大气科学导论1章概论.ppt

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1、2023/11/1,1,第一章 概论,2023/11/1,2,大气层（地球大气）：包围地球的空气称大气层。大气层的作用它是一切生物和人类赖以生存最重要的环境。大气层的物理、天气现象并且，从地面到 80 km左右高空的大气层中，特别是地表到10 km高度的大气层存在着各种不同尺度大气的运动，发主着各种物理现象和天气现象，如雾、霜、冰雪和雨、冬季的寒潮、夏季的台风、暴雨、冰雹、雷电等，以及发生着各种化学现象，如温室气体CO2、稻田排放的CH4、工厂烟囱经常排放的SO2、汽车产生的N2O等。,2023/11/1,3,大气CO2浓度升高的证据！,2023/11/1,4,地球,金星,水星,167 C,+

2、457 C,15 C,Al Gore(2010),地球,水星,金星,2023/11/1,5,太阳辐射多数被地球吸收，并使地球变暖,一部分向外反射的红外辐射被地球大气捕获吸收，令大气变暖,部分太阳辐射被地球以红外辐射的形式反射回太空,Al Gore(2010),2023/11/1,6,永冻层融化,COAL MINING,COAL PLANTS,CROP BURNING,石油生产,焚烧大火,陆上运输,垃圾填埋场,施肥,INDUSTRIAL AGRICULTURE,INDUSTRIAL PROCESSES,温室气体来自何处？,Where Do Greenhouse Gases Come From?,

3、MELTING PERMAFROST,煤矿开采,燃煤发电厂,产业化加工,产业化农业,焚烧农作物,FERTILIZATION,LAND TRANSPORTATION,LANDFILLS,FOREST BURNING,OIL PRODUCTION,Al Gore(2010),2023/11/1,7,2023/11/1,8,3节，3学时,第一节 大气科学的重要性第二节 大气科学的研究对象与研究内容第三节 大气科学的研究方法,2023/11/1,9,第一节 大气科学的重要性,2023/11/1,10,由于地球大气是一切生物和人类赖以生存最重要的环境。一切生物和人类的生存均需要阳光、空气和清水，不仅空气

4、直接与大气有关，而且阳光也要经过大气才到达地面，至于清水主要来自天空的降水，它们也与大气密切相关。因此，大气科学可以说是自然科学中最重要的学科之一。,2023/11/1,11,第一节 大气科学的重要性,一、大气科学理论在自然科学中的作用二、大气科学研究在国民经济建设和社会发展中的作用（一）在防灾减灾中的作用（二）在环境保护中的作用（三）大气科学在现代交通运输上的作用,2023/11/1,12,一、大气科学理论在自然科学中的作用,20世纪20年代挪威著名气象学家皮叶克尼斯（V.Bjerknes）提出斜压大气和环流理论，推动了整个宏观流体动力学的研究1922年英国科学家理查逊（L.F.Richar

5、dson）提出逐步积分的概念，促进了后来计算机枝术的发明和发展30年代著名的美籍瑞典气象学家罗斯贝（C.G.Rossby）提出，我国著名气象学家叶笃正、曾庆存所发展的大气适应理论说明了在大气、海洋这种自然界中质量的分布与运动互相作用，运动产生于质量分布不均匀中，而质置的分布是在运动中形成的，这是自然辩证法的一个很好的发展；在60年代初，美国伟大气象学者洛伦兹（E.N.Lorenz）提握出分岔、混饨和怪吸引子概念，他提出科学上的确定论与随机论不能截然分开，它们是可以互相联系起来的，这被公认为当代自然科学的重大突破。这些概念的握出不仅使气候动力学大大发展，而且使数学、物理学、生物学等自然科学取得重

6、大突破，同时使社会科学得到很大发展。,2023/11/1,13,一、大气科学理论在自然科学中的作用,哲学界认为自然科学发展中有三次革命：第一次科学革命是17世纪初牛顿创立的经典力学它使观测和实验所得到的科学现象上升为理论，产生了近代自然科学理论第二次科学革命是20世纪初爱因斯坦提出的狭义和广义相对论为量子力学等现代科学的发展提供了理论基础第三次科学革命就是伟大气象学家洛伦兹所提出的非线性的“分岔、混饨和怪吸引子”概念这个理论把自然界的确定变化与无序变化联系起来，从而可以描述自然界物体运动的多样性、奇异性和复杂性。从上面一些例子可以说明大气科学的理论对于自然科学的发展是有很大作用的。,2023/

