气象学与气候学-第一章-1

气象学与气候学

MeteorologyandClimatology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一、气象学与气候学的研究对象与任务和简史

1.1有关气象学与气候学的基本概念

1.2气象学与气候学的研究对象和任务

1.3发展简史基本概念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。物理现象物理过程CO2增加可使大气增温。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。

气象学因国民经济建设和人民生活要求，已形成众多分支（大气物理学，天气学，气候学，农业气象学，水文气象学，航空气象学；各类建设和生活需求——海洋预报、台风预报、沙尘暴预报、紫外线预报…，穿衣指数、晾晒指数、舒适度指数、大气环境指数、孝喘指数…）。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：大连市某日的最高气温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Climate

在太阳辐射、大气环流、下垫面性质和人类活动的长期作用下，在某一时段内大量天气的综合。不仅包括该地多年的平均天气状况，也包括某些年份偶尔出现的极端天气状况。概念3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。天气与气候的关系1.气候和天气关系密切，却是既有联系又有区别的二个不同概念：a.天气:一个地区短时间内大气的具体状态。例如：大连市某日的最高气温30°C，最低气温20°C，午后有雷阵雨b.气候：指一个地方多年的天气平均状况。

例如：在中国，东部地区7月较为闷热；北方地区1月和2月多严寒天气；某市年平均气温为25°C，昆明四季如春，这些都属于气候现象。2.气候是长期天气状况的综合，但不是天气状况的简单平均

天气过程——短期过程。

天气特征——瞬息万变的不稳定特性。

气候过程——长期天气过程。

气候特征——相对稳定特性。气候虽具一定稳定性，但仍有变化

例如：南京春末初夏出现常规梅雨气侯，但有些年份则出现无雨的空梅或雨量过多的梅雨现象。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20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1883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.发展近期时间：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。342.1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。352.1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、烧蚀的痕迹大气的组成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

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。

主要特征：温度随高度增加而降低（γ=0.65OC/100m具有强烈的对流运动气象要素水平分布不均对流层顶：对流层与平流层之间的过渡层，厚度数百米到1—千米，其气温随高度增加变化很小，甚至没有变化。对对流层的对流作用起阻挡作用。低纬平均为-83OC，在高纬平均为-53OC内部差异：对流层内部根据温度、湿度、气流运动及天气状况等可分为三个层次层次下层中层上层行星边界或摩擦层自由大气层范围0—2Km2—6Km6—顶部受地面影响最大较小最小运动形式湍流对流急流天气现象低云、雾、浮尘、霾云和降水冰晶云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。

主要特征:空气稀薄、水汽和微尘的含量很少，能见度高大气以水平运动为主，垂直运动极其微弱，不易成云致雨温度随高度升高而升高（存在强烈吸收太阳辐射的紫外线）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。主要特征:气温随高度升高而降低

下暖上冷，再次出现空气的垂直运动该层在80千米高度上，有一个白天出现的电离层称为D层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。物质多以原子、离子状态存在。是地球物质向宇宙空间扩散的部位。

大气圈、水圈、陆面、冰雪圈和生物圈构成的综合体，也称为地球气候系统1、大气圈：包围地球表面，厚度为1000公里的大气层2、陆面：也称为岩石圈，是地壳和上地幔顶部3、水圈：海洋、河流、湖泊、沼泽、地下水和大气圈中的水4、冰雪圈：由在一定低温条件下固态水、冰川、冰盖、积雪、海冰、河湖冰等以及地下冰掺杂的多年冻土、季节冻土等组成的特殊圈层5、生物圈：植物、动物、人类及有生物存在的部分2.3水圈、陆面、冰雪圈和生物圈陆地表面具有不同的海拔高度和起伏形势，可分为山地、高原、平原、丘陵和盆地等类型。陆地位置、高度和地形发生变化的时间尺度，在气候系统的组成部分中是最长的山脉对太阳辐射、大气运动和云雨分布都有不同的影响，往往是气候的分界。

