气象学与气候学作业题答案

1、第一次作业家庭作业一1、大气组成主要成分体积百分比主要分布 高度稳定/ 可受主要来源是否温 室气体氮气（NO%0-250km稳定火山喷发否氧气（Q）%0-100km稳定植物的光合作用否氧气（Ar）%稳定否水汽 (H2O)1%-1ppm0-5km可受江、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（CO）%0-20km可受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（Q）20ppb-10Ppm10-55(10-40 , 极大值在20-25 ) km可受在太阳短波辐射下，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

2、。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.垂直对流运动强烈.气象要素水平分布不均匀.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）.有臭氧层，但在平流层顶消失.气流平稳，空气的垂直混合作用显著减弱.水汽含量极少，天空多晴朗.可见贝云母中间层85km温度随高度增加 迅速下降.垂直运动强烈.水汽含量极少，几乎没有云层.出现电离层、夜光云热层800km温度随高度增加 迅速增高.空气高度电离.高纬度地区的晴

3、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一、以下描述哪些是指“天气”？哪些是指“气候”？.今天的足球比赛因下雨停赛。.北京的1月最冷。.今天下午最高气温 15C。.昨晚台风从广东省登陆。.昆明是个旅游胜地，因为那四季如春。.昨晚最低气温-20 C,是这个地方记录到的最低气温。.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”

4、：1、3、4、7“气候” ：2、5、6、昨晚最低气温-20 C,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 23C,估计其2km上空大气温度多少？解：已知气温直减率为C /100m2km上空大气温度 T=x 2000/100=10 C答：其2km上空大气温度约为 10C。三、某地区春季海平面气温10C,假设气温直减率为C /100m,对流层顶温度为-55 C,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） + X 100= 10000m= 10km因为对流层在中纬度地区的厚度平均为1012km,

5、所以该地区为中纬度地区。（对流层低纬平土高度 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25C,假设气温直减率为C,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=X 16000/100 = -79 C答：该地对流层顶温度是-79 C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眼大气吸收（主要被水汽、臭氧、微尘、二氧化碳等选择吸收），2蹴云滴

6、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U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纵射向地面白逆辐射，64嘱寸向宇宙空 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

7、的能量，由地面向大气输入的潜热 24麻口湍流显热 6麻补充，以维持大气能平衡。地面长波辐射到宇宙空间 6嘀口大气长波辐射到宇宙空间64%好f 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%大气长波辐射指出 159% 吸收=20%+109%+30%=159班面吸收=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艰反射(反射率 A二),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

8、)斯蒂芬-波尔兹曼常数s= X108W - m-2 K-4(3)去除反射部分外，地球以兀R2面积吸收的太阳辐射，然后以4兀R2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辐射平衡的关系，有Fs*S1*(1-A户E Tb*S2F5 * 字京(I - A) .一S=tiR2, S2=4 兀 R2,得到_-2.ETb=1368*4= W mETb =g,带入求得 根据斯蒂芬-玻耳兹曼定律，ETb =S*T 4,其中s= X10-8W m-2 K-4有，T=J号,带入解得，T=答：该情况下地球的等效黑体温度为。家庭作业二.为什么说大气的直接热源是地面辐射，而非太阳辐射？

9、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。.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 = sT 4, *10 -8*(288) 4=3

10、90W/m根据韦恩定律入=C/T: 2896/288=. 一团未饱和湿空气块， 从海平面开始沿山地爬升，此时温度为30C,其露点温度为20 Co设饱和后的湿绝热直减率为C /100m,求气块降温到10c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 ) /*100=3000m 。下沉时按干绝热下沉 10+3000/100*1=40 C。(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30c.但是，一般来说饱和上升时凝结的