7、11/1,14,（一）在防灾减灾中的作用,自然灾害、人为灾害通常人们把以自然变异为主因产生的灾害称之为自然灾害，如地震、风暴潮；将以人为影响为主因产生的灾害则称之为人为灾害，如人为引起的火灾和交通事故。气象灾害由大气圈变异活动引起的对人类生命财产和国民经济及国防建设等造成的直接或间接损害。自然灾害损失中气象灾害占的比例在80%以上,2023/11/1,15,（一）在防灾减灾中的作用,大气科学与社会和经济的发展有着密切关系。发生在大气中的各种现象及其变化，如雨水和温暖等可以造福人类，但是它们也可带来严寒、酷暑、干旱和雨涝、冰雹、龙卷等灾害性气候和天气，这些都直接影响了工农业生产、交通运输和人民生

8、活，甚至威胁了人民的主命财产。发生在大气中的气象灾害，每年给全世界带来数百亿美元的经济损失。,2023/11/1,16,（一）在防灾减灾中的作用,我国是世界气候脆弱区之一，气候异常给我国带来了严重气候灾害，尤其是旱涝灾害。一般年份，旱涝灾害的受灾面积可达0.31080.4108hm2（hm2是公顷，1公顷=15市亩），重灾年可达0.5108hm2，约占耕地总面积的 13。这些灾害每年约造成200108kg的粮食损失和 10002000亿元的经济损失，约占20世纪 90年代国民总产值的 36左右。这就是说，全国人民辛辛苦苦一年所取得国民经济的发展增加值，其中一部分要被严重的气候和天气灾害损失掉。

9、,2023/11/1,17,（一）在防灾减灾中的作用,因此，气候和天气灾害的成因及预测已成为我国大气科学的前沿研究问题。气象灾害一般包括：天气、气候灾害和气象次生、衍生灾害天气、气候灾害：是指因台风（热带风暴、强热带风暴）、暴雨（雪）、雷暴、冰雹、大风、沙尘、龙卷、大（浓）雾、高温、低温、连阴雨、冻雨、霜冻、结（积）冰、寒潮、干旱、干热风、热浪、洪涝、积涝等因素直接造成的灾害。气象次生、衍生灾害：是指因气象因素引起的山体滑坡、泥石流、风暴潮、森林火灾、酸雨、空气污染等灾害。,2023/11/1,18,（一）在防灾减灾中的作用,气候灾害与天气灾害统称为气象灾害，两者有区别。天气灾害是指局地性、短

10、时间的强烈天气而带来的灾害，如台风、暴雨、冰雹、龙卷风等。这类天气常伴随有强风和暴雨，对农作物生长有很大的毁坏作用；而气候灾害则是大范围、长时间的气候异常造成的灾害，如长时间气温偏高、偏低、或降水量偏多、偏少等。气候异常会带来干旱、洪涝、低温、冷害等，较严重的会对农业、工业、牧业、水利、支通等产生巨大影响，造成巨大经济损失。,2023/11/1,19,（一）在防灾减灾中的作用,中国网2008年7月15日中国气象局今天在2008北京国际新闻中心举行的新闻发布会上提供的材料显示，据1990-2006年数据统计，近17年来中国大陆每年因气象灾害造成的直接经济损失达1859亿元，占GDP的比例平均为2

11、.8%。,2023/11/1,20,（二）在环境保护中的作用,大气为人类生活和生物的生存提供环境条件，然而，人类在生产和生活过程中也不断影响着大气环境。随着世界各国工农业的不断发展，大量使用化石燃料和燃烧有机物、大量施用化肥、人类生活中大量使用冰箱和汽车、汽车尾气大量是氯氧化合物、冰箱大量使用氟里昂，而氟里昂将会破坏大气中的臭氧（O3），由于水稻种植和有机物的腐化会产生大量甲烷（CH4）。这就是说人类活动大量产生温室气体；另一方面，由干工农业生产大量砍伐森林，吸收二氧化碳大大减少。这样大气中温室气体浓度不断增加，从而导致全球气温上升。根据科学家的估算，当二氧化碳增加1倍时，全球气温将升高1.5

