气象学与气候学

气象学与气候学MeteorologyandClimatology由于旱情持续，截至2010年2月28日，云南省蒙自县冷泉乡索本底等5个自然村近200户人家只能靠本地接近干枯的山泉作饮用水和生活用水。云南今年遭遇50年一遇的特大旱灾，2010年2月2日，昆明市石林县高石哨绿塘子水库干旱的露出了池底。2011年5月鄱阳湖成为大草原11月4日，北京市气象台发布了暴雪红色预警信号。这是北京自有预警制度以来首个暴雪红色预警。目前全市降水量平均值达到55.6毫米，最大降水量为99.6毫米，达到北京市有气象记录以来“冬半年”最大值。持续时间超过40小时据市气象台统计，整个降雨雪过程中，从3日8时至4日20时，全市平均降水量为56毫米，城区平均降水量为62毫米，东南部地区平均降水量为68毫米，降水量最大的是海淀凤凰岭，达到99.6毫米，积雪深度最大的是延庆站，达到47.5厘米。绪论一、研究对象和分科二、大气、天气、气候、气候系统概念三、研究方法四、发展简史0.1气象学与气候学的研究对象和分科1.大气科学的定义：研究大气中各种现象、过程的成因和时空分布规律，以及如何利用这些规律为人类服务2.研究对象：主要是覆盖整个地球的大气圈；研究内容：大气科学分支学科中大气探测学、大气物理学、大气化学、天气学、气候学的基础知识。3.学科分支主要分支学科有大气探测、气候学、天气学、动力气象学、大气物理学、大气化学、人工影响天气、应用气象学。大气：包围着地球的整个空气层天气：指某一地区在某一短时间内大气中气象要素（如温度、湿度等）和天气现象(如云、雾等)的综合。气候：某地在太阳辐射、下垫面性质、大气环流和人类活动长期相互作用下所产生的天气综合。区别：时间尺度：天气短，气候长天气变化多端，气候比较稳定少变气候具有显著的区域性，而天气不明显联系：气候以天气为基础，是天气的综合；天气是以气候不同为背景气候系统：由大气圈、水圈、岩石圈、冰雪圈和生物圈组成的整个系统，以及系统内各子系统之间一系列复杂的相互作用过程。0.2大气、天气、气候、气候系统概念0.3气象学和气候学的研究方法气象观测：地面观测、高空观测、遥感技术天气与气候分析：天气气候图分析、四维分析、统计分、诊断分析天气与气候的数值模拟1.萌芽时期：十六世纪中叶以前感性认识和经验形成阶段，萌芽时期我国和希腊是露过锋芒的，气象学与天文学是混在一起的，可以说具有天象学的性质。我国发展：殷商的“卜旬”、涉及物候的典籍、汉唐观测天气的仪器；国外发展：希腊亚里斯多德著《气象学》。2.发展初期：十六世纪中叶到十九世纪末气象观测阶段：温度表（伽利略）、气压表（托里拆利）主要研究成果：关于海平面上风压关系定律、气旋模式和结构、大气中光电现象和云雨形成的初步解释，大气环流的若干现象解释等0.4气象学与气候学的发展简史3.发展时期：二十世纪以来早期：二十世纪五十年代前气象学方面：锋面学说、长波理论、降雨学说气候学方面：气候型、气候分类法近期：二十世纪五十年代以后电子计算机和新技术，如雷达、激光和人造卫星等的使用气象学方面：大规模观测试验、数值模拟试验；气候学的科学革命我国气象学、气候学的奠基人竺可桢（1928年在南京北极阁建立气象台）。气象卫星竺可桢多普勒天气雷达站卫星云图对流云云顶越高温度越低副高第1章大气的成分、状态与结构一、大气的组成二、大气的垂直结构1.1大气的成分（干空气、水汽、气溶胶粒子和污染物质）1.干洁空气（1）定义：指大气中除去水汽、液体和固体微粒以外的整个混合气体。（2）成分（附图）①氮（地球上生命体的基本成分）②氧（维持生命的活动）③氩（惰性气体）氮+氧+氩=99.95%干洁空气的组成结构④二氧化碳（光合作用；大气保温效应）⑤臭氧（地球生命的保护伞：强烈吸收太阳辐射中的紫外线）图大气臭氧浓度随高度的变化图各高度上氧和氮的组成比例2.水汽（唯一发生相变的大气成分）（1）来源：陆面、水面蒸发和植物蒸腾（2）含量:占整个地球总水量的0.001%（3）重要性：产生天气变化的重要因素，直接影响地面和低层大气的温度。