第二讲 气象气候及其地球塑造

第二讲

气象气候及其地球塑造过程2008年10月8日用物理的眼光看世界

气象和气候课题，是物理学的又一大现实资源和研究成果的承受着和检验者，力热光电声，都是大气中实存的。但是，这里仅关注事物的物理的一面。

流体，水和空气，是地球面貌的外在塑造者和调和者。大气和水既为生命提供循环着的物质基础，也为生命提供环境。气候的长期的塑造作用，表现在生态面貌和生态质量等群量的层面上。

人也是生态塑造的一大因素。我们可以从这个角度来研究人为的环境影响课题。北京刮起大风学点气象和气候吧。地球流云装饰下的蓝海和绿地中国的卫星照片中华民族的心腹之痛长沙上空美丽壮观的日晕我们靠太阳生活南昌风云变幻是地球的真容貌。美国犹他州帕绍甘梯高原二月春风似剪刀！气候的营造和破坏人造与天造的对比和共存贵州普定石头堡村的田野里在大自然中简单并快乐着武汉东湖梅花傲雪争春怒放烂漫春风的先行使者武警官兵暴雨中坚守岗位艰苦有时是一种享受西湖小阳春桃花雷峰相映红白娘子可曾安好？云像天光云影共徘徊济南市千佛山风景区观赏雾凇景观两把小花伞考生冒雪报名回忆那提心吊胆的日子昆明瞬现的天象景观抬头望一望，瞬间有奇光极光奇观好奇是求知的推动力之一第一节大气及其构造地球的大气构造（外部）基本数据对流层：约0--10km平流层：约10—50km中间层：约50—80km热成层：约80—800km外大气层：约800—2000km1.1大气的构造和现象1.气象要素：空气温度，湿度，气压，风向风速，云量和云状，降水量，能见度，太阳辐射，土壤湿度和温度，蒸发量。2.天气现象：风、云、雷、电、雨、雪、霜、淞、霰，露。。。。3.太阳辐射：E0=σT4（黑体辐射定律）

λmax·T=2884μmºK4.大气环流：信风的形成和地球的大气流格局，也是季风形成的原因，是大气候的形成主因。

低纬度7—18km中纬度10—12km高纬度8—9km。夏季高度高于冬季，集中了3/4的水汽，气温随高度增加而降低，大约每上升100m下降0.65℃。顶部平均温度低纬度地区约为-83℃，高纬度地区约为-53℃。对流层顶部对铅直运动的气流有很大的阻挡作用，上升的水汽、尘粒多聚集其下。1.对流层

平流层位于对流层顶之上，约伸展50—55km高度。平流层中气温上升，层顶约为-3℃—-17℃。由于紫外线吸收空气，空气以水平运动为主，气流平稳，天气晴好，适宜飞机飞行。基本无云。2.平流层

从平流层伸展到80—85km高度。气温随高度增加而迅速下降，顶部达-113℃—-83℃3.中间层

又称电离层。它位于中间层到800km高度之间。空气质量仅为总质量的0.05%。空气分子在太阳紫外线和宇宙射线的作用下变为离子和自由电子，处于高度电离状态，能反射无线电波。在热成层内，随高度的增加，气温迅速上升。根据人造卫星观测，在300km高度上，温度达到1000℃，到800km处，温度可达2000℃。这是因为所有波长小于0.175μm的太阳紫外线辐射都被热成层的气体所吸收的缘故。4.热成层

800km以上成为外大气层。其上界高度可达2000—3000km，是大气与星际空间的过渡区域。这一层的温度也随高度增加而升高。其温度超过9000℃。空气分子的运动速度达12km/s5.外大气层第二节太阳辐射及其光谱太阳是个炽热的球体，表面温度达6000°K。根据黑体辐射能力公式E0：辐射物体单位面积上，单位时间内放射出的能量，卡/cm2minσ：波尔兹曼常数,8.24*10-11cal/(cm2min°K4)还有，λmax*T=2884μm*°K,