12、左右。由于全球气温升高，这将导致全球海平面升高，到2050年前后，海平面平均将要升高 22 cm左右；并且，干旱化、荒漠化加剧，水资源缺乏；此外，全球生态系统、人类居住的环境恶化、水资源和空气污染等严重地影响着人类的生活。,2023/11/1,21,（二）在环境保护中的作用,因此，大气环境变化不仅是当前全世界各国政府和人民普遍关注的问题，而且也是各国政府制定工农业发展规划和决策必须考虑的问题。研究大气的成分如何变化及其在大气中如何通过物理的、化学的和动力的过程来改变着地球环境也是大气科学主要研究内客之一。大气科学的研究结果可以告戒全世界人民和政府如何来保护地球大气和人类的生存环境。因此大气科学

13、不仅对于环境保护具有重要作用，而且对于各国经济可持续性发展也是必不可少的一门学科。,2023/11/1,22,（三）大气科学在现代交通运输上的作用,1、对飞机起飞、飞行和降落的影响2、对海港和轮船航行的影响3、对铁路和高速公路交通的影响,2023/11/1,23,（三）大气科学在现代交通运输上的作用,1、对飞机起飞、飞行和降落的影响空中的颠簸、能见度、雷电空中颠簸主要是由于气流切变大而产生湍流以及强盛积云对流产生强的垂直运动所致大雾引起能见度降低雷电经常破坏地面建筑，在空中损坏飞机,2023/11/1,24,2023/11/1,25,当不同密度的气体以相对较高的速度移动时，就会形成羽翼丰满的湍

14、流。在这张图片中，一种气体的密度是另一种的2.5倍，在相对移动速度达到每小时380英里(约合每小时611公里)时，它们就会变成湍流。,很多开发类似洗发香波的产品的公司都利用模拟方式，观察长发及洗发产品如何在气流中飘动，以及如何与水、灰尘和其它因素发生反应。为了制造完美的风吹发效果，电脑模拟所需要的时间绝对超出我们想象。,2023/11/1,26,（三）大气科学在现代交通运输上的作用,2、对海港和轮船航行的影响海浪、海冰、风暴潮等严重影响海上轮船的航行风暴潮是指由强烈大风扰动而引起的海平面异常升高使海水漫溢上陆而酿成灾害的现象台风、强风暴引起的巨浪经常使轮船发生海难事故海冰“泰坦尼克号”海难,2

15、023/11/1,27,（三）大气科学在现代交通运输上的作用,3、对铁路和高速公路交通的影响能见度、暴雨雪对公路交通的影响2008年春，我国南方的低温雨雪冰冻灾害暴雨造成的洪涝经常冲垮铁路大风吹翻列车,2023/11/1,28,2008年春，我国南方的低温雨雪冰冻灾害,2023/11/1,29,2007年2月28日凌晨2时05分左右，一列从新疆乌鲁木齐驶往阿克苏的5806次列车行至南疆线吐鲁番境内珍珠泉车站至红山渠车站间42公里300米处，因大风造成11节车厢被吹翻，4人死亡，2名旅客重伤，32名旅客轻伤，南疆线被迫中断行车。,大风吹翻列车,2023/11/1,30,从上可见，大气科学所研究的

16、一些问题已成为各国政府在社会发展和经济建设规划时必须考虑的科学问题。,2023/11/1,31,第二节 大气科学的研究对象与研究内容,2023/11/1,32,第二节 大气科学的研究对象与研究内容,一、大气科学的研究内容与对象二、大气科学研究内容的综合性三、大气科学的分支学科及研究内容,2023/11/1,33,一、大气科学的研究内容与对象,大气科学的研究内容大气科学是研究地球大气状态的演变和发生在大气的动力、物理、化学的各种现象的形成原因及其随时间和空间的演变规律，以及研究如何采用这些规律为人类服务和人类活动对大气影响等方面的一门科学。大气科学的研究对象（五圈）大气科学的研究对象是覆盖整个地

