航海气象学知识点.docx
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航海气象学知识点.docx
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航海气象学知识点
大气的组成
一、干洁空气(DryAir)
对气温有影响的成分:
二氧化碳(CO2)――吸收和放射长波辐射,产生温室效应
臭氧(O3)――――-吸收紫外线
二、水汽(Vapour)
1、垂直分布:
低空多于高空,随高度升高水汽含量迅速减少
2、特点:
1)在自然条件下,水汽是大气中唯一能发生相态变化的气体,是天气演变的主角。
2)具有吸收和放射长波辐射的性能,加上在水相变化中伴有凝结潜热的吸收或释放,对气温产生影响。
三、杂质
作为水汽凝结的凝结核
城市污染监测的主要成分:
总悬浮颗粒物,二氧化硫、氮氧化物
大气的垂直结构
一、大气的垂直范围和垂直分层
1、垂直分层:
1)分层:
自地面向高空,大气分为对流层、平流层、中间层、热层、散逸层
2)平流层:
空气以水平运动为主,且水汽极少,类似对流层中的云很难生成
3)热层:
又称电离层,对远程无线电通讯具有重要意义
二、对流层(Troposphere)的主要特征
1、对流层的厚度:
平均10km;在赤道最厚,向两极减小;夏季厚,冬季薄
2、三个主要特点:
1)气温随高度的升高而降低,每升高100m,气温平均下降0.65℃
2)有强烈的对流和乱流运动
3)气象要素(如温度、湿度等)在水平方向上分布不均匀
3、对流层的垂直分层:
自由大气:
下界距地面1km(摩擦层顶),上界——对流层顶,摩擦作用小,可忽略不计。
在自由大气中,空气运动规律清楚,常用距地面5500m(500hPa)高处的空气运动表征整个对流层大气的运动趋势。
4、对流层顶:
厚度约为1~2km的同温甚至逆温层,对发展旺盛的积雨云顶有阻挡作用,是云顶平衍成砧状。
1)气温、气压相同时,干空气的密度大于湿空气的密度
2)气压相同时,干冷空气的密度比暖湿空气大得多
气温
一、气温的定义和单位
1、气温(AirTemperature):
表示空气冷热程度的物理量
2)三种温标的换算关系
已知X℃,则对应的
华氏温标Y(℉)=9•C/5+32
绝对温标Z(K)=273+C
二、太阳、地面、大气辐射
太阳辐射:
一种短波辐射
地面辐射:
一种长波辐射
结论:
太阳辐射是地球表面和大气唯一的能量来源,但大气受热的主要直接热源是地球表面的长波辐射。
三、空气的增热和冷却
实现气温非绝热变化的方式(物理过程)有:
1)辐射:
长波辐射是地面和大气之间交换热量的主要方式。
2)对流与平流:
对流(Convection)——空气在垂直方向上有规则的升降运动,是上、下层空气热量传递的方式之一。
平流(Advection)——大范围空气的水平运动(风),同时伴有某种物理量的输送,是不同地区空气交换热量的主要方式。
3)水相变化:
蒸发和凝结也可实现地面与大气、空气块与空气块之间交换热量。
4)乱流:
又叫湍流(Turbulence),指空气微团的无规则运动。
一般只发生在贴近地面1km以下的摩擦层内。
乱流可使热量、水分和微尘在各个方向上分布趋于均匀
5)热传导:
通常不予考虑。
四、气温的日、年变化
1、日变化
1)日变化特点:
一天中最高气温(Tmax):
陆地上在13~14时,海洋上在12时30分
最低气温(Tmin):
近日出前
2)气温日较差:
Tmax-Tmin
3)影响日较差的因素:
下垫面性质:
陆地日较差>海洋,沙漠最大
纬度:
低纬日较差>高纬
季节:
夏季日较差>冬季
天空状况:
晴天日较差>阴天
海拔高度:
低处日较差>高处
2、年变化
