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气象学与气候学研究摘要

气象学与气候学研究

----姜惠峰讲师课件

第一章绪论

§1.1气象学气候学的研究对象，任务和简史

一、气象学，气候学的研究对象和任务

我们知道，由于地球引力的作用，地球周围聚集着一个气体圈层——大气圈。

什么是大气？

包围地球的空气称为大气。

在地表，大气分布广而厚。

我们人类生活在地球大气的底部，并且一刻也离不开大气。

就象鱼离不开水，瓜离不开秧一样。

大气上界1200km

大气中极光出现的最高高度

地表太阳

大气圈

地球上最高峰（珠峰）8848m，8.848/1200=7.5‰

地球最低洼地（死海沿岸）-392m，大气最厚处1200km+392m=?

大气组成：

水，N2，O2，Ar,CO2,H2,O3…..，太阳辐射是地球大气运动的驱动力，太阳辐射通过大气到达地面。

辐射大气地面

1.在地球大气中，不断地发生着各种各样的物理过程（辐射、冷却、蒸发、凝结）和物理现象（风、雨、雪、电、雾、露、霜、雹）——气象。

气象学：

研究大气现象和过程，探讨其演变规律和变化，指导生产实践的科学。

大气中各种物理过程和物理现象可以用一些物理量来表示。

（1）用温度表示大气冷暖程度。

热量、积温。

候均温稳定通过10℃、22℃的时间划分春夏秋冬四季。

气候带划分指标：

最热月气温=10℃为温带和寒带分界线，最冷月气温=18℃为热带和温带分界线。

（2）空气湿度表示大气干湿程度，人体最适的是50～70%，范围0～100%。

（3）降水是指从天空降落到地面的液态或固态水，包括雨、雪、冰雹等（mm）。

降水量表示降雨/雪的多少。

年降水量400mm、800mm为干旱半干旱、湿润半湿润分界。

年降水量＞400mm可植乔木；300～400mm耐用旱乔木，适于灌木；200～300mm灌木下限；＜200mm植树难以成活。

西北干旱区年降水量＜200mm，无灌溉便无农业，是天然的放牧畜牧业的集中分布区。

我国东部季风区，800mm（多雨年900mm）年等雨量线大致经过秦岭、伏牛山、淮河一带，将东部分为半湿润的北方和湿润的南方（旱作不需灌溉），长江中下游以南年降水量1000mm以上。

