大气科学概论复习.ppt

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1、大气科学的研究内容 大气科学是研究大气各种大气科学是研究大气各种现象的特象的特征、本征、本质(包括人包括人类活活动对它的影响它的影响)及及其演其演变规律，以及如何利用律，以及如何利用这些些规律律进行天气、气候的行天气、气候的监测和和预测，从而，从而趋利避害利避害为人人类服服务的一的一门学科。学科。大气科学的研究对象大气科学的研究大气科学的研究对象主要是覆盖整象主要是覆盖整个地球的个地球的大气圈大气圈，也研究大气与其周，也研究大气与其周围的的水圈水圈、冰雪圈冰雪圈、岩石圈岩石圈和和生物圈生物圈相互作用的物理和化学相互作用的物理和化学过程。程。气候系统五大圈层：大气圈，水圈，冰雪圈，气候系统五大圈

2、层：大气圈，水圈，冰雪圈，岩石圈，生物圈岩石圈，生物圈天气预报分类天气预报分类 天气预报按其预测时间预测时间的长短，可分为六种：临近预报（0-3小时）；短时天气预报（3-12小时）；短期天气短期天气预报预报（12-72小小时时）；中期天气预报（72-240小时）；延伸期预报（10-30天）；短期气候预测（长期天气预报）（30天以上）大气的组成大气的组成 干洁大气（即干空气）干洁大气（即干空气）Clean Air水汽水汽 Moisture悬浮在大气中的固液态杂质悬浮在大气中的固液态杂质 Impurity 地球大气由三个部分组成地球大气由三个部分组成 :臭氧能够吸收紫外线，减少生物直接遭受紫外线的

3、照射，陆地上的生物便能在此一保护伞下，顺利的生长与繁殖。臭氧的作用：臭氧的作用：对紫外线有着极其重要的调控制作用。对紫外线有着极其重要的调控制作用。对高层大气有明显的增温作用。对高层大气有明显的增温作用。绿色植物进行光合作用不可缺少的原料。绿色植物进行光合作用不可缺少的原料。强烈吸收长波辐射（地面辐射、大气辐射），强烈吸收长波辐射（地面辐射、大气辐射），使地面保持较高的温度，产生使地面保持较高的温度，产生“温室效应温室效应”。温温室室效效应应模模式式图图Greenhouse effectl 二氧化碳（二氧化碳（CO2）的作用：）的作用：大气中的水汽在天气气候变化中扮演了重要角大气中的水汽在天气

4、气候变化中扮演了重要角色，水循环输送了水汽、物质和能量。色，水循环输送了水汽、物质和能量。且水汽能强烈吸收地面放射的长波辐射并向地面且水汽能强烈吸收地面放射的长波辐射并向地面和周围大气放出长波辐射，对大气起着和周围大气放出长波辐射，对大气起着“温室效温室效应应”。水汽的作用：水汽的作用：大气的基本物理性质大气的基本物理性质在气象学上，大气的物理性状主要以气气象象要要素素和空气状态方程空气状态方程来表征。一、主要气象要素一、主要气象要素气象要素是指表示大气属性和大气现象的物理量，如气温、气压、湿度、风向、风速、云量、降水量、能见度等等。1、定义：单位面积上所承受到的整个空气柱的质量大气的压强。实

5、质：气压的大小决定于整个空气柱质量的多少。2、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（1atm1013.25Pa）。3、单位：1Pa=1N/m2，mb毫巴，Pa帕斯卡 1mb=100Pa=1hPa（百帕）；1atm101325Pa1013.25mb=760mmHg二、气压（Pressure）气压的垂直分布 由于大气层的厚度随高度的增高而变薄，空气密度也随高度增高而迅速减小，所以，气压随高度增高而急剧减小。1、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。三、湿度（Hum

6、idity）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）湿湿度度表表示示方方法法水水汽汽压压（e）：水汽和其它气体一样也有压力，大气中水汽产生的那一部分压力。水汽含量水汽含量，水汽压水汽压e。单位：单位：hPa水汽压及饱和水汽压饱饱和和水水汽汽压压（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。饱和水汽压（饱和水汽压（E）saturation vapour pressure反映空气的最大水汽容纳能力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

7、验公式）饱和水汽压取决于温度（马格奴斯半经验公式）定义：饱和湿空气中水汽的分压强。定义：饱和湿空气中水汽的分压强。影响因子：影响因子：温度温度 T E 相对湿度相对湿度（f）：表示空气中的实有水汽压（e）与同温度下饱和水气压（E）的百分比。即：f=e/E 100%意义意义：相对湿度（f）直接反映了空气距离饱和的程度。f 越大，越接近饱和，当达到f=100%时，空气就达饱和状态，此时水汽就要开始凝结。比湿和水汽混合比比湿（q）：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。即：q=m水/(m干+m水)，其单位是g/g。水汽混合比（S）：相对湿一团湿空气中，水

