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一、气象学的定义和研究对象:
气象学:研究大气现象和过程,探讨其演变规律和变化,直接或间接用其指导生产实践为人类服务的科学。
:大气.
:
(1)探讨大气的特性和状态;
(2)研究大气现象发生、发展的能量来源、性质及其转化;
(3)研究大气现象的本质;
(4)探讨如何采取一定的措施,使大气现象发生、发展和变化规律更适合于人类的生存。
分支:大气物理学:研究大气物理性质及其变化原理
天气学:讨论天气现象及其演变规律,、气候学、动力气象学、大气化学、人工天气、应用气象学
天气与气候的联系与区别:
概念:
天气:某一地区在某一瞬间或某一短时间内大气状态(气温、湿度、压强等)和大气现象(风、云、雾等)的综合。
天气过程:大气中的短期过程。气候: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。
气候:某一地区气候系统的全部成分在任一特定时段内的平均统计特征(盖斯特(Gates))。
区别与联系:
1、时间尺度不同
气候包括该地多年来经常发生的天气状况,也包括某些年份偶尔出现的极端天气状况。气候过程是在一定时段内由大量天气过程综合得出的长期大气过程。天气与气候存在统计联系。
2、变化速度、周期不同天气变化快、周期短;有短期天气过程、中期天气过程和长期天气过程。气候变化周期较长,有季际、年际、十年际、百年际、千年际、万年际等。
3、空间尺度不同
气候系统(5个子系统)是庞大的,天气系统(如气旋、反气旋)是单纯的。
4、包含的内容不同:气候包含的内容复杂;天气相应简单。
气候学:(研究对象:气候系统)研究气候的特征、形成和演变以及气候同人类活动相互关系的学科。
二、气象学与气候学的发展简史
1、萌芽时期(16世纪中叶以前)我国居于世界领先行列。亚里士多德《气象学》
2、发展初期(16世纪中叶-19世纪末)各种气象仪器的发明;气象台站的建立
3、发展时期(20世纪以来):三大学说进展——锋面学说、长波理论、降雨学说
第一章:气候系统概述
一、气候系统:
定义: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。
:、化学过程、生物过程进行物质、能量交换,相互联系,共同作用于地球气候。
二、大气圈概述
(一)大气的组成
大气:多种混合气体+悬浮固、液态杂质。
干洁空气:大气中除固、液态微粒和水汽之外的全部混合气体。N2、02、Ar、C02、03氮:75%;氧:23%;氩:1%;二氧化碳与臭氧含量少,变化大。C02:%。
臭氧:大气中03分布:10km,开始增加;12-15km显著;
20-30km最大。
03作用:(1)影响大气温度的垂直分布;(2)O3保护层”
臭氧空洞:是指因空气污染物质,特别是氧化氮和卤化代烃等气溶胶污染物的扩散、侵蚀而造成大气臭氧层被破坏和减少的现象。
臭氧空洞的成因:①大气层中的******烃(CFCs)—种含有***、***、碳三种元素的有机化合
物(俗称***里昂”)污染;②寒冷使臭氧层变薄。
水汽:水汽主要来源于海洋、江河湖沼和土壤,以及潮湿物体表面的蒸发和植物的蒸腾。作用:天气变化、吸收和放射长波辐射、淡水之源、气候系统各圈层的纽带。
大气中的固态与液态微粒(气溶胶粒子):悬浮在大气中的各种固态与液态微粒。固体杂质主要有烟粒、尘埃、盐粒等,多集中于低层大气中。
固体微粒的作用:凝结核;影响辐射从而影响地面和空气温度;降低大气能见度。
(二)大气的结构(垂直分层)
大气的下界是地面。
上界:(1)大气层的物理上界:极光出现的最大高度1200km高度;
(2)大气上界:地球大气密度达到星际气体密度(1个微观粒子/cm3)2000—3000km高度。
大气的分层(据气温和气流运动划分)
1)对流层:大气圈最底层,集中了大部分的空气质量与水汽,大多数天气现象发生地特征:①厚度时空分布:夏季〉冬季;低纬度>高纬度。②在一般情况下,对流层中气温随高度增加而降低(气温直减率)。③空气对流运动显著。④天气现象复杂多变。⑤气象要素水平分布不均匀。
气温直减率(温度垂直梯度):气温随高度的变化率
2)平流层:对流层顶以上到50—55公里范围。气温先是不变或微有上升。30KM后
显著升高(受地面影响小+臭氧吸引紫外辐射)①平流层气温基本上不受地面影
响,随高度增加而升高。②气流运动相当平稳,并以水平运动为主。③水汽含量极少。