λmax:放射能力最强的波长，μm。

由此计算，太阳辐射波长的主峰应为0.48μm。太阳光谱读图要细心地球表面测得的太阳辐射波谱约在0.29—5.3μm之间，可分为三个光谱区。（1）波长大于0.77μm的称为红外区，约占总辐射能的43%；（2）0.39—0.77μm为可见光区，约占52%；（3）0.39—0.005μm之间为紫外区，约占5%。植物的叶子吸收的太阳能约为45%—50%，大部分转化成热能，供蒸发和蒸腾，其中用于制造有机物质的太阳辐射能仅占2—3%。

表示太阳辐射能强弱的物理量是太阳辐射能，为单位时间垂直投射在单位面积上的太阳辐射能，以I表示，单位

cal/cm2min.大气上界，日地平均距离时的太阳辐射强度，称为太阳常数，我国采用的太阳常数为1.94cal/cm2min。

2.1.太阳光谱的分布

1.

吸收作用：氧、臭氧、水汽、二氧化碳，一般吸收6%左右。氧和臭氧吸收紫外区，水汽和二氧化碳吸收红外区，吸收6%左右。约12%的太阳辐射被云层吸收。

2.散射作用：大气组分的小质点，当它们的直径小于或等于辐射波长时，产生散射。年平均7%的能量被散射回太空。当质点小于10-5mm时，散射能与波长的四次方成反比。i:散射系数。N：单位体积内的分子数。n：空气的折射率，于密度和波长有关。λ：波长其他还有3.放射作用、4.地面反射等

2.2.太阳光在大气中变化波长愈短，质点散射能力愈强，可见光中的蓝光、紫光的散射能力最强。所以晴天时天空呈蓝色。当大气中的水滴，尘埃质点的直径大于太阳辐射波长时，对各种波长的辐射光谱具有同等的散射能力。这是成为漫射。天空呈灰白色或乳白色是漫射的结果

2.3.两种光合作用色素借机思考一下颜色的问题2.4温室效应2.5植物和环境间的热交换植物是水做的第三节其他气象要素

3.1气温

地球大气吸收太阳辐射的能力很微弱，但大气吸收地面长波辐射的能力却很强，地面是空气增热的主要方式，因而大气的增热和冷却随下垫面的热状况而定。

土壤和空气之间，空气与空气之间的热量传递的方式有（1）辐射，（2）对流、（3）乱流、（4）平流、（5）水的潜热等方式。气温的日变化，一般最

高气温出现在14—15时，最低气温出现在日出前后，一日最高与最低气温的差为温差。气温的年变化，在北半球大陆上，一年中最热月和最冷月分别出现在7月和1月，在海洋上和海岸地区，最热月和最冷月出现的时间，较大陆落后一个月。气温因天气和地形的变化出现非周期性变化。白天气温随高度的增加而降低为正常，这样会形成密度差，造成上下层之间的对流。逆温则相反，是非常稳定的。逆温可以分为（1）辐射逆温（夜间）；和（2）平流逆温。空气的干绝热直减率为

1℃/100m，湿绝热直减率要低一些。

表示方法：（1），水汽压，空气中水汽所产生的分压力，为大气压的一部分，用毫巴表示。空气达到饱和时的水汽压为饱和水汽压。绝对湿度，g/m3；相对湿度，空气中实际水汽压与同温度下的饱和水汽压的百分比。饱和差，d=E-e。露点（τ）当空气中所含水汽一定时，即在水汽压不变的情况下，降低温度，使空气中所含水汽达饱和时的温度，称露点温度τ。

3.2大气中的水分

雨、雪、霰、露、霜、雾、云、雾凇（温度低于0℃的过冷却雾滴附着在物体表面而相成）、和雨凇（过冷却雨滴降落在0℃的物体表面冻结而成）。云可分为很多种，按高度分为高云、中云和低云，按形状分为十几种。蒸发量是指水平的自由水面单位时间内的蒸发量，是与实际的陆地或自然水面的蒸发量是不同的。

降水：从云中降到地面的降水和水平降水量的总和。小雨≤2.5mm/hr

中雨2.5—8mm/hr

大雨8.0—16mm/hr

暴雨≥16mm/hr若50mm/hr的降雨，则可能在房间内听不到说话的声音了

降水形式标准大气压：

纬度45°的海平面上，温度为0℃时，大气压力为760mm汞柱高度称为一个标准大气压，

1atm=1013.25mb。等压面、等压线和气压系统：若空气随高度上升发生绝热膨胀，温度随高度线形下降，约为1℃/100m,这相当于北半球上，水平向北移100km。等压面指空间气压相等的各点所构成的面。由于同一高度上各地的气压有高有低，因此等压面不是等高面。等压面的形状表示了地面气压的分布状况。等压面与水平面或等高面的交线，在水平面或等高面上就叫等压线。根据等压线的形式，气压形式分为以下几种。（1）低压，又称气旋。（2）高压，又称反气旋。（3）低压槽，(4)高压脊，（5）鞍形气压区等。