8、汽质量与干空气质量的比值称水汽混合比。S=m水/m干，其单位是g/g。露点露点露点（Td）：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。含义：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。实际大气中，空气常处于不饱和状态，此时露点要比气温低，即露点温度差(Td-T)0。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。上述各种表示湿度的物理量：水汽压、比湿、水汽混合比、露点基本上表示空气中水汽含量的多寡。而相对湿度、饱和差、温度露点差则表示空气距离饱和的程度

9、。各种表示湿度的物理量小结五、风(Wind)定义：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），还具有方向（风向）。因此风是向量（矢量）。风向是指风的来向。地面风向用16方位表示；在16方位中，每相邻方位间的角差为22.5。大气圈的垂直结构观观测测证证明明，大大气气在在垂垂直直方方向向上上的的物物理理性性质质是是有有显显著著差异的。差异的。根根据据温温度度、成成分分、电电荷荷等等物物理理性性质质，同同时时考考虑虑到到大大气气的的垂垂直直运运动动等等情情况况，可可将大气分为五层。将大气分为五层。大气科学研究重点：对流层，平流层对流层（Troposphere,自地

10、面到10km左右）对流层的主要特点：对流层的主要特点：对对流流层层是是大大气气的的最最下下层层，它它的的下下界界为为地地面面，集集中中3/4大大气气，90%水水汽汽，云云、雾雾、雨雨雪雪等等主主要要大大气气现现象象都都出出现现在在此此层层，也也是是对对人人类类生生产产、生生活活影影响响最最大大的的一一个个层层次，也是大气科学研究的次，也是大气科学研究的重点层次重点层次。气温随着高度而降低，每升高100m平均降温0.65空气具有强烈的对流、乱流运动，大气污染主要发生在该层温度和湿度等气象要素水平分布不均匀温度随高度升高而增加平流层这种气温分布特征是和它受地面温度平流层这种气温分布特征是和它受地面

11、温度影响很小，特别是存在着大量影响很小，特别是存在着大量臭氧臭氧能够直接吸能够直接吸收太阳辐射有关。虽然收太阳辐射有关。虽然30km以上臭氧的含量已以上臭氧的含量已逐渐减少，但这里紫外线辐射很强烈，故温度逐渐减少，但这里紫外线辐射很强烈，故温度随高度增加得以迅速增高，造成显著的随高度增加得以迅速增高，造成显著的暖层暖层。平流层（Stratosphere,自对流层顶到55km）没有强烈的对流运动平平流流层层内内气气流流比比较较平平稳稳，空空气气的的垂垂直直混混合合作作用用显显著著减减弱弱，不利于空气对流运动发展。所以叫平流层。水汽、尘埃含量很少平流层中水汽含量极少，大多数时间天空是晴朗的。平流层

12、中水汽含量极少，大多数时间天空是晴朗的。但有时在20-30km处可看到贝母云，它常出现在冬季极区。平流层中的微尘远较对流层中少，但是当平流层中的微尘远较对流层中少，但是当火山猛烈火山猛烈爆发爆发时，火山尘可到达平流层，影响能见度和气温。时，火山尘可到达平流层，影响能见度和气温。平流层北京北京纽约纽约xx北京的西风北京的西风 Vs 纽约的西风纽约的西风摩擦力摩擦力气压梯度力气压梯度力万有引力万有引力惯性离心力惯性离心力地转偏向力地转偏向力真实力真实力视示力视示力摩擦力摩擦力气压梯度力气压梯度力 重力重力地转偏向力地转偏向力空气微团的受力情况空气微团的受力情况地转偏向力的性质：地转偏向力的性质：1

13、、大小：与速度成正比、大小：与速度成正比2、方向：、方向：垂直于地球自垂直于地球自转转角速度角速度 和速度和速度 ；所以，地所以，地转转偏向力不做功，只改偏向力不做功，只改变变运运动动方向。方向。背风而立，背风而立，地转偏向力指向运动方向的右边（北半球）地转偏向力指向运动方向的右边（北半球）地转偏向力指向运动方向的左边（南半球）地转偏向力指向运动方向的左边（南半球）科氏力的方向科氏力的方向重力重力旋转坐标系中的重力：单位质量大气所受到的地心引力与惯性离心力的合力。重力垂直于水平面，赤道最小，极地最大。大气运动方程讨论大气运动方程讨论推导推导若：若：则，垂直则，垂直方向上加速度方向上加速度为为0