3)中间层(高空对流层或上对流层):自平流层顶到80—85公里。特征:①气温随高度增加而迅速下降,到顶部降至160—190K;②空气有垂直对流运动。③几乎没有云层,有时有夜光云。④3天出现电离层(D层)
4)暖层(电离层):自中间层顶到800(250-500)公里高空。大气密度很小。
5)特点:①气温随高度的增加而迅速升高;②空气处于高度电离状态,高层大气中
能够产生电流和磁场,反射无线电波;③高纬度地区暖层出现极光。
6)散逸层(外层):暖层顶之上,大气圈与星际空间的过度地带。
特点:①气温随高度的增加很少变化;②大气粒子经常散逸至星际空间。
三、水圈、陆地表面、冰雪圈、生物圈概述
(一)水圈:海洋、江河、湖泊、沼泽、冰川、地下水和地表上的一切液态水等。海水=液态水+溶于水中的盐分和气体海洋(71%地球表面)对气候形成、变化最重要。因为:
1、反射率较小,单位面积吸收的太阳辐射能较多。2、水温有季节变化的水层厚。热容量大。
(二)、陆地表面:影响地质时期的气候变化。复杂多样:海拔高度与起伏态势的多样性在气候系统中的作用:
1、从热力学和动力学两方面影响大气环流的形成、变化。
2、是大气微粒物质的一个来源。
(三)冰雪圈:大陆冰原、高山冰川、海冰、地面雪盖等。特点:反射率大。阻止海洋、陆地-大气间的热量交换
(四)生物圈:生物与气候互相影响
四、大气的物理性状:(气象要素和空气状态方程。)
一、主要气象要素
气象要素:表示大气属性和大气现象的物理量。气温、气压、湿度、风、云量、降水量、能见度、日照、辐射等。
气温(T):决定于气体分子运动的平均动能。一般指百叶箱中干球温度。气温的单位:
1、摄氏度(°C)温标(我国):标准气压下,水的冰点为0°C,沸点为100°C。
2、绝对温标(K):绝对零度=-()C
气压:大气的压强。静止大气中任意高度上的气压什等于其单位面积上所随的大气柱的重量。单位:.
温度:表示大气中水汽含量多少的物理量。
1)水汽压(e):大气中的水汽所产生的压力。单位:hPa。纬度变化规律。
2)饱和水汽压(最大水汽压):饱和空气的水汽压(E),是温度的函数一一湿空气、饱和空气,过饱和空气。
3)绝对温度:单位体积的空气中所含水汽的质量,即水汽密度。
4)比湿(q):在一团湿空气中,水汽的质量与该团湿空气总质量比值。单位:g/g,g伽,研究湿空气。q=mw/他+mw)=
5)混合比:水汽质量与干空气的质量之比。单位:g/g,g/kg
6)相对温度:空气中实际水汽压与饱和水汽压的比值。f=e/Ex100%o单位:百分数。
7)饱和差(d):饱和水汽压与实际水汽压之差。d=E-e.
8)露点与霜点: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(t>0°C)时的温度称为露点。同样的过程使水汽相对于冰面达到饱和(tv0°C)时所应降到的温度称为霜点。在气压一定时,露点与霜点只与空气中水汽含量有关。水汽越多,相应点愈高。
风:空气的水平运动。风向、风速。地面风:16方位;高空风向:方位度数,0°~360°风向风速玫瑰图
云:悬浮在大气中的小水滴、冰晶微粒或者二者混合物的可见聚合体,底部不接触地面,有一定的厚度。描述方法:云量(以云所遮蔽的天空面积来度量);云状(3族10属)
能见度: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别出目标物的最
大水平距离。单位m/km。
二、空气状态方程:
描述空气状态的物理量:密度(p)、体积(V)、压强(P)、温度(t/T)。空气状态方程揭示空气状态变化的基本规律。
1、理想气体的状态方程
PV/T=常量
标准状态下,PV/T=R*~/(mol・K)
2、质量为M的理想气体状态方程
PV=(M/卩)R*T或
V=(M/卩)(R*T/P)
3、对于单位体积的空气块
P=pRT
4、干空气的状态方程
P=pRdT
5、湿空气的状态方程
P=pRdT(1+)=pRdTv
式中Tv=T(1+)。
Tv:虚温。
Tv的意义:在同一压强下,pd=pm时,干空气应有的温度
Tv>T,即AT=Tv-T=>0。
低层大气,特别在夏季,e值较高,必须用湿空气的状态方程;高空,干空气的状态方程。
思考题解答:
标准大气压:在纬度45°的海平面上,当温度为0°C时,760mm高水银柱产生的压强叫做标准大气压。
大气中二氧化碳成分增加的原因及其可能的后果是什么?
