气象学与气候学.docx

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1、气象学与气候学第一章 引论第一节 气象学、气候学的研究对象、任务和简史一、气象学与气候学的研究对象和任务气象学：运用物理原理和数学物理方法，研究发生与大气中一切物理现象和物理过程的大气学科。气候：在太阳辐射，大气环流，下垫面性质等多种因素的影响下，地球上某一地区多年时段大气的。一般状态是该时段各种天气过程的综合现象。天气变化快，变化的周期短。天气过程的时间分段一般以5天以下为短周期天气过程,510天为中期天气过程，10天一3个月为长期天气过程。气候变化的周期相对于天气来讲是比较长的，它的时间尺度有季际，年际，百年际，千年际，万年际等等。气象学与气候学的基本任务是（一）通过实践，掌握气候观测、气

2、候统计分析和气候调查的方法，来记叙所观测到气候现象，从定性和定量两方面说明他们的特性（-）探讨他们的正确解释和研究他们的发展规律，特别要掌握天气演变和气候形成的规律性，了解和解释不同地区的气候特征，弄清楚气候资源及其地理分布，进行气候分类和气候区划，研究气候变迁的原因。（三）应用已发现的规律，采取有效措施，充分利用气候资源，减少人类活动对气候的不利影响，防御或减少气候灾害，为有关的生产建设服务（四）气象学、气候学与自然地理学、环境生态学和区域地理等有密切的依存关系。二、气象学与气候学的发展简史（一）萌芽时期萌芽时期主要指16世纪中叶以前这一漫长时期，这时期的特点是由于人类的生活和生产的需要，进

3、行一些零星的、局部的气象观测。（二）发展初期发展初期包括16世纪中叶到19世纪末。这时由于欧洲工业的发展，推动了科学技术的发展。物理学、化学和流体力学等随着当时工业革命的要求，快速发展起来。（三）发展时期从20世纪以来是气候学的发展时期。第二节气候系统概述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物理系统。一、大气概述（一）大气的组成大气是由多种气体组成的气体及浮悬其中的液态和固态杂志所组成。主要有大气、水汽、大气溶胶大气中的氮能够冲淡氧，使氧不致太浓，氧化作用不过太激烈。大量的氧可以通过豆科植物的根瘤菌固定的土壤中，成为植物体内

4、不可缺少的养料。臭氧层主要集中在20-30km高度。大气中还悬浮着多种固体微粒和液体微粒，统称大气气溶胶粒子。水循环的意义和作用联系调节作用 平衡更新作用迁移交换影响塑造(-)大气结构大气垂直结构是温度随高度变化所呈现的现象而划分的。1、对流层对流层是地球大气中最低的一层，云、雾、雨雪主要大气现象都出现在此层，对流层是对人类生产、生活影响最大的一个层次。对流层有三个主要特征(1)气温随高度增加而降低：由于对流层主要是从地面得到热量，因此气温随高度增加而降低。平均而言，高度增加100m,气温则下降0.65,这称为气温直减率，也叫气温垂直梯度(2)垂直运动对流运动：由于地表面的不均匀加热，产生垂直

5、对流运动。对流运动的强度主要随纬度和季节的变化而不同，一般情况是：低纬较低，高纬较弱；夏季较强，冬季较弱。因此对流层的厚度从赤道向两极减少。(3)气象要素水平分布不均匀：由于对流层受地表的影响最大，而地表面有海陆分异、地形起伏等差异，因此在对流层中，温度，湿度等的水平分布是不均匀的。(介于对流层和平流层之间有一个厚度为数百米到l-2km的过渡层，称为对流层顶。这一层的主要特征是：气温随高度的增加而突然降低缓慢或几乎不变，成为上下等温。)2、平流层自对流层到55km左右为平流层。在平流层内，随着高度的增加，气温最初保持不变后微有升。大约到30km以上，气温虽高度增加而显著升高，在55km高度上可

