石大自然地理学课件03大气和气候

第三章

大气和气候

AtmosphereandClimate第一节大气的组成和热能第二节大气水分和降水第三节大气运动和天气系统第四节气候的形成第五节气候变化第一节

大气的组成和热能一、大气的成分(AtmosphericComposition)干洁空气：N2(78.09%),O2(20.95%),Ar(0.93%),CO2(0.03%),O3水汽：整个大气包含的水汽平均为1.24X107kg，相当于24mm厚

的水层。而大气总降水量为780mm，大气中的水汽每年

更替约32次，即11天更替一次。悬浮尘粒及杂质：

Compositionofthehomosphere二、大气的结构

(Atmosphericstructure)㈠大气质量

1.大气的高度

大气的上界，通常有以下两种分法：

一是着眼于大气的某些物理现象，把极光出现的高度1200㎞作为大气上界，称为大气的物理上界；二是根据大气的密度，用接近星际的气体的密度估计大气的上界，为2000-3000㎞。2.大气质量假定大气质量均一，高度为8000米，则大气柱质量为：m0=p0H=1.225×10-3×8×105=1013.3g/cm2p0为标准情况下(T=0℃,气压1.01×105Pa)的大气密度。实际大气密度随高度呈指数增长，因而大气质量减少也按指数增长。㈡

大气压力定义：从观测高度到大气上界单位面积上垂直空气柱的质量，称为大气压强，即气压。

P=F/S单位：mmHg；mb；hpa

气象学采用：hpa㈢

大气分层

分层主要依据：物质组成大气温度的变化大气运动三、大气热能㈠

太阳辐射(SolarRadiation)：

太阳常数：日地平均距离下，太阳光垂直照射并排除大气影响的条件下，地面上单位面积(cm2)每分钟所接受的太阳热量为8.16J/cm2·min可见光λ=0.4-0.76μm，约占总能量的50%；红外辐射λ＞0.76μm，约占能量43%；紫外辐射λ＜0.4μm，约占总能量7%。㈡

大气能量及保温效应1.大气对太阳辐射的直接吸收作用很小，只占太阳辐射能的18%左右，主要吸收物质是水汽、臭氧。2.地面吸收太阳辐射的50%，再以λ＞3μm的长波辐射向外辐射，其中75-95%被大气吸收.3.潜热输送海面、陆面以水分蒸发的形式使地面热量输入大气中，地-气之间的交换主要是通过潜热输送来完成的，占辐射平衡的84%；4.感热输送亦称显热输送，占辐射平衡的16%；大气辐射：大气获得热能后依靠本身温度向外辐射。

㈢

地气系统的辐射平衡

四、气温(Temperature)

气温是大气热力状况的数量度量。空气中气体分子运动的平均动能与绝对温度成正比。

(一)气温的周期性变化

(与纬度、季节、地表性质、天气状况有关)1.气温的日变化

2.

气温的年变化(二)气温的水平分布1.

等温线分布的总趋势大致与纬圈平行。2.

同纬度夏季海面气温低于陆面，冬季海面气温高于陆面，等温线发生弯曲。3.

洋流对海面气温的分布有很大影响。4.

近赤道地区有一个高温带，月平均温度高于24℃，称为热赤道。5.

南半球无论冬、夏，最低气温均出现在南极；北半球最低气温冬季出现在高纬度大陆，夏季出现在北极地区。(三)气温的垂直分布对流层内，气温随海拔升高而降低。平均为0.65℃/100m。气温随高度的变化，称为气温垂直递减率，简称气温直减率r.

一般而言，夏季和白天气温直减率大，冬季和夜晚气温直减率小。但在特殊情况下，某些气层的温度随高度而增加，即r=-T/Z<0，称为逆温层。有辐射逆温，平流逆温，锋面逆温和下沉逆温。第二节大气水分和降水一、大气湿度

(一)湿度概念极其表示方法

1.

水汽压和饱和水汽压2.

绝对湿度和相对湿度3.

