气象学与气候学第一章1课件

气象学与气候学

MeteorologyandClimatology课程设置总学时：40学时参考书目《气象学与气候学》主编周淑贞高教出版社考核：平时成绩占20%，出勤考核（3次以上缺勤总成绩视为不及格）、作业闭卷考试成绩占80%课程内容章节教学内容课时安排一引论3二大气的热能和温度6三大气中的水分4四大气的运动6五天气系统7六气候的形成6七气候带和气候型4八气候变化和人类活动对气候的影响4课程目标掌握大气中的物理现象、物理过程和大气运动的基本原理掌握天气演变和气候的形成、分布、变化的基本原理了解人类对天气的影响和改造的基本原理课程的学习目的与基本要求主要讲授：气象、天气、气候的基本知识、基本理论和有关观测的技能和方法。基本掌握：大气物理性状、大气的热能学、大气水分与大气运动、天气系统和天气过程重点掌握：气候的形成和分布的规律；了解气候变化和人类活动对气候的影响，并通过实践初步掌握气象观测技能和方法。第一章引论一气象学与气候学的研究对象与任务及简史二气候系统概述三有关大气的物理性状基本概念1大气atmosphere包围地球的圈层气态物质——空气，统称为大气气象大气中的冷、热、干、湿、风、云、雨、雪、雾、霜、雷电、光等各种物理现象和物理过程的统称。

本学科的研究对象主要包括三个,即:气象学、天气学和气候学气象学（Meteorology）

a.气象学的定义运用物理学原理和数学物理方法，研究发生于大气中一切物理性质、物理现象和物理过程的大气学科。

物理现象：风、云、雨、雪、雹、冷暖、干湿、光、电、声等现象。

物理过程：大气中增温、冷却、蒸发、凝结的过程。物理现象

积雨云降雨已移过测站，但云的后部仍在下雨，被太阳照射之后，由于雨滴对阳光的折射和反射作用而形成内紫外红的虹（一次反射，两次折射）。同时也出现明显的内红外紫的霓（两次反射，两次折射）。霓弱于虹

物理现象物理现象

天空中的圆月被一层薄云遮盖，月光透过薄云时，产生衍射而形成了彩色光环的华。

高积云的边缘已遮住了太阳，由于云中水滴对阳光的衍射而形成内蓝外红的华。

根据华环直径的变化，可以预测天气。如果华环逐渐扩大，表明云里水滴、冰晶因为蒸发而在变小，所以不会下雨，或者晴天就将来临。如果华环直径在缩小，表明云里水滴、冰晶在逐渐增大，云层逐渐增厚，天气将转阴雨。民间说：“大华晴，小华雨。”物理现象

云层薄而均匀，阳光透过云层形成一个晕圈，在太阳两侧的晕圈上出现两个光斑，叫做“幻日”、“假日”。Sundogs飘浮在空中的六角形柱状的冰晶体，偶尔会整整齐齐地垂直排列在空中。当太阳光射在这一根根六角形冰柱上，就会发生非常规律的折射现象。物理过程地球上的水汽循环b.气象学的研究对象——地球上的大气其中主要内容有：（1）大气一般的组成、范围、结构及各种要素等；（2）大气现象的发生、发展及能量来源；（3）探求大气现象的本质及其变化规律；（4）将大气现象中的规律应用于实践。概念2天气某一地区在某一瞬间或某一段时间内大气状况和大气现象的综合。

大气状态：大气的气压、气温和湿度等。

大气现象：大气中的风、云、雾、雨、雪等现象。

天气预报：气温、相对湿度、露点、气压、风速及风向、云覆盖度、降水等例如：三亚市某日的最高气温30°C，最低气温20°C，午后有雷阵雨，这些都属于天气现象。“今天天气很好，风和日丽，晴空万里；昨天天气很差，风雨交加”等等天气学a.天气学的定义:

天气学是研究一定地理条件下，不同区域内所产生的天气系统、天气过程的成因演变规律，并在天气预报上应用的科学。天气系统：引起天气变化和分布的高压、低压、高压脊和低压槽等。天气过程：天气系统的发生、发展、消失和演变的全过程。天气预报：人们根据对天气演变规律的认识，利用多种观测及模拟手段，对未来一定时期内天气变化作出主、客观的判断。b.天气学的研究对象:地球上的天气。天气系统气候学Climatologya.气候学的定义

气候学是在一定时段内由大量天气过程综合而得出的大气过程，是该时间段内全部气候成分的平均统计特征,广义上讲是大气科学、海洋学、地球物理和地球化学、地理学、地质学、冰川学、天文学、生物学以及有关的社会科学相互渗透和共同研究的交叉科学。b.气候学的研究对象：地球上的气候。气候系统内各成员相互作用，气候形成和变化过程，气候变化的机制。（气候）探索气候变化与人类活动的相互关系。（气候与人）三部分的关系：

