第1章大气科学概论(南京信息工程大学大气概论)

大气科学概论第一讲概述主讲人:李栋梁教授

张杰副教授

lidl@自我介绍1957-腊八出生1968-03-01上小学1971-03-01上初中1973-03-01上高中上山下乡饲养员、记工员、保管员、会计、民办老师1975-01-011978-03-01兰州大学兰州气象学校教书清水农业学校教书甘肃省气象局成人教育1982-01-191982-09-011983-03-01甘肃省气象科学研究所1986-01-011988南京气象学院读硕士工程师1992-09-011994-12-01副研究员研究所总工程师1996-04-201997-12-09气候中心主任中心台台长1998-01-011999-06-20研究员寒旱所研究员博导南信大教授/博导2001-012007-2020做点力所能及的事2031年架鹤西去？2021-2030第一次见到电脑！1988-2008年,20年共发表学术论文194篇,其中SCI论文12篇,出版专著2本发表论文（论著）情况：

共计在各类学术刊物发表研究论文近200余篇，其中SCI（E）收录论文12篇，国内核心期刊论文150篇；第一作者论文50余篇；第二作者论文50余篇。出版专（合）著2本，经查询，第一作者论文查询SCI数据库（WEBOFKNOWLEDGE：SCIEXPANDED，数据范围：1991-2006/11/5），在SCI数据库中共被收录2篇；在SCI数据库中共被引用20次。论文在中国科学文献服务系统科学引文数据库中共被收录25篇，共被引用310次。项目第一作者第二作者第三作者第四以后合计SCI收录21227SCI引用2046131核心期刊收录25432912109核心期刊引用31024611753726主要内容1.1大气科学的重要性、目的、意义1.2大气科学的研究对象和内容1.3大气科学的学科体系1.4大气科学的发展历史及现状1.5大气科学在生产建设中的应用图气候系统及其各圈层之间的相互作用1.1大气科学的重要性、目的、意义气象资料观测台站分布1：10万1990年和2000年土地利用数据1：100万植被类型数据1：100万土壤数据1km人口空间化数据

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您知道了想干什么?1.2大气科学的研究对象和内容大气科学研究内容：研究大气的各种现象及演变规律，以及如何利用这些规律为人类服务.大气科学研究对象:不仅限于大气圈，也研究大气与地球表层水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈的相互作用和物化过程；太阳系其它行星的大气。研究大气运动的能源，大气中的物质循环、能量转换和变化过程、大气环流及天气、气候的分布和变化，都与其它圈层之间存在相互影响和相互作用。极地赤道温室气体太阳辐射冰原蒸发降水侵蚀风化涌升地球气候系统及其各分量间的相互作用一.研究对象1──大气圈2.地球大气的组分地球大气的组分以氮、氧、氩为主，它们占大气总体积的

99.96％。其他气体含量甚微，有二氧化碳、氪、氖、氦、甲烷、氢、一氧化碳、氙、臭氧、氡、水汽等。大气中还悬浮着水滴、冰晶、尘埃、孢子、花粉等液态、固态微粒。地球大气层1.不可变气体成分：氮、氧、氩，这几种气体成分之间维持固定的比例。2.易变气体成分，以水汽、二氧化碳和臭氧为主，变化最大的是水汽。2.1.水汽：随着大气温度发生相变，成云致雨，成为淡水的主要资源。水的相变和水文循环过程不仅把大气圈同水圈、岩石圈、生物圈紧密地联系在一起，而且对大气运动的能量转换和变化有重要影响。静止卫星观测到某一时刻地球大气水汽分布一.研究对象1──大气圈2.2.二氧化碳：1.1含量：受植物的光合作用、动物的呼吸作用、含碳物质的燃烧以及海水对二氧化碳的吸收作用所影响1.2二氧化碳含量与年俱增：在工业发展、化石燃料（如煤、石油、天然气）燃量增加、森林覆盖面积减少的情况下，观测到现象。1.3

CO2和其它温室气体的增加，已成为研究现代气候变化的一个前沿课题。

CO2的近期增长状况以及人类对大气环境造成的影响因素一.研究对象1──大气圈2.3.臭氧：1.1.含量：大气中臭氧的含量很少，即使在离地表20～30公里的浓度最大处，其含量也不到这层大气的十万分之一。1.2.保护作用：吸收太阳紫外辐射中对生命有害的部分。1.3.增加平流层温度：1.4.含量变化：人类活动对高空光化学过程的影响会引起臭氧含量的变化，该问题已成为医学界和气象学界共同关注的问题

