气象学与气候学复习资料

气象学与气候学复习资料1．气候系统的概念：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。气候系统的五大子系统：大气圈、水圈、陆地表面、冰雪圈和生物圈2．大气的结构：大气结构是指大气在垂直方向上的分层和水平方向上气象要素分布的不均匀性。3．对流层：对流层是大气的最下层，它的下界为地面，集中3/4大气，90%水汽，日常所见的大气现象均发生在此层，也是对人类生活、产生最有影响的层次。（2）对流层特点①气温随着高度而降低②空气具有强烈的对流、乱流运动③气象要素水平分布不均匀：在对流层内，按气流和天气现象分布特点又可分为三层。下层：又称摩擦层或扰动层。它的范围自地面到2km高度。下层受地面强烈影响摩擦作用、湍流交换十分明显，各气象要素具有明显的日变化。由于本层的水汽、尘粒含量多，因而低云、雾、霾、浮尘等出现频繁。中层：从摩擦层顶到6km左右高度。这一层受地表影响较小，气流的状况基本上可以表征整个对流层空气运动的趋势。大气中的云和降水现象大都产生在这一层。上层：从6km高度到对流层顶。由于这一层离地面更远，受地表影响更小，水汽含量极少，气温常在0℃以下，各种云多由冰晶和过冷水滴组成。在中、低纬度地区上层，常有风速＞30m/s的强风带出现。此外，在对流层和平流层之间有一个厚度为数百米至1-2km的过渡层，称为对流层顶。此层主要特征是：气温随高度增加变化很小，甚至无变化。这种温度的垂直分布抑制了对流作用的发展，上升的水汽、尘粒多聚集其下，能见度变坏。对流层顶的温度在低纬度地区平均为-83℃，在高纬度地区约为-53℃。思考题（供参考）一、基本概念：气象学气候学气候系统气象要素饱和水气压相对湿度露点一个大气压能见度二、基本问题：1、举例说明气象学与气候学和自然地理其它分支科学之间的关系2、大气上界的划分方法3、对流层的主要特征4、各种湿度表示法的意义5、地面、高空和地面天气图上风的表示方法第二章一、地面、大气的辐射和地面有效辐射(一)地面和大气辐射1.辐射能量：Eg=δσT4（Ea=δ′σT4)式中：Eg为地表面的辐射能量;δ为地表面的相对辐射率。如地面温度为15℃，以δ=0.9，则可算得：Eg＝0.9×5.67×10-8×（288）4＝346.7W/㎡地面辐射：宇宙中的任何物质，只要它的温度高于绝对零度时都能放射能量，地面吸收太阳辐射后（45%-反射掉）转变为热能后，使地面增温，然后日夜不停的向外放射辐射，这就是地面辐射。大气辐射：大气对太阳辐射的吸收很少（24%）但能强烈的吸收地面的辐射，大气主要靠吸收地面辐射后升温，它也日夜不停的向外放出辐射，叫大气辐射2、地面辐射与大气辐射的共同特点：根据斯蒂芬—波尔兹曼定律物体温度越高放射辐射的能力越强所以太阳辐射的能力远远高于地面和大气，白天高于夜晚，也可以通过公式具体计算出大气、地面在一定温度下的辐射能量。根据维恩定律可以计算出大气、地面在自然温度幅度内的波长范围根据计算地面和大气的辐射波长范围大概在3——120微米属于红外辐射其辐射能最大的波段集中在10—15微米。所以将地面大气的辐射称为长波辐射。而将太阳辐射称为短波辐射。地面有效辐射的变化规律：日变化：中午前后达到最大值以后逐渐变小，到早晨达到最小年变化：夏季大，冬季小，但由于水汽和云的影响，最大值出现在春季。3．空气的增热和冷却:空气的冷热程度只是一种现象，它实质上是空气内能大小的表现。空气内能变化有两种情况：一是由于空气与外界有热量交换而引起的，称为非绝热变化；二是由于外界压力的变化使空气膨胀或压缩而引起的，空气与外界没有热量交换，称为绝热变化。气温的非绝热变化（几种与外界传递热量的方式）（1.）传导：就是依靠分子的热运动将热能从一个分子传递给另一分子，而分子本身并没有因此发生位置的变化。空气与地面之间，空气团与空气团之间，当有温度差异时，就会因为传导作用而交换热量。（2）.