─12立方米的空气。由此可见，消除空气污染或保持污染浓度低于某个限度之下，是何等重要。大气有一定的自净能力，现代大工业发展以前，因自然过程等排进大气的污染物，与由大气自净过程而从大气移除的量基本平衡。但是20世纪五、六十年代以后，现代大工业迅速发展，人类排进大气的污染物量大大超过了大气的自净能力，致使目前全球大气都遭到不同程度的污染。这引起了各国的关注，我国已把保护环境(大气环境、水环境等)作为国家的基本国策。ii)污染源与污染物向大气排入有害物质的源地称污染源，进入大气的有害物质称污染物。大气污染源分人工源和自然源，自然源包括火山喷发、森林着火、风吹扬尘等，它们每年向大气排入约5.5亿吨污染物，人工源包括工业污染源、农业污染源、城乡交通和居民生活污染源等，它们平均总计向大气排入的污染物在20世纪90年代约每年超过6.5亿吨，其中以工业污染排放量最为主要。我国1990年工业源共排放大气污染物约0.4亿吨，按人口平均远低于发达国家的排发水平。大气污染物分为一次污染物和二次污染物，它们的种类超过100多种。从污染源排进大气后，直接污染空气的称一次污染物，其中最主要的有二氧化硫、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NO）、二氧化氮、颗粒物（飘尘、降尘、油烟等）、CO和氨气、及含氧、氮、氯、硫有机化合物以及放射性物质等。所谓二次污染物则是由于阳光照射污染物、污染物间相互发生化学反应、污染物与大气成分发生化学反应生成的有害物质，光化烟雾就是一种二次污染物。iii)大气环境质量（品质）大气环境对人类生存与发展的优劣程度，称大气环境质量或大气品质。空气洁净则其大气环境质量便高，如远离城市或工业区的山区；大城市或工业区的空气污染严重，其大气环境质量便低。大气环境质量高低或好坏，常用大气污染物浓度的大小来具体衡量，单位体积空气中，含某种污染物的多少，称为该种污染物的浓度。根据不危害人体和生态系统与物品的考虑，人为规定污染物浓度的允许，称为大气环境质量标准。?掌臓相应污染物浓度低于规定值，称大气质量合标准，高于规定值则称大气质量超标准（简称超标），超标越多，则大气环境质量越坏。世界各制定了各自的标准，于1982年首次颁布了大气环境质量标准，按地区类别执行准。对于风景名胜和自然保护区等，执行一级标准;对于居民区、商业与文化区等，执行二级标准；对于工业区、交通枢纽等，执行三级标准。分污染物具体标准如表所列。大气污染物浓度常用大气采样仪,采集空气样品并进行分析而确定。iv)大气污染的危害与影响大气污染对人类及其生存环境造成的危害与影响，已逐渐为人们所认识，归结起来有如下几个方面：①对人体健康的危害。人体受害有三条途径，即吸入污染空气、表面皮肤接触污染空气和食入含大气污染物的食物，除可引起呼吸道和肺部疾病外，还可对心血管系统、肝等产生危害，严重的可夺去人的生命。②对生物的危害。动物因吸入污染空气或吃含污染物食物而发病或死亡，大气污染物可使植物抗病力下降、影响生长发育、叶面产生伤斑或枯萎死亡。③对物品的危害。如对纺织衣物、皮革、金属制品、建筑材料、文化艺术品等，造成化5学性损害和玷污损害。④造成酸性降雨，对农业、林业、淡水养殖业等产生不利影响。⑤破坏高空臭氧层，形成臭氧空洞，对人类和生物的生存环境产生危害。⑥对全球气候产生影响，如二氧化碳等温室气体的增多会导致地球大气增暧，导致全球天气灾害增多，又如烟尘等气溶胶粒子增多，使大气混浊度增加，减弱太阳辐射，影响地球长波辐射，可能导致天气气候异常。如何防治大气污染，减轻大气污染的危害与影响，构成了当今重大而紧迫的研究课题。v)大气污染的防治防治大气污染是一个庞大的系统工程,需要个人、集体、国家、乃至全球各国的共同努力，可考虑采取如下几方面措施