《气象学与气候学教学课件》qxx.ppt

上节课重点回顾：1、大气的垂直结构，温度随高度的变化情况,2、理想气体状态方程,3、大气静力学方程,物理意义：气体的压强与密度和温度成正比,4、压高公式的应用,本节课重点：1、位势高度的含义2、气象的基本要素 理解等压面和等高线，风速风向，露点温度3、太阳辐射、地面和大气辐射、地面热量收支,重力位势：设海平面的位势为0，把单位质量物体从平均海面上移到z高度处作的功,单位：J/kg,1个位势米（1gpm）：当g=9.80665m/s2时，使单位质量物体抬升1米，克服重力所做的功（9.80665J/kg）,位势高度与几何高度的数值几乎相同，但意义不一样，位势高度是能量单位,重力位势高度,0,z,H,平均厚度的大小反映了两等压面之间的平均温度的高低,位势代入静力学方程,基本气象要素,气温、气压、湿度、风向、风速、云量、降水量、能见度等,气温：表示空气冷热程度是空气分子平均动能的表现，空气获得热量，分子平均动能增加，气温升高，反之依然,我国常用用摄氏度t，单位C科学计算用绝对温度T，单位K某些国家用华氏温度tF，单位F,转换关系：,气温是在离地面1.5m高的百叶箱内用水银温度表测得,气压：大气的压强，单位面积上空气柱的重量,气压值一般用水银气压表测量,气压单位：曾用mmHg，现用hPa,1hPa=10-2N/cm2,1个标准大气压：温度为0C,纬度为45的海平面作为标准时的海平面气压=1013.25hPa=760mmHg,等高线：位势高度相等的点连成的线，等压面与水平面的交线,等压面：空间各气压相等的点组成的面向上突起的部分对应高压区，下凹的部分对应低压区,等高面：高度相等的点组成的面,等高线：位势高度相等的点连成的线，等压面与水平面的交线,等压面：空间各气压相等的点组成的面,等压线：气压相等的点连成的线,气象部门所用的高空图就是等压面图,气象部门所用的地面图就是等高面（海平面高度）图,高空图上的等高线或者地面图上的等压线都可以反映气压的分布状况,850hPa位势高度场，图中的线为等高线,湿度：表示大气中水汽含量多少的物理量,饱和水汽压：水汽压达到某极大值，空气呈饱和状态,绝对湿度：单位体积空气中所含的水汽质量,即水汽密度，单位g/m3,水汽压：大气中水汽所产生的压力（e）,水汽压随高度增加而迅速减少；由赤道向两极逐渐减少,未达到饱和的空气称为湿空气,混合比：水汽的质量与干空气质量的比值,相对湿度：实际水汽压与同温度下的饱和水汽压的比值，反映了湿空气距离饱和的程度,饱和比湿,比湿：水汽的质量与气团总质量的比值，单位g/g，g/kg,饱和差：饱和水汽压与实际水汽压之差，用变量d表示,d=es-e反映了空气距离饱和的程度,露点：在空气中气压和水汽含量不变的条件下降温，使水汽相对于水面达到饱和时的温度霜点：同露点的过程使水汽相对于冰面达到饱和时的温度,计算露点：a=7.63,b=241.9计算霜点：a=9.5,b=265.5,物理意义：露点或者霜点td常常低于气温(tdt)，仅与水汽含量有关，露点越高，说明空气越接近饱和，水汽含量越高，反之亦然,降水：从天空降落到地面的液态或者固态水降水量单位mm雪深单位cm，雪压单位g/cm2,风：空气的水平运动，包括风速和风向,风力等级与风速,风向指风的来向地面风向用16方位表示高空风向用方位度数表示,风速常用单位m/s、kn、km/h,换算关系：1m/s=3.6km/h 1kn=1.852km/h1km/h=0.28m/s 1kn=0.52m/s,云：水汽达到饱和，凝结成小水滴或者凝华成小冰晶，漂浮在空气中便成为云或雾云况通常用云量和云状来表示,卷云,卷积云,高积云,积雨云,雨层云,第一章小结1、大气的基本组成和结构2、大气的状态方程和静力学方程3、大气的基本要素,辐射与热量平衡,各种辐射的波长范围,太阳辐射称为短波辐射地球和大气辐射称为长波辐射或红外辐射,通过太阳表面的辐射通量密度为,辐射通量密度F：单位时间通过单位面积的辐射能，单位W/m2,辐射强度I,辐射通量密度和辐射强度的关系,辐射的基本定律,普朗克定律,辐射强度与波长和温度T成反比，波长越短、温度越高，辐射强度越大,太阳辐射主要能量集中在0.174m波段内，地球和大气辐射主要能量集中在3120m波段内以4m为界太阳辐射称为短波辐射地球和大气辐射称为长波辐射或红外辐射,维恩位移定律：黑体放射能量最强的波的波长m与黑体温度T成反比,斯蒂芬-波尔兹曼定律：黑体所辐射的各单色波的辐射强度之总和称为黑体的辐射强度,为斯蒂芬常数=5.6710-8W/(m2K4),基尔霍夫定律,吸收率：一定温度下，一定物体所吸收的辐射能量与投射到该物体上的辐射总量之比,反射率：被该物体反射出去的辐射能与投射到该物体上的辐射总量之比,比辐射率：物体的辐射通量密度与同温度下黑体的辐射通量密度之比,基尔霍夫定律：物体对一定波长的比辐射率与该物体对同一波长的吸收率相等,太阳辐射,太阳常数：日地距离为r0=14960万km，太阳辐射到达地球大气上界的通量密度 I0=1367W/m2,太阳辐射在大气上界的时空变化与分布是由太阳与地球间的天文位置决定的,地球1月初经过近日点，7月初经过远日点,紫外线0.150.4m,7%可见光0.40.76m,50%红外区0.76m,43%,0.475m,太阳高度角：太阳光线入射的方向与地平面的夹角,为所在地纬度，为太阳赤纬，为时角,单位时间落到大气上界任一地点的单位水平面上的辐射能量为,白昼长度20,到达水平面的太阳辐射强度,一天辐射总量,与季节和纬度有关,太阳辐射在大气中的减弱吸收、散射、反射,大气吸收：紫外线大部分由臭氧吸收，可见光几乎不吸收，红外线主要由水汽和二氧化碳吸收。