17、球的大气圈以及大气圈与地球的水圈、岩石圈、冰雪圈和生物圈之间的相互作用。,2023/11/1,34,一、大气科学的研究内容与对象,大气科学是一门古老的学科压、温、湿、风的观测使大气科学逐步发展为能够用物理量定量来描述的学科。气象卫星和高速电子计算机的应用，使大气科学得到迅速发展。目前，大气观测网已遍布全球，现代通信系统为大气科学的发展提供了良好条件。借助高速电子计算机可以模拟大气现象和演变，预报110d的天气及月季度气候趋势。,2023/11/1,35,2023/11/1,36,2023/11/1,37,2023/11/1,38,二、大气科学研究内容的综合性,工业生产，带来温室气体CO2和CH

18、4等浓度增加，造成全球增温；大量使用冰箱，氟里昂泄露招致平流层臭氧的耗损；硫、氮氧化物排放造成酸雨；这些污染问题使得大气化学有了很大发展,2023/11/1,39,二、大气科学研究内容的综合性,大气环流和气候变化是由于大气、海洋、陆地、冰雪和生物圈相互作用的结果。因此，把地球大气、海洋、陆地、冰雪和生物圈看成是一个完整的相互作用的体系，这就必然要拓展大气科学的研究内容。这种拓展使得大气科学与地质学、地理学、海洋学、冰川学、生态学等相关学科相互交叉和相互渗透，从而使得大气科学成为地学中一门综合学科。,2023/11/1,40,二、大气科学研究内容的综合性,大气科学的综合性还表现在它对新的其他相关

19、学科学术思想的敏锐最近20多年来大气科学发展的事实说明了许多数学、物理学新成就很快在大气科学中得到应用如摄动论、奇异摄动理论、耗散结构理论、分数维理论都在大气科学中得到广泛应用。非线性动力理论最早来源于大气科学，目前在自然科学理论界、工程技术界掀起研究热潮的灾变理论、混沌理论和分岔理论最早都是气象学家提出的。,2023/11/1,41,三、大气科学的分支学科及研究内容,包括气象学大气物理学大气化学大气环境学,2023/11/1,42,三、大气科学的分支学科及研究内容,主要分支学科有大气探测学天气学和大气环流动力气象学气候学大气物理学大气环境学大气化学应用气象学,2023/11/1,43,第三节

20、 大气科学的研究方法,2023/11/1,44,第三节 大气科学的研究方法,一、观测是大气科学的基础(一)观测手段的发展在大气科学发展中的作用(二)全球观测系统对当代大气科学发展的作用(三)大型大气科学综合观测试验是发展大气科学研究的有效方法二、分析和诊断是大气科学基本的研究方法(一)天气图和气候平均图分析(二)四维分析(三)气候分析(四)诊断分析三、数值模拟对于大气科学研究发展的作用(一)数值模拟的优点(二)数值模拟是大气科学的一门重要分支学科(三)数值模拟是天气气候预测研究中一个很重要的研究手段,2023/11/1,45,大气科学是一门最重视理论与实际相结合的学科，是建立在大量观测事实基础

21、上的学科，也是地学中一门与数学、物理和化学联系最广泛、最密切的边缘学科。大气科学的一切知识均来源于对大气中发生的物理的、动力的和化学的现象进行实地观测，然后根据观测事实分析出这些现象变化的规律和成因。,2023/11/1,46,一、观测是大气科学的基础,(一)观测手段的发展在大气科学发展中的作用大气科学每一重要发展都与观测手段、方法和观测资料的收集、整理分不开16世纪末到17世纪中，温度表、气压表、雨量器17世纪中期后，航海事业发展，气象学诞生1860年前后，无线电报发展，观测资料得以迅速收集与传递，形成地面观测网，产生天气图。皮叶克尼斯创立锋面学说，奠定了近代天气学基础。,2023/11/1

22、,47,(一)观测手段的发展在大气科学发展中的作用,1928年，无线电探空仪的发明，及二战的需求，高空观测网建立，从而出现高空环流图。为罗斯贝的罗斯贝波和准地转理论提供了观测事实，从而奠定了近代大气环流和大尺度动力学基础。20世纪60年代后，气象卫星使得对观测广大海洋、高原等无法建站的地方，预报准确率大大提高。也促进了大气遥感、卫星气象学、大气辐射、大气光学的发展。从20世纪90年代开始，已实现了多种手段的三维空间连续监测全球大气的全球大气探测体系。,2023/11/1,48,2023/11/1,49,1930年,2023/11/1,50,1934,2023/11/1,51,1936,1955

