气象气候学引论.pptx
20062006年年1212月月2626日，科技部、国家发改委、外交日，科技部、国家发改委、外交部、中国气象局、国家环保总局和中国科学院六部部、中国气象局、国家环保总局和中国科学院六部委联合在京举行新闻发布会，正式对外发布委联合在京举行新闻发布会，正式对外发布气候气候变化国家评估报告变化国家评估报告。气候变化国家评估报告气候变化国家评估报告共分共分3 3个部分，即个部分，即“气候变化的历史和未来趋势气候变化的历史和未来趋势”、“气候变化的影响与适应气候变化的影响与适应”和和“减缓气减缓气候变化的社会经济评价候变化的社会经济评价”。这份报告系统总结了我国在气候这份报告系统总结了我国在气候变化方面的科学研究成果，全面评估了在全球气候变化方面的科学研究成果，全面评估了在全球气候变化背景下中国近百年来的气候变化观测事实及其变化背景下中国近百年来的气候变化观测事实及其影响，观测了影响，观测了2121世纪的气候变化趋势，综合分析、世纪的气候变化趋势，综合分析、评价了气候变化及相关国际公约对我国生态、环境、评价了气候变化及相关国际公约对我国生态、环境、经济和社会发展可能带来的影响，提出了我国应对经济和社会发展可能带来的影响，提出了我国应对全球气候变化的立场和原则主张以及相关政策。全球气候变化的立场和原则主张以及相关政策。第1页/共68页第2页/共68页第3页/共68页第4页/共68页第5页/共68页第6页/共68页3 3月月4 4日晚：前后，记者在离海岸大约日晚：前后，记者在离海岸大约米处的烟台山医院门口发现，烟台市解放路北段已经米处的烟台山医院门口发现，烟台市解放路北段已经是是“水漫金山水漫金山”，大部分路灯已经熄灭，车辆无法通，大部分路灯已经熄灭，车辆无法通行，风暴潮带来的狂风几乎令人无法站立。记者从医行，风暴潮带来的狂风几乎令人无法站立。记者从医院的高处向北向东望去，滨海广场淹没在一片汪洋之院的高处向北向东望去，滨海广场淹没在一片汪洋之中，隐约可以看到巨大的海潮汹涌澎湃，海潮不时掀中，隐约可以看到巨大的海潮汹涌澎湃，海潮不时掀起约米高的海浪，排山倒海一般压过来。起约米高的海浪，排山倒海一般压过来。第7页/共68页第8页/共68页第一章第一章 引引 论论第一节 研究对象、任务和简史第二节 气候系统概述 第三节 有关大气的物理性状 第9页/共68页第一节第一节 研究对象、任务和简史研究对象、任务和简史一、研究对象和任务 图1二、气象学与气候学的发展简史三、气象学与气候学和自然地理学的关系四、气象学与气候学在四化建设中的作用 第10页/共68页一、研究对象和任务基本概念基本概念研究对象研究对象研究任务研究任务第11页/共68页气象学：研究大气中各种物理过程和物理现象的科学 气候学：在气象学研究的基础上所形成的研究气候的形成 过程、分布和变化规律的科学基本概念第12页/共68页（1）大气物理学（2）天气学（3）动力气象学（4）气候学研究对象第13页/共68页研究任务（一一）通通过过实实践践，掌掌握握气气象象观观测测、气气候候统统计计分分析析和和气气候候调调查查的的方方法法，来记述所观测到的气候现象，从定性和定量两方面说明他们的特性。来记述所观测到的气候现象，从定性和定量两方面说明他们的特性。（二二）探探讨讨它它们们的的正正确确解解释释和和研研究究它它们们的的发发展展规规律律，特特别别要要掌掌握握天天气气演演变变和和气气候候形形成成的的规规律律性性，了了解解和和解解释释各各不不同同地地区区的的气气候候特特征征，弄弄清清气气候候资资源源及及其其地地理理分分布布，进进行行气气候候分分类类和和气气候候区区划划，研研究究气气候候变迁的原因及其规律。变迁的原因及其规律。