气象学是基础，天气学是纽带，气候学是综合。3.变化周期不同:天气：变化快，周期短。短期天气过程：≤5天；中期天气过程：5-10天；长期天气过程：10天-3个月。气候：变化慢，周期长。主要分：年、十年、百年、千年、万年例如：大冰期-120万年；中国明清时代的寒冷期长达500年。天气与气候的差异时间尺度稳定性空间尺度天气短差小气候长强大3031研究任务和内容:P3（一）通过实践，掌握气象观测、气候统计分析和气候调查的方法，来记述所观测到的气候现象，从定性和定量两方面说明他们的特性。（二）探讨它们的正确解释和研究它们的发展规律，特别要掌握天气演变和气候形成的规律性，了解和解释各不同地区的气候特征，弄清气候资源及其地理分布，进行气候分类和气候区划，研究气候变迁的原因及其规律。（三）应用已发现的规律，采取有效措施，充分利用气候资源，减少人类活动对气候的不利影响，防御或减少气候灾害，为有关的生产建设服务。（四）气象学、气候学与自然地理学、环境生态学和区域地理等有密切的依存关系，在教学中还应注意为这些有关后续课程奠定必要的基础。1、掌握方法、记叙现象，说明特征；2、探讨规律，弄清分布，进行区划；3、应用规律，采取措施，防御灾害；4、为有关后续课程奠定基础。气象学与气候学的发展简史1.萌芽时期时间：16世纪中叶以前特点：由于人类生活和生产的需要，进行一些零星的、局部的气象观测，积累一些感性认识和经验，对某些天气现象做出一定的解释在我国在国外

在我国：三千年前殷代甲骨文中出现关于大气现象的记载春秋战国时期确定二十四节气秦汉时出现世界上最早关于物候的文献——《吕氏春秋》、《淮南子》和《礼记》等风向器、湿度计的发明和应用，始自汉代的雨量和水旱灾记录丰富、历史最悠久积累了大量的预知未来天气的天气谚语

星星密，雨滴滴。星星稀，好天气。星星明，来日晴。蜜蜂归窠迟，来日好天气。鱼儿出水跳，风雨就来到。水缸穿裙，大雨淋淋。朝霞不出门，晚霞行千里。三月三，脱了棉袄换布衫。日落乌云涨，半夜听雨响。日落胭脂红，非雨便是风。日落云里走，雨在半夜后。天上跑台云，地上雨淋淋。西北起黑云，雷雨必来临。云自东北起，必有风和雨。有雨山戴帽，无雨山没腰。天上鱼鳞斑，晒谷不用翻。天气谚语国外气象学的萌芽：公元前4世纪希腊哲学家Aristotle著有《气象学》一书古希腊人认为地球上由于太阳光线倾斜角度的不同，才产生气候的差异，并建立了关于热带、温带和寒带的概念在这一时期，气象学和天文学是混在一起的，可以说具有天象学的性质2.发展初期时间：16世纪中叶到19世纪末特点：各学科的发展为气象学与气候学的发展奠定了理论基础气象观测仪器的发明，地面气象观测台、站相继建立，形成了地面气象观测网；并因无线电技术的发明，能够开始绘制地面天气图由于具备了上述条件，气象学、气候学乃与天文学逐渐分离，成为独立的学科。主要成果发明诸多气象观测仪器1593年，意大利学者伽利略发明温度表1643年，意大利学者托里拆利发明气压表1653年，意大利北部建立了第一个地面气象观测站1783年，索修尔发明毛发湿度表1860-1865年间各国纷纷绘出了天气图伽利略温度计托里拆利气压计主要成果研究成果关于海平面上风压关系定律、气旋模式和结构、大气中光电现象和云雨形成的初步解释、大气环流的若干现象解释等出版比较有质量的世界范围内的气候图1983年，德国学者汉恩出版了世界上最早的气候学巨著——《气候学手册》3.发展时期时间：20世纪以来特点：随着生产发展的需要和技术的进步，不但进行地面气象观测，也进行高空直接观测，从而摆脱了定性描述阶段，进入到定量试验阶段，从认识自然，逐步向预测自然，控制和改造自然的方向发展。这一时期又可分为早期和近期两个阶段。a.早期时间：20世纪前50年特点：利用传统探空工具，观测开始向高空发展，为高空气象学的发展奠定了基础。主要成果锋面学说10年代挪威Bjerknes1-2天的预报长波理论30-40年代瑞典Rossby2-4天的预报降雨学说30-40年代Bergeron-Findeison人工影响天气气候型30-40年代Koppen,Thornthwaite,Алисов动力气候学小气候我国：