答:原因有两方面。一是来源多了:化石燃料的大量使用产生了大量的二氧化碳。二是去路少了。因为一,大量的乱砍乱筏造成森林面积减少,减少了将二氧化碳吸收转化的条件。地表水域面积的缩小,减少了吸收溶解二氧化碳的条件,破坏了二氧化碳生成与转化的动态平衡。
后果比较多。首先是温室效应的增强,气温会升高。由此引发的进一步气候与生态系统的变化不可估量。
3,臭氧分布的特点是什么?大气中的臭氧在气象学和生物生命活动中有什么意义?答:地面含量最少,5km以上开始增加,20-25km达极大值,再往上减小,50-60km极少。臭氧可以阻挡大部分太阳辐射中的紫外部分,使得地球生物圈免受过多紫外伤害。
为什么水汽和尘埃是大气的重要成分?
答:水汽和尘埃的作用。
请写出干湿空气状态方程,并解释公式的含义。
对流层的主要特点及其成因是什么?
第二章:大气的热能和温度
一、辐射的基本知识:
(一)基本概念:
辐射:物体心电磁波的形式向外放射热量称为辐射。
2•辐射(能):通过辐射传播的能量。单位:焦耳(J)。
辐射能量:单位时间内通过任一表面的辐射能称为辐射能量。单位:w.
辐射通量密度(E):单位时间内通过单位面积的辐射能量。W/m2。
辐射强度(I):单位时间内,垂直于任何方向的单位面积、在此方向的单位立方体角内所话筒出的辐射能量,称为辐射面在此方向的辐射强度I.
热辐射——一切物质中的原子、分子因热激发而向外辐射电磁波的现象。固体、液体在任何温度下都要辐射电磁波。热辐射具有:①温度特性;②频率特性热辐射产生的电磁波与物体发生三种相互作用①反射或散射;②吸收;③透射
1)吸收率——吸收能与入射能之比,a
2)反射率一一反射能与入射能之比,r
3)透射率一一透射能与入射能之比,d
根据能量守恒定律:a+r+d=1。a、r、d反映物体对辐射吸收、反射和透射的能力。通常,物体的吸收率都小于1,有部分能量反射/透射了。不同物体在某一频率范围内,发射和吸收电磁辐射的能力是不同的,深色物体比浅色物体吸收和发射电磁波能力大。
(绝对)黑体一一吸收比为1或能完全吸收入射辐射的物质。简称黑体。单色辐出度、辐出度一一描写物质辐射本领的量
单色辐射强度(MJ——温度为T的黑体,在单位时间内,从单位面积上所辐射出的、在波长入附近单位波长间隔内的能量。也称为单色辐射出射度或单色辐出度。
辐射光谱曲线:M,随波长的变化曲线。
辐出度(M)——温度为T的黑体,在单位时间内,从单位面积上所辐射出的、所有波长的总能量。
(二)辐射的基本定律:
:IkTb-(1-KkT)IkTb-IkT=0
KkT=ekT
式中:KkT是吸收率,ekT是放射率,Ik。
意义:(1)在一定波长、一定温度下,一个物体的吸收率等于该物体同温度、同波长的放射率。(一个物体如果能够强烈地吸收某一波长的光,那它一定能强烈地放射同一波长的光)
(2)下标k表示在一定温度(T)下,不同波长的岛、ekT及Ik的数值不同。
IkT/KkT=IkTb表明某温度、某波长的一个物体的辐射强度与其吸收率之比值等于同温度、同波长时的黑体辐射强度。适用于辐射平衡的任何物体。
——波尔兹曼定律:黑体的辐出度M(T)与其绝对温度的四次方成正比
维恩位移定律:随黑体温度升高单色辐出度与波长关系曲线的峰值所对应的波长向短波方向移动。
紫外灾难——维恩位移定律与普朗克定律,当波长变短,单色辐出度趋于无穷大。
二、太阳辐射:(太阳是地球和大气的能量源泉)
(一)太阳辐射光谱和太阳常数
1、太阳辐射光谱:太阳辐射中辐射能按波长的分布。