臭氧层分布及保护作用一.研究对象1──大气圈3.地球大气的密度、温度、压力、组分和电磁特性等都随高度而变化，具有多层次的结构特征。大气的密度和压力一般随高度按指数律递减；温度、组分和电磁特性随高度的变化不同，按各自的变化特征可分为若干层次。DCBA气温垂直分布图

14012010080604020高度（千米）温度（℃）一.研究对象1──大气圈4.地球大气的运动非常复杂4.1.季节变化：地球的自转和公转运动以及地球自转轴的方向产生了地球上的昼夜交替、四季变化和温度自赤道向两极递减的规律。4.2.地表的温度分布：并不完全按纬圈带分布，由于海陆分布和地貌等的不均匀。4.3.大气的温度、压力和密度之间有密切的关系。大气压力分布(即气压场)的不均匀会导致大气的运动，大气的运动又会引起气压场的重新调整。

21世纪后期（2090-2099）预估的地表温度变化

一.研究对象1──大气圈4.地球大气的运动非常复杂4.4.大气运动：机械运动、热运动等多种进行水平方向和铅直方向的物质和能量的传输和转换。大气圈通过各种机制相互紧密地联系在一起，形成空间尺度从几米到上万公里，时间尺度从几秒到数十天或更长时间的多种大气运动系统一.研究对象1──大气圈4.5.影响大气运动、变化的因素1——自然条件：大气的可压缩性、太阳辐射、地球的形状和它的重力、地球的公转和自转、地球表面的海陆分布和地形起伏、地球演化和生态系统等造成地球大气特定组成、结构和运动、变化状态。全球海陆分布图一.研究对象1──大气圈4.5.影响大气运动、变化的因素2——人为条件：人为的因素在变化着（如温室效应的气体增加，大面积森林砍伐等），自然的因素也在变化着（如火山爆发等引起辐射能的变化，地球自转轴方向的变化等）。火山爆发对近地大气短波辐射的影响一.研究对象1──大气圈土卫六（Titan，又称为泰坦星）是环绕土星运行的一颗卫星。它是土星卫星中最大的一个。在1655年3月25日被荷兰物理学家、天文学家和数学家克里斯蒂安·惠更斯发现，它也是在太阳系内继木星伽利略卫星发现后发现的第一颗卫星。由于它是太阳系唯一一个拥有浓厚大气层的卫星，因此被视为一个时光机器，有助我们了解地球最初期的情况，揭开地球生物如何诞生之谜。

卡西尼"首次近访土卫六

研究对象二.太阳系其它行星的大气观测是大气科学研究的基础分析和诊断是大气科学的基本研究方法数值模拟对于大气科学研究发展的作用研究手段和方法生病了有过程看医生做预报诊断诊断体温血压心率体液生化病理透视B超CT打针吃药做手术死了癌症好了天气经验特征统计动力量场雷达飞机探测常规经验预报数值模式预报不准突变准了1.3大气科学的学科体系大气科学传统上分为气象学、气候学和高层大气物理学3个领域。气象学主要研究对流层和低平流层每日甚至每小时的天气变化。气候学是对大气层某一区域长期(1个月至数百万年)的天气状况的统计描述。高层大气物理学主要研究高层大气的物理状态及支配过程，高层大气是指低平流层以上的大气区域。沙尘天气过程（上）平流层大气物理（下）温度、海平面和北半球积雪变化（右）▲大气科学的学科分支大气探测、气候学、天气学、动力气象学、大气物理学、大气化学、人工影响天气、应用气象学等。