太阳辐射由于大气吸收损失的量约为19%,太阳辐射散射：散射分子或者散射质点将入射的辐射重新向各方向辐射出去的一种现象。,0.1,瑞利散射，对不同波长的太阳辐射有选择性,0.150,米散射，无选择性,50,光学散射，对太阳辐射损耗最大,太阳辐射经过大气有30%因反射和散射作用回到太空 19%被大气吸收 51%到达地面,散射的性质：能量不损失，只是部分改变了电磁波的方向散射的特性依赖于粒子尺度与入射辐射波长的相对大小,到达地表的太阳辐射包括直接辐射Q和散射辐射D,直接辐射主要受太阳高度角和大气透明度影响,总辐射Q总=直接辐射Q+散射辐射D,散射辐射随太阳高度角增大而增强，随云量增加而增强，随高度增加而减小,中国地区的太阳总辐射最大值出现在青藏高原西南部，最小值出现在四川盆地西南部和贵州北部,反射率：地面各方向上总的反射辐射通量密度R与到达地面的总辐射通量密度Q总的比值,吸收率,地面反射率与地面性质和状态有关,地面和大气辐射的波长在3120m之间，属于红外或者远红外辐射,地面和大气辐射,大气辐射：大气吸收绝大部分的地面辐射，同时也放射辐射能大气辐射一部分向上外逸到太空，另一部分向下到达地面（称之为大气逆辐射）,大气吸收地面长波辐射,地面辐射：地面以自己的温度向外放射辐射能,为地面对长波的比辐射率，与地表性质有关,地面有效辐射：地面所放射的辐射量与被地面所吸收的大气逆辐射量之差,影响因子：地面温度、地面性质、空气温度、湿度及垂直分布和云况等,地面及地气系统的辐射差额(收入-支出),地面辐射差额：地面吸收的太阳辐射与地面有效辐射之差,地气系统：把地面和对流层大气看成一个整体高低纬地区之间的热量不均，靠洋流和气流，从低纬输送热量到高纬，同时输送水汽,日变化、年变化、随纬度变化、随天空状况变化P47-48,地面热量平衡方程：R+LE+P+A=0R为地面辐射差额LE为潜热：L蒸发潜热，E蒸发量P为感热：湍流显热交换A为地表面与下层间的热传输量B和平流输送量C之和,陆地，R+LE+P=0沙漠，R+P=0海洋，R+LE+P+C=0,年平均热量平衡方程,R、LE、P、A的日变化和年变化，P49-51,地气系统的热量收支,地面温度和气温的变化,地面温度：由于地表性质（主要是水陆差异）不同，（1）吸收的辐射能不同；（2）热量转换不同,1水陆比热不同：吸收同样的能量，水体的增温迟缓，陆地的增温剧烈2水陆透射性能不同：陆地吸收太阳辐射仅限于表层，而较大一部分辐射透过水体表层深入水体内部3水陆导热方式不同：陆地导热性能差，热量多集中在表层，水体具有流动性，水平和垂直运动可以使热量迅速交换4水陆蒸发差异：水面水汽较多，大气逆辐射使得水面温度降温较缓和,给予同样的热量Q，陆地表面升温剧烈，而水面升温缓和失去同样的热量Q，陆地表面降温剧烈，而水面降温缓和,水温日变化：海洋日变化较小，0.5C以下，湖面或者大河25C,海温日变化：最高点发生在15:0016:00，最低点在日出后不久年变化：最高在8月，最低在23月，变幅比陆地要小得多,陆地表面温度变化取决于热量差额 Q=R+LE+P+A,陆地表面日变化：最高点通常在13:00前后，最低点发生在日出时年变化：与太阳辐射年变化曲线几乎平行，最高在7月，最低在1月,气温,大气主要靠地面热量向上传输而获得热量传导：依靠分子运动将能量从一个分子传递给另一个分子辐射：地面与大气、气团与气团之间的长波辐射对流：暖空气上升，冷空气下沉湍流：由于空气黏滞力而产生的不规则运动，近地面发生较多蒸发和凝结：蒸发吸收热量，凝结释放热量,气温是指气象观测所用的百叶箱离地面1.5m高处的温度,气温日变化：最高值一般在14:00左右，最低值一般在日出前后,气温日较差：气温最高值与最低值之差，受纬度、季节、下垫面性质、海拔高度、天气状况,气温年较差：一年中月平均气温的最高值与最低值之差，与纬度、地表性质、天气情况有关,气温年变化：陆地7月最高，1月最低；海洋8月最高，2月最低,课后思考题（下周五交）：1、对流层、平流层的温度垂直变化情况及其原因是什么2、利用书中1-27、或者1-33、或者1-42公式，解释冷暖空气等压面随高度的分布情况，已知P1，画出P2和P3,冷,暖,P1,3、露点的定义及其物理意义,