3.3气压干热风的形成机理空气的水平运动称为风，包括风向、风速。（1）成因，水平方向温度分布不均是产生水平气压梯度的主要原因。（2）影响风速的力，①地转偏向力，产生视运动，空气质点受水平气压梯度力的作用，按水平气压梯度力的方向运动，但由于地球的自转，这时空气质点保持惯性仍然按原来的速度和方向继续运动，而在地球上的观察者看起来，空气质点的运动却偏离了水平压力梯度力的方向。这种因地球自转使空气指点运动方向改变的现象，假想是受力作用的结果，称为地转偏向力。地球偏向力的大小和物体运动的速度和转动的角速度成正比。而惯性离心力可忽略不记。摩擦力，空气运动时，因受地面摩擦和气层间的相互摩擦作用，使空气运动减速，这种因摩擦作用产生的阻力称为摩擦力

风（1）季风，夏季大陆增热较海洋剧烈，大陆上的气压阶较海洋上大，到一定高度，就产生了自大陆指向海洋的水平气压梯度，于是在低地形成海洋高压大陆形成低压，空气自海洋流向大陆（高空相反），构成了夏季的季风环流。冬季低层由大陆流向海洋，形成冬季的季风环流。我国冬季为蒙古高压控制，海上为阿留申低压控制，盛行干燥而寒冷的西北风。夏天海上为太平洋高压控制，盛行温暖而湿润的东南风。（2）山谷风，白天风从山谷吹向山坡称谷风，夜间风从山坡吹向山谷，称山风。（3）海陆风，白天，风从海上吹向陆地称为海风，夜间，风从陆地吹向海洋称为陆风。（4）焚风，气流越山时，绝热下沉，在山的背风坡产生的干热风，既干燥也炎热。各种的风第四节大气环流

在自由大气中，平直等压线下，水平气压梯度力Gn与水平地转偏向力An达到平衡时的风，叫做地转风Vg，地转风垂直于气压梯度，而位于其右方。假设地球没有自转运动，赤道附近的气温永远高于极地。迟到附近的空气膨胀上升，空气堆积在高空，使赤道上空的气压高于极地，形成自赤道指向极地的水平气压梯度力。在水平气压梯度力的作用下，高空空气从赤道流向极地，使极地地面气压升高，引起低层空气由极地流向赤道。形成了南北向的闭合环流。但是，在赤道上，空气因受热而上升，到高空分成向南和北的两个支流。空气一开始运动就受到地转偏向力的作用。离赤道愈远，地转偏向力愈大。到30°附近的地方，地转偏向力增大到和气压梯度相等时，气流就沿纬度圈方向流动。空气在此不断堆积而下沉，在副热带地面形成了高压，即副热带高压地面则形成了向赤道的北半球东北风，称为信风。由副热带高压地面流向极地的一支气流在地转偏向力的作用下，在北半球中纬度地区形成偏西南风。极地高压形成偏东北风。两支气流在纬度60°附近相遇，形成环流，地面形成西南风带。同理，形成极地东风带。4.1大气环流的模式图第五节天气和天气预报中的几个术语

1.气团：在水平方向上，温度、湿度稳定度等物理性质比较均一的一大团空气。大小范围可达几百至几千公里，垂直几公里到几十公里。相对于周围，氛围冷气团和暖气团。

2.锋：当冷气团和暖气团相遇时，在它们之间形成一个狭窄的过渡带，宽度约为近地层的数十公里，可近似称为锋面，锋面与地面的交线称为峰线。

暖锋：暖气团推动冷气团，逐渐代替冷气团，称为暖锋，易产生降雨，地面锋之前开始降雨。

冷锋：慢性冷锋，冷气团移动速度慢，降雨为过渡型，降雨范围窄。快性冷锋，冷气团移动速度快，降雨为大雨、暴雨。准静止锋，禁锢峰

3.