3.固态、液态微粒（气溶胶粒子，影响大气和地面温度，但对成云致雨起到重要作用）4.大气污染物质（粉尘、一氧化碳、二氧化硫、一氧化氮、硫化氢等）气象小常识：PM2.5PM2.5：指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物世界2001年至2006年PM2.5平均值分布图灰霾天气1.2大气的垂直结构（按热力结构分层）1.2.1对流层（0~12km）温度随高度递减（平均每100米下降0.65℃）；有强烈的对流运动；气象要素水平分布不均匀。1.2.2平流层（12~55km）气温随高度增加而显著递增；水汽、杂质极少，透明度好；空气以平流为主，气流稳定。1.2.3中间层（55~80km）气温随高度增加迅速降低；对流运动强烈（又称为上对流层）。1.2.4暖层（80~800km）温度随高度增加而迅速增高；空气处在高度电离状态（又称为电离层）。1.2.5散逸层（暖层以上）空气极其稀薄，温度高；空气质点运动速度快，大气质点不断逃逸到宇宙太空。大气分层高度(km)气温变化原因气流运动特征与人类的关系对流层0~12递减地面为主要直接热源对流运动显著影响人类一系列的生产、生活活动平流层12~55递增靠臭氧层吸收紫外线增温以平流运动为主人类生存环境的天然屏障，利于高空飞行中间层55-80递减离地面热源远、臭氧少对流运动强烈无线电通讯（D层）暖层（电离层）80~800递增氮、氧吸收太阳紫外线辐射空气密度很小无线电通讯（E、F层）、人造卫星散逸层800以上略有递增空气极其稀薄空气质点运动速度很快受地球引力很小大气分层结构比较按磁特性分层：中性层、电离层、磁层按化学成分分层：均质层，非均质层第2章大气的热能和温度一、辐射的基本知识二、太阳辐射三、地—气系统长波辐射四、辐射差额五、大气的增温和冷却2.1辐射的基本知识辐射的概念电磁波普（图2——1）辐射能的特征量物体对辐射能的作用热辐射的基本定律：基尔荷夫定律；普朗克定律；斯蒂芬—玻尔兹曼定律；维恩位移定律2.2太阳辐射2.1太阳辐射光谱的太阳常数太阳辐射光谱太阳常数：在日地平均距离条件下，地球大气上界垂直于太阳光线的面上所接受的太阳辐射通量密度，称为太阳常数。以S.表示，单位为W/m2。太阳常数是一个相对稳定的常数，依据太阳黑子的活动变化，他所影响到的是气候的长期变化，而不是短期的天气变化。2.2太阳辐射在大气中的减弱大气对太阳辐射的吸收大气对太阳辐射的散射1.散射的本质2.散射的分类云层和尘埃对太阳辐射的反射反射作用是大气中的云层和尘埃，具有反光镜的作用，可以把投射其上的太阳辐射的一部分，又反射回宇宙空间。阳伞效应阳伞效应是由烟尘增多形成的。人类的生产与生活活动，导致大气中的烟尘越来越多。悬浮在大气中的烟尘，一方面将部分太阳辐射反射回宇宙空间，削弱了到达地面的太阳辐射能，使地面接受的太阳能减少；另一方面吸湿性的微尘又作为凝结核，促使周围水汽在它上面凝结，导致低云、雾增多。这种现象类似于遮阳伞，因而称“阳伞效应”。阳伞效应的产生使地面接受太阳辐射能减少且阴、雾天气增多，影响城市交通等。2.3到达地面的太阳辐射有两部分：直接辐射：太阳以平行光线的形式直接投射到地面上。散射辐射：经过散射辐射后自天空投射到地面上。二者之和称为总辐射。1、直接辐射：太阳高度（角）、大气透明度（1）太阳高度角（h）：太阳光线与水平面间的夹角；h不同，地表单位面积上所获得的太阳辐射也就不同。h越小，等量的太阳辐射散布的面积就越大，地表单位面积上所获得的太阳辐射就越小h越小，太阳辐射穿过的大气层越厚地球O点的地平线OACh2h1h1h2AOCO太阳辐射被减弱也较多（吸收、反射、散射等），到达地面的直接辐射就较少。一个大气质量：地面为标准气压（1013hpa）时，太阳光垂直投射到地面所经路程中，单位截面积的空气柱的质量。