天气动力学和气候动力学卫星气象学雷达气象学（一）大气探测：是一门研究探测地球大气中各种现象的方法和手段的学科。按探测范围和探测手段划分，大气探测有地面气象观测、高空气象观测、大气遥感、气象雷达、气象卫星等次一层分支。探测手段的飞跃往往带来以往难以预计的重大发现,在大气科学的发展进程中,大气探测起了十分重要的作用。云中冰／水的质量CloudSatMLSAMSR云微物理特性MODISCloudSatPARASL降水CloudSatAMSR气溶胶光学特性CALIPSOMODISPARASOLOMI云光学特性CALIPSO,MODIS,andPARASOL化学TES,MLS,OMI辐射通量CERES多颗卫星观测系统（二）气候学：是一门研究气候的特征、形成和演变以及气候同人类活动相互关系的学科。研究内容主要包括气候特征、气候分类、气候区划、气候成因、气候变化、气候与人类活动的关系、气候预报和应用气候等。20世纪70年代以来，全世界发生几次气候异常，不少地区粮食产量大幅度下降，引起世人对气候的严重关注。工业生产引起大气中CO2和其他有温室效应的气体（如CH4、N2O等）含量逐年增加，若干年后对地球气候将发生什么影响，是非常令人关切的问题。全球和大量气候变化（二）气候学：电子计算机的采用，促进了对气候变化物理因子和气候模拟的研究，气候预测已不再是虚无缥缈的难题，而已成为一个具有战略意义的课题了。

CABLE模式在NPP模拟(左)基础上对降水(右)进行模拟研究（三）天气学：是一门研究大气中各种天气现象发生发展的规律以及如何应用这些规律来制作天气预报的学科。研究内容主要包括天气现象、天气系统、天气分析和天气预报等。气候学和天气学研究的成果，不但为大气科学提供丰富的研究课题，而且还直接为国民经济服务。

2009.8.9号莫拉克台风带来的豪雨重创南台湾

援救现场（四）动力气象学：是一门应用物理学和流体力学定律及数学方法，研究大气运动的动力和热力过程及其相互关系的学科。研究内容主要包括大气热力学、大气动力学、大气环流、大气湍流、数值天气预报和数值模拟等。动力气象学的发展对更深刻地认识大气运动的机理、掌握天气和气候变化的规律有十分重要的作用，它是大气科学的理论基础学科。起沙动力学条件分析(引自：周秀骥等，2002)（五）大气物理学：是一门研究大气的物理现象、物理过程及其演变规律的学科。研究内容主要包括云和降水物理学、大气光学、大气电学、大气声学、大气辐射学等。大气物理学也是大气科学中的理论基础学科。50年代以后，也有人把动力气象学包括在内都称为大气物理学。（六）大气化学：是一门研究大气组成和大气化学过程的学科。研究内容主要包括大气微量气体及其循环、大气气溶胶、大气放射性物质和降水化学等。大气中沙尘气溶胶分布个例大气化学观测（七）人工影响天气：研究如何通过影响云和降水的微物理过程使某些大气现象、大气过程发生改变的技术和方法。如人工降水、人工防雹、人工消雾等。人工影响天气是人类改造自然的一个组成部分。凝结核化过程人工影响天气作业是将气象学的原理、方法和成果应用于农业、水文、航海、航空、军事、医疗等方面，同各个专业学科相结合而形成的边缘性学科，也是充分开发利用气候资源的重要领域。

2006年非洲的农业干旱（八）应用气象学：1.4大气科学的发展历史及现状1.剧烈天气之实时监测与预报：遥测设备的蓬勃发展以及下游应用。气象雷达、气象卫星、以及气象飞机等。这方面的研究需要大气科学家和下游应用各学门专家的通力合作。2.大气与海洋的交互作用：季风和ENSO现象的研究，并延伸至短期气候变化的预测，这方面的研究关连到大气科学家与海洋学家的合力研究。（一）大气科学的最新发展