（三三）应应用用已已发发现现的的规规律律，采采取取有有效效措措施施，充充分分利利用用气气候候资资源源，减减少少人人类类活活动动对对气气候候的的不不利利影影响响，防防御御或或减减少少气气候候灾灾害害，为为有有关关的的生生产建设服务。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（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，在教学中还应注意为这些有关后续课程奠定必有密切的依存关系，在教学中还应注意为这些有关后续课程奠定必要的基础。要的基础。第14页/共68页二、气象学与气候学的发展简 史（一）萌芽时期（准备阶段）（一）萌芽时期（准备阶段）（二）发展初期（二）发展初期（三）发展时期（三）发展时期 第15页/共68页（一）萌芽时期（准备阶段）萌芽时期主要指16 世纪中叶以前。这时期的特点是由于人类生活和生产的需要，进行一些零星的、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一定的解释。第16页/共68页 发展初期包括16 16 世纪中叶到19 19 世纪末。1593 1593 年意大利学者伽利略（GalileoGalileo）发明温度表，1643 1643 年意大利学者托里拆利（TorricelliTorricelli）发明气压表。这一时期气象学与气候学的主要研究成果有：海平面上风压关系律、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。世界年平均气温分布图、世界月平均气压分布图、世界年降水量分布图等。德国学者汉恩（HannHann）于1883 1883 年开始陆续出版了气候学手册三大卷。（二）发展初期第17页/共68页（三）发展时期1.1.早期早期20 20 世纪的前世纪的前50 50 年年 在此期间气象学的发展中有三大重要进展：（1）锋面学说（2）长波理论（3）降雨学说 在气候学方面也有长足的进展第18页/共68页（三）发展时期2.近期近期20世纪世纪50 年代以后年代以后由于电子计算机和新技术如雷达、激光、遥感及人造卫星等的使用，大大地促进了气象学与气候学的发展。其主要表现如下：（1）开展大规模的观测试验 （2）对大气物理现象进行数值模拟试验 （3）把大气作为一个整体进行研究（4）气候学领域中的科学革命 第19页/共68页三、气象学与气候学和自然地理学的关系 1、气象学与气候学和陆地水文学 2、与生物学的关系 3、与地貌学的关系 4、与土壤地理学的关系 第20页/共68页四、气象学与气候学在现代化 建设中的作用 1、农业2、交通运输业3、城建4、国防与军队第21页/共68页复习与思考1 1、气象学与气候学研究的对象是什么？、气象学与气候学研究的对象是什么？2 2、气象学与气候学发展的各个阶段的成果有那些？、气象学与气候学发展的各个阶段的成果有那些？3 3、举例说明气象学与气候学在四化建设中的应用、举例说明气象学与气候学在四化建设中的应用4 4、常识：、常识：世界上第一个气象站于世界上第一个气象站于16531653年在意大利建立；年在意大利建立；世界上第一颗气象卫星是美国与发射的；世界上第一颗气象卫星是美国与发射的；世界上第一张天气图于世界上第一张天气图于18201820年由白朗弟绘制成；年由白朗弟绘制成；最最早早编编制制云云图图的的国国家家是是中中国国，编编制制与与1414世世纪纪，名名称称为为白猿献三老图白猿献三老图，载有云图，载有云图132132幅；幅；世界气象日为每年的世界气象日为每年的3 3月月2323日；日；中国气象学会于中国气象学会于19241924年年1010月月1010日在青岛成立。日在青岛成立。