23、,2023/11/1,52,(二)全球观测系统对当代大气科学发展的作用,到20世纪7080年代，观测精度还远不能满足实际天气和气候预测的要求。,2023/11/1,53,表1.3.1 大尺度天气数值预报所需求的观测精度和分辨率,2023/11/1,54,表1.3.2 现行气象观测网的观测精度和分辨率,2023/11/1,55,(二)全球观测系统对当代大气科学发展的作用,可以看出，观测精度满足要求。但高空观测每天2次，到不到每天4次（6h）的要求水平分辨率在高原、沙漠、海洋稀少，达不到500km在水平、垂直、时间分辨率上都达不到大尺度天气变化和气候预测的要求更不能满足中、小尺度天气变化预报的要求

24、。,2023/11/1,56,(二)全球观测系统对当代大气科学发展的作用,世界气象组织（WMO）制定了3个大气科学和水文学长期发展规划，都把发展地球观测系统放在首位。国际上正在发展全球观测系统（GOS），它由陆面天气监测系统和气象卫星系统组成。,2023/11/1,57,表1.3.3 20世纪90年代末全球观测系统可提供的全球气象要素和洋面温度的观测精度和分辨率,2023/11/1,58,(二)全球观测系统对当代大气科学发展的作用,以上观测系统满足要求并且将发展成全球大气监测系统（GAW）对臭氧、大气本底成分、各种不同时空尺度的海洋和大气污染物质的扩散、传输、化学变化和沉降进行综合观测。将建立

25、全球气候观测系统（GCOS）监视全球气候要素的变化以及气候系统中云辐射的变化，海洋、水文、陆地生态系统和冰雪的变化。,2023/11/1,59,(三)大型大气科学综合观测试验是发展大气科学研究的有效方法,所谓大型综合观测试验，是以解决特定的前沿科学问题为目标，在一定期间内，在全球范围或某一地区利用多种观测和探测手段，组织多分支学科参加的综合性观测试验，以获取常规观测网不可能得到的资料，从而对特定的大气科学综合性问题进行深入的分析和研究，是某一特定大气科学综合性问题得到解决。,2023/11/1,60,(三)大型大气科学综合观测试验是发展大气科学研究的有效方法,如1978年12月1979年11月

26、实行的全球大气研究计划第一次全球大气观测试验（FGGE）140多个国家参加地面站9200个，高空站1000个静止气象卫星5颗出动了50艘船，100架飞机施放了300个高空气球和300多个海洋浮标,2023/11/1,61,(三)大型大气科学综合观测试验是发展大气科学研究的有效方法,从1985年开始执行的热带海洋与全球大气研究计划（TOGA）观测全球大气的风场、高度场、温度场和水汽场、热带上层海洋的温盐场结构、海面高度、海流以及海洋生物和营养物等。建立了一个热带太平洋大气海洋观测系统（TAO），定时提供热带太平洋的海面温度（SST）、海面附近风应力、热带太平洋次表层的温度和盐度以及热带地区的射出

27、长波辐射（OLR）。使得热带太平洋发生的厄尔尼诺南方涛动现象（简称ENSO现象）发生机理的研究大大深入，并且大大提高了ENSO的预测能力。,2023/11/1,62,全球天气监测示意图,2023/11/1,63,全球观测系统示意图,2023/11/1,64,各式观测平台,2023/11/1,65,气象卫星系统示意图,2023/11/1,66,二、分析和诊断是大气科学基本的研究方法,为分析天气现象产生的原因和变化规律，就必须进行各种要素变化的观测。如：风、气压、温度、湿度对这些观测值的分析，根据现代统计、物理量法则来诊断这些要素的变化规律，来获取各种现象的及它们的演变规律和成因。这是大气科学研究