14、，大气的作用力是，大气的作用力是平衡的，此平衡称平衡的，此平衡称为为“静力平衡静力平衡”！实际大气中，这种情况是近似的，但近似的程度很高；实际大气中，这种情况是近似的，但近似的程度很高；几何高度的增加总伴随着气压的下降，气压和高度总几何高度的增加总伴随着气压的下降，气压和高度总 是相对应的，因此气象上常采用气压作为高度坐标。是相对应的，因此气象上常采用气压作为高度坐标。1、若等压线为直线，无摩擦、若等压线为直线，无摩擦P0P1P2P2 P1 P0气压梯度力气压梯度力地转偏向力地转偏向力V气压梯度力与地转偏向力平衡，此时空气块沿等压线作气压梯度力与地转偏向力平衡，此时空气块沿等压线作匀速直线运动

15、，这种风称为匀速直线运动，这种风称为“地转风地转风”，这种平衡称，这种平衡称为为“地转平衡地转平衡”。气气压压梯度力梯度力+地地转转偏向力偏向力=0风沿等压线吹，背风而立，高压在右（北半球）风沿等压线吹，背风而立，高压在右（北半球）二、水平方向二、水平方向2、若等压线为圆形，且中心气压高，向外降低，、若等压线为圆形，且中心气压高，向外降低，称为称为“高压高压”。在。在 无摩擦情况下：无摩擦情况下：P0P1气压梯度力气压梯度力地转偏向力地转偏向力V惯性离心力惯性离心力此平衡称为此平衡称为“梯度风平衡梯度风平衡”，此时的风称为，此时的风称为“梯度风梯度风”。北半球，高压中，风呈顺时针旋转，称为北半

16、球，高压中，风呈顺时针旋转，称为“反气旋反气旋”地地转转偏向力偏向力+惯惯性离心力性离心力+气气压压梯度力梯度力=03、若等、若等压线为圆压线为圆形，且中心气形，且中心气压压低，向外升高，低，向外升高，称称为为“低低压压”，在，在 无摩擦情况下：无摩擦情况下：P1P0地地转转偏向力偏向力气气压压梯度力梯度力V惯性离心力惯性离心力地地转转偏向力偏向力+惯惯性离心力性离心力+气气压压梯度力梯度力=0此平衡称此平衡称为为“梯度梯度风风平衡平衡”，此，此时时的的风风称称为为“梯度梯度风风”。北半球，低压中，风呈逆时针旋转，称为北半球，低压中，风呈逆时针旋转，称为“气旋气旋”4、若有摩擦存在，以平行直线

17、等压线为例、若有摩擦存在，以平行直线等压线为例P0P1P2气压梯度力气压梯度力地转地转偏向力偏向力FVVgD称为称为“地转偏差地转偏差”地转偏差，指向摩擦力的右侧，且与之垂直，地转偏差，指向摩擦力的右侧，且与之垂直，指向低压一侧指向低压一侧7、正压大气，斜压大气、正压大气，斜压大气正压大气：大气密度的分布仅仅随气压变化，即：正压大气：大气密度的分布仅仅随气压变化，即：斜压大气：大气密度的分布不仅随气压变化，还随温度变化，斜压大气：大气密度的分布不仅随气压变化，还随温度变化，即：即：1.定义：定义：气旋：气旋是占有三度空间的，在气旋：气旋是占有三度空间的，在同一高度上同一高度上中心气压低于四周的

18、大尺度涡旋。气旋中的空中心气压低于四周的大尺度涡旋。气旋中的空气在北（南）半球逆（顺）时针旋转。气在北（南）半球逆（顺）时针旋转。反气旋：反气旋是占有三度空间的，在反气旋：反气旋是占有三度空间的，在同一高同一高度上度上中心气压高于四周的大尺度涡旋。反气旋中心气压高于四周的大尺度涡旋。反气旋中的空气在北（南）半球顺（逆）时针旋转。中的空气在北（南）半球顺（逆）时针旋转。气旋与反气旋气旋与反气旋 气旋与反气旋气旋与反气旋 各种尺度的气旋与反气旋是造成大气中千各种尺度的气旋与反气旋是造成大气中千变万化的天气现象的重要天气系统。变万化的天气现象的重要天气系统。气旋气旋一般对应辐合一般对应辐合上升上升运

19、动，而运动，而反气旋反气旋一一般对应辐散下沉运动，所以般对应辐散下沉运动，所以气旋气旋通常象征通常象征阴雨天气阴雨天气，而，而反气旋反气旋象征象征晴好天气晴好天气。气旋示意图气旋示意图低气压和气旋低气压和气旋是同一种天气是同一种天气系统的两种不系统的两种不同称谓。同称谓。气旋（低压）反气旋（高压）气压状况气流状况天气状况天气实例示意图中心气压低于四周中心气压高于四周从四周流入中心，中心空气被迫上升（上升气流）由中心向四周流出，高层空气下沉补充（下沉气流）上升空气容易凝云致雨，多阴雨天气下沉气流因升温不易冷凝，天气晴朗台风副热带高压高高低低 1.涡度的定义：涡度的定义：涡度涡度就是用来就是用来描