6、达-3cC。3、中间层自平流层顶到85km左右为中间层。该层的特点是气温随高度增加而迅速下降，并有相当强烈的垂直运动。这一层顶部气温降到-133-83,原因是这一层中几乎没有臭氧，而氮和氧等气体所能直接吸收的那些波长更短的太阳辐射又被上层大气吸收掉了。在中间层60-90km高度上，有一个只有白天才出现的电离层，叫做D层4、热层热层又称热成层或暖层，它位于中间层层顶以上。该层中，气温随高度的增加而迅速增高。这是由于波长小于0.75km的太阳紫外辐射都被该层中的大气物质所吸收的缘故。热层没有明显的上界通常认为在垂直方向上，气温向上增温至转为等温时，为其上限。热层中空气处于高度电离状态，其电离的程度

7、是不均匀的。据研究高层大气(60km以上)由于受到强太阳辐射，迫使气体原子电离，产生带电离子和自由电子，使高层大气能够产生电流和磁场，并可反射无线电波，从这一特征上看，这种高层大气又可称为电离层。5、散逸层这是大气的最高层，又称外层。这一层中气温随高度增加很少变化。温度高，空气粒子运动速度快，距离地心较远，地心引力较小，所以这一层的主要特点是大气粒子经常散逸到星际空间，本层是大气圈与星际空间的过渡地带。二、.水圈、陆面、冰雪圈和生物圈概述(一)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。由于海洋对太阳辐射的反射率比陆面小，海洋单位面积所吸收的太阳辐

8、射能比陆面多25%-50% o海洋在气候系统中具有最大惯性(二)陆面陆面有时亦称岩石圈。岩石圈的变化时间尺度甚长。（三）冰雪圈冰雪圈包括大陆冰原，高山冰川，海冰和地面血盖等。由于冰雪具有很大的反射率，在冰雪覆盖下，地表与大气间的热量交换被阻止，因此冰雪对地表热量平衡有很大的影响。它是气候系统中一个很重要的子系统。（四）生物圈生物圈主要包括陆地和海洋中的植物，在空气、海洋和陆地中生活的动物，也包括人类本身,生物对于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都有很重要的作用。第三节有关大气的物理性状在气象学上，大气的物理性状主要以气体要素和空气状态方程来表征

9、一、主要气象要素气象要素是指标识大气属性和大气现象的物理量，如气温、气压、湿度、风向、风速、云降水量能见度、等等。（一）气温反映空气冷热程度的物理量在一定的容积内，一定质量的空气，其温度的高低只与气体分子运动的平均动能有关。因此,空气冷热的程度，实质上是空气分子平均动能的表现。我国用摄氏度（）温标，理论研究上通常用绝对温标，以K表示，这种温标中一度的间隔与摄氏度相同，但其零度称为：“绝对零度”，规定等于摄氏-273.15,因此水的冰点为273.15K,沸点为373.15K。两种温标换算如下：7 =，+ 273.15 + 273摄氏度与华氏度换算如下：=Tc + 32F-32 1805（二）气压

10、气压是指大气的压强。它是空气的分子运动与地球重力场的综合作用的结果。静止大气中任意高度上的气压值等于单位面积上所承受的大气柱的重。（三）湿度表示大气中水汽量多少的物理量称为大气湿度1、水汽压和饱和水气压大气中水汽所产生的那部分压力称为水汽压（e）,在温度一定情况下，单位体积空气中的水汽量有一定的限度，如果水汽含量达到此限度，空气就呈饱和状态，这时的空气称为饱和空气。饱和空气的水汽压称为饱和水汽压（E）。2、相对湿度相对湿度（/）就是空气中的实际水汽压与同温度下的饱和水汽压的比值（用百分数表示）,即：/ = xlOO%E相对湿度直接反应空气距离的饱和程度。当其接近100%时，表明当时空气接近于饱

