气象学与气候学所有作业剖析Word文档格式.docx
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人们根据对天气演变规律的认识,利用多种观测及模拟手段,对未来一定时期内天气变化作出主、客观的判断。
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、降水量和能见度等等。
辐射通量密度:
单位时间内通过单位面积的辐射能量称辐射通量密度(E),单位是W/m2。
比辐射率:
3)哪些自然现象能证实大气圈的存在?
a.蓝色的天空。
这是由于大气中的一些非常细小物质成分,如气体、粉尘等,它们的直径较阳光的波长小得多,因此,蓝色的散射量较之于其他任何一种颜色能更多地被选择散射。
这种散射称瑞利散射。
b.白云。
如果形成散射粒子的形状是球形的,而且其直径并不比阳光的波长小,所有的波长都是平均地被散射的,这种散射称迈耶散射。
因此,云是白色的。
c.风。
有风就说明有物质的存在,因为风是由于大气不同部位的压力差别造成的。
如果在真空中就不会有风了。
d.流星。
流星就是陨石穿过大气层时,由于其速度太快,与大气摩擦产生热使陨石燃烧起来。
否则我们的地球也与月球一样“千疮百孔”。
4)大气圈各层的主要物理特性是怎样的?
a.对流层
厚度:
平均11-13km,赤道17-18km,两极8-9km。
质量:
约占大气圈质量的75%。
气温:
从下向上是降温的,大气降温率是6.5℃/km,对流层顶约-83℃(低纬),高纬(-53℃)。
大气运动:
垂直对流运动(地表面的不均匀受热)。
成分:
几乎全部的水汽、尘埃。
风、霜、雨、雪、雹、雾等。
b.平流层
高度:
从对流层顶到55km左右。
几乎占大气圈质量的25%。
从下向上是升温的(O3),到平流层顶可达-3℃。
水平运动。
几乎不含水汽、尘埃,存在臭氧层。
无天气现象。
c.中间层
从平流层顶到85km左右。
从下向上是降温的,到中间层的顶温度降到-113—-83℃。
垂直对流运动。
存在一个只有白天才出现的电离层(D)。
d.暖层(热层,热成层)
从中间层顶到800km。
从下向上迅速升温,到500km高空,温度可增至2000K。
存在多层的电离层(E、F、G),也称电离层,可反射无线电波。
在高纬度地区上空存在极光。
e.散逸层(外层)
从暖层顶到外层空间,气温随高度的增加很少变化。
物质多以原子、离子状态存在。
是地球物质向宇宙空间扩散的部位,大气圈与星际空间的过渡带。
5)试述湿度的定义及各种表示湿度的方法。
a.定义:
表示大气中水汽量多少的物理量。
大气的湿度状况是决定云、雾、降水等天气现象的重要因素。
b.表示湿度的方法:
水汽压(e):
大气中所含水汽产生的压力(mb,hPa);
绝对湿度(a):
单位体积空气中水汽的含量(g/cm3,g/m3);
——水汽密度
饱和水汽压(E):
在温度一定的情况下,单位体积空气中能容纳的水汽数量有一定的限度,如果水汽含量达到了这个限度,空气就呈饱和状态,这时的空气称为饱和空气。
饱和空气中的水汽压,称为饱和水汽压。
相对湿度(f):
空气中实际水汽压与同温度下的饱和水汽压的百分比,表示空气距离饱和的程度。
f=e/E×
100%
比湿(q):
在一团湿空气中,水汽质量与该团空气总质量的比值(g/g)。
即表示每一克湿空气中含有多少克的水汽。
q=mw/(md+mw)
水汽混合比(γ):
一团湿空气中,水汽质量与干空气质量的比值。
γ=mw/md式中,mw为该团湿空气中水汽的质量;
md为该团湿空气中干空气的质量。
饱和差(d):
某温度下饱和水汽压与实际水汽压之差。
d=E-e
露点(Td):
空气中水汽含量不变,在一定的气压下,若使空气达到饱和,只有降温,降到实际水汽压(e)变成饱和水汽压(E),此时的温度称为露点温度,简称为露点。
6)试推导虚温的公式,并说明虚温的意义。
公式推导;
教材p20.