20、述大气旋转程度（旋度）描述大气旋转程度（旋度）的的一个物理量（一个物理量（矢量矢量）。）。涡度涡度流体质点块的涡旋特征，流体质点块的涡旋特征，微观微观 涡旋运动涡旋运动大尺度环流的旋转特征，大尺度环流的旋转特征，宏观宏观 涡旋运动是流体的一种基本运动形式，它表涡旋运动是流体的一种基本运动形式，它表示了流体的示了流体的转动性质转动性质。垂直垂直涡涡度的表达式度的表达式 如果如果 0，空气，空气质块质块作逆作逆时针时针旋旋转转，如果如果 0，则则表示空气表示空气质块质块作作顺时针顺时针旋旋转转。由上由上说说述，述，是描写水平速度是描写水平速度场场旋旋转转特性的物理特性的物理量。它表示空气量。它表示

21、空气质块绕质块绕垂直垂直轴轴的旋的旋转转速度。速度。天气图上定性判断涡度天气图上定性判断涡度气气团一.气团的概念：气团气象要素水平分布比较均匀的大范围的空气团 水平尺度：几百几千公里 垂直尺度：几十几公里二.气团的形成和变性 1.气团形成的两个条件 (1).大范围性质均匀的下垫面，将地球表面的空气物理属性（温，湿等）传给大气 气团形成的物理过程：辐射传导和乱流蒸发和凝结大范围的垂直运动(2).有适当稳定的大气环流条件，使空气团长时间稳定在下垫面上高压系统稳定，且水平范围大。低压系统不稳定，且水平范围小。具备上述两条的地区为气团源地 2.由于下垫面性质以及物理过程的改变而使气团物理属性产生的变化

22、称为气团的变性气团变性暖气团变性慢冷气团变性快锋的概念的概念一、锋的概念 1.定义：两个热力性质不同的气团之间的狭窄过度带称为锋。或 两个密度性质不同的气团之间的狭窄过度带称为锋。或 冷暖气团之间的狭窄的过渡带，称为锋。二、锋的分类 1.按移动分类 a.冷锋：冷气团起主导作用，推动锋面向暖气团 一侧移动，称为冷锋。b.暖锋：暖气团起主导作用，推动锋面向冷气团一侧 移动，称为暖锋。c.准静止锋：冷暖气团势力相当，锋面很少移动的锋，称为准静止锋。（6小时无移动，24小时 移动在2个纬度之内）中性锢囚d.锢囚锋：由于冷锋移速大于暖锋，冷锋赶上暖锋后把暖空气抬升到高空，近地面层暖锋叠置，冷锋后部的冷气

23、团与暖锋前的冷气团形成交界面，称为锢囚锋。暖式锢囚冷式锢囚 厄尔尼诺现象？厄尔尼诺（El Nio）现象，又称圣婴现象，是指赤道中东太平洋的海表温度持续异常增暖现象。El Nio在西班牙语中意为“圣婴”，也可译作“上帝之子”，因为这种赤道中、东太平洋持续异常增暖事件通常在圣诞节前后开始发生。拉尼娜现象？拉尼娜（La Nia）现象，是指赤道中东太平洋海表温度大范围持续异常偏冷的现象。La Nia在西班牙意为“小女孩”，正好与意为“圣婴”相反，也称为“反El Nio”。英国数学家沃克爵士（Sir.Gilbert Walker）气压跷跷板：热带东太平洋与热带东印度洋气压场反相变化的跷跷板现象（南方涛动

24、现象）。南方涛动南方涛动Southern Oscillation塔希提岛达尔文港1.当南方涛动指数较高时，东、西太平洋气压差值增大，赤道地区盛行偏东风；2.当该指数较低时，则东风较弱，在西太平洋地区甚至会出现西风。3.当赤道东太平洋海温升高时，南方涛动指数减小为负指数；下降时则为正指数。厄尔尼诺期间，东南太平洋气压明显减弱，印度尼西亚和澳大利亚的气压升高。拉尼娜期间的情况正好相反。气象学家沃克发现：Jacob Bjerknes将厄尔尼诺（El Nio）与南方涛动（Southern Oscillation）合并为ENSO（音：恩索）。厄厄尔尔尼尼诺诺+南方涛南方涛动动=ENSO（El Nio/Southern Oscillation）ENSO实际上就是El Nio和Southern Oscillation的简称。ENSO暖事件 ENSO冷事件思考题思考题1.太平洋海面水温分布特征及其主要原因2.厄尔尼诺和拉尼娜的定义3.理解ENSO的含义