h不同，大气质量数不同；大气质量数随h减小而增大。P29表2·1不同太阳高度角时的大气质量数h90°60°30°10°5°3°1°0°m11.152.05.610.415.427.035.4（2）大气透明度用透明系数（p）表示指透过一个大气质量的辐射强度与进入该大气的辐射强度之比。即当太阳位于天顶处，在大气上界太阳辐射通量为I0，而到达地面后为I，则：p=I/IoP表明辐射通过大气后的削弱程度，如：p=0.7，表示削弱了30%P决定于大气中所含水汽、水汽凝结物和尘粒杂质的多少；多，大气透明度差，P小，太阳辐射被减弱得多，到达地面的太阳辐射相应减少。直接辐射有明显的年变化、日变化和随纬度的变化。主要由h决定：随纬度的变化：低纬地区一年四季h都很大，地表得到的直接辐射比中、高纬地区大得多。日变化：日出、日落时，h最小，直接辐射最弱；中午，h最大，直接辐射最强。年变化：夏季最强，冬季最弱。2、散射辐射：太阳高度角、大气透明度天空散射辐射就是大气对空中的太阳直接辐射进行散射及反射而产生的。h大，到达近地面的直接辐射增强，散射辐射也相应增强；h小，弱。（与直接辐射同向）大气透明度，不好，参与散射作用的质点增多，散射辐射增强；好，减弱。（与直接辐射反向）云：能强烈地增大散射辐射。P29图2·11日、年变化，也主要决定于h的变化，一日内正午前后最强，一年内夏季最强。3、总辐射变化规律，比太阳直接辐射和散射辐射要复杂些，它是二者变化规律的综合。但在晴朗的日子里，它的强弱主要由太阳直接辐射决定。年变化与直接辐射基本一致，夏季最大，冬季最小。日变化日出前：散射辐射日出后：h增大，直接辐射和散射辐射逐渐增加，直接辐射增加快h=8o：直接辐射=散射辐射h=50o：散射辐射：10~20%；直接辐射：80~90%中午：直接辐射和散射辐射均达最大值中午后；二者按相反次序变化云的影响可使这种规律受到破坏。随纬度的分布一般：纬度越低，总辐射越大；反之，小。P30表2·21、可能总辐射，随纬度降低而增加；低纬，h大，总辐射大，最大值在赤道。2、有效总辐射，小了很多，可见云层的影响很大。3、有效总辐射，一般随纬度降低而增加，但最大值不在赤道，而在20oN，因赤道附近云多，太阳辐射减弱得也多。第三节地—气系统的长波辐射地面辐射：地面辐射是地表面这种以其本身的热量日夜不停地向外放射辐射的方式。由于地表温度比太阳低得多(地表面平均温度约为300K)，因而，地面辐射的主要能量集中在1～30微米之间，其最大辐射的平均波长为10微米，属红外区间，与太阳短波辐射相比，称为地面长波辐射。大气辐射指的是大气吸收地面长波辐射的同时，又以辐射的方式向外放射能量，大气这种向外放射能量的方式，称为大气辐射。由于大气本身的温度也低，放射的辐射能的波长较长，故也称为大气长波辐射。大气对长波辐射的吸收作用大气逆辐射与温室效应大气吸收地面长波辐射的同时，又以辐射的方式向外放射能量。大气辐射的方向既有向上的，也有向下的，大气辐射中向下的部分，因为与地面辐射方向相反，称为大气逆辐射。大气逆辐射是地面获得热量的重要来源。由于大气逆辐射的存在，使地面实际损失的热量比地面以长波辐射放出的热量少一些，大气的这种保温作用称为大气的温室效应。这种大气的保温作用使近地表的气温提高了约18℃。月球则因为没有象地球这样的大气，因而，致使它表面的温度昼夜变化剧烈，白天表面温度可达127℃，夜间可降至-183℃。地面有效辐射地面放射的辐射与地面吸收的辐射之差，称为地面有效辐射。地面有效辐射的强弱随地面温度、空气温度、空气湿度及云况而变化。(1)根据辐射强度的关系，地面温度增高时，地面辐射增强，如其它条件(温度、云况等)不变，则地面有效辐射增大。(2)空气温度高时，大气逆辐射增强，如其它条件不变，则地面有效辐射减小。(3)空气中含有水汽和水汽凝结物较多，则因水汽放射长波辐射的能力比较强，使大气逆辐射增强，从而也使地面有效辐射减弱。(4)天空中有云，特别是有浓