第22页/共68页第23页/共68页第二节 气候系统概述 气候系统概念气候系统概念：气气候候系系统统是是一一个个包包括括大大气气圈圈、水水圈圈、陆陆地地表表面面、冰冰雪雪圈圈和和生生物物圈圈在在内内的的，能能够够决决定定气气候候形形成成、气气候候分分布布和和气气候候变变化化的的统统一一的的物物理理系系统统。太阳辐射是这个系统的能源。在太阳辐射的作用下，气候系统内部产生一系列的复杂过程，这些过程在不同时间和不同空间尺度上有着密切的相互作用，各个组成部分之间，通过物质交换和能量交换，紧密地结合成一个复杂的、有机联系的气候系统。气候系统的五大子系统气候系统的五大子系统：大气圈、水圈、陆地表面、冰雪圈和生物圈第24页/共68页一、大气圈概述一、大气圈概述（一）大气的组成 （二）大气的结构第25页/共68页（一）大气的组成 干洁空气水汽水汽大气气溶胶粒子（固体和液体微粒）大气气溶胶粒子（固体和液体微粒）第26页/共68页干洁空气（1 1）定义）定义（2 2）成分）成分 N N2 2最最多多气气体体 ；生生命命体体重重要要成成分分 ；不不活活跃跃气气体体 ；豆科植物养料豆科植物养料 OO2 2次多气体次多气体 ；呼吸必需气体；呼吸必需气体 ；化学性质活泼；化学性质活泼 COCO2 2 含含量量甚甚微微 ；来来源源：生生命命呼呼吸吸、土土壤壤有有机机体体腐腐化化、分分解解、化化石石燃燃料料燃燃烧烧；作作用用：光光合合作作用用的的原原料料，强烈吸收地面辐射，温室气体强烈吸收地面辐射，温室气体。OO3 3形形成成过过程程；垂垂直直分分布布；原原因因；作作用用；臭臭氧氧层层问问题题第27页/共68页第28页/共68页水 汽来源：分布：垂直 水平性质与作用：思考题：为何雨前闷热，雨后凉爽？为何有云的夜晚比无云夜晚暖和？第29页/共68页成分作用大气气溶胶粒子第30页/共68页概念两种烟雾类型防治措施 大气污染第31页/共68页洛杉矶光化学烟雾第32页/共68页光化学烟雾污染第33页/共68页伦敦烟雾污染事件第34页/共68页（二）大气的结构 大气层高度（大气的上界）的确定大气层高度（大气的上界）的确定密度上界2000-3000千米物理上界极光-1200千米第35页/共68页（二）大气的结构气温湿度在垂直方向上的分布；大气的垂直分层的依据大气中的扰动程度；不同程度上的电离现象。第36页/共68页大气的垂直分层散逸层散逸层(外层外层)暖层暖层 中间层中间层 平流层平流层 对流层对流层 第37页/共68页对流层对流层 对流层特点 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。气温随着高度而降低空气具有强烈的对流、乱流运动气象要素水平分布不均匀：第38页/共68页 在对流层内，按气流和天气现象分布特点又可分为三层。在对流层内，按气流和天气现象分布特点又可分为三层。下下层层：又又称称摩摩擦擦层层或或扰扰动动层层。它它的的范范围围自自地地面面到到2km高高度度。下下层层受受地地面面强强烈烈影影响响摩摩擦擦作作用用、湍湍流流交交换换十十分分明明显显，各各气气象象要要素素具具有有明明显显的的日日变变化化。由由于于本本层层的的水水汽汽、尘尘粒粒含含量量多多，因因而而低低云云、雾雾、霾霾、浮尘等出现频繁。浮尘等出现频繁。中中层层：从从摩摩擦擦层层顶顶到到6km左左右右高高度度。这这一一层层受受地地表表影影响响较较小小，气气流流的的状状况况基基本本上上可可以以表表征征整整个个对对流流层层空空气气运运动动的的趋趋势势。大大气气中中的的云云和降水现象大都产生在这一层。和降水现象大都产生在这一层。上上层层：从从6km高高度度到到对对流流层层顶顶。