辐射：物体之间不停地以辐射方式交换着热量。大气主要依靠吸收地面的长波辐射而增热，同时，地面也吸收大气放出的长波辐射，这样它们之间就通过长波辐射的方式不停地交换着热量。空气团之间，也可以通过长波辐射而交换热量。（3）.对流：当暖而轻的空气上升时，周围冷而重的空气便下降来补充，这种升降运动，称为对流。通过对流、上下层空气互相混合，热量也就随之得到交换。使低层的热量传递到较高的层次，这是对流层中的热量交换的重要方式。（4）.湍流：空气的不规则运动称为湍流，又称乱流。湍流是空气层相互之间发生摩擦或空气流过粗糙不平的地面时产生的。有湍流时，相邻空气团之间发生混合，热量也就得到了交换。湍流是摩擦层中热量交换的重要方式。（5）.蒸发(升华)和凝结(凝华)：水在蒸发(或冰在升华)时要吸收热量；相反，水汽在凝结(或凝华)时，又会放出潜热。如果蒸发(升华)的水汽，不是在原处凝结(凝华)，而是被带到别处去凝结(凝华)，就会使热量得到传送。例如，从地面蒸发的水汽，在空中发生凝结时，就把地面的热量传给了空气。因此，通过蒸发(升华)和凝结(凝华)，也能使地面和大气之间，空气团与空气团之间发生潜热交换。由于大气中的水汽主要集中在5公里以下的气层中，所以这种热量交换主要在对流层下半层起作用。4．干绝热和湿绝热直减率。当一团干空气或未饱和的湿空气与外界没有任何热量交换做升降运动，且气块内没有任何水相变化时的温度变化过程叫干绝热变化。干绝热直减率（γd）-------干空气或未饱和的湿空气，气块绝热上升（或下沉）单位距离时温度降低（或升高）的数值。公式：γd=1ºC/100m原因：（1）气温直减率是大气温度随着距离地面越来越远得到的热量越来越少。（2）热直减率是干空气在绝热上升或绝热下降运动过程中由于做功气块本身的温度变化《2》、湿绝热变化及湿绝热直减率湿绝热变化过程：当饱和湿空气在做绝热上升（或下沉时）温度受到两方面的影响(1)气团中的干空气上升体积膨胀降温，也是每上升100米温度降低1ºC。（2）水汽既已是饱和，它会因为上升冷却而发生凝结，凝结就要放热，所以放出的热量又使温度有所回升。所以可以推论，因为有凝结放出热量的补给，降温要小于γd。这整个过程就是大气温度的湿绝热变化。湿绝热直减率（γm）：饱和湿空气块上升单位距离使温度降低的数值。（下沉升高）γm1ºC是一个变数（3）湿绝热直减率是一个变数，它的大小是气压和温度的函数在体积、气压相等的情况下，温度高的饱和空气含水量大，降低同样的温度，要比温度低的饱和空气凝结出更多的水分，意味着放出更多的热量来。例如:20ºC—19ºC饱和空气凝结出1克水/立方米0ºC—-1ºC饱和空气凝结出0.33克水/立方米d1℃/100m异同干绝热直减率气温直减率mC100/65.00高温凝结水多放热多（ΔT大）γm=1ºC-ΔTγm小低温凝结水少放热少（ΔT小）γm=1ºC-ΔTγm大结论：当两块饱和空气气压相同，容积相等而气温不同时，气温高的γm小，温度变化不大。气温低的γm大，温度变化较大。3、干湿绝热线的比较：1）干绝热直减率γd近似于常数，故是一直线。（2）γm是一个变量，所以是一个曲线。①湿绝热直减率曲线始终在干绝热线的右方。γmγd，上升同样的高度始终是T(湿）T（干）②γm不是恒定的，因而不是一个直线，而且是一条下陡上缓的曲线。因为大气层下层温度高，γm小，随高度上升温度下降慢；大气层上部温度低，γm大，随着高度上升温度下降快。（3）到了高层，两条线近于平行。温度越降越低，水汽凝结越来越多，空气团中的水汽含量越来越少，当水汽为零时，饱和空气也就变为干空气，则γm=γd，从而使两条线近于平行。三、大气的稳定度许多天气现象的发生都和大气稳定度有密切关系，大气稳定度是指气块受到任意方向的扰动后返回或远离平衡位置的趋势和程度。也即表示空气是否安于原来的层次，是否易于发生垂直运动（对流）。如果容易就不稳定，不容易就稳定。判定大气稳定度的基本方法：（1）γ越小越稳定，越大越不稳定。