气象学与气候学要点

1、气象学与气候学家庭作业一1、大气组成主要成分体积百分比主要分布高度稳定/可变主要来源是否温室气体氮气（N2）78.08%0-250km稳定火山喷发否氧气（O2)20.95%0-100km稳定植物的光合作用否氩气（Ar）0.93%稳定否水汽（H2O）1%-1ppm0-5km可变江、河、湖、海及潮湿物体表面的水分蒸发和植物的蒸腾，并借助空气的垂直交换向上输送是二氧化碳（CO2）0.03%0-20km可变矿物燃料燃烧和工业活动，死亡生物的腐败和呼吸作用是臭氧（O3）20ppb-10ppm10-55（10-40，极大值在20-25，0-401111111111111111111111111111111

2、11111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111）km可变在太阳短波辐射下，通过光化学作用，氧分子分解成为氧原子后再和另外的氧分子结合而成。有机物的氧化和雷雨闪电的作用。是注：ppm：百万分之一；ppb：十亿分之一2、大气分层（结构）分层高度温度变化主要特征对流层8-18km温度随高度增加而递减1.垂直对流运动强烈2.气象要素水平分布不均匀3.包含了大气质量的四分之三和几乎所有的水汽，云、雨、雷、电发生在此层平流层55km温度随高度增加而递增（初稳后升）1.有

3、臭氧层，但在平流层顶消失2.气流平稳，空气的垂直混合作用显著减弱3.水汽含量极少，天空多晴朗4.可见贝云母中间层85km温度随高度增加迅速下降1.垂直运动强烈2.水汽含量极少，几乎没有云层3.出现电离层、夜光云热层 800km温度随高度增加迅速增高1.空气高度电离2.高纬度地区的晴夜可出现极光散逸层3000km温度很少变化大气粒子经常散逸至星际空间，是大气圈与星际空间的过渡地带家庭作业二一、以下描述哪些是指“天气”？哪些是指“气候”？1. 今天的足球比赛因下雨停赛。2. 北京的1月最冷。3. 今天下午最高气温15。4. 昨晚台风从广东省登陆。5. 昆明是个旅游胜地，因为那四季如春。6. 昨晚最

4、低气温20，是这个地方记录到的最低气温。7. 今天多云。答：天气是指某一地区在某一瞬间或某一短时间内大气状态（如气温、湿度、压强等）和大气现象（如风、云、雾、降水等）。气候是指在某一时段内大量天气过程的综合，不仅包括该地多年来经常发生的天气状况，而且包括某些年份偶尔出现的极端天气状况。“天气”：1、3、4、7“气候”：2、5、6、昨晚最低气温20，是这个地方记录到的最低气温：前半句是天气，后半句是气候。二、某地区海平面气温23，估计其2km上空大气温度多少？解：已知气温直减率为0.65/100m2km上空大气温度T=23-0.65×2000/100=10答：其2km上空大气温度约为1

5、0。三、某地区春季海平面气温10，假设气温直减率为0.65/100m，对流层顶温度为-55，求该地对流层顶高度，并说明该地区所在纬度是：高、中、低纬哪个纬度？解：该地对流层顶高度h=10-（-55）÷0.65×10010000m10km因为对流层在中纬度地区的厚度平均为1012km，所以该地区为中纬度地区。（对流层低纬平均高度17-18Km，中纬10-12km，极地8-9km）答：该地对流层顶高度为10km，是中纬度。四、位于赤道某地区海平面气温25，假设气温直减率为0.65，其对流层顶高度为16km，求该地对流层顶温度？解：该地对流层顶温度T=25-0.65×1

6、6000/100-79 答：该地对流层顶温度是-79第二次作业家庭作业一一、 设到达大气顶界的太阳辐射为100个单位，根据下图，描述地-气系统辐射平衡过程。答：设到达大气顶界的太阳辐射为100%。 未到达地面部分：被大气和云滴吸收20%（其中18%被大气吸收（主要被水汽、臭氧、微尘、二氧化碳等选择吸收），2%被云滴吸收），被云反射回宇宙空间20%，被大气散射回宇宙空间6%。共计46%。 到达地面部分：被地面吸收50%（其中地面吸收直接辐射22%，散射辐射28%），被地面反射回宇宙空间4%。共计54%。在此过程中，地-气系统共反射回宇宙空间20%+6%+4%=30%，这部分为地球反射率。地面吸收