1)年变化特点:
一年中月平均最高气温(Tmax):
北半球,陆地在7月,海洋在8月
南半球,陆地在1月,海洋在2月
最低气温(Tmin):
北半球,陆地在1月,海洋在2月
南半球,陆地在7月,海洋在8月
2)气温年较差:
月平均Tmax-月平均Tmin
3)影响年较差的因素:
下垫面性质:
陆地年较差>海洋,沙漠最大;纬度:
高纬年较差>低纬,赤道最小;海拔高度:
低处年较差>高处
五、海平面平均气温的分布海平面平均气温的分布特点
1、热赤道平均在10°N附近,冬天5-10°N,夏天20°N附近
2、等温线大致与纬圈平行,南半球表现明显。
北半球差异较大:
冬季,大陆等温线凹向赤道,海洋凸向极地,夏季相反。
3、地球上的冷极:
北半球,冬季两个——西伯利亚、格陵兰;夏季——北极附近
南半球,南极附近,是全球气温最低的地方
湿度
一、湿度的定义和表示方法
1、水汽压(e)
大气中所含水汽引起的分压强,单位――百帕(hPa)或毫米水银柱高(mmHg)
空气中实际水汽含量越多,e值越大;实际水汽含量越少,e值越小。
水汽压的大小直接表示了空气中水汽含量的多少。
饱和空气的水汽压称为饱和水汽压(E),E是温度的函数,随温度的升高而增大
当e
2、相对湿度(RelativeHumidity,用f表示)f=e×100%/E
f的大小,表示空气距离饱和的程度。
当气温一定时
若e 若e=E,即f=100%,表示空气饱和 若e>E,即f>100%,则空气过饱和 3、露点(td) 空气中水汽含量不变,气压一定时,降低温度使其达到饱和的温度。 水汽含量多,对应的td就高;水汽含量少,对应的td就低。 常用气温与露点之差⊿t=t-td的大小大致判断空气距离饱和的程度: 若⊿t>O,空气未饱和,⊿t越大,距离饱和越远 若⊿t=O,即气温与露点相等,空气饱和。 若⊿t 4、绝对湿度(a) 绝对湿度――单位容积空气中包含的水汽质量,单位g•cm-3或g·m-3。 实际上它代表水汽密度,反映空气中水汽的绝对含量。 空气中的水汽含量越多,绝对湿度越大。 故能表征空气中水汽含量多少的物理量有绝对湿度、水汽压和露点 表征空气吞食水汽的能力的物理量有饱和水汽压 表征空气距饱和的程度的物理量有: 相对湿度,温度露点差 三、湿度的日、年变化 1、相对湿度的日、年变化 1)相对湿度的日变化 f的日变化主要决定于气温。 白天,t升高,e增大,但E以更快速度增大,f减小 夜间,t降低,e减小,但E以更快速度减小,f增大。 因此,f在一日中有一个最高值,出现在日出前,有一个最低值,出现在午后。 f日变化与气温日变化位相相反。 2)相对湿度的年变化 季风区: f的极大值出现在夏季,极小值出现在冬季。 内陆全年干燥地区: f夏季小,冬季大。 2、绝对湿度的日、年变化 1)绝对湿度的日变化 在海洋、沿海及岛屿处,绝对湿度一日中有一个高值,出现在午后;一个低值,出现在清晨。 2)绝对湿度的年变化 主要由气温的年变化决定。 夏季出现a的最高值(北半球为7、8月,南半球为1、2月);冬季出现a的最低值(北半球1、2月,南半球为7、8月)。 四、大气中水汽的凝结 使空气达到饱和主要有两种途径: 1)增加水汽含量 2)冷却过程 不断降低气温至露点,使空气达到饱和。 大气中主要的冷却过程有绝热冷却、辐射冷却、平流冷却及乱流冷却等。 云、雨主要是空气上升中绝热冷却而产生的,平流雾则主要由平流冷却而形成。 气压 一、气压的定义和单位 大气压强(AirPressure)――简称气压,在重力方向上,单位截面上垂直大气柱的重量,单位“百帕(hPa)”、“mb”、“mmHg” 1标准大气压P0――标准情况下(气温O℃、纬度45°),海平面上,760mmHg高的大气压 P0=l013.25hPa hPa、mb和mmHg两单位之间有如下关系: 1hPa=1mb=3mmHg/4或1mmHg=4hPa/3=4mb/3 二、气压随高度的变化 1、变化规律 气压随高度的升高而降低,近地面下降快,高空下降慢。 