竺可桢，气象台站和雨量站的建立。偏重于我国气候区划和季节的划分，以及对我国的季风、寒潮、台风和旱涝问题的研究。一丝不苟——座右铭

排万难冒百死以求真知——做人原则

博学之，审问之，慎思之，明辨之，笃行之——处世原则b.近期时间：20世纪50年代以后主要特点表现为：大规模的观测实验；对大气物理现象进行数值试验；把大气作为一个整体进行研究；气候学领域的科学革命。二气候系统概述2.1气候系统组成2.2大气圈（组成和结构）2.3水圈、陆面、冰雪圈和生物圈气候系统：一个包括大气圈、水圈、陆地表面、冰雪圈和生物圈在内的，能够决定气候形成、气候分布和气候变化的统一的物理系统。452.1气候系统组成气候系统：一个包括大气圈、水圈、陆地表面、冰雪圈和生物圈在内的，能够决定气候形成、气候分布和气候变化的统一的物理系统。大气圈：气候系统的主体，最可变的部分。水圈：主体是海洋，海洋在气候形成变化中起着十分重要的作用（面积大，比热大，含有大量盐分，水汽蒸发旺盛等）。岩石圈：影响较缓慢。冰雪圈：致冷致干效应。生物圈：反映灵敏，变化是可见的。462.1气候系统组成2.2大气圈大气圈是指因地球的引力而聚集在地表周围的气体圈层。大气圈无色无味，那么它是否真的存在呢？大气圈存在的主要证据或现象大气圈存在的主要证据或现象:

a.蓝色的天空

这是由于大气中的一些非常细小物质成分，如气体、粉尘等非球形微粒，它们的直径较阳光的波长小得多，因此，蓝色的散射量较之于其他任何一种颜色能更多地被选择散射。这种散射称瑞利散射。b.白云

如果形成散射的粒子的形状是球形的，而且其直径并不比阳光的波长小，所有的波长都是平均地被散射的，这种散射称迈耶散射。因此，云是白色的。c.风

有风就说明有物质的存在，因为风是由于大气不同部位的压力差别造成的。如果在真空中就不会有风了。d.流星

流星就是陨石穿过大气层时，由于其速度太快，与大气摩擦产生热使陨石燃烧起来。

否则我们的地球也与月球一样“千疮百孔”。

没有大气保护的月球表面太空中的飞船返回舱神州飞船返回舱返回舱着地后表面留下了与大气摩擦、烧蚀的痕迹1.大气的组成a.大气圈的总质量：

5×1018kgb.大气密度：

1293g/m3(气压1013.25hPa，0℃)c.主要成分：d.成分的分类及其特点：

（1）恒定组分：氮、氧、氩

（2）可变组分：二氧化碳、臭氧、水蒸汽

（3）其他组分：粉尘、硫氧化物、氮氧化物大气的组成按体积计算按质量计算氮，78.09％氮，75.51％氧，20.94％氧，23.15％氩，0.93%氩，1.28％其他，0.04％其他，0.06％地球大气气体的组成350ppm387ppm干洁大气的主要成分：

O2、N2

、CO2

、O3

O2的作用

（1）用于呼吸作用维持生命，新陈代谢

（2）有机物燃烧、腐化、分解（3）植物光合释放氧气

N2的作用

（1）冲淡氧气，控制氧化速率（2）固氮，植物养料

CO2的来源及作用

来源：有机物燃烧，腐烂和生物呼吸

作用：温室气体，植物光合作用原料O3的来源

来源：高空臭氧、低空臭氧氧分子光解作用为氧原子,再化学反应与另外的氧分子结合

O2→O+O2→O3

臭氧的形成过程在大气层中主要由太阳紫外辐射来完成，少量是由于有机物的氧化、雷电和火山喷发等而产生的。

O3层的破坏：主要为CFC

氯氟烃的英文名称Chloro-fluoron-carbon臭氧层空洞南极上空的臭氧层空洞是指每年的8月下旬至10月上旬，在20～25公里高度的南极大陆上空，臭氧总量开始减少并出现空洞,10月初空洞面积最大，可达2,000多万公里，覆盖了整个南极大陆及南美洲南端的上空；11月份臭氧浓度才重新增加，臭氧层空洞也逐渐消失。

由三个氧原子组成，平均含量为0.01—0.1ppm，大部分集中在10~30km的平流层，对流层臭氧仅占10%。臭氧在地球大气化学中起着非常重要的作用，臭氧通过吸收太阳辐射维护地球的能量平衡和生态平衡。臭氧—O3(Ozone)