降水量的划分（雨量等级为24h的降水量mm）：

日降水量≤0.1mm微量（雨），

0.1～9.9mm为小雨，10.0～24.9mm中雨，

25.0～49.9mm大雨50.0～99.9mm为暴雨，

100.0～199.9mm为大暴雨，

＞200mm特大暴雨；

≤2.4mm小雪，

2.5～5.0mm中雪，

＞5mm大雪。

高纬度地区冬季降雪多，还需测雪深（cm）和雪压（g/cm2），当雪深＞5cm时测雪压。

降水量是表征某地干湿状态，雪深和雪压反映当地的寒冷程度。

（4）用风向，风速描述

风指空气的水平运动，是矢量（向量），有方向和速度。

风向指风的来向，有16个方位的风，农业常用9个方位的风：

东、南、西、北、东北、西北、东南、西南和静风。

上风向为城市规划中居民区，下风向为工业区。

农大地处西北郊，空气质量好。

速度m/s也对应有风级。

风向风速是随时空变化的，气流的湍流性造成风的脉动和阵性（持续时间＜2分钟）。

在一个地点的分布状况常用玫瑰图表示。

0～12级风等级表如下：

等级

名称

陆上地物征象

范围

均速（m/s）

0

无风

静，烟直上

0.0～0.2

0

1

软风

烟能表示风向，树枝略摇

0.3～1.5

1

2

轻风

树叶微响，人面感觉有风

1.6～3.3

2

3

微风

树叶、高草和小枝摇动不息，旗展开

3.4～5.4

4

4

和风

能吹起地面灰尘和纸张，树枝摇动，高草呈波浪起伏

5.5～7.9

7

5

清劲风

有叶小树摇摆，内陆水面有水波

8.0～10.7

9

6

强风

撑伞困难，高草不时倾伏于地

10.8～13.8

12

7

疾风

全树摇，迎风步感觉不便

13.9～17.1

16

8

大风

可折毁小树枝，人迎风进困难

17.2～20.7

19

9

烈风

草房被破坏，屋瓦被掀起，大树枝可折断

20.8～24.4

23

10

狂风

树木可被吹倒，一般建筑物严重破坏

24.5～28.4

26

11

暴风

大树可被吹倒，建筑物严重破坏

28.5～32.6

31

12

飓风

陆上少见，其摧毁力极大

＞32.6

＞33

在强风暴或热带气旋中，地面上个别阵风的风速可达100m/s。

记录到的最大瞬时风速出现在Wshington（1934.4.12）103.2m/s。

海拔1010m处在对流层上部急流中，风速可达150-200m/s，垂直风速几cm/s～10m/s。

为

米（m）高处风速，

为10m处风速。

（5）用云量、云状描述云的状况

云量的观测：

对云遮蔽天空的成数进行估计，将天空分为10份，其中为云遮蔽的份数称为云量，一般目测，也有用红外辐射计对全天扫描测量是否有云，云量的多少。

云形状不同预示着未来天气变化趋势不同。

“鱼鳞天不雨也风颠”、“瓦块云，晒死人”。

2.天气和气候既有联系又有区别。

这些表征大气状态（气温，温度，压强等）和大气性质（风、云、雾、降水等）的物理量称为气象要素。

各种气象要素相互联系，相互影响，并且在不同地点和时间出现不同组合，构成了各地的天气和气候。

天气是指某地区某一瞬间或某一时间内大气状态和大气现象的综合。

“今天很热”，“中午下雨了”，“下午刮大风”……。

天气过程是大气中的短期过程。

气候是在太阳辐射、大气环流、下垫面性质和人类活动长时间相互作用下，在某一时段内大量天气过程的综合。

包括常年平均状况和极端状况。

如北京春季气候特点是气温回升快、多风、少雨，几乎年年如此。

除了地区气候外，还有温室小气候等。

气候与天气相比具有相对的稳定性，天气是气候的基础，气候是天气的背景，天气的时间尺度最长只有10多天，而气候的时间尺度从1月、1年至上千年甚至几万年。

我们平时说“南方高温高湿，西北干燥，东北寒冷”等都是气候特点。

天气变化快，变化周期短。

天气过程的时间分段一般以分为：