海平面: 气压1000hPa1500米: 850hPa 3000米: 700hPa5500米: 500hPa 在近地面层空气中,高度每升高10米,气压降低值约为1.31hPa(或高度每上升8米,气压降低1hPa),用该数据将船台高度测出的气压订正为海平面气压。 2、单位气压高度差h=∣ΔZ/ΔP∣ 单位气压高度差h与空气密度成反比。 低空密度大,h小,气压变化快;高空密度小,h大,气压变化慢。 在水平方向上,密度主要受气温影响,暖区气温高,密度小,h大;冷区气温低,密度大,h小。 三、气压随时间的变化 气压的周期性变化 1、日变化 一昼夜,地面气压具有两高值: 在10时(最高)和22时 两低值: 16时(最低)和04时 日较差随纬度变化: 低纬最大,中纬较小。 2、年变化 大陆型: 冬季最高;夏季最低 海洋型: 夏季最高;冬季最低 年较差,陆地大,海洋小;中纬大,低纬小。 海平面气压场的基本型式 一、海平面气压场的基本型式 1、低气压(Lowpressure;Depression) ――由闭合等压线构成的中心气压比四周低的区域,其空间等压面形状下凹,如盆地。 2、低压槽(Trough) ――由低压向外延伸出来的狭长区域,或一组未闭合的等压线向气压较高一方凸出的部分,简称槽。 槽线(Troughline)――在低压槽中,各条等压线曲率最大处的连线。 3、高气压(Highpressure) ――由闭合等压线构成的中心气压比四周高的区域,其空间等压面形状上凸,如山丘。 4、高压脊(Ridge) ――由高压向外延伸出来的狭长区域,或一组未闭合的等压线向气压较低一方凸起的部分,简称脊。 脊线(Ridgeline)――在高压脊中,各条等压线曲率最大处的连线。 5、鞍型区(Col) ――相对并相邻的两高压和两低压组成的中间区域,简称鞍,其空间等压面的形状类似马鞍。 鞍型区内气压分布较均匀,又有匀压区之称,主要天气特征是风小。 6、高压带 ――相邻两低压之间的过渡区域 7、低压带 ――相邻两高压之间的过渡区域 空气的水平运动――风 一、风(wind)的定义、单位和表示方法 1、定义――空气相对海底所作的水平运动,称为风。 2、风速――单位时间内空气在水平方向上移动的距离,单位: m/s,km/h,kn(节,nm/h)。 1m/s≈2kn。 风级(Beaufort): 0~17级 3、风向――风的来向,用方位度数(0°~360°)表示,或方位表示。 作用于空气微团上的外力 一、水平气压梯度力Gn 1、水平气压梯度(-ΔP/Δn) ――垂直于等压线,沿气压减小的方向,单位距离内的气压差。 1)大小: 在天气图上,等压(高)线越密,水平气压梯度越大; 等压(高)线越疏,水平气压梯度越小。 单位: hPa/m,或,hPa/赤道度,1赤道度=60nm,约111km。 2)方向: 垂直于等压线,由高压指向低压。 2、水平气压梯度力Gn=-ΔP/(ρΔn) 1)大小: 与水平气压梯度成正比, 在天气图上,等压(高)线越密,水平气压梯度力越大; 等压(高)线越疏,水平气压梯度力越小。 与空气密度ρ成反比,高空ρ小,Gn增大;低空ρ大,Gn小。 2)方向: 同水平气压梯度。 二、水平地转偏向力An 1、大小: An=2ωVsinφ 1)物体相对地表静止时,An=0。 2)V越大,An越大。 3)φ=0°,sinφ=0,An=0,赤道上没有地转偏向力。 4)φ越大(纬度越高),An越大。 2、方向: 垂直于运动去向,北半球偏于右手一侧,南半球偏于左手一侧。 只改变运动方向,不改变速度大小。 