由由于于这这一一层层离离地地面面更更远远，受受地地表表影影响响更更小小，水水汽汽含含量量极极少少，气气温温常常在在0以以下下，各各种种云云多多由由冰冰晶晶和和过过冷冷水水滴滴组组成成。在在中中、低低纬纬度度地地区区上上层层，常常有有风风速速30m/s的的强强风风带出现。带出现。此此外外，在在对对流流层层和和平平流流层层之之间间有有一一个个厚厚度度为为数数百百米米至至1-2km的的过过渡渡层层，称称为为对对流流层层顶顶。此此层层主主要要特特征征是是：气气温温随随高高度度增增加加变变化化很很小小，甚甚至至无无变变化化。这这种种温温度度的的垂垂直直分分布布抑抑制制了了对对流流作作用用的的发发展展，上上升升的的水水汽汽、尘尘粒粒多多聚聚集集其其下下，能能见见度度变变坏坏。对对流流层层顶顶的的温温度度在在低低纬纬度度地地区平均为区平均为-83，在高纬度地区约为，在高纬度地区约为-53。第39页/共68页温度随高度升高而增加在平流层内，随着高度的增高，气温最初保持不变或微有上升，自25km以上气温随高度增加而明显上升，到平流层顶可达-3左右，平流层这种气温分布的特征，主要是臭氧对太阳紫外线的强烈吸收。虽然25km以上臭氧的含量已逐渐减少，但紫外辐射的强度随高度逐渐增强，而空气密度随高度升高又迅速减小，致使高层吸收的有限辐射可以产生较大的温度增量。没有强烈的对流运动平流层温度随高度升高而增加，不利于空气对流运动发展。所以叫平流层。飞机在此层飞行不易颠簸。水汽、尘埃含量很少平流层远离地面，加之有逆温层存在，空气无对流运动，水汽、尘埃很少，使得平流层天气晴朗，大气透明程度好。但有时在20-30km处可看到贝母云，它常出现在冬季极区。平流层平流层（对流层顶到55km）第40页/共68页在在25千米高度上，有一个臭氧千米高度上，有一个臭氧含量相对较高的层次，为臭氧含量相对较高的层次，为臭氧层。由此向上、向下臭氧逐渐层。由此向上、向下臭氧逐渐减少。减少。第41页/共68页气温随高度增加迅速降低：顶界温度可降至-83-113，几乎成为大气层中的最低温。其原因是这里没有臭氧吸收太阳紫外辐射，而氮和氧等气体所能吸收的波长更短的太阳辐射又大部分被更上层的大气吸收了。因此，这里的气温随高度是递减的。有相当强烈的垂直运动：这种下暖上凉的气温垂直分布，有利于导致空气的垂直运动，又称“高空对流层”。该层的80-90km高度上有一个只在白天出现的电离层，叫做D层。中间层中间层（平流层顶到85km）第42页/共68页 温度随高度增加迅速上升：据探测，在300km高度上，气温可达1000以上，这是因为所有波长0.175m的紫外线辐射，都被该层中的大气物质所吸收的缘故。空气处于高度电离状态：因而这层也称为电离层。由于空气密度极少，暖层中的N2、O2、O等气体成分在强烈的太阳紫外线和宇宙射线的作用下，处于高度电离状态。即E层和F层。它们都能反射无线电波，对无线电通讯具有重要意义。暖层暖层（中间层顶到800km）第43页/共68页整个大气层的最外一层，是大气圈与星际空间的过渡地带，没有明显的边界。这一层的气温也随高度的增加而升高。由于气温高，且距地较远，受地球引力作用很小，所以大气质点中某些高速运动的分子不断地向星际空间散逸，散逸层也由此而得名。散逸层散逸层(外层外层)（800km高度以上的大气层）第44页/共68页水圈、陆面、冰雪圈、生物圈部水圈、陆面、冰雪圈、生物圈部分（自学分（自学）第45页/共68页基本物理性质基本物理性质第三节 有关大气的物理性状主要气象要素主要气象要素空气状态方程空气状态方程第46页/共68页流动性可压缩性粘着性连续性结论：结论：因为空气存在流动性、粘着性、连续性等特点，所以当一个地区上空的空气上升时，必然有另一个地区的空气的下降来对它进行补充，从而形成一种环流。空气物理性质第47页/共68页气温气压湿度降水风云量能见度主要气象要素第48页/共68页1、定义：表示大气冷热程度的物理量。