11、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：35 C空气块每kg空气含水汽5g;15c空气块每kg空气含水汽5g;(3)将(2)的空气块降低 5C,其相对湿度变化多少？(4)如果20c空气块每kg空气含水汽7g,它的露点温度是多少？温度(C)饱和比湿(g/kg )饱和水汽压(hPa)-40-30-20-1020551071510201425203035354047答：相对湿度：f=水汽压/饱和水汽压*100%=e/E*100%比湿:q= p饱和比湿：qs=p所以，相对湿度 f=e/E*100%=q/qs*100%35 C 时：q=5/1=5 g

12、/kg f=q/qs*100%=5/35*100%=%15 C 时：q=5/1=5 g/kg f=q/qs*100%=5/10*100%=50%10 C 时：q=5/1=5 g/kg f=q/qs*100%=5/7=%-50%=%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) =3时的温度为露点温度。20C 时：q=7/1=7 g/kg与10c的饱和比湿相等，所以露点温度为10c(注意，有些同学根据 q=p,把p当做标准大气压，进而求出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=p,求出p,再代入，求e)5.如下图：A点气块位于

13、海平面高度，温度 25C,露点温度10C,山脉高度 3500ml 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C/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？10- (3500-1500 ) /100*=0 C ,因为已经饱和，所以露点温度也为0c0C时，饱和比湿为 kg,而开始凝结时为 10C,饱和比湿为7g/kg ,=所以有

14、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 C .30 C时饱和比湿为 kg.而在山顶0c时，饱和比湿为 kg,所以可再容纳水汽。(5) 0 C时饱和比湿为 kg。因无外来水汽加入，所以在 B点的比湿还是 kg,而在B点 的饱和比湿为kg,所以在B点的相对湿度为f=q/qs*100%=*100%=%。第三次作业.某地晚6点气温20C,相对湿度50%假设从此开始每 2个小时气温下降1C,到第二 天早晨6点时，能否形成雾？若假设每小时气温下降1C,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

15、比湿表，可近似或内插。)答：晚6点，20C,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1C,早晨6点时，20-1*6=14 C,饱和比湿约为9g/kg7g/kg , 所以空气未饱和，因此无法形成雾。(2)若每小时下降1C,早晨6点时，20-1*12=8 C,饱和比湿约为 6g/kg7g/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 C,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

16、。.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？s,所以下落实践理论上为答：假设此云滴尺寸为典型云滴，那么它下降的终极速度为1000/=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.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

17、气的运动速度是多少？（空气密度为 n3,1hPa=100kg/ms 2）解：根据公式和已知条件？ p=-700 kg/ms 2, ? n=1200*103m, p =m3有，Gn*10-4m/ s 2根据 v= Gn *t , t=3*60*60=10800s ,有 v=*10-4m/ s 2*10800=s。.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=*10-5s-1）解：地转偏向力 A=2y s sin（）, v=36km/h=10m/s , w= *10-5s-1,有当（f）= 30oN 时，A=2*10*10-5*sin30 o=*10-4

18、N当（f）=60oN 时，A=2*10*10-5*sin60 o=*10-4 N.指出北半球4个永久性大气活动中心和2个半永久性活动中心，并说明其位置和强弱的季节变化。名称永久性人气活动中心夏威夷局压太平洋夏威夷群岛亚速尔身压大西洋亚速尔群岛阿留申低压太平洋阿留申群岛冰岛低压大西洋冰岛半永久性 大气活动 中心夏季南亚低压亚洲南部北美低压北美西南部冬季西伯利亚局压亚欧大陆北美高压北美大陆冬季，海上阿留申低压和冰岛低压范围扩大，强度增强，位置南移；夏威夷高压和亚速尔高压，范围甚小，强度减弱。大陆上发展西伯利亚高压和北美高压。夏季，海上阿留申低压和冰岛低压仍然存在，但强度大为减弱，几乎消失；夏威夷高压和亚速尔高压强度增强，范围扩大，位置北移。大陆上发展南亚低压和北美低压，.对下列现象进行解释：（1）所谓的“三风四带”中的带状分布只出现在南半