γ=0随高度升高温度不变是同温层。γ0时随高度的升高温度反而增加叫逆温层，稳定到了对流不能进行的程度，也叫阻挡层。（2）当γγm时，就肯定γγd，无论干空气还是饱和空气，大气总是处于稳定状态叫绝对稳定。当γγd时就肯定γγdγm，无论干空气还是饱和空气，大气总是处于不稳定状态，叫绝对不稳定。（3）γmγγd，对于作垂直运动的饱和空气来讲，层结是不稳定的，对于作垂直运动的不饱和空气来讲，层结是稳定的，例题：一温度为12°c的未饱和气块在γ=0.9°c/100m的气层中作向上运动，其温度按干绝热直减率变化，问气块上升300m后的温度是多少，这时它周围空气的温度呢，并说明此气块的运动趋势，这时的气层的稳定情况如何？《2》最高温为什么在14点左右？答:这是因为大气的热量主要来源于地面。一方面又向大气输送热量而失热。若净热量，则温度升高。若净失热量，则温度降低。这就是说地温的高低并不直接决定于地面当时吸收太阳辐射的多少，而决定于地面储存热量热量的多少.书后的思考题（供参考）T(干）T(湿）100m0光见一、基本概念可谱长波辐射短波辐射黑体太阳常数蕾利（分子）散射米散射（漫射）1个大气质量大气之窗大气逆辐射地面以及地气系统辐射差额干（湿）绝热直减率大气稳定度气温年较差逆温（各种逆温类型）二、基本问题1、什么是地面总辐射，与大气上界的太阳辐射相比有什么变化？2、太阳辐射在大气中的减弱方式与具体过程，由此可得出什么结论？3、地面辐射差额的含义及其对气温日变化的影响。4、海陆之间的热力差异。5、大气稳定度的含义及判断方法。第四章大气中的水分1饱和水汽压（E）：定义：饱和湿空气中水汽的分压强。反映空气的最大水汽容纳能力饱和水汽压取决于温度（马格奴斯半经验公式2.影响饱和水汽压的因子；因子的变化怎样影响它.影响因子：温度TE蒸发面性质E过冷却水＞E冰蒸发面形状E凸面＞E平面＞E凹面液体含盐度含盐度E注：E为饱和水汽压，T为绝对温度3.影响水面蒸发的因子，重点道尔顿公式。温度：T温度TE蒸发面性质E过冷却水＞E冰蒸发面形状E凸面＞E平面＞E凹面液体含盐度含盐度EEdW气压：PW风：风速W湿度：edW2道尔顿蒸发公式：d＞0时，W＞0，蒸发过程d＝0时，W＝0，动态平衡d＜0时，W＜0，凝结过程道尔顿定律：W（蒸发速度）、饱和差（E-e）及分子扩散系数（A）成正比，气压（P）成反比。4．大气中常见的降温过程①辐射冷却，②接触冷却，③混合冷却，绝热冷却5．霜，雾。霜和霜冻的差异。霜：贴地层空气中的水汽在地面发生凝华而形成的小冰晶。雾：飘浮在近地层空气中的小水滴和小冰晶。PeEAW'霜与霜冻的差异：指在农作物生长季节里，地面和植物表面温度下降到足以引起农作物遭受伤害或者死亡的低温；而霜是指白色固体凝结物。二者是有区别的。……1、为什么云层存在会使白天气温降低，夜间气温升高?（重点题）答：白天云层存在，云层对太阳辐射有吸收，散射和反射作用，云层越厚，作用越强，那么到达地面的太阳辐射就小，使得白天气温降低；而在夜间，由于云层的存在，而不存在太阳辐射，云层越厚，大气逆辐射超强，地面可以得到热量的补偿，减少热量的损失，地面有效辐射小，所以，夜间的气温升高。……2、形成云雨的主要条件是什么，为什么会形成不同类型云雨？形成云雨的主要条件是凝结核的存在，空气垂直上升所进行的绝热冷却使空气达到过饱和。在雨的形成过程中大水滴起着很重要的作用。由于空气垂直上升运动的形式和规模不同，形成云的状态、高度、厚度也不同。大气上升运动方式主要有：热力对流，动力抬升，大气波动，地形抬升。不同的云，由于其水平范围，云高，云厚，云中含水量，云中温度和升降气流等情况不同，因而降水的形态，强度，性质也随之而有差异。……3、比较云和雾。答：云和雾的形成都是水汽由未饱和达到饱和。一是增加空气中的水汽，二是降温。一般来说云主要是靠潮湿空气在上升运动过程中绝热膨胀降温达到饱和而生成的。因此，上升气流和