5天以下（短期天气过程），5～10天（中期天气过程），10天～3个月（长期天气过程）。

气候有明显的年周期变化，所以严格地说气候的时间尺度应当是1年以上时期的大气状态。

“今天的天气……”“今年的气候……”。

WMO规定把30年作为描述气候的标准时段，即用30年（最短年限）内各种气象要素和气象现象的统计特征来描述气候，30年内各年份之间的气候差异称为气候变率。

气候所包含的内容比天气复杂很多。

例如：

对农作物来说，气候的干旱与否不仅决定于大气状况（降水量、空气湿度等），还取决于土壤状况和作物本身的耐旱性等。

这时气候就不能以天气的总和来概括。

气候系统包括大气圈，水圈，冰雪圈，陆地表面和生物圈5大系统。

而天气系统可看作是单纯天气系统（气旋，反气旋）。

气候与特定时段和地区相联系，带有地方特点。

如：

北京的气候，美国的气候，古气候，近代气候，现代气候。

气候既是相对稳定的，又是发展变化的。

人类研究气象学和气候学就是为了探寻其规律。

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。

农业气候相似在引种中运间用，加拿大银狐→北京山区海拔2000m。

湖南短日照水稻品种引种安徽只长苗而不结果。

美国农业带的划分，我国棉花种植西北移的战略。

气象战争是高层次的，德俄战争，偷袭珍珠港、海港战争、“火烧赤壁”、“火攻”围困司马父子时大雨相救，这些都是胜方得到有利天气形势的帮助。

美国现研究利用人工控制系统干扰天气，扰乱信息接收；盛花期降冰雹而使农业大幅减产，消弱战斗力；细菌和疾病在相应的气象条件下蔓延，危害生命和健康……。

二、气象学与气候学发展简史（书P3-7）

早在3000年前代，殷代（殷都为今河南安阳）甲骨文中就有关于风、云、雨、雪、龙卷、雷暴等文字记载，可卜问未来10天的天气，称卜旬。

春秋战国时代已能根据风、云、物候的观测记录，确定24节气，指导黄河流域的农业生产。

春秋《左传》有春秋分、夏冬至的记载（太阳直射点、回归线）。

国外最早的气象学是古希腊哲学家亚里斯多德（公元前350年）著的。

气象观测仪器也是我国最早发明，西汉时（公元前104年），利用羽毛、木炭的吸湿特性来测量空气湿度，利用相风铜鸟观测风，《后汉书》记载降水的记录，而欧洲到20世纪才有候风鸟测风的记载。

汉、唐、宋“气象”发展很快，直到明朝便停，由于封建封闭的结果。

直到1743年法国的哥比Gaubil到北京建立测候室，1755～1760年，Amiot北京对温、湿和风观测，到1830年俄英法为了掌握我国第一手气象资料（为各自的军事、航行和商船服务）而建立了气象观测台站。

直到1958年，我国才系统地建立自己的观测台站（全国气象观测网站，省市都有）。

国家级地区级（西北区以兰州为中心）省级县级乡级。

常规4次观测，按世界统一观测时间8:

00（a.m.）～8:

00（a.m.）。

格陵0时正是北京时8时。

航线每小时1次，军事每天24小时全天时观测。

地面观测是各级都要观测记录的，包括：

温、压、风、湿、降水等。

高空观测则省级及其以上要观测，包括

（1）探空器观测，探空气球带着探测器每天早7:

00升空。

（2）雷达观测（3）卫星观测。

（见附图1.1气象观测图，在MicrosoftWord文件中。

）

将记录集中到天气图上，动态分析，进行天气预报。

我国的天气预报已较先进和准确，是国际水平中的上等水平的下级。

天气预报能达到50%的准确率很难，我国目前准确率只有40%。

其中，降水最难预报，采用概率预报。

省、市、县三级气象部门均发布长、中、短期天气预报;省、市两级还发布短时天气预报。

短时预报（3-6h）和短期预报（12-48h）具有较高的准确率;中期预报（3-10d）具有一定的参考价值;长期预报（一个月以上,现称短期气候预测）是世界上尚未完全攻克的难题,其分析意见只能供领导和有关部门内部掌握,不对外发布。