7、辐射而增温，向外放出长波辐射，其能量为115%，其中109%被大气吸收，6%透过大气窗逸入宇宙空间。大气吸收辐射后，根据其温度进行长波辐射，95%为射向地面的逆辐射，64%射向宇宙空间。在辐射过程中，大气共吸收20%+109%=129%，大气长波辐射支出95%+64%=159%。全球大气的年平均辐射差额为-30%，这部分亏损的能量，由地面向大气输入的潜热24%和湍流显热6%来补充，以维持大气能平衡。地面长波辐射到宇宙空间6%和大气长波辐射到宇宙空间64%共计70%。从宇宙空间射入的太阳辐射100%，地球反射30%，长波辐射射出70%。大气长波辐射支出159%，吸收=20%+109%+30%=1

8、59%。地面吸收=50%+95%=145%，地面放出=30%+115%=145%，各部分的能量收支都是平衡的。二、假设地球无大气，到达地表的太阳辐射通量密度Fs为1368W · m-2，入射的太阳辐射有30%被反射（反射率A=0.3），其余均为地球吸收。计算该情况下地球的等效黑体温度。 提示： （1）等效黑体温度，是指相当于黑体的辐射温度。（2）斯蒂芬-波尔兹曼常数s=5.67 ×10-8W · m-2 · K-4（3）去除反射部分外，地球以R2面积吸收的太阳辐射，然后以4R2面积放射长波辐射，二者达到平衡。 解：根据已知，地球吸收的太阳辐射与放射的长波

9、辐射平衡的关系，有FS*S1*(1-A)=ETb*S2S1=R2 ，S2=4R2，得到ETb=FS*S1*(1-A)S2，带入求得ETb=1368*0.7/4=239.4 W · m-2.根据斯蒂芬-玻耳兹曼定律，ETb =s*T4，其中s=5.67 ×10-8W · m-2 · K-4有，T=4ETbs，带入解得，T=254.9K答：该情况下地球的等效黑体温度为254.9K。家庭作业二1. 为什么说大气的直接热源是地面辐射，而非太阳辐射？答：因为大气本身对太阳短波辐射直接吸收得很少，几乎是透明的，而地球表面却能大量吸收太阳辐射，并经转化供给大气，大气对

10、地面的长波辐射吸收强烈，从这个意义来说，地面辐射是大气的直接热源。2. 无大气包围的地球温度为255K，有大气包围时的温度为288K，出现该差别的原因是什么，求288K时的等效黑体地球辐射通量密度及其最大辐射的波长？答：无大气包围时的地球温度比有大气包围时的温度低，是因为：大气逆辐射使地面因放射辐射而损耗的能量得到一定的补偿，这种作用称为大气的保温效应。在没有大气的情况下，这种保温效应消失，温度降低。根据斯蒂芬-波耳兹曼定律E = sT4， 5.67*10-8*(288)4390W/m2根据韦恩定律=C/T：2896/288=10.06mm3. 一团未饱和湿空气块，从海平面开始沿山地爬升，此时

11、温度为30，其露点温度为20。设饱和后的湿绝热直减率为0.5/100m，求气块降温到10时爬升的高度？假设气块已达山顶时，开始沿山坡下降，问到达海平面时的气块温度？答：爬升过程中先是干绝热上升，到达抬升凝结高度后沿湿绝热上升（30-20）/1*100+（20-10）/0.5*100=3000m。下沉时按干绝热下沉10+3000/100*1=40。 （若把上升饱和后看做可逆的湿绝热过程，则上升和下沉是可逆的，所以到达海平面得温度仍为30.但是，一般来说饱和上升时凝结的液态水会脱落，是假绝热过程，应按干绝热下沉。同5）4. 根据所给表格，求下列各空气块的相对湿度：（1）35空气块每kg空气含水汽5

12、g；（2）15空气块每kg空气含水汽5g；（3）将（2）的空气块降低5，其相对湿度变化多少？（4）如果20空气块每kg空气含水汽7g，它的露点温度是多少？温度（）饱和比湿（g/kg）饱和水汽压（hPa）-400.10.19-300.30.51-200.751.25-1022.8603.56.11558.7210712.271510 17.04201423.37252031.683026.5 42.45 3535 56.294047 73.91 答：相对湿度：f=水汽压/饱和水汽压*100%=e/E*100%比湿:q= 0.622e/p饱和比湿：qs=0.622E/p所以，相对湿度f=e/E*1

13、00%=q/qs*100%(1) 35时：q=5/1=5 g/kg f=q/qs*100%=5/35*100%=14.3%(2) 15时：q=5/1=5 g/kg f=q/qs*100%=5/10*100%=50%(3) 10时：q=5/1=5 g/kg f=q/qs*100%=5/7=71.4% 71.4%-50%=21.4%(4) 露点温度：在空气中水汽含量不变，气压一定下，使空气冷却到饱和时的温度。也就饱和比湿E（T）=e时的温度为露点温度。 20时：q=7/1=7 g/kg 与10的饱和比湿相等，所以露点温度为10（注意，有些同学根据q= 0.622e/p，把p当做标准大气压，进而求出