三、惯性离心力C 1、大小: C=V2/r V越大,C越大;r越小,C越大。 2、方向: 沿曲率半径由圆内指向圆外, 与切向速度垂直,只改变运动方向,不改变切向速度大小。 四、摩擦力R 1、大小: R=µV 与摩擦系数µ成正比,与风速V成正比。 有浪海面µ比平静海面大。 2、方向: 与运动方向相反,起到阻力作用。 总结: 由上述讨论可见,只有水平气压梯度力与初始风速无关,因此,该力是使空气产生运动的直接原动力。 地转风和梯度风(自由大气中的风) 一、地转风(GeostrophicWind) 1、定义 ――自由大气中,空气的匀速水平直线运动。 2、力的平衡 ――水平气压梯度力与水平地转偏向力平衡。 Gn=An,方向相反,作用在同一条直线上。 3、Vg的大小,Vg=-ΔP/(2ρωsinφΔn) 1)与水平气压梯度成正比,在天气图上,等压(高)线越密,地转风越大; 等压(高)线越疏,地转风越小。 2)与空气密度ρ成反比,高空ρ小,地转风增大;低空ρ大,地转风小。 3)与sinφ成反比,纬度越高,Vg越小; φ=0°(赤道上),Vg趋近无穷,说明地转风不存在。 4、风向 ――白贝罗风压定律。 风沿等压线吹,背风而立,北半球高压在右,低压在左;南半球正好相反。 5、地转风的计算―― 公式法: Vg=-ΔP/(2ρωsinφΔn) 将ρ=1.293kg/m3和ω值代入得 Vg=-4.78ΔP/(sinφΔn)(水平气压梯度单位: hPa/赤道度,或hPa/纬距) 二、梯度风(GradientWind) 1、――自由大气中,空气的水平匀速曲线运动。 2、――水平气压梯度力、水平地转偏向力和惯性离心力达到平衡。 高压中(反气旋): Gn+C=An 低压中(气旋): An+C=Gn 3、主要结论: 1)北半球,高压中的风顺时针旋转,低压中的风逆时针旋转; 南半球,高压中的风逆时针旋转,低压中的风顺时针旋转。 风向与气压场之间满足白贝罗风压定律。 2)梯度风风速与水平气压梯度、纬度的正弦、空气密度和曲率半径有关。 3)低压(气旋)区中的水平气压梯度不受限制; 高压(反气旋)中的水平气压梯度不能超过某一临界值。 4)反气旋区内,边缘风速较大,中心附近微风或者静风; 曲率较小(曲率半径大)处,即等压线平直处,等压线密,风速大; 曲率较大(曲率半径小)处,即等压线弯曲较大处,等压线疏,风速较小。 5)中高纬度反气旋的风速较大,低纬度反气旋内风速较小。 6)Va(反气旋中的风)〉Vg(地转风)〉Vc(气旋的风) 摩擦层中的风 一、摩擦力对风速、风向的影响 1、对风速的影响 ――风速减小。 陆面上,实际风速/地转风速=1/3~1/2; 海面上,实际风速/地转风速=3/5~2/3。 海上经验公式: Vo=65%Vg。 2、对风向的影响 ――风去向斜穿等压线偏向低压一侧,与等压线的交角α, 在中高纬陆上,为35°~45°;海上,10°~20°。 风压定律的修正: 背风而立, 北半球,高压在右后方,低压在左前方; 南半球,高压在左后方,低压在右前方。 高气压(反气旋): 北半球,顺时针由中心向外辐散; 南半球,逆时针由中心向外辐散。 低气压(气旋): 北半球,逆时针由外向中心辐合; 南半球,顺时针由外向中心辐合。 地形的动力作用和地方性风 一、地形的动力作用 1、狭管效应: 当气流从开阔地区进入峡谷地形时,风速加大,风向被迫改变沿峡谷走向的现象。 台湾海峡: 夏季西南大风;冬季东北大风。 2、岬角效应: 当气流流经向海中突出的半岛或山脉尽头时,会造成气流辐合、流线密集,使风力大大加强的现象。 山东半岛成山头、南美合恩角、南非好望角处风力比周围海域大。 云 一、云(cloud)的形成条件 1、云的组成成份――水滴、冰晶或二者的混合体。 