锋面气旋：低压又称气旋，呈反时针方向气旋。高压又称反气旋，呈顺时针方向的气旋。

4.

寒潮：侵袭我国的寒流主要有1）北路、2）西北路和3）西向三条。天气预报包括天气形势预报和气象要素预报两类，预报的方法有（1）动力计算法，（2）统计预测法。目前，三日之内的预报还非常困难，五日以上基本还没有展开。现代科学技术，雷达、卫星和遥感等技术在气象部门应用很多。

第六节四季之歌红灯高挂贺新年迎新春

重庆渝北区人民广场2006-2-13火树银花闹元宵春到杭州梅花报信2006-3-3沈阳的新春初雪江苏连云港花果山出现瀑布状云海

2006-3-10湖北武汉东湖樱花俏争春2006年3月13日贵州贵定金海雪山春潮涌2006年3月9日呼和浩特春江水暖花先知清明节前采春茶桃红漫坡童心的小雨2008年5月13日

重庆上万学生露宿操场躲避余震初夏火烧云北京盛夏的水安徽旱情严重印度干旱与饥渴中的夏天荷花池边的夏天海水浴场人潮涌动广西钟山十里荷塘德国的彩虹雷电下的白宫--震怒美国大连的海滋-2003年非典过后海南的夏天的风暴航拍：云蒸霞蔚盛夏的傍晚，快乐童年待追忆燕山深处有人家黑云压城澳大利亚的夏天北京的夏天福州大学校区被淹2007-8月北京宣武门西大街冒雨骑车艰难行进淮河的夏天印度洪灾巴基斯坦的夏天法国水灾龙卷风疾风鼓舞起大浪水榭初秋长沙举行葡萄狂欢会

2007年9月23日兰州千人分享国内最大奥运月饼

2007年9月23日秋天，疾风劲草中的人们秋天献出的果实丹巴秋天的童话月亮下的都市秋风校园秋色我们的田野伦敦的黄昏古城深秋江南雪景雾凇大连的冬天1996年1月14日山东崂山雾凇歌舞冬天的新疆北京的雨凇南极生活冰天雪地较量车技沈阳的雾凇2006年1月辽东湾的海浪被寒潮定型第七节气候与生态

7.1.气候的生态塑造作用

气候所施加的光、热、水诸因素都是影响和制约外在生物形貌和内在适应机制的重要因素。由于气候的相对稳定性和长期的作用，为生态系统提供了条件限定，对生态系统进行了长期的塑造作用，进而与其地形地貌、土壤类型等协同进化，于是，生物与气候形成了一种耦合的关系。人类的介入，即通过技术手段来改变气候因子的方法来达到控制生物的目的，使得生物与气候的关系再一次复杂和多变起来，为了避免因知识不足而可能对生物造成的过度扰动，需要社会对气候进行深层次的认识。现在，气候条件已属于区域生态价值的一个重要方面（气候资源是生态资源的潜在支持），对经济活动也生活质量的关系相当密切，也将影响产业的规划和发展。气象、气候与小气候天气：在短时期内，一个地方中所发生的各种物理现象和物理过程，用各个气象要素综合表示的大气状态成为天气。气候：是一个地方多年和综合的天气状况，是长时间大尺度的大气物理过程。在太阳辐射，大气环流及下垫面三大因子控制下，形成了大范围地区的气候特征。小气候：在具有相同大气候特点的地区，由于下垫面某些构造和特性的不同，造成热量和水分收支不同。形成近地面大气层中局部地区特殊的气候，称为小气候（小气候主义）

太阳辐射，太阳是下垫面加热的主要能源，下垫面是太阳给大气能量的转运站。太阳辐射具有季节性的周期变化，各地气候也具有规律性的季节变化。赤道上，一年内正午太阳有两次经过天顶，一为春分，一为秋分，夏至和冬至日太阳高度角最小。我国纬度差约为49°（极南为3°59ˊN，极北为53°33ˊN）从北半球范围来说，包括了热带、压热带、暖温带、温带和寒温带五个气候类型。7.2太阳辐射与气候带太阳光照的季节变化太阳光照与纬度的关系我国年总辐射分布图7.3大气环流的形成模式图全球环流模式大气环流与水量