因岩石、沉积物和土壤等性质的不同，其对气候的影响更是复杂多样。陆地表面水圈到达地表的太阳辐射能约有80％为海洋表面所吸收。无论从力学和热力学效应来看，海洋在气候系统中具有最大的惯性，是一个巨大的能量贮存库。100m深的表层海水占整个气候系统总热量的95.6％,水圈在气候系统中非常重要。上层海洋与大气或冰的相互作用时间尺度为几个月到几年，而深层海洋的热力调整时间则为世纪尺度。冰雪圈由于冰雪具有很大的反射率，在冰雪覆盖下，地表（包括海洋和陆地）与大气间的热量交换被阻止，因此冰雪对地表热量平衡有很大影响。冰雪是气候系统中的一个重要子系统。生物圈生物圈的各部分在变化的时间尺度上有显著差异，但它们对气候的变化都很敏感，而且反过来又影响气候。生物对于大气和海洋的二氧化碳平衡，气溶胶粒子的产生，以及其它与气体成分和盐类有关的化学平衡等都有很重要的作用。

第三节有关大气的物理性状

在气象学上，大气的物理性状主要以气象要素和空气状态方程来表征。3.1主要气象要素气象要素是指表示大气属性和大气现象的物理量，如气温、气压、湿度、风向、风速、云量、降水、能见度等。1、气温

物理意义：用来表示大气冷热程度的物理量

实质：空气分子平均动能的表现

单位：摄氏温标（OC）：在一个标准大气压下，纯水的冰点为0OC，沸点为100OC，其间100等份，一份为1OC绝对温标（K）：间隔与摄氏温标相同，零点定为-273.15OC

T=t+273.15≈t+273

华氏温标（°F）：在标准大气压下，冰的熔点为32°F，水的沸点为212°F，中间有180等分，每等分为华氏1度。测量：大气中的温度一般以百叶箱中的干球温度为代表2、气压

物理意义：即大气压强，每平方厘米的面积上承受的大气柱的质量实质：空气分子运动与地球重力场的综合表现的结果标准大气压：国际统一规定，温度在0OC，纬度45O的平均海平面上的760mm汞柱为一个标准大气压。气压以百帕（hPa）为单位，取一位小数。一个标准大气压＝1013.3hPa＝760mm

Hg气压观测：动槽式水银气压表和空盒气压计3、湿度物理意义：表示大气中水汽量多少的物理量称大气湿度。大气湿度状况与云、雾、降水等关系密切。（1）水汽压和饱和水汽压水汽压：大气压力是大气中各种气体压力的总和。水汽和其它气体一样，也有压力。大气中的水汽所产生的那部分压力称水汽压（e）。它的单位和气压一样，也用hPa表示饱和水汽压：在温度一定情况下，单位体积空气中的水汽量有一定限度，如果水汽含量达到此限度，空气就呈饱和状态，这时的空气，称饱和空气。饱和空气的水汽压（E）称饱和水汽压，也叫最大水汽压，因为超过这个限度，水汽就要开始凝结。实验和理论都可证明，饱和水汽压随温度的升高而增大。在不同的温度条件下，饱和水汽压的数值是不同的。水汽压有0<=e<=E，两者差为饱和差d=E-e（2）相对湿度

相对湿度（f）就是空气中的实际水汽压与同温度下的饱和水汽压的比值（用百分数表示），即

e<E,即f<1未饱和

f=(e/E)*100%

e=E,即f=1饱和e>E,即f>1过饱和

相对湿度直接反映空气距离饱和的程度。当其接近100%时，表明当时空气接近于饱和。当水汽压不变时，气温升高，饱和水汽压增大，相对湿度会减小。（3）饱和差

在一定温度下，饱和水汽压与实际空气中水汽压之差称饱和差（d）。即d=E-e，d表示实际空气距离饱和的程度。在研究水面蒸发时常用到d，它能反映水分子的蒸发能力。（4）比湿

在一团湿空气中，水汽的质量与该团空气总质量（水汽质量加上干空气质量）的比值，称比湿（q）。其单位是g/g，即表示每一克湿空气中含有多少克的水汽。也有用每千克质量湿空气中所含水汽质量的克数表示的即g/kg。

通常大气中比湿q

都小于40g/kg，也是水汽量绝对指标（5）水汽混合比

含水汽的湿空气是由一团干空气和一团水汽的混合而成，其中水汽的质量与干空气的质量的比就是水汽混合比，用r

表示，r

可由实际大气压和实际水汽压值计算得出。比湿和水汽混合比的意义：垂直运动时空气体积发生膨胀或收缩，温度要改变，相对湿度、饱和差随温度而变，但比湿和水汽混合比不变，可用于垂直运动空气的水分计算。（6）露点

在空气中水汽含量不变，气压一定下，使空气冷却达到饱和时的温度，称露点温度，简称露点（