《气象学与气候学》PPT课件.ppt

气象学与气候学,第三版,主讲：梁玉华,g,凝冻灾害：直接经济损失达110多亿元（摘自贵阳晚报）袁周：在灾害天气来到后，贵阳市有50%的电表被破坏，大量的城市基础设施受到破坏，对城市群众生活工作造成了很大不便。而在农业方面，受灾土地有100万亩左右，大量的牲畜被冻死；在电力方面，农村80%的电网被摧毁，整个贵阳市成为一个“孤网”，独立运行；在工业方面，除了卷烟厂之外其他很多企业全面关闭停产，数十万工人无班可上，每天损失三千万元的财政收入。从贵阳市受灾以来，直接经济损失大概在110多亿元以上。,让我们了解一下凝冻灾害 什么叫“凝冻”“冻雨”？并不是人人都知晓的。例如从未见识过这种特殊天气现象的一些北方人士就不知道它的厉害。近来常听见有人说：北方零下几十度如何如何，贵州零下几度有什么值得大惊小怪、如临大敌？那让我们看一下什么是“凝冻”和“冻雨”:“冻雨”是在特定气象条件下产生的一种很特殊的雨。它是很小很小的水滴，温度在摄氏零度以下。一般的水在零下就会结成冰，但它的体积太小了，表面曲率很大，由于物理的原因，不能凝成固态，仍然保持液态，叫做“过冷水”。贵阳人把它形象地称为“凝毛”。它一旦碰上低于零度的固体，物理条件满足，立即就会冻结起来，挨着什么就粘住不放，而且不断积累增厚，用我们贵阳话说，就是“凝起了”。,冻雨是一种严重的灾害性天气。同固态的降雪相比，它既有低温冷害等共同性，还有其独特的危害性。它会一层层地包裹在悬空的电线表面，大量积累后能压断输电线和电话线，甚至压塌电杆、铁塔。它会一层层地覆盖在路面上，坚硬而且湿滑，造成交通困难。凝在机场跑道上，会造成飞机不能起降；如果飞机穿过过冷水层，螺旋桨和机翼就可能结冰而引起事故。单说这几方面，就足以对人们的生产和生活造成严重的后果。凝冻天气伴随着阴冷，不像北方雪后多晴，容易缓解。目前我省的凝冻天气之强度和长度，面积和造成的灾害，是几十年未遇的。我们正真实地鏖战凶猛的强敌。万众一心的贵州人，一定能够取得这场历史性战斗的完全胜利！,重庆百年一遇特大旱灾为历史罕见新华社特稿 2006-08-31,重庆市副市长陈光国介绍说，今年月中旬以来，重庆市遭受了总体上百年一遇的特大旱灾。此次旱灾是自年重庆有气象资料记录以来最严重的一次。据介绍，重庆此次特大旱灾呈现出“五个历史罕见”的特点：一是干旱持续时间之长历史罕见。今年发生在重庆市东北部的夏旱月中旬开始露头，持续至天。夏旱连伏旱，大部分地区总旱天数超过天，渝东北地区超过天，巫溪县已长达天。二是干旱强度之大历史罕见。干旱期间，各地日平均气温较常年同期偏高，降水大部分地区偏少成，蒸发量偏多成到倍。月日，綦江县日极端气温达，刷新了重庆保持年的日极端气温纪录。各地以上的高温天数普遍为至天，气温、降水、蒸发量等主要干旱指标均为历史同期极值。,三是抗旱水源之少历史罕见。大江大河出现“洪水不洪”、“汛期枯水”的现象。嘉陵江内载重船已经禁航。全市有的溪河断流，座水库水位处于死水位。个乡镇（街道）中有出现供水困难。截至目前，全市水利工程蓄水量不足亿立方米，只占应蓄水量的。四是干旱范围之广历史罕见。除秀山、酉阳、石柱为严重干旱外，其余个区县为特大干旱。受灾人口突破万人，农作物受灾面积近万亩，万人、万头牲畜出现饮水困难。五是旱灾损失之重历史罕见。全市秋粮作物将减产至成，烟叶、药材、商品菜等高附加值经济作物大面积减产甚至绝收；万亩柑橘不同程度受灾，其中有万亩绝收；近两年退耕还林的万亩在土苗木死亡率超过，江津市万亩花椒基地死亡花椒树余万株；全市发生森林火灾起，过火面积亩；受灾畜禽余万头（只）；潼南县琼江流域网箱养鱼近日出现“翻塘”现象，一次性死鱼多吨；因高温、限电、供水困难等造成企业限产停产减少产值亿元。旱灾直接经济损失达到亿元，其中农业经济损失亿元。陈光国披露，在重庆特大旱灾中，中央和市级财政安排的救灾资金累计达到亿元，市政府社会捐助接收办公室接收捐赠资金亿元（含认捐资金），各区县接收多万捐赠资金，共计亿多元。,第一章引论,第一节气象学、气候学的研究对象、任务第二节气候系统概述第三节有关大气的物理性状,第一节气象学、气候学的研究对象和任务,一、气象学与气候学的研究对象和任务,1、气象学人类在长期的生产实践中不断地对它们进行观测、分析、总结，从感性认识提高到理性认识，再在生产实践中加以验证、修订、逐步提高，这就产生了气象学,及：专门研究大气现象和过程，探讨其演变规律和变化，并直接或间接用之于指导生产实践为人类服务的科学。