§1.2气候系统概述

一、大气圈

（一）大气组成

原生大气次生大气现代大气

46亿年前，CO2，CO，H2O，CH4为主，干洁大气（N2,O2,CO2）、

氢气云团以没有O3。

H2O紫外线索H2↑+O2↑水汽、气溶胶三部分。

氢氦氖为主H2O+CO2叶绿素（CH2O）n+O2↑火山爆发产生大量N2

没有层次光

（1）O3的形成过程：

O2紫外线O＋O，O2＋O→O3

闪电

生命从海底到地面，大气中O3↑，到达地面的紫外线↓。

温室气体CO2、CH4、O3的温室效应及其作用原理异同？

CO2和CH4吸收太阳长波辐射，透过短波辐射，使地表升温，吸收地球长波辐射，使它不进入太空，对地球起保温作用，同时向地球发射长波辐射。

O3吸收太阳短波紫外线，使O3层升温，向大气、地球发射长波辐射，对地球起保温、增暖作用。

实际上O3只占大气成分的百万分之一（1ppm），如压缩只占3mm大气厚，最大浓度集中在20～30km平流层，近地面少→20～30km最多→60km就几乎没有了。

O3有强氧化性，可直接氧化细胞组分，使细胞膜磷脂，蛋白质等大分子化合物产生有机自由基，使脂肪酸氧化形成有毒的过氧化物，从而损害膜的功能和结构，导致组织损伤。

O3不能直接呼吸，随着“O3空洞”的出现，地面紫外线增多，白内障，皮肤癌患者增多。

20世纪80年代，科学家首先发现南极上空臭氧层在冬季出现严重的损耗，形成所谓空洞。

2000年9月，空洞面积达到2830km2，深度有喜马拉雅山那么高，最近北极也发现空洞。

据研究，这与制冷工业中氟利昂，CFC—氟氯烃排放有关，CFC破坏O3层。

1987年，在Canada召开全球会议，规定发达国家2000年停用，发展中国家2010年停用。

当时，我国刚改革开放不久,从国外购进了大量被淘汰的制冷设备，所以没有在协议上签字。

到90年才签字同意逐渐过渡停用，90年代后我国市场上出现了无氟冰箱。

（2）CO2：

是光合作用的原料，呼吸作用的产物。

CO2集中在地表20km以下的大气层，占大气成分的万分之三（300ppm），是温室气体。

CO2＋H2O光（CH2O）n＋O2↑

叶绿素

1800年1980年2000年

CO2浓度260～285ppm340～350ppm355～360ppm

CO2↑,（气肥），提高水分利用率和产量，但促进气候变暖，所以控制CO2排放。

除工业排放CO2外，农业种植制度和耕作措施都影响CO2，连作、休闲（轮作）比较，休闲田CO2产生多，有机质分解，CO2↑。

（3）水汽：

含量0.01～4%，随高度↑而↓，集中在100～200m对流层，在1.5～2km高度上水汽含量为地面的50%，5km高度为地面的10%。

水有三态变化（changephase相变）,是天气变化的主角（jue）。

防霜冻的原理，利用相变的能量转换，果园喷灌浇水。

夏天室内放盆水降温，发烧时额头上放温水湿毛巾降温。

（4）气溶胶粒子：

大气中悬浮着的固态或液态微粒，半径10-9～10-5m=10-3～几十μm。

气溶胶多集中于大气底层，大陆多与海洋，城市多于农村，冬季多于夏季。

气溶胶是形成雨的凝结核，对云雾的形成起重要作用。

云雾是指漂浮于大气中的水滴或（和）冰晶微粒的可见聚集体。

云是离开地表的、不接地的、高空中；雾是接地的、贴近地面的。

雾出现时，水平能见度（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别目标物的最大水平距离，单位m或km）＜1km，常为晨雾，冬季多，太阳出来逐渐散开。

云中所含微粒的直径只有几微米，可因凝结、凝华或碰并而增长变重，并以降水形式从云中降下。

人工降雨：

飞机喷AgI和干冰，增加空气中凝结核，使水附着并不断增大而形成雨滴。

气溶胶来源：

自然源（火山喷发的烟尘，风吹起的土壤微粒，海水飞溅扬入大气后被蒸发的盐料粒，细菌，微生物，植物的孢子花粉，流星燃烧产生的细雨小微粒和宇宙尘埃）；人工源（燃烧排放的烟尘，原子弹爆炸的烟尘……）。

颗粒物是大气中的主要污染物，按颗粒物自身重力作用、按自然沉降特性分为降尘和飘尘，降尘是指颗粒＞10μm的固体颗粒物，飘尘是指粒径＜10μm的固体颗粒物。

飘尘就是气溶胶。

目前常用悬浮颗粒物和可吸入颗粒物表示，悬浮颗粒物是指粒径＜100μm的包括液体、固体或液体和固体结合存在并悬浮于空气介质中的颗粒物；可吸入颗粒物是指粒径＜10μm能进入人体呼吸道的颗粒物。

粒径小的颗粒在大气中稳定程度高，沉降速度慢，一般10μm粒径的颗粒物沉降到地面需要4～9h，而1μm的颗粒物需19～98d，0.4μm需120～140d，＜0.1μm需5～10年，颗粒物在大气中停留时间愈长，被吸入人体的机率愈高。