2、单位：摄氏度（）温标，以气压为1013.3hPa 或相当于760mmHg时纯水的冰点为零度（0），沸点为100 度（100），其间等分100 等份中的1 份即为1。绝对温标，以K 表示，这种温标中一度的间隔和摄氏度相同，但其零度称为“绝对零度”,规定为等于摄氏-273.15。因此水的冰点为273.15K，沸点为373.15K。3、单位换算：T=t+273.15t+273（12）大气中的温度一般以百叶箱中干球温度为代表大气中的温度一般以百叶箱中干球温度为代表气温第49页/共68页1、定义：单位面积上所承受到的整个空气柱的质量，即大气的压力。实质：气压的大小决定于整个空气柱质量的多少2、单位：mmHg、mb、hpa3、标准大气压：在纬度为45的海平面上，温度为0时，所测得的水银柱高高为760mm的大气压强，为一个标准大气压（1013.25mb）。4、测量仪器：定定槽槽式式水水银银气气压压表表、动动槽槽式式水水银气压表、自记气压计、空盒水银气压表。银气压表、自记气压计、空盒水银气压表。精确的气压值是用水银气压表来测量的。精确的气压值是用水银气压表来测量的。气 压第50页/共68页 定义：表示大气中水汽量多少的物理量称大气湿度。意义：大气湿度状况直接影响了云、雾、降水等天气现象的 形成。水汽压(e)及饱和水汽压(E)相对温度（f）饱和差（d）比湿（q）水汽混合比（）露点（Td）湿度表示方法湿 度 第51页/共68页 水水汽汽压压（e）：大气中水汽产生的那部分压力。单位：hap水汽压及饱和水汽压饱和水汽压（E）：温度一定，单位体积空气中的水汽含量是有一定限度，空气达到此限度时为饱和湿空气，饱和湿空气中的水汽所产生的那部分压力，即最大水汽压。第52页/共68页表表示示方方法法：空气中的实有水气压e与同同温温度度下下饱和水气压E的百分比，用f表示。f=e/E*100%相对湿度（f）意 义：相对湿度直接反映了空气距离饱和的程度。相对湿度越大，越接近饱和，当达到100%时，空气就达饱和状态，此时水汽就要开始凝结。第53页/共68页定定 义义 在一定温度下，饱和水汽压E与实际空气中水汽压e之差称饱和差（d）。即d=E-e。饱和差（d）意 义 d 表示实际空气距离饱和的程度。d越大，越不饱和；d=0，空气达饱和状态；d0，说明不饱和；d0，过饱和。第54页/共68页定定 义义 在一团湿空气中，水汽的质量与该团空气总质量（水汽质量加上干空气质量）的比值，称比湿（q）。其单位是g/g，即表示每一克湿空气中含有多少克的水汽。也有用每千克质量湿空气中所含水汽质量的克数表示的即g/kg。q=m水/（m水+m干）或 q=e/p*0.622比 湿（q）意 义（见课本P17 ）第55页/共68页定定 义义 一团湿空气中，水汽质量与干空气质量的比值称水汽混合比（）（单位：g/g）水汽混合比（）第56页/共68页定定 义义 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，称露点温度，简称露点（Td）。单位：或K露 点（Td）结 论 气压一定时，露点的高低只与空气中的水汽含量有关，水汽含量越多，露点越高，所以露点也是反映空气中水汽含量多少的物理量。在实际大气中，空气经常处于不饱和状态，此时的露点要比气温要低，也即TdT。当Td=T时，空气饱和；当Td-T0时，空气不饱和；当Td-T0，空气过饱和。第57页/共68页 上述大气湿度的表示方法中，水汽压（e）、比湿（q）、水汽混合比（）、露点等基本上表示了空气中水汽含量的多少。而相对湿度、饱和差、温度露点差则表示了空气距离饱和的程度。总 结第58页/共68页 降水是指从天空降落到地面的液态或固态水，包括雨、毛毛雨、雪、雨夹雪、霰、冰粒和冰雹等。