2、发生在大气中的冷却过程――绝热冷却、辐射冷却、平流冷却和乱流冷却等。 上升运动引起的绝热冷却是形成云的主要原因。 3、云的形成条件――上升运动+水汽 云的消散条件――下沉运动 二、云的分类 1、观测分类 云族 云底高度 云属 降水特点 中文名 国际名 国际缩写 高云 >5000m 卷云 Cirrus Ci 卷层云 Cirro-Stratus Cs 卷积云 Cirro-Cumulus Cc 中云 2500m~ 5000m 高层云 Alto-Stratus As 连续性或间歇性的雨、雪 高积云 Alto-Cumulus Ac 低云 <2500m 层积云 Stratus-Cumulus Sc 间歇性微弱的雨、雪 层云 Stratus St 毛毛雨 雨层云 Nimbo-Stratus Ns 连续性中~大的雨、雪 碎雨云 Fracto-Nimbus Fn (附属云) 积云 Cumulus Cu 积雨云 Cumulo-Nimbus Cb 阵性降水 2、物理分类 云型 低云 中云 高云 大气稳定度 层状云 雨层云(Ns)、层云(St) 高层云(As) 卷层云(Cs) 稳定 Υ<Υm<Υd 波状云 层积云(Cs)、 高积云(Ac) 卷积云(Cc) 积状云 (对流云) 淡积云(Cuhum)、浓积云(Cucong)、积雨云(Cb) 卷云(Ci) 不稳定 Υm<Υd<Υ 降水(Precipitation) 一、降水量和降水强度 1、降水量――降水未经蒸发、渗透、流失,在水平面上所积聚的水层深度,以mm为单位。 2、降水强度 ――单位时间内的降水量,单位mm/h,mm/d,(12h或24h总降水量)。 二、降水性质 1、连续性降水(Ns和As降水) ――持续稳定、(通常)中等雨量,持续时间常在10h以上。 2、间歇性降水(Sc和厚薄不均匀的As) ――强度时大时小、时降时止,但变化很缓慢,云和其它要素无显著变化。 3、阵性降水(Cb、Cucong、不稳定的Sc) ――降水强度变化快、骤降骤止、天空时亮时暗、持续时间短,常伴有强阵风。 海洋上的雾 一、雾(Fog)的定义 ――悬浮于近地面气层中的小水滴、小冰晶或两者混合物的集合体,使水平能见度小于1km(或0.5nmile)的现象。 若能见度降至1~10km之内时,称为轻雾(Mist)。 二、雾的种类与特点 1、平流雾(AdvectionFog,海雾) 1)定义 ――暖湿空气流经冷的下垫面,低层空气冷却,使空气达到饱和水汽凝结而形成的雾。 2)分布地区 ――冷、暖海流交汇的冷流一侧;水平温度梯度大的海陆交界处。 3)特点 ――浓度大,厚度大;水平范围广,持续时间长; ――远洋雾的浓度及生消时间没有日变化;沿海及岛屿的雾有一定的日变化; ――随风飘移,伴有层云。 2、锋面雾(FrontalFog,雨雾或降水蒸发雾) 1)定义 ――锋面上暖气团里下降的雨滴穿过锋面落到冷气团里,雨滴蒸发,使锋面下冷气团近地面层的空气达到饱和而形成的雾。 2)分布地区 ――暖锋前、一型冷锋后、锢囚锋的两侧。 3)特点 ――浓度及生消时间不受气温日变化的影响; ――雾区随锋面和降水区的移动而移动。 3、辐射雾(RadiationFog,陆雾) 1)定义 ――晴朗微风、比较潮湿的夜间,由于地面辐射冷却,近地面层气温降至露点或露点以下,使水汽凝结而形成的雾。 2)分布地区 ――内陆潮湿洼地、沿海港湾。 3)生消特点 ――一年四季均能发生,秋冬季居多,冬季入海易消散,夏季入海消散慢。 ――具有明显的日变化,夜间形成,日出前最浓,日出后随气温升高而消散。 ――晴夜有利于雾生成,晴天有利于雾消散;阴夜不利于雾形成,阴天也不利于雾消散。 ――微风有利于雾形成,强风和静风均不利于雾形成。 ――冬季消散慢,夏季消散快。 