露点温度(二)湿度的变化与分布1.相对湿度日变化常与气温日变化相反；2.相对湿度分布随距海远近与纬度高低而不同。二、蒸发和凝结（一）蒸发极其影响因素影响蒸发的因素(蒸发面的温度、性质、空气湿度、风等)蒸发量(水层厚度表示蒸发速度)（二）凝结和凝结条件空气中的水汽达到饱和和过饱和(绝热冷却；辐射冷却；平流冷却；混合冷却)凝结核(作用：对水汽的吸附；使形成的滴粒远大于单纯由水分子聚集而成的滴粒，有利于水汽继续凝结。)三、水汽的凝结现象（一）地表面的凝结现象

露与霜(dew,frost)(与天气状况、地形相关)雾凇和雨凇（二）大气中的凝结现象

雾(fog)(漂浮在近地面层的乳白色微小水滴或冰晶)云(clouds)(高空水汽凝结现象)雾（fog）AdvectionfogEvaporationfogValleyfogRadiationfogPrincipalclouds高积云卷云卷层云积云雨层云层状云高层云积云四、大气降水(precipitation)（一）降水的形成1.两个条件(雨滴下降速度超过上升气流速度；雨滴从云中降落到地面前不致完全被蒸发。)2.过程：(云滴凝结增长；云滴的冲并增长)Raindropformation（二）降水类型

(对流雨、地形雨、锋面雨、台风雨)（三）降水时间变化

1.降水强度：单位时间内的降水量。2.降水量：降落在地面的雨、雪、雹等，未经蒸发、渗透流失而积聚在水平面上的水层厚度。（四）降水量的地理分布赤道多雨带南北纬15-30少雨带中纬多雨带高纬少雨带第三节大气运动和天气系统一、大气的水平运动

1.作用于空气的力：水平气压梯度力、地转偏向力、惯性离心力、地面摩擦力

①水平气压梯度力：由于气压分布不均而产生；

近地面垂直气压梯度约：100hpa/km，而水平气压梯度则为1hpa/100km②地转偏向力

由于地球的运动而使在地球上运动的物体发生方向偏转的力，称为地转偏向力。

A=2νωsinφ③惯性离心力

物体在做曲线运动时所产生的由运动轨迹的曲率中心沿曲率半径向外作用的力。与空气运动方向垂直。

C=ν2/r

④摩擦力运动状态不同的气层之间、空气和地面之间都会相互作用，产生阻碍气流运动的力，称为摩擦力。摩擦力总是和运动方向相反。2.自由大气中的空气运动①

地转风：自由大气中空气作等速、直线的水平运动。地转风是空气在气压梯度和地转偏向力达到平衡时的一种定常运动。②梯度风：自由大气中空气作曲线运动时，气压梯度力、地转偏向力、惯性离心力相平衡时的风。3.风随高度的变化1)地转风随高度的变化

水平温度分布不均将导致气压梯度随高度变化，进而影响风随高度发生相应变化，这种由水平温度梯度引起的上下层风的向量差，称热成风。3.风随高度的变化2)摩擦层中风随高度的变化气压梯度力不随高度变化情况下，离地愈远，风速愈大，风向与等压线交角愈小。把北半球摩擦层中不同高度上风的向量投影到同一水平面上，可得到一条风向风速随高度变化的螺旋曲线，称为埃克曼螺线。二、大气环流指大范围内具一定稳定性的各种气流。是形成各种天气和气候的主要因素。由于纬度高低、海陆分布及地表状态所受太阳热量不均和地球转动的不同影响，形成各种类型环流。全球性气温和气压差异形成行星风系；巨大海陆差异是季风环流重要成因；局地水路、地形等差异形成各种地方性风系。㈠全球环流1.全球气压带全球大气环流图2．行星风系

不考虑海陆、地形因素的影响，全球区域近地面盛行风的总称。主要包括：信风带；西风带；极地东风带。㈡季风环流季风：由于海陆间热力差异或行星风带的季节位移所形成的大范围的盛行风向随季节而发生变化的风系，称为季风。㈢局地环流

由局部环境变化，如地形起伏、地表受热不均等引起的小范围气流，称为局地环流。如海陆风、山谷风、焚风等。

1.海陆风（Land-seabreezes）滨海地区，白天风从海上吹向陆地；夜间风从陆地吹向海洋。

海陆风白天

风从海上吹向陆地夜间

风从陆地吹向海洋2.山谷风

当大范围水平水平气压场较弱时，山区白天地面风从谷地吹向山坡，晚间地面风从山坡吹向谷地。山谷风晚间地面风从山坡吹向谷地

白天地面风从谷地吹向山坡3.