降水量指降水落至地面后（固态降水则需经融化后），未经蒸发、渗透、流失而在水平面上积聚的深度，降水量以毫米（mm）为单位。在高纬度地区冬季降雪多，还需测量雪深和雪压。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，则需观测雪压。雪压是单位面积上的积雪重量，以g/cm2 为单位。降水量是表征某地气候干湿状态的重要要素，雪深和雪压还反映当地的寒冷程度。降 水第59页/共68页 空气的水平运动称为风。风是一个表示气流运动的物理量。它有大小（风速），又有方向（风向），是一个向量。风向是指风的来向。地地面面风风向向用用16 方方位位表表示示；高高空空风风向向常常用用方方位位度度数数表表示示，即以0（或360）表示正北，90表示正东，180表示正南，270表示正西。在16方位中，每相邻方位间的角差为22.5。风风速速单单位位常常用用m/s、knot（海里/小时，又称“节”，）和 km/h 表示表示，其换算关系如下 1m/s=3.6km/h 1knot=1.852km/h 1km/h=0.28m/s 1knot=1/2m/s 风第60页/共68页NWNSWESESWNE地面风向表示方法第61页/共68页在地面天气图上，用下列图示来表示风，风尾长划风速为4米/秒，即风力为2级，短划风速为2米/秒。一个风旗，表示风力为8级。风尾和风旗均放在风杆的左侧。西南风5级东南风12级天气图上风的表示方法第62页/共68页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。云量是指云遮蔽天空视野的成数。将地平以上全部天空划分为10 份，为云所遮蔽的份数即为云量。例如，碧空无云，云量为0，天空一半为云所覆盖，则云量为5。云 量第63页/共68页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出目标物的最大水平距离。单位用米（m）或千米（km）表示。能见度第64页/共68页空气状态方程 对一定质量的空气，其P、V、T 之间存在函数关系。例如，一小团空气从地面上升时，随着高度的增大，其受到的压力减小，随之发生体积膨胀增大，因膨胀时做功，消耗了内能，气温乃降低。这说明该过程中一个量变化了，其余的量也要随着变化，亦即空气状态发生了变化。如果三个量都不变，就称空气处于一定的状态中，因此研究这些量的关系就可以得到空气状态变化的基本规律。空气状态常用密度（）、体积（V）、压强（P）、温度（t 或T）表示。第65页/共68页 气象上常用的状态方程为P=RT，其中P为压强，为空气密度，R为比气体常数，T为气团的温度。对 于 一 团 干 空 气 而 言，Rd即 干 空 气 的 比 气 体 常 数 为Rd=0.287J/g.k。大气是由多种成分组成的混合气体，特别是含有经常发生变化的水汽，因此上式中的R就不是一个固定值，湿空气的状态方程就不能写成上述的简单形式。状态方程式湿空气的状态方程为：P=RdT（1+0.3e/p）p p为湿空气压强为湿空气压强,e,e为水汽产生的压强为水汽产生的压强问题:假设有两块压强、体积、温度均都相同的干空气和湿空气，谁更重一些？第66页/共68页思考题一、基本概念一、基本概念：气象学气象学 气候学气候学 气候系统气候系统 气象要素气象要素 饱和水气压饱和水气压 相对湿度相对湿度 露点露点 一个大气压一个大气压 能见度能见度二、基本问题二、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6、干、湿空气状态方程表达式，虚温的表达式和意义。第67页/共68页感谢您的观看。第68页/共68页