臭氧层的破坏与保护南极上空的臭氧层空洞就像一个巨大的蓝色水滴9月16日为

国际保护臭氧层日

水汽（1）水汽的来源：蒸发和蒸腾作用（2）水汽的时空分布：地面＞高空，热带＞极地，海洋＞沙漠，夏季＞冬季（3）水汽的作用：云和降水的源泉影响地面、空气温度及大气垂直运动海洋湖蒸发水汽输送地表径流地下径流降水降水蒸发植物蒸腾下渗大气中的水分循环大气中的水分循环类型及环节、作用海陆间大循环：是在海洋与陆地之间，其环节包括蒸发、水汽输送、凝结降水、地表径流、下渗、地下径流。作用是使陆地水不断得到补充，水资源得以再生，是最重要的循环，又称大循环。陆地内循环：陆地与陆地上空之间，其环节包括蒸发、植物蒸腾、凝结降水等。作用是补给陆地水体的水量，但所占份额较少。海上内循环：海洋与海洋上空之间，其环节包括蒸发、凝结和降水等。作用是水循环的水量最大，对于全球的热量输送有着重要意义。

水分循环意义和作用（1）联系调节作用：地球上的各种水体通过蒸发（包括植物蒸腾）、水汽输送、降水、下渗、地表径流和地下径流等一系列过程和环节，把大气圈、水圈、岩石圈和生物圈有机地联系起来，构成一个庞大的水循环系统。（2）平衡更新作用：在水循环系统中，水在连续不断地运动、转化，使地球上各种水体处于不断更新状态，从而维持全球水的动态平衡。（3）迁移交换作用：水循环还促使自然界物质的运动和能量的转化，从而使地球表层各圈层之间，以及陆地和海洋之间实现物质的迁移和能量的交换。（4）影响塑造作用：水循环运动影响着全球的气候和生态，并且使水成为自然界最高动力作用的因子之一，不断地塑造着地表。水循环对自然环境的影响水循环影响气候变化，通过蒸发进入大气的水汽，是产生云、雨和闪电等现象的主要物质基础，空气中的水汽含量会直接决定区域的湿润状况。水循环使得不同时段、不同地域内的水热状况得到重新分配，如水通过蒸发形式在某个时间和地区将太阳辐射转变为潜能，经过水循环，在另一个时间和地区内又通过降水形式将潜能释放。（海洋中的暖流由低纬地区流向高纬地区时区时所释放的热量提高了周围地区的气温，寒流由高纬地区流向低纬地区时吸收了热量，降低了周围地区的气温。）水循环还可使部分海洋水汽流随大气流深入大陆内部，虽然数量不多，但也能在一定程度减轻内陆的干燥程度，改变其自然景观。气溶胶（Aerosols）

空气中悬浮的固态或液态颗粒的总称，能在空气中滞留至少几个小时。尺度：10-3—102μm

数密度：102—106个/cm3城市＞农村，陆地＞海洋，冬季＞夏季作用：形成云、雾，降水条件改变辐射平衡造成大气污染，能见度降低造成光学现象来源：自然源和人为源海水溅沫气溶胶可以从两方面影响气候：通过散射辐射和吸收辐射产生直接影响，作为云凝结核或改变云的光学性质和生存时间而产生间接影响。气溶胶放大照片大气的结构a.对流层

厚度：平均11－13km，赤道17－18km，两极8－9km。

质量：约占大气圈质量的75％。

气温：从下向上是降温的，大气降温率（气温直减率）是6.5℃/km，对流层顶约-83℃。

大气运动：空气具有强烈的对流、乱流运动。

成分：含水蒸气、尘埃，气象要素水平分布不均匀。

气象现象：风、霜、雨、雪、雹、雾等。

b.平流层

高度：从对流层顶到55km左右。

质量：几乎占大气圈质量的25％。

气温：从下向上是升温的，到平流层的顶温度升到0℃。

大气运动：水平运动，没有强烈的对流运动，天气多是晴朗的，飞机在此层飞行不易颠簸。

成分：几乎不含水蒸气、尘埃，存在数层臭氧层。

无天气现象。

c.中间层高度：从平流层顶到80－90km。气温：从下向上是降温的，到中间层的顶温度降到-113-83℃。大气运动：有相当强烈的垂直运动。该层的60-90km高度上有一个只在白天存在电离层（D）。

d.暖层（热层、热成层）高度：从中间层顶到800km（观测约在250-500km）。气温：从下向上迅速升温，到300km高空，温度达1000℃。（高纬度地区的晴夜，可以出现彩色的极光）存在多层的电离层（E、F、G），也称电离层，反射无线电波。e.散逸层（外层）

高度：从暖层顶到外层空间。物质多以原