地球通过大气环流进行热量和水汽的输送和交换。两种不同性质气流会合还能生成气旋，产生云和降水。季风环流作用下，我国冬季是寒冷而干燥的极地大陆气团，夏季侵袭我国的气团是温暖而潮湿的热带海洋气团和迟到海洋气团。大陆性气团是温暖而潮湿的热带海洋气团和迟到海洋气团。大陆性气团控制下表现为大陆性气候，海洋性气团控制下为海洋性气候。两种性质不同的气团经常交错的地区形成气候交锋带。峰带地区往往有丰沛的降水和其他天气现象。气旋活动频繁的地方多湿润，反气旋活动的地方则降水稀少。

世界干旱地带分布我国年雨量分布图7.4土壤与气候的关系7.5下垫面性质与气候

下垫面指地面状况，包括水陆、地形、植被、冰雪覆盖等。下垫面特性不仅影响辐射过程，还决定气团的物理性质和气团特性。（1）海陆，海洋性气候的特点：海洋上吸收的热量多，放出热量少。同样多的太阳辐射，能量在海洋中可以分配在相当深厚的水层中，（海水的10米深处，I/I0=18%.）.冬季为热源，夏季为冷源。海洋气候特点，夏季凉爽，冬季温和，春温低于秋温。气温的日变化和年变化较小。相对也落后，降水丰沛，而且各季分布均匀。大陆性气候的特点：夏季炎热，冬季寒冷，气温日较差和年较差大，相对超前，春温高于秋温，降水稀少，而且集中于夏季。我国降水的路径：太平洋水汽可达甘肃东部；印度洋水汽可达华南及西藏南部河谷，北冰洋水汽可达新疆北部。因此，甘肃西部、新疆南部河谷，西藏北部几乎得不到海洋水汽，形成了大片的沙漠。（2）地形：有高山、高原、盆地、丘陵和峡谷等。盆地使气候趋于严酷；高山则使气候趋于缓和。山脉带常成为气候的分界线。如秦岭山脉就是我国南北方不同气候的分界线；海拔高度每上升100m，气温下降0.65℃，相当于纬度增加1°（约向北100km）。降水量在1500—2000m附近以下大体上随高度增加，以上反而减少。（3）人类活动：改变下垫面性质、改变大气成分、释放热量。随着工业、城市的发展和大规模开发自然，大气污染对气候的影响日益增加。其中二氧化碳浓度对地表起增温作用；尘埃起冷却作用。第八节小气候与生态建设

在太阳辐射、大气环流及下垫面三大因子控制下，形成了大范围地区的气候特征，称为大气候。在具有相同大气候特点的地区，由于下垫面某些构造和特性不同，造成热量和水分收支不一样，形成近地面大气层中局部地区特殊的气候，称为小气候。人类活动大部分在近地面气层中进行，所以，小气候与人类的关系更加密切，也容易控制和改造[这是环境工程的重要视角]，只要改变下垫面的特性和构造，就可以改变小气候。（中国的风水中的某些经验的科学解释多归结为小气候，小气候的社会学意义和实践意义都很大）。8.1城市小气候

城市气候是在城市特殊下垫面的作用下所形成的局部气候，特点为（1）建筑物高低不齐，街道交错，各种铺装路面组成不同，白天城市接受太阳辐射为立体受光，受光面积大，增热快，温度激增。夜间缓慢冷却。因此，城市一年中气温高于郊外。（2）城市排放大量的热量，形成“热岛”效应。城市空气中的杂质促进水汽凝结。因而城市比郊外有较多的雾。（3）城市有较好的排水系统，城市空气的绝对湿度和相对湿度比郊外低。（4）城市建筑物使气流受阻，风速减弱，风向紊乱。（5）冬季，城市上空多逆温层，促进大气污染。主要办法是城市绿化和建筑物布局，建筑材料的革新等。（1）

改变下垫面性质：建筑材料的革新。（2）

改变面热力性质：覆盖（草坪）（3）

改造小地形（4）

人工控制风速（5）

人工控制蒸发若能够进行景观（视觉构造）与小气候的全面考虑和改善，那当然是理想的做法了。

塑料大棚、地面覆盖等

8.2森林小气候