不同粒径颗粒物可达到肺部无纤毛区的尘粒：

10μm为0，5μm为25%、3.5μm为50%、2.5μm为75%、≤2μm颗粒物90%～100%可达到肺泡区。

（5）O2，N2：

前者占20.95%，动植物呼吸离不开O2，后者占78.08%，它冲淡氧，使氧化不过于激烈。

大量的N2可通过豆科植物根瘤菌固定到土壤中，成为植物体不可缺少的原料，是组成蛋白质的主要成分。

（二）大气的结构

空气密度随高度↑而↓，大气总质量50%集中在5.5km以下大气底层，在离地36～1000km处的大气层只占大气总质量的1%，

所以，大气质量、密度、压力都随h↑而↓的特点。

大气在垂直方向上的物理性质有显著差异，同时考虑大气的垂直运动，将大气分为5层。

1.对流层：

是大气最低层，云雨雾雪等主要大气现象都出现在此层，是对人类生产生活影响最大的一层。

对流层有三个主要特点：

①气温随高度增加而降低。

（“高处不胜寒”，“山高水冷”，白居易的“大林寺桃花”）。

气温垂直递减率γ=-ΔT/ΔZ=0.65℃/100m,“-”表示方向，而不是数值，温度随高度增加而增大则为-，反之为+。

γ＞0，表示气温随高度升而降→递减层结→大气密度上大下小，空气下沉，产生对流，有利于污染物扩散；

γ＜0，表示气温随h升而升→逆温层结→大气密度上小下大，层结稳定，不利于污染物扩散。

阴天和早晨易产生逆温。

②垂直对流运动。

由于地表面的不均匀加热，产生垂直对流运动。

对流运动的强度主要随纬度和季节变化而异。

一般地，对流运动强度，低纬度较强，高纬度较弱；夏季较强冬季较弱。

对流层厚度：

赤道（17～18km）中纬（10～12km）极地（8～9km）；夏季厚，冬季薄。

同大气总厚度1200km或2000～3000km相比，对流层很薄，但由于地球引力作用，这一层集中了整个大气3/4的质量和几乎全部水汽。

空气通过对流和湍流运动，使高低层空气进行交换，近地面的热量、水汽、杂质易于向上输送，对成云致雨有主要作用。

③气象要素水平分布不均匀。

由于对流层受地表作用最大，而地表有海陆差异，地形高低起伏也不同，所以在对流层中，温湿度的水平分布是不均匀的。

温湿

早陆＞海海＞陆如海表污染，“海洋沙漠化”，则会有湿度“陆＞海”。

晚海＞陆海＞陆

对流层的最下层称为行星边界层或摩擦层，一般厚度1～2km，边界层范围冬＜夏，晚上＜白天，平稳天气＜大风和扰动强烈的天气。

在这层里，大气受地面摩擦和热力影响最大，湍流交换作用强，水汽和微尘含量较多，各种气象要素都有明显的日变化。

平流层

对对流层顶（几百米至1～2km的过渡层），其特征是：

气温随高度增加突然降低缓慢或

流自自由大气，几乎不变，成为一下等温。

可阻挡对流

由地表摩擦可忽略不计。

层中的对流运协，从而使下边输送上来

层大的水汽微尘聚集在其下方，而使该处大

气r＞0气混浊度增大。

对流层顶气温：

低纬度

摩擦层地区平均为-83℃，高纬度地区-53℃。

2.平流层：

自对流层顶到55km左右为平流层。

在平流层内气流平稳，空气垂直混合作用减弱。

30km以上，气温随h↑明显↑，55km，T=-3℃。

紫外线稀

暖因为O3吸收太阳辐射增强。

强↑

层r＜0↓浓

弱O3

30km

r≤0随h↑T最初保持不变或微有上升。

r＜0，空气密度上小下大，层结稳定。

平流层中水汽含量极少，大多数时间天空是晴朗的，有时积雨云可发展到平流层下部。

平流层中的微尘远比对流层少，但当火山爆发时火山尘可到达平流层，影响能见度和气温。

3.中间层：

平流层顶到85km高空叫中间层。

气温随h↑而迅速↓，垂直运动强烈，所以又称高空对流层。

中间层r＞0顶层T=-113～-83℃，因为没有O3，而N2、O2能直接吸收的那些

平流层顶55km波长更的太阳辐射又大部分被上层大气吸收掉了，故气温极低。

中间层内水汽含量极少，几乎没有云层，仅在高纬75～90km处有时能见夜光云，有人认为夜光云是由极细微的尘埃所组成，也不是水汽。

60～90km处，有一个只有白天才出现的电离层——D层。

4.热层：

又叫热成层、暖层。

r＜0，h↑T↑。

因O（氧原子）吸收波长＜0.175μm的太阳紫外线。

太阳活动强时500km处T=2000K，太阳活动弱时500km处T=500K。

无明显的顶部，500～800km。

书P12～13关于电离层和极光。

5.散逸层：

大气的最高层，外层。

h↑,ΔT≈0，r≈0，T高，V大，距地球D远，地心引力G小。

大气粒子常散逸至星际空间，是大气圈与星际空间的过渡地带。

总之，大气是气候系统中最活跃，变化最大的组成部分，整体热容量为5.32×1015MJ。

热惯性小，说明热量变化传输快。

当外界热源发生变化时，通过大气运动对垂直和水平的热量传输使整个对流层热力调整到新热量平衡所需的时间尺度，大约为1个月左右，如果没有补充大气的动能过程，动能因摩擦作用而消耗尽的时间大约也是1个月。