28、最基本的研究方法。,2023/11/1,67,(一)天气图和气候平均图分析,观测站分布不均陆地，北半球测站密海洋、高原测站稀少观测时间的国际规定高空（每天2次）：00GTM，12GTM（世界时）08S，20S（北京时）北京时=世界时+8,2023/11/1,68,(一)天气图和气候平均图分析,地面（每天4次，8次）02、08、14、20S（全球）02、05、08、11、14、17、20、23S（全国）自动站每小时1次，区域交换气象观测在时间、空间上均不连续全球同时观测，通讯传输，将个要素填在同一天气底图上，分析各种等值线等，即得天气图。,2023/11/1,69,(一)天气图和气候平均图分析,

29、天气图一般分：地面天气图高空天气图（等压面天气图）辅助图表气象上并不直接分析等高面上的气象要素分布这是因为气压随高度而下降，而气温也是高度的函数，但可以看成是气压的函数，这样可以在等压面上分析等高线来代替等高面上的等压线。并且，用气压作为垂直坐标的大气运动方程组要比用高度作为垂直坐标的方程组简单得多。因此，在气象上一直分析等压面上气象要素分布。,2023/11/1,70,2007年4月1日08时（北京时）500hPa天气图（图中蓝色线表示等高线；红色线表示等温线）可以看出高度、温度均随纬度的增高而降低。风向与等高线平行，风速大的地方，等高线密集。,2023/11/1,71,(一)天气图和气候平

30、均图分析,气候研究经常用到气候平均图。气象要素的气候平均值是指气象要素对一段时间的平均。如对5天（候）、10天（旬）、1个月、1个季度等时段的平均或某一时段平均的气象要素的多年平均。如通常所言的1999年7月份平均气温，则指1999年7月1日到31日气温的平均值；而7月份气温的气候平均值，则指多年7月份气温的平均值。按世界气象组织规定在2000年以前的气候平均值，取19611990年气象要素的平均从2001年起，气候平均值则取19712000年气象要素的平均。距平值，它是值某时段平均的气象要素值与多年气候平均值的偏差。如通常说1999年7月份气温偏高1.0，是指1999年7月份平均气温比196

31、11990年30a（年）平均的 7月份气温高了 1.0。,2023/11/1,72,(二)四维分析,以上分析是三维：水平2维，垂直1维对测站稀少地区，利用飞机、船舶、气象卫星观测资料很有必要但这些观测不定时，或者与常规观测不同步利用最优内插方法或者动力学方法的分析技术分析三维气象要素中内插上飞机和气象卫星获得的随时间变化局部的气象资料，这就是四维分析。三维+时间1维=四维四维分析是当今数值天气预报业务最常用的分析方法。,2023/11/1,73,(二)四维分析,四维分析方法与传统的天气图分析方法不同，它利用最优内插方法或变分方法把一个数值天气预报模式的预报值与卫星、飞机等非定时气象要素值的最优

32、同化到定时观测时刻的气象要素值，从而可以弥补定时观侧系统在海洋和高原上空没有资料之不足。四维资料同化分析系统，如下图,2023/11/1,74,(二)四维分析,2023/11/1,75,(三)、气候分析,气候图分析应用统计方注来求气象要素月、季度或年的平均值、方差，偏差等。应用三维分析方法来分析这些气候图。时间序列分析直接从所观测气象要素随时间演变的序列，利用某一统计方法建立统计模型。,2023/11/1,76,2023/11/1,77,2023/11/1,78,(三)、气候分析,点聚图分析把一个气象要素观测值与另外某一气象要素值或物理因子的关系以点子集聚区来表示，或以它们之间的一定概率关系曲

33、线来表示。,坏果率与果实形成期间降水量关系,2023/11/1,79,(三)、气候分析,多元分析从影响某一气象要素变化的众多物理因子中，应用现代统计方法从中筛选出若干主要因子，然后对筛选出的因子进行分析和综合统计。其中逐步回归和判别分析是多元分析中最常用的分析。,2023/11/1,80,2023/11/1,81,2023/11/1,82,(三)、气候分析,周期分析利用某一气象要素的时间序列，并利用周期分析方法来找出这一气象要素变化的周期；也有利用某一气象要素场的时间序列作经验正交展开，从展开系数（也称时间系数）变化的周期找出这一气象要素场的时空变化规律。这个方法在当今大气科学的天气和气候变化