虚温的意义是:
在同一压强下,干空气密度等于湿空气密度时,干空气应有的温度。
7)何为辐射?
辐射遵循哪些基本定律?
辐射:
自然界中的一切物体,只要其温度在-273℃以上,都在以电磁波的方式向外放射能量,这种传播能量的方式称为辐射。
遵循哪些基本定律:
A.基尔霍夫(Kirchhoff)定律。
B.斯蒂芬(Stefan)—玻耳兹曼(Boltzman)定律。
C.维恩(Wein)位移定律。
8)试述瑞利散射和米散射的特点和区别。
瑞利散射与米散射
①
散射粒子的横向几何线度与入射光波长之比很小时(a/l<
0.1),散射光强与入射光波长的关系服从瑞利散射定律。
②当该比值较大(a/l≈0.1~10)时,散射光强与波长的依赖关系逐渐减弱,并且,当该比值增大到一定程度后,散射光强随该比值的增大出现起伏,即交替达到极大值和极小值。
这种起伏的幅度亦随该比值的增大而逐渐减小。
(中间状态)③对于足够大的粒子,(a/l>
10),散射光强基本上与波长无关,此时的散射称为大粒子散射,可看作是米散射的极限状态。
9)到达地面的太阳总辐射由哪两部分组成?
试比较二者的不同?
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:
经过散射后自天空投射到地面的。
两个主要因子:
太阳高度角(①太阳高度角越小,等量的太阳辐射散步的面积就越大,地表单位面积上所获得的太阳辐射能就越小。
②太阳高度角越小,太阳光透过的大气层就越厚,削弱就越强,到达地面的太阳辐射就越小。
)和大气透明度(大气对太阳辐射的透射程度,主要影响因素有:
水汽、水汽凝结物、尘埃杂质的多少。
)
影响因素有:
太阳高度角、大气透明度、云量。
太阳高度角增大时,到达近地面层的直接辐射增强,散射辐射也就相应地增强;
大气透明度不好时,参与散射作用的质点增多,散射辐射增强;
10)写出地面有效辐射、地面辐射差额、地气系统辐射差额的表达式。
地面放射的辐射(Eg)与地面吸收的大气逆辐射(δEa)之差,称为地面有效辐射。
以F0表示,则F0=Eg-δEa。
地面辐射差额:
某段时间内单位面积地表面所吸收的总辐射和其有效辐射之差值,称为地面的辐射差额Rg
(表示单位水平面积、单位时间的辐射差额)Rg=(Q+q)(1-a)-F0。
地气系统辐射差额
Rs=(Q+q)(1-a)+qa-
F∞。
11)试述绝热变化与非绝热变化的区别与联系。
空气与外界有热量交换,称为非绝热变化;
非绝热变化(六种方式)1、传导。
2、辐射。
3、对流。
4、湍流。
5、蒸发凝结(包括升华、凝华)。
6、平流空气与外界没有热量交换,称为绝热变化。
绝热变化有两个过程:
(1)绝热增温过程:
气块下降、吸热,温度升高的过程。
(2)绝热冷却过程:
块上升、放热,气温下降的过程。
12)试推导干绝热和湿绝热直减率。
教材p40.
13)什么是位温和假相当位温?