气象学领域广，其基本内容是：把大气当作研究的物质客体来探讨其特性和状态，如大气的组成、范围、结构、温度、湿度、压强和密度等等；研究导致大气现象发生、发展的能量来源、性质及其转化；研究大气现象的本质，从而能解释大气现象，寻求控制其发生、发展和变化的规律；探讨如何应用这些规律，通过一定的措施，为预测和改善大气环境服务（如人工影响天气、人工降雨、消雾、防雹等），使之能更适合于人类的生活和生产的需要。,2、气候学研究的对象是地球上的气候。气候和天气是两个既有联系又有区别的概念。从时间尺度上讲，天气是指某一地区在某一瞬间或某一短时间内大气状态（如气温、湿度、压强等）和大气现象（如风、云、雾、降水等）的综合。天气过程是大气中的短暂过程。而气候指的是在太阳辐射、大气环流、下垫面性质和人类活动在长时间相互作用下，在某一时段内大量天气过程的综合。它不仅包括该地多年来经常发生的天气状况，而且包括某些年份偶尔出现的极端天气状况。,天气变化快，变化的周期短。气候变化的周期相对于天气来讲是较长的，它的时间变化尺度有季际、年际、十年际、百年际、千年际、万年际等等。,现代气候学从概念上已经不再是气象学或地理学的一个分支的经典气候学，而是大气科学、海洋学、地球物理和地球化学、地理学、地质学、冰川学、天文学、生物学以至有关社会科学相互渗透，共同研究的交叉科学。,在地理系、环境科学系等系科开设的气象学与气候学是以普通气象学为基础，以气候学为重点的专业基础课程，也是基础技术训练课程，它的基本任务是：通过实践，掌握气象观测，气候统计分析和气候调查的方法，来记叙所观测到的气候现象，从定性和定量两方面说明它们的特征。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。,应用已发现的规律，采取有效的措施，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。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，在教学中应注意为这些有关后续课程奠定必要的基础。,二、本课程特点 1、理论性强 气象学是研究大气的物理现象和物理过程的发生、发展和变化规律的学科，以许多物理概念和原理为基础 2、综合性强 大气中所发生的一切物理现象都是大气中热力和动力因素综合影响的结果，大气中各个要素之间是相互影响、相互制约的。因此，必须建立起大气是一个有机整体的概念 3、实践性强 气象学是一门实践性很强的学科，如：要了解大气的特性，就必须进行气象观测；要了解大气变化，就需进行天气分析。在本课程的学习中，要参加观测和天气预报实践，以增强对大气属性和天气变化规律的理解。,三、学习本课程的要求和目的,要求1、了解大气的组成和结构，认识大气圈在地理环境中所起的作用2、掌握大气中物理现象、物理过程产生的能量来源和大气运动的基本原理3、了解天气变化和分布的基本规律，初步识别各种天气系统的特点和伴随的天气4、初步熟悉气象观测方法和天气预报过程，增强指导中学生开展课外气象活动的能力5、了解气候分类的方法，熟悉各种气候的特点、形成原因及分布,目的,1、能胜任中学地理教学中有关气象、气候部分的教学任务2、为学习后继课程，如水文地理、土壤地理、植物地理和区域地理等提供必要的基础3、有利于培养学生辨证唯物主义世界观,第二节气候系统概述,气候系统是一个包括大气圈、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。太阳辐射是这个系统的能源。在气候系统中的大气、水、陆地表面、冰雪圈、生物圈不是彼此孤立的，而是互相影响、制约、保持密切的依赖关系的。,大气圈与水圈运动变化过程的关系大气圈与岩石圈运动变化过程的关系大气圈与生物圈运动变化过程的关系 结论：大气过程与水圈、岩石圈、生物圈运动变化过程之间存在密切的内在相互联系、相互制约、相互影响、并处于不断的发展状态中。在气候系统的五个子系统中，大气圈是主体部分，也是最可变部分。,一、大气圈概述,大气的组成 1、多种气体的混合物三大类物质组成:干结空气、水汽、气溶胶离子 2、干洁空气为主体 其中氮（N）氧（）和氩（r）三者合占大气总体积的99.96，其它气体含量甚微。