4、蒸汽雾(SteamFog) 1)定义 ――冷空气流经暖水面时,水面不断蒸发水汽进入低层空气,使贴近水面的低层空气达到饱和而形成的雾。 2)分布地区 ――高纬沿海、极地冰间水面、冰缘等。 3)特点 ――冬季最常见。 ――浓度不大,厚度薄。 ――有显著的日变化。 ――在任何风速下都可能发生。 但风向改变可使雾消散。 三、平流雾的形成条件 1、冷的海面 ――西北太平洋,表层水温低于20℃;黄海北部水温低于24℃。 2、适当的水汽温差 ――长江口外海域和北海道以东海面,0℃~6℃,温差2℃~3℃频率最高; 当温差>8℃后,海雾很少发生。 3、适合的风向、风速 风力――2~4级。 4、充沛的水汽 ――相对湿度f≥80% 5、低层逆温层结 四、平流雾消散的条件 风向大角度改变,风力增至很大或减至很小。 如冷锋过境。 海浪 一、波浪(Wave)要素 1、波峰――波面的最高点。 2、波谷――波面的最低点。 3、波高(H)――相邻波峰与波谷之间的垂直距离。 4、波幅(a)――波高的一半,a=H/2。 5、波长(λ)――相邻两波峰或相邻两波谷之间的水平距离。 6、波陡(δ)――波高与波长之比,δ=H/λ。 7、周期(T)――相邻的两波峰或两波谷相继通过一固定点所需要的时间。 8、频率(f)――周期的倒数,f=1/T。 9、波速(C)――波峰或波谷在单位时间内的水平位移(波形传播的速度),C=λ/T。 10、波峰线――通过波峰垂直于波浪传播方向的线。 11、波向线――波形传播的方向线,垂直于波峰线。 二、波浪的分类 1、按成因分类 1)风浪和涌浪 风浪(WindWave)――风的直接作用所引起的水面波动。 (无风不起浪) 涌浪(Swell)――风浪离开风区传至远处,或者风区里风停息后所遗留下来的波浪。 (无风三尺浪) 2)海啸(Tsunami,又称地震波) ――由于海底或海岸附近发生地震或火山爆发所形成的海面异常波动。 特点: 周期长,波长长,波速大,在外海坡度很小,当传至近岸时,波高剧增。 世界上常受海啸袭击的国家和地区有: 日本、菲律宾、印度尼西亚、加勒比海、墨西哥沿岸、地中海。 3)风暴潮(StormSurge) ――由强烈的大气扰动(强台风、强锋面气旋、寒潮大风等)引起的海面异常上升现象。 主要原因: 海面气压分布不均匀――气压每下降1hPa,海面约升高1cm; 我国风暴潮多发区: 莱州湾、渤海湾、长江口至闽江口、汕头至珠江口、雷州湾和海南岛东北角,其中莱州湾、汕头至珠江口是严重多发区。 4)内波(InternalWave) ――密度相差较大的水层界面上的波动。 内波对航行船舶的影响: 死水和共振 船舶克服“死水”和“共振”的有效方法是改变航速和航向。 3、按水深相对于波长的大小分类 1)浅水波(λ»水深h,λ≧20水深h) C=(gh)1/2 波速与波长和周期无关,只取决于水深。 2)深水波(水深h≥λ/2) 波速与波长和周期有关,与水深无关。 三、水质点的运动与波形传播的关系 1、深水波: 水质点的运动轨迹是圆,海表面的水质点的轨迹直径等于波高,水质点运动到最高位置时,运动方向与波向一致,运动到最低位置时,运动方向与波向相反。 波面上每个水质点在自己的平衡位置附近完成一次圆周运动时,整个波形就向前传播一个波长的距离。 2、浅水波: 水质点的运动轨迹是椭圆,水质点运动到最高位置时,运动方向与波向一致,运动到最低位置时,运动方向与波向相反。 波面上每个水质点在自己的平衡位置附近完成一次椭圆周运动时,整个波形就向前传播一个波长的距离。 总结: 波浪沿海面向前传播,水质点在原地附近作周期运动――前进波。 群波和驻波(简述) 一、群波(GroupofWaves) ――当许多周期和波长不同但很相近的简单
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