位温:
把各层中的气块循着干绝热的程序订正到一个标准高度:
1000hPa
处,这时所具有的温度称为位温。
假相当位温:
当气块中含有的水汽全部凝结降落时,所释放的潜热,就使原气块的位温提高到了极值,这个数值称为假相当位温。
14)试述空气温度个别变化、平流变化和局地变化的概念和相互关系。
(1)个别变化:
单位时间内个别空气质点温度的变化dT/dt称作空气温度的个别变化,即空气块在运行中温度随时间的绝热和非绝热变化。
(2)局地变化:
某一固定地点空气温度随时间的变化称作空气温度的局地变化。
(3)平流变化:
由于空气的移动所造成的某地温度的变化称为温度的平流变化。
(4)空气温。
度个别变化、平流变化和局地变化的相互关系:
温度的局地变化是平流变化和个别变化之和
15)如何通过γm,γd,γ判断大气的层结稳定度?
(1)γ>
γd
时,大气层结为绝对不稳定,且γ愈大,愈不稳定;
(2)γ<
γm<
时,大气层结为绝对稳定,且γ愈小,愈稳定;
(3)γm<
γ<
时,大气为条件性不稳定,对于未饱和湿空气和干空气,大气层结是稳定的;
对于饱和湿空气是不稳定的。
16)什么是逆温?
简述几种主要逆温的形成过程。
在一定条件下,对流层中会出现气温随高度增高而升高的逆温现象。
①辐射逆温:
由于地面强烈辐射冷却形成的逆温。
条件:
晴朗无风或微风且少云或无云的夜晚,厚度从数十米到数百米,以冬季最强。
②湍流逆温:
由于低层空气的湍流混合而形成的逆温。
形成过程:
经过湍流混合后,气层的温度分布将逐渐接近于干绝热直减率。
空气升到混合层上部时,它的温度比周围的空气温度低。
混合的结果,使上层空气降温。
③平流逆温:
暖空气平流到冷的地面或冷的水面上,会发生接触冷却,愈近地表面的空气降温愈多,而上层空气受冷地面的影响小,降温较少,于是产生了逆温现象。
④下沉逆温:
因整层空气下沉而造成的逆温,称为下沉逆温
当某一层空气发生下沉运动时,因气压逐渐增大,以及因气层向水平方向的辐散,使其厚度减小。
如果气层下沉过程是绝热的,而且气层内各部分空气的相对位置不发生改变。
这样空气层顶部下沉的距离要比底部下沉的距离大,其顶部空气的绝热增温要比底部多
。
⑤锋面逆温:
冷暖空气团相遇时,较轻的暖空气爬到冷空气上方,在冷暖空气团交界面附近(即锋面附近)出现的逆温,称为锋面逆温。
⑥融雪逆温:
在积雪地区,因暖空气流经冰、雪表面产生融冰、融雪现象,而冰雪的融化需要从近地面气层吸收大量的热量,从而使贴近地层的气温较低,形成逆温,这种逆温称为融雪逆温。
⑦地形逆温:
在山区夜间,由于山上冷空气沿斜坡向下移动到低洼地区并聚积于底部,使原来在洼地底部的较暖空气被迫抬升形成的逆温,称为地形逆温。
第3章
1)试述水相变化的物理过程和判据。
水的三种形态:
气态(水汽)、液态(水)和固态(冰),称为水的三相。
水是大气中唯一能由一种相态转变成另一种相态的成分。
这种水相的相互转化就称为水相变化。
(1)从分子运动论看,水相变化是水的各相之间分子交换的过程。
假设N为单位时间内跑出水面的水分子数,n为单位时间内落回水面的水汽分子数,则得到水和水汽两相变化和平衡的分子物理学判据,即:
N>n蒸发(未饱和),N=n动态平衡(饱和),N<n凝结(过饱和)。
(2)当在某一温度下,水和水汽达到动态平衡时,e=E对应的落回水面的水汽分子数又等于该温度下跑出水面的水分子数N,所以E与N成正比因此,水和水汽两相变化和平衡的判据为:
当E>
e时,蒸发(未饱和),当E=e时,动态平衡(饱和),当E<
e时,凝结(过饱和)。
(3)若Es为某一温度下对应的冰面上的饱和水汽压,与以上类似也可得到冰和水汽两
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