除水汽外，这些气体在自然界的温度和压力下总呈气体状态，而且标准状况下（气压1013.25hpa温度0）。密度约为1293g/m。从地面开始，向上直到90km处，空气主要成分（除水汽臭氧和若干污染气体外）的比例基本上是不变的。因此，在90km以下可以把干洁空气当成分子量为28.97的“单一成分”来处理。在90km以上，大气的主要成分仍然是氮和氧，但平均约从80km开始由于紫外线的照射，氧和氮已有不同程度的离解，在100km以上，氧分子已几乎全部离解为氧原子，到250km以上，氮也基本上都离解为氮原子。,3、易变成分,含量不定 易变成分在空气中所占比例随时间、空间而有变化，含量不定。CO2、水汽、臭氧、气溶胶粒子等属易变成分。如：CO2的含量是低空多于高空，城市上空多于乡村上空；O3含量是在某一高度较集中。水汽在不同下垫面的上空，不同天气情况下，大气中水汽含量不一样。这些易变气体成分在大气中含量虽少，但对于天气的形成和变化起着十分重要的作用。,二、各种成分的作用,1、氮、氧等主要成分生命必需2、二氧化碳光合作用所必需 增温作用 来源：有机物的燃烧、动植物的呼吸 分布：集中在近地20千米的低空中 作用：影响地面和大气的温度（增温作 用、保温作用）,3、臭氧含量少、作用大,大气中的臭氧主要是由于在太阳短波辐射下，通过光化学作用，氧分子分解为氧原子后再和另外的氧分子结合而形成的。0+0203 大气中的臭氧分布是随高度、纬度等的不同而变化的。在近地面曾臭氧含量很少，从10km高度开始逐渐增加，在1215km以上含量增加得特别显著，在2030km高度处达最大值，再往上则逐渐减少，到55km高度上就极少了。造成这一现象的原因？,臭氧的作用：,臭氧对太阳紫外线辐射的吸收能力很强，单是臭氧层最上面的一部分臭氧就可以吸收掉投射到它上面的紫外线辐射全部能量的90%以上。这一事实具有两重意义：一是使得4050千米高度上的气温显著增高，形成一暖区；二是对地面生物起着保护作用。查阅资料：解释臭氧空洞为什么在两极上 空形成？,4、大气中水汽的作用含量少，变化大，天气变化的主要角色,（1）大气中水汽的来源：地球表面的蒸发（广阔洋面的蒸发、潮湿陆面的蒸发、植物的蒸腾）。（2）水汽的分布：垂直分布水汽含量随高度的增高而 减少，在十千米高度以下的水 汽约占全部水汽量的99%。水平分布纬度越高，含量越少；地势越 高，含量越少；海洋上多，陆地上 少。,（3）大气中水汽的作用：天气变化的主要因子云、雨、雪、霜、露等天气现象，都是水汽在一定条件下发生相变所形成。影响大气和地面的温度水汽能强烈吸收地面辐射，也能吸收小部分太阳辐射，从而使大气获得热量；同时它又向地面放射长波辐射，使地面获得热量。,5、气溶胶粒子的作用,气溶胶粒子悬浮在空气中的液态和固态粒子，包括水滴、冰晶、悬浮着的固体灰尘、烟粒、微生物、植物的孢子花粉等。（1）来源：自然源和人工源两种（2）分布：与排放量和空气稳定度有关。陆地大于海洋，城市大于乡村，冬季大于夏季。（3）作用：吸收小部分太阳辐射和地面长波辐射，增加大气温度；降低大气透明度，影响能见度，削弱到达地面的太阳辐射；阻挡地面散热，延缓地面冷却，具有保温作用；是最好的凝结核，助长云雨的形成。,总结：,综上所述，组成大气的主体是干洁空气，但它对天气的影响作用不大，水汽和气溶胶粒子在大气组成中所占比重虽然很小，但它们在天气变化的过程中起着重要作用。如果我们把对流层比作天气现象活动的舞台，那么，水汽和气溶胶粒子就是这个舞台上两个必不可少的重要角色。,（二）大气的结构,大气结构是指大气在垂直方向上的分层和水平方向上气象要素分布的不均匀性。1、大气的上界密度高度：根据气象卫星探测资料，把大气的上界定在20003000km，这个高度上，大气的密度接近于星际空间密度。物理高度：在实际运用中，一般把大气顶界取为10001200km，这个高度是大气中物理现象出现的最大高度（极光出现的高度）。,2、大气的分层,（1）对流层 对流层是地球大气中最低的一层。云、雾、雨雪等主要大气现象都出现在此层。对流层是人类生产、生活影响最大的一个层次，也是气象学、气候学研究的重点层次。对流层有三个主要特征：气温随高度增加而降低：由于对流层主要是从地面得到热量，因此气温随高度增加而降低。平均而言，高度每增加100m,气温则下降约0.65，这称为气温直减率，也叫气温垂直梯度，通常以r表示：r=-dT/dZ=0.65/100m,垂直对流运动：由于地表面的不均匀加热，产生垂直对流运动。