34、分析研究中经常使用。,2023/11/1,83,2023/11/1,84,(四)诊断分析,相关分析利用统计方法找出不同气象要素之间的关系或某一气象要素与控制此要素变化的物理因子的关系，从而确定气象要素变化的可能控制因子。动力诊断方法利用实际大气要素场的观侧资料，并根据物理上或动力上的原理来分析这些大气物理量应满足的物理上或动力上的关系，从而证明大气中所发生现象的变化应满足的物理上或动力上的定则。大气科学许多现象的规律和成因所满足的定则是利用这种诊断方法来发现的。,2023/11/1,85,(四)诊断分析,可以借助于电子计算机和大气运动方程组的数值模式，通过改变模式的物理因子或改变初始场的结构，

35、或改变模式边界条件，从而来模拟大气状态及其变化情况，并且可以预测出今后的变化。这使得本来无法进行实验的大气科学变成可以利用计算机来对大气的变化进行个种实验，因此，这种方法由于具有许多优点，它发展相当迅速，现在已成为大气科学研究的一个重要手段。,2023/11/1,86,三、数值模拟对于大气科学研究发展的作用(一)、数值模拟的优点,1956年菲利普斯首先利用电子计算机对大气环流的变化作了简单的数值模拟。它可以同时处理大气中动力学、热力学过程以及初始条件和边界条件；它可以克服非线性数学上处理的困难；可以定量地讨论大气环流的变化可以人为地改变各种动力、热力过程，从而通过计算机的计算来讨论这些动力、热

36、力过程的改变对大气环流变化的作用；可以计算出不能观测或暂时无法观测的物理量，如垂直运动是暂时无注观测的物理量；而涡度、散度是不能观侧的物理量。由于数值模拟有以上这些优点，它从20世纪60年代起不断发展，已迅速在整个大气科学界广泛应用。,2023/11/1,87,(二)、数值模拟是大气科学的一门重要分支学科,上世纪60年代的的大气环流数值模式到80年代大容量高速计算机的促进如今大气环流数值模拟已不仅仅是实验手段，而是发展成为大气科学的一门重要的分支学科。,2023/11/1,88,(二)、数值模拟是大气科学的一门重要分支学科,经过40多年的发展，它已具有如下特点：目前所用的是耦合气候模式，把大气

37、环流模式、海洋模式、陆地模式、海冰模式、陆面模式、生态模式耦合起来，变成耦合气候系统模式；数值模拟的对象包括大气环流、海洋环流、冰雪、陆面状况甚至生态的月季度、年际、年代际或更长时间尺度的变化，甚至几万年前古气候状况都可以利用数值模拟来复原；,2023/11/1,89,(二)、数值模拟是大气科学的一门重要分支学科,由于超大型计算机的迅速发展，在当今的气候数值模式中辐射引起的加热、冷却在模式计算的每步都作为气温、水汽和云量的函数来计算；并且在数值模式中对中、小尺度系统的考虑非常细致；由于数值模拟的飞快发展，它普及到大气科学的每一领域。,2023/11/1,90,(二)、数值模拟是大气科学的一门重

38、要分支学科,近年来，由于中、小尺度暴雨系统和积云发生、发展的数值模拟水平日益提高，从而可以细致地研究暴雨系统的结构与演变；数值模拟也广泛地用于大气环境和大气化学的研究。,2023/11/1,91,(三)数值模拟是天气气候预测研究中一个很重要的研究手段,天气或气候的数值模式是天气、气候预测中必须应用的一个很重要的手段。因此，模式的性能好坏是决定数值天气、气候预侧的水平。对过去模拟好的数值模式，其预测能力也会强。,2023/11/1,92,(三)数值模拟是天气气候预测研究中一个很重要的研究手段,以上可见，大气科学的研究方法不同于数学、物理和化学的研究方法，它不能从实验室实验得到某些原理或结论。它的研究必须基于大气及其周围的大量观测事实，利用大型计算机进行数值模拟或分析诊断，从而得到某些科学结论和原理。,2023/11/1,93,复习与思考,大气科学的概念大气科学的重要性气象灾害大气科学研究的内容、对象、方法大型综合观测试验高空、地面的观测时次、时间气候平均值、距平值四维分析数值模拟,2023/11/1,94,End,