14、e，是不对的。这里p是未知的，如果要这么算的话，可以根据qs=0.622E/p，求出p，再代入，求e）5. 如下图：A点气块位于海平面高度，温度25，露点温度10，山脉高度3500m， B点海拔高度500m，假设到达凝结高度后，气块的湿绝热直减率为0.5/100m，求： (1)云底高度？（2）到达山顶后气块的温度以及此时气块的露点温度？（3）到达山顶时，每kg空气有多少水汽被凝结？（4）气块翻越山顶到达B点时的温度？此时该气块每kg最多可再容纳多少水汽?（5）假设该气块从山顶到达B点过程中无外来水汽加入，到达B点时的相对湿度是多少？ AB答：（1）云底高度即凝结高度。（25-10）/1*100

15、=1500m。（2）10-（3500-1500）/100*0.5=0 ，因为已经饱和，所以露点温度也为0（3）0 时，饱和比湿为3.5g/kg，而开始凝结时为10,饱和比湿为7g/kg，7-3.5=3.5g所以有3.5g水汽被凝结。（4）翻过山岭，下沉时按干绝热递减率升温，0+1*3000/100=30.30 时饱和比湿为26.5g/kg. 而在山顶0 时，饱和比湿为3.5g/kg，所以可再容纳26.5-3.5=23g水汽。(5) 0 时饱和比湿为3.5g/kg。因无外来水汽加入，所以在B点的比湿还是3.5g/kg，而在B点的饱和比湿为26.5g/kg，所以在B点的相对湿度为f=q/qs*10

16、0%=3.5/26.5*100%=13.2%。第三次作业1某地晚6点气温20，相对湿度50%。假设从此开始每2个小时气温下降1，到第二天早晨6点时，能否形成雾？若假设每小时气温下降1，能否形成雾？如果能，大约何时开始形成？假设没有空气运动发生，这种雾是什么类型的雾？（提示：查作业2中的饱和比湿表，可近似或内插。）答：晚6点，20，饱和比湿为14g/kg，相对湿度为50%，f=e/E*100%=q/qs*100%，所以，比湿为7g/kg。（1）若每2小时气温下降1，早晨6点时，20-1*6=14，饱和比湿约为9g/kg>7g/kg，所以空气未饱和，因此无法形成雾。（2）若每小时下降1，早晨

17、6点时，20-1*12=8，饱和比湿约为6g/kg<7g/kg，饱和，水汽大量凝结，可以形成雾。（3）开始形成时间是当饱和比湿=7g/kg时，即10，早晨4点。（4）由于没有空气运动发生，此雾是地面辐射冷却使地面附近变冷，大量水汽凝结或凝华形成的，所以为辐射雾。2. 根据前面列出的云滴降落速度，假设空气静止，一个在1000m高空的云滴，理论上大约经过多长时间能够到达地面？实际上它能否到达地面？为什么？答：假设此云滴尺寸为典型云滴，那么它下降的终极速度为0.01m/s，所以下落时间理论上为1000/0.01=100000s 实际上不能到达地面，因为云滴的体积很小，不能克服空气阻力和上升气流

18、的顶托，只有当云滴增长到能够克服空气阻力和上升气流的顶托，并且在降落至地面的过程中不致被蒸发掉，即云滴增大为雨滴，雪花或其他降水物，形成降水降至地面。第四次作业1. 北京-西安相距1200km，北京海平面气压1017hPa，西安海平面气压1010hPa，设只有气压梯度的作用，持续3小时后空气的运动速度是多少？(空气密度为0.75kg/m3,1hPa=100kg/ms2)解：根据公式和已知条件¶p=-700 kg/ms2， ¶n=1200*103m，=0.75kg/m3有，Gn7.8*10-4m/ s2根据v= Gn *t，t=3*60*60=10800s，有v=7.8*10-4m/ s2*108008.4m/s。2. 计算速度为36km/h运动的空气在30oN和60oN所受地转偏向力大小。（地球自转速度=7.29*10-5s-1）解：地转偏向力A=2sin，v=36km/h=10m/s，=7.29*10-5s-1，有当=30oN 时，A=2*10*7.29*10-5*sin30o=7.29*10-4N当=60oN 时，A=2*10*7.29*10-5*sin60o=12.63*10