11、和。3、饱和差在一定温度下，饱和水汽压与实际空气中水汽压之差称为饱和差（d） o Rpd = Ee, d表示实际空距离饱和的程度。在研究水面蒸发时常用到d,它能反映水分子的蒸发能力。4、比湿在一团湿空气中，水汽的质量与该团空气总重量（水汽质量加上干空气质量）的比值，称比湿（q） o其单位是g/g,即表示每一克湿空气中含有多少克的水汽，也有用g/kg表示。md + 兀式中，加w为该团湿空气中水汽的质量；勿为该团湿空气中干空气的质量。5、水汽混合比一团湿空气，水汽质量与干空气质量的比称为水汽混合比（？）即单位：g/g6、露点在空气中水汽含量不变，气压一定下，使空气冷却达到饱和时的温度，称为露点温度

12、，简称露点（）。（四）降水降水是指从天而降落到地面的的液态或固态水，降水量以毫米（mm）表示。雪深是从积雪表面到地面的垂直深度，以厘米（cm）为单位，当雪深超过5cm时，则需观测血压。雪压时单位面积上的积雪重量，以g/cn?为单位。（五）风空气的水平运动称为风。风是一个表示气流运动的物理量。它不仅有数值的大小（风速），还具有（风向）。因此风是向量。风是指风的来向。风速的表示有时采用压力，称为风压。（六）云量云是悬浮在大气中的小水滴、冰晶微粒或二者混合物的可见聚合群体，底部不接触地面（如接触地面则为雾），且具有一定的厚度。（七）能见度能见度指视力正常的人在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨

13、别出目标物的最大水平距离。单位用米（m）或千米（km）表示。二、空气状态方程空气状态方程常用密度（0）、体积（V）、压强（P）、温度（，或T）表示，对一定质量的空气，其尸、V、7之间存在函数关系。第二章大气的热能和温度第一节太阳辐射地球大气中的一切物理过程都本随着能量转换，而辐射能，尤其是太阳辐射能是地球大气最重要的能量来源一、辐射的基本知识（一）辐射与辐射能自然界中的一切物体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，也简称辐射。辐射是能量传播的方式之一，也是太阳能传输到地球的唯一途径。辐射能是通过电磁波的方式传输的。气象学着重研究的是太阳、地球

14、和大气的热辐射。他们的波长在0.15-120vm之间。在气象学中，通常是以焦耳（J）作为辐射能的单位。单位时间内通过单位面积的辐射能量称为辐射通量密度（E）,单位W/n?.单位时间内，通过垂直于选定方向上的单位面积的辐射能，称为辐射强度（/）。单位是：W/n?或 W/sr。（二）辐射光谱为准确描述辐射能的性质，需要引入一个能确定辐射波长的分布的函数，以便进一步确定物体的辐射特性。（三）物体对辐射的吸收、反射和投射不论何种物体，在它向外放出辐射的同时，必然会接收到周围物体向它投射过来的辐射，但投射物体上的辐射并不能被全部吸收，其中一部分被反射，一部分可能透过物体。物体的吸收率、反射率和透射率的大

15、小随着辐射的波长和物体性质而改变。（四）有关辐射的基本定律1. 基尔荷夫（Kirchhoff）定律在一定波长下、一定温度下，一个物体的吸收率等于该物体同温度、同波长的放射率。即对不同物体，辐射能力强的物质，其吸收能力也强。辐射能力弱的物质，其吸收能力也弱。黑体吸收能力最强，所以它也是最好的放射体。同一物体在温度T是它放射某一波长的辐射。那么，在同一温度下也吸收这一波长的辐射。2. 斯蒂芬（Stefan）-玻尔兹曼（Boltzman）定律物体的放射能力是随温度、波长而改变的。温度的升高，黑体对各波长的放射能力都相应地增强。因而物体放射的总能量（即曲线与横坐标之间包围的面积）也会显著的增大。黑体的总放射能力与它本身的绝对温度的四次方成正比。3. 维恩（Wein）定律黑体单色辐射极大值所对应的的波长是随温度的升高而逐渐向波长较短的方向移动的。物体温度愈高，其单色辐射极大值所对应的波长愈短；反之，物体的温度愈