飞机雷达卫星等探测手段结合3.大气问题的数值模拟：数值仿真天气及预报，利用计算机自动计算结果经人为诠释来预报天气。这方面的研究关连到大气科学家，应用数学家及电子计算器专家的合作。台风的卫星影像及风向和降水移动路径的数值模拟（一）大气科学的最新发展（一）大气科学的最新发展4.空气污染问题：热岛效应,全球增温,南极臭氧洞等。这方面的研究关连到大气科学家与化学家的通力合作。(左)空气污染与(右)城市热岛（一）大气科学的最新发展5.探讨地球气候变迁的历史：这方面的研究牵涉到大气科学家，地球化学家，地质学家,海洋学家,及冰河学家们的合作。探讨百年甚至千年气候变化的原因与未来之可能趋势，并讨论因应对策。气候系统内部相互作用气候变量内部响应原因(外部强迫)板块构造变化地球轨道变化太阳辐射强度的变化植被大气冰雪海洋地表大气层变化冰雪层变化植被的变化海洋的变化地表层变化地球气候系统以及其分量间的相互作用6.太阳表面扰动所造成地球高层大气各种特殊现象产生的物理过程：磁暴/太阳风→通讯、太空天气预报的计划。这方面的研究牵涉到高层大气物理学家，太阳物理学家及太空物理学家们的通力合作。7.其它星球的大气探索：遥测技术,实地太空观测（宇宙飞船）,近代物理之辐射理论的发展与应用等。太阳表明的扰动(上)太阳表面粒斑化特征图,包括太阳黑子,光斑,和光焰[flares]。(下)日全蚀下的日冕。太阳活耀年时(1958)太阳表面的黑子、光斑、及光焰数目非常多。反之，称为太阳安静年(1964)。（一）大气科学的最新发展（一）大气科学的历史（1）大气科学是研究大气与其相关现象的科学（气象和气候）希腊哲学家亚里士多德（340BC），Meteorologica，和天气与气候相关的知识，并包括天文学、地理学、以及化学。云、雨、雪、风、雹、雷、和飓风等。”meteoros”希腊字意指在高空中。Meteorology一字表示由高空掉落以及在空气中各种事务或现象称之。希腊哲学家狄奥佛拉斯塔（287BC），BookofSigns，第一本天气预报的书，利用与天气变化有关的讯息来预报天气。气象学成为『自然科学』源于利用科学仪器来量度气象变数。（一）大气科学的历史（2）意大利天文学家伽利略(16世纪)：温度计。意大利数学及物理学家托里赛利(17世纪)：水银气压计。法国数学及哲学家帕斯卡和笛卡儿(17世纪)：气压随高度变化。英国科学家霍克(17世纪)：风速计。德国物理学家华氏(18世纪)：定华氏温标。法国化学家查尔斯(18世纪)：温度与固定体积空气的关系。瑞典天文学家摄氏(18世纪)：定摄氏温标。美国科学家法兰克林(18世纪)：放风筝入雷暴证明闪电来源。瑞士地质及气象学家笛绍高斯(18世纪)：毛发湿度计。气象参数（温度，气压，风速风向，湿度，闪电）的度量与天气现象之关系开始被建立（一）大气科学的历史（3）英国气象学家哈德里(18世纪)：解释地球旋转如何影响赤道的风向。1821年，天气图被绘制（天气现象）法国物理学家科氏(19世纪)：利用数学证明地球旋转对大气运动的影响。1842年，电报系统发展，长程通讯对气象事业发展影响深远1869年，等压线的绘制（现代天气图）挪威学派(TheBergenSchool)1920年，气团与锋面的概念开始建立:极锋理论(polarfronttheory)，近代天气学的开端(Bjerknes,Solberg,Bergeron)（一）大气科学的历史(4)芝加哥学派(TheChicagoSchool-Dynamicalmeteorologyera)1940年气球探空、雷达、气象飞机，西风喷流，罗士比波(Rossbywaves西风带长波的发现)，WMO成立现代气象科学的蓬勃发展1950年冯纽曼与查尼(J.Charney)，高速电子计算器，建立准地转理论（长波与气旋锋面），数值天气预报(NWP)Rossby:Longwavesinthewesterly（一）大气科学的历史(4)1960年，气象卫星（泰洛斯1号），全球天气监测(热带海洋气象)，多普勒雷达1970年，全球气候与环境变迁，南方震荡(ENSO)，南极臭氧洞，全球暖化1980年，剖风仪、双偏振都卜勒雷达、复杂卫星系统、超大快速电子计算器微波辐射计测得大气温湿度及液态水分布20~30年代,三大气压震荡,北大西洋震荡(NAO),北太平洋震荡(NPO),南方震荡(SO);Walker(1932)30年代,大气长波理论-罗士比波,Rossby(1939)（一）大气科学的历史（5）20世纪气候学理论研究的十大成就

大气海洋交互作用南方震荡40~50年代,时间平均环流之长波预测,Namias(1953)60年代,赤道东西向沃克环流,Bjerknes(1969)

全球大气环流（一）大气科学的历史（5）20世纪气候学理论研究的十大成就70年代,温室效应(doublingCO2),Manabe(1975)80年代,月平均环流预测,Miyakoda(1986)温室效应（一）大气科学的历史（5）20世纪气候学理论研究的十大成就80~90年代,ENSO预测,CaneandZebiak(1986)80~90年代,ENSO理论,Suarez(1988),Battisti(1989)（一）大气科学的历史（5）20世纪气候学