二、水圈，陆面，冰雪圈，生物圈

§1.3大气的主要物理性质

一、大气质量及其铅直分布

假定把大气看成是均质的，即大气密度不随高度而变化，而以标准状态（T0=273K，P0=1013.25hpa）下的空气密度

=1.293kg/m3计算,则

于是整个大气柱中空气质量为

。

则地面上每㎡大约承受10吨大气质量，地球表面积4πr2,大气总质量约为5×107亿吨。

实际上大气密度随高度按指数规律减少。

关系式为：

Z为高度,单位m，Z0均质大气厚度，

为Z米处空气密度。

Z

空气密度

占大气总质量%（0～Z高度）

0地表

5km处

8km

19km

39km

1.2㎏/m3

0.7

0

50%

63%

90%

99%

所以，大致在5km高度以下的空气，占大气总质量的50%，8km高度以下占63%，19km高度以下约占90%，36km高度以下占99%。

可见，大气质量的绝大部分集中在0～20（或30）km的气层中。

2、气体状态方程：

大气的物理状态，通常用4个物理量（气温T，气压P，质量m，体积V）表示。

描述大气中这几个量之间的关系式叫状态方程。

（一）干空气状态方程：

在物理学中证明了理想气体的状态方程为

，μ为气体的摩尔质量,R*为气体常数=8.31×103J/（mol·k），m为气体质量。

，1摩尔=22.4升。

通常情况下，可认为地球大气和理想气体相近。

，μ→干空气的摩尔质量=28.97,Rd—干空气的比气体常数（或称干空气的气体常数）=R*/μ=287J/（kg.k），Pd干空气的压强，

，由上式可知，空气密度随气压和温度的变化而变化。

（2）水汽的状态方程：

大气中的水汽在没有相变的情况下，可用理想气体状态方程。

对水汽：

Rw为水汽的比气体常数=461J/（Kg.k）,H2O

为水汽分子量=18g/mol。

（3）湿空气的状态方程：

根据道尔顿分压定律，混合气体的总压强等于各气体成份分压强之和，所以湿空气的总压强是干空气和水汽的分压强之和。

即P=Pd＋e。

现在我们一起来推导：

关键两处为：

一是分子分母同乘以（1+0.378e/P）；二是e/P很小，（0.378e/P）2可忽略不计。

，则湿空气状态方程为

，比较干空气状态方程Pd=ρdRdT与湿空气状态方程P=ρRdTV形式上相似，只是实际气温换成了虚温。

可以看出，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。

虚实温差ΔT=TV－T=0.378eT/P>T，且e大，则温差大。

在低层大气，尤其在夏季e值很高，必须用湿空气状态方程。

在高空e值相对小，ΔT很小，这时可用干空气状态方程来描述，而不致造成大的误差。

三、主要气象要素

气象学上，大气的物理性状主要以气象要素（温、压、风、湿），空气状态方程（干、湿空气状态方程）来表征。

1.气温temperature（℃）

气温通常指分离地面1.5m处，处于通风防辐射条件下的百叶箱中干球温度读数。

我国规定：

1标准大气压下，即P=1013.3hpa时，纯水冰点为0℃,沸点为100℃,将100℃等分，每1刻度为1℃。

理论上用绝对温标（K）表示温度，1K的间隔与1℃相同，但其零度称为“绝对零度”=-273.15℃,所以水的冰点273.15k,沸点为373.15K,T=t＋273.15≈t＋273

我们知道，温度是反映分子运动的能量，在一定容积内，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。

E∝1/2mv2,T∝E，V↑，E↑，T↑。

计算空气分子运动的速度？

P=1/3ρV2，V=485m/s=1746km/h，