对流运动的强度主要随纬度和季节的变化而不同。一般情况是：低纬较高，高纬较弱；夏季较强，冬季较弱。因此对流层的厚度从赤道向两极减少。在低纬地区平均为1718km，在中纬地区为1012km，在高纬度地区为89km。气象要素水平分布不均匀：由于对流层受地表的影响最大，而地表面有海陆分异、地形起伏等差异，因此在对流层中，温度、湿度等的水平分布是不均匀的。,在对流层的最下层称为行星边界层或摩擦层。其范围一般是自地面到12km 高度。边界层的范围夏季高于冬季，白昼高于夜晚，大风和扰动强烈的天气高于平稳天气。行星边界层以上的大气层称为自由大气。在对流层的最上层，介于对流层和平流层之间，还有一个厚度为数百米到12km的过度层，称为对流层顶。,(2).平流层 自对流层顶到55km左右为平流层。在平流层内，随着高度的增高，气温最初保持不变或微有上升。大约到30km以上，气温随高度增加而显著升高，在55km高度上可达-3。平流层这种气温分布特征是和它受地面温度影响减少，特别是存在着大量臭氧能够直接吸收太阳辐射有关。平流层内气流比较平稳，空气的垂直混合作用显著减弱。平流层中水汽含量极少，大多数时间天空是晴朗的。,(3).中间层 自平流层顶到85km左右为中间层。该层的特点是气温随高度增加而迅速下降，并有相当强烈的垂直运动。在这一层顶部气温降到-11383，其原因是由于这一层中几乎没有臭氧，而氮和氧等气体所能直接吸收的那些波长更短的太阳辐射又大部分被上层大气吸收掉了。水汽含量更极少，几乎没有云层出现。在中间层的6090km高度上，有一个只有白天才出现的电离层，叫做D层。,(4).热层 热层又称热成层和暖层，它位于中间层顶以上。该层中，气温随高度的增加而迅速增高。增温程度与太阳活动有关，当太阳活动加强时，温度随高度增加很快升高，这时500km处的气温可增至2000k；当太阳活动减弱时，温度随高度的增加增温较慢，500km处的温度也只有500k。,热层没有明显的顶部。通常认为在垂直方向上，气温从向上增温至转为等温时，为其上限。在热层中空气处于高度电离状态，其电离的程度是不均匀的。其中最强的有两区，即E层（约位于90130km）和F层（约位于160350km）。F层在白天还分为F1和F2两区。据研究高层大气（在60km以上）由于受到强太阳辐射，迫使气体原子电离，产生带电离子和自由电子，使高层大气中能够产生电流和磁场，并可反射无线电波，,从这一特征来说，这种高层大气又可称为电离层，正是由于高层大气电离层的存在，人们才可以收听到很远地方的无线电台的广播。此外，在高纬度地区的晴夜，在热层中可以出现彩色的极光。这可能是由于太阳发出的高速带电粒子使高层稀薄的空气分子或原子激发后发出的光。这些高速带电粒子在地球磁场的作用下，向南北两极移动，所以极光常出现在高纬度地区上空。,5.离散层 这是大气的最高层，又称外层。这一层中气温随高度增加很少变化。由于温度高，空气粒子运动速度很大，又因距地心较远，地心引力较小，所以这一层的主要特点是大气粒子经常散逸至星际空间，本层是大气圈与星际空间的过度地带。,讨论飞机一般在什么高空中飞行？臭氧层作为人类生存环境的天然屏障，一般在什么高度？无线电短波通信一般依靠哪一层？为什么对流层厚度低纬度大而高纬度小？对流层顶的温度为什么低纬度低而高纬度高？作业：1、大气中的可变成分是哪些？它们在大气中起何作用？2、为什么大气中各种天气现象都发生在对流层？,第三节 有关大气的物理性状,一、主要气候要素 气温表示空气冷热程度的物理量 气温的单位：目前我国规定用摄氏度（）温标，在理论研究上常用绝对温标，以K表示，这种温标中一度的间隔和摄氏度相同，但其零度称为“绝对温度”，规定为等于摄氏-273.15。两种温度标之间的换算关系如下,T=t+273.15t+273（1.2）大气中的温度一般以百叶箱中干球温度为代表。气压 气压指大气的压强，既单位面积上所承受的大气柱的重量，其数值等于从单位底面积向上，一直到大气顶界的垂直气柱的重量。显然，海拔越高，大气柱越短，气压就越低。,气象学中，常用的气压单位有毫米和百帕两种，且毫米和百帕可以换算：1毫米汞柱=1、333百帕=4/3百帕 1百帕=0、75毫米汞柱=3/4毫米汞柱 当选定温度为0，纬度为45的海平面作为标准时，海平面气压为1013.25hPa，相当于760mm的水银柱高度，曾经称此压强为1个大气压。