焚风

气流受山地阻挡被迫抬升，迎风坡空气上升冷却，起初按干绝热直减率降温(1℃/100m),当空气温度达到饱和状态时，水气凝结，气温按湿绝热直减率降低(0.5-0.6℃/100m)，大部分水分在迎风坡降落，气流翻越山地后下沉时，按干绝热直减率增温，从而导致背风坡气温较同高度迎风坡高。焚风（foehn;chinookwinds）三、主要天气系统㈠气团和锋

1气团：是指在广大区域内水平方向上温度、湿度、垂直稳定度等物理性状较均匀的大块空气。

冰洋大陆气团（Ac）；冰洋海洋气团(Am)；极地海洋气团(Pm)；极地大陆气团(Pc)

热带大陆（Tc）；海洋气团(Tm)；赤道气团(E)2.锋及分类

温度或密度很大的两个气团相遇形成的狭窄过渡区域。锋面两侧气温水平梯度达5-10℃/100km.分类：冷锋(Coldfront)

暖锋(WarmFront)

准静止锋(StationaryFront)

锢囚锋(Occluded)暖锋雨区也在锋前，多连续性降水，强度较小，历时较长，雨区范围较广。若暖气团温度高，水汽含量很少，则暖锋上可能出现高云，甚至无云的好天气。

暖锋天气卷云卷层云高层云雨层云3.锋面天气—暖锋天气3.锋面天气—准静止锋天气准静止锋的云区，降水区比暖锋更广，降水强度比暖锋更小，降水历时比暖锋更长。3.锋面天气—锢囚锋天气由于锢囚锋是由两个移动锋面相遇形成的，其云系具有两种锋面的特征，锋面两侧都有降水区，且降水强度往往很大。3.锋面天气—冷锋天气缓行冷锋（Ⅰ型冷锋）：锋后降水急行冷锋（Ⅱ型冷锋）：锋前降水第一型冷锋云系与暖锋类似，但冷锋坡度比暖锋大，云区和降水区均比暖锋窄，降水区宽度、降水强度也较暖锋大。第二型冷锋移动速度快，锋线附近有强烈的对流过程，伴随狂风骤雨。它的降水区很窄，历时短。移动速度冷锋与暖锋㈡气旋和反气旋

气旋：中心气压低于四周的水平空气旋涡；反气旋：中心气压高于四周的大型空气旋涡；反气旋方向在北半球为顺时针，南半球为反时针。气旋与反气旋第四节气候的形成一、气候和气候系统

（一）概念(某一地区多年间大气的一般状态及其变化特征)（二）气候系统完整的气候系统由五部分组成：1.大气圈；2.海洋；3.冰雪圈4.陆面（岩石圈）；5.生物圈

二、气候的形成（一）气候形成的辐射因子太阳辐射强度、日地距离、地球表面反射率，决定地球具有较为适宜的有效温度。是大气上界吸收太阳辐射与行星地球长波辐射处于平衡时所具有的温度。（二）气候形成的环流因子

1.大气环流与热量输送和水分循环

2.大气环流与海温异常(厄尔尼诺ElNino)二、气候的形成（三）气候形成的地理因子

1.海陆分布对气候的影响

2.洋流对气候的影响

洋流的热量输送对大陆东西岸的气温差异起很大作用；冷暖洋流对所经之地的降水有较大影响。

3.地形对气候的影响厄尔尼诺厄尔尼诺为西班牙文，意为“圣婴”，秘鲁渔民用以称呼圣诞节前后南美沿岸海温上升现象。气象学家与海洋学家则用以专指赤道东太平洋海面水温异常增暖现象。

南方涛动指热带太平洋与热带印度洋之间气压变化成反相关的振荡现象。与厄尔尼诺有强相关性。

三、气候带和气候型低纬度气候(赤道多雨气候、热带海洋性气候、热带干湿季气候、热带季风气候、热带干旱与半干旱气候)

中纬度气候(副热带干旱与半干旱气候、副热带夏干气候或称地中海气候、温带海洋性气候等)

三、气候带和气候型

高纬度气候(副极地大陆性气候、苔原气候、极地冰原气候)

高地气候第五节气候变化一、气候变化简史（一）地质时期气候变化三次大冰期：震旦纪大冰期石炭二迭纪大冰期第四纪大冰期（二）历史时期气候变化

历史时期曾发生过四次寒冷期和三次温暖期。第一冷期—第一新冰期：8000aBP-9000aBP,

主冷期公元前6300a前后。第二冷期—第二新冰期：公元前5000a-1500a,

主冷