,湿度,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。大气湿度常用下述物理量表示：水汽压和饱和水汽压 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，也叫压力。大气中的水汽所产生的那部分压力称水气压（e）。它的单位和气压一样，也用hPa表示。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。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 f=e/E100（1.8）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，相对湿度会减少。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,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。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。q=mw/md+mw（1.9）式中，mw 为该团湿空气中水汽的质量；md为该团湿空气中干空气的质量。据此公式和气体状态方程可导出 q=0.622 e/p（1.10）注意式中气压（P）和水汽压（e）须采用相同单位（hPa），q的单位是g/g。,由上式知，对于某一团空气而言，只要其中水汽质量和干空气质量保持不变，不论发生膨胀或压缩，体积如何变化，其比湿都保持不变。因此在讨论空气的垂直运动时，通常用比湿来表示空气的湿度。水汽混合比 一团湿空气中，水汽质量与干空气质量的比值称水汽混合比(r)即(单位：g/g)r=mw/md（1.11）,露点,在空气中水汽含量不变，气压一定的情况下，使空气冷却达到饱和时的温度，称露点温度，简称露点(Td)。其单位与气温相同。在气压一定时，露点的高低只与空气中的水汽含量有关，水汽含量愈多，露点愈高，所以露点也是反映空气中水汽含量的物理量。在实际大气中，空气经常处于未饱和状态，露点温度常比气温低(TdT)。因此，根据T和Td的差值，可以大致判断空气距离饱和的程度。上述各种表示湿度的物理量：水汽压、比湿、水汽混合比、露点基本上表示空气中水汽,含量的多寡。而相对湿度、饱和差、温度露点差则表示空气距离饱和的程度。(四)降水 降水是指从天空降落到地面的液态或固态水，包括雨、毛毛雨、雪、雨夹雪、霰xin、冰粒和冰雹等。降水量指降水落至地面后（固态降水则需经融化后），未经蒸发、渗透、流失而在水平面上积聚的深度，降水量以毫米（mm）为单位。降水量是表征某地气候状态的重要要素，雪深和雪压还反映当地的寒冷程度。.霰（xin）：亦称“软雹”，白色不透明和形状圆锥形的固体降水物，常在要落前具有一定对流厚度的云中降落，往往着地反弹且强烈。,风,空气的水平运动称为风。风是一个表示气流运动的物理量。它不仅有数值的大小（风速），还具有方向（风向）。因此风是向量。风速单位常用m/s、knot（海里/小时，又称“节”，）和km/h表示，其换算关系如下 1 m/s=3.6 km/h 1 knot=1.852/h 1/h=0.28 m/s 1 knot=m/s 风速的表示有时采用压力，称为风压。如果以V表示风速（m/s），P为垂直于风的来向，1面积上所受风的压力/。,云量 云是悬浮在大气中的小水滴、冰晶微粒或二者混合物的可见聚合群体，底部不接触地面（如接触地面则为雾），且具有一定的厚度。云量是指云遮蔽天空视野的成数。将地平以上全部天空划分为10份，为云所遮蔽的份数即为云量。例如，碧空无云，云量为0，天空一半为云所覆盖，则云量为5。能见度 能见度指视力正常的人在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨出目标物的最大水平距离。单位用米（m）或千米（）表示。,复习思考题,大气的主要组成成分是什么？其中对温度影响较大的成分有哪些？怎样影响？大气的上界怎样确定？大气分层的依据是什么？对流层的特点是什么？为什么对流层的厚度高低纬不一样？对流层顶的温度分布特点是什么？了解各气象要素的含义。,