2、太阳常数(10):在大气上界,垂直于太阳光线的单位面积上单位时间内所接受的太阳辐射。I0变动于1359-1418W/m2。I0有周期性变化,可能与太阳黑子活动周期有关。
(太阳可看成黑体):~,50%;~,7%;>,43%。
达到地球上界的太阳辐射相关的因素:日地距离;太阳高度角;白昼长度。
(二)太阳辐射在大气中的减弱
1•大气对太阳辐射的吸收:主要由水汽、02、C02、水滴、尘埃等杂质吸收。1)波长V
。2)大气的气体成分对可见光吸收得很少,3)太阳辐射的红外波长主要是由对流层的水汽吸收的。太阳辐射因大气吸收减少得很小,只有19%左右。所以太阳辐射并不是对流层大气的主要直接热源。
大气对太阳辐射的散射:
1)尺度参数:、
2)分子散射(瑞得散射):有选择性,散射能力与波长的四次方成反比;质点散射对于其光学特性来说是对称的球形。主要散射波长较短的光。
3)粗粒散射(米散射):散射体半径较大。失去对称的形式;没有选择性,各种光都被散射。
大气对太阳辐射的反射:云层、尘埃,具有一定方向性。反射最重要。云层对太阳辐射的反射最明显。
(三)到达地面的太阳辐射(=太阳直接辐射+散射辐射)
直接辐射:太阳光未受阻挡直接照射到地面的那部分辐射。
影响直接辐射的主要因素:太阳高度角(影响散布面积和大气削弱度)、大气透明度(水汽、杂质越多则削弱越多。)
直接辐射的变化:年变化、日变化、随纬度的变化
散射辐射:太阳光经过空气分子、尘埃和去滴散射后射到地面的辐射。太阳高度角(随高度角增大而增大)、大气透明度有关。
总辐射:总辐射=直接辐射(Q)+散射辐射(q)
地面对太阳辐射的反射:
总辐射的时空变化特征:①日变化:夜间总辐射为零,日出后逐渐增加,正午达到最大值,午后又逐渐减少,日出前达极小值。云的影响可使这一过程提前或延后。②年内变化:月均总辐射值,以夏季各月为最大,冬季各月为最小。③总辐射量的空间变化:低纬度向咼纬度,总辐射量减少。有效总辐射最大值大致在20°N处。这一纬度带称为热赤道。
三、地面和大气的辐射:
地面能吸收太阳短波辐射,同时向外放射长波辐射(地面辐射);大气很少吸收太阳短波辐射,强烈吸收地面长波辐射,同时向外放射长波辐射。地面是大气的直接热源。
大气逆辐射:大气根据自己的温度向外放射辐射能,其中向下达到地面的称为大气逆辐射。——保湿效应、花房效应
地面和大气长波辐射的特点大气对长波辐射的吸收强烈吸收地面长波辐射。吸收作用与吸收物质、大气的温度、压强等有关。主要是水汽、03、CO2、水滴等具有选择性地吸收长波辐射。
水汽:全部吸收(8-12pm除外),以〜6卩m,>24pm波段吸收能力最强;
03:〜;
C02:、
地面辐射的方向是向上的,地面长波辐射几乎全被近地面40—50米厚的大气层所吸收。
大气中长波辐射的特点漫射辐射;长波辐射在大气中传播时大气吸收长波辐射,同时向外放射长波辐射;长波辐射在大气中传播时,可以不考虑散射作用。
5•地面有效辐射(Fo):F0=E-(5EE:地面辐射;6Ea:大气逆辐射
00gag
影响地面有效辐射的主要因子:地面温度、地面性质、空气温度、空气湿度、云。
四、地面及地-气系统的辐射差额
地面辐射差额(R)R=(Q+q)(1-a)-F。;当Rg>0时,地面吸收的太阳总
gg0
辐射〉F0,地面有热量积累;当RgV0时,地面有热量亏损。地面辐射差额有年变化、日变化和随纬度的变化。
整个大气层的辐射差额:R=q+F0-F
aa0g
地-气系统的辐射差额R=(Q+q)(1-a)+q-F
sag
地气系统辐射总结:第一,就整个地-气系统平均状况来看,地面和大气从太阳得到的能量与发射到外层空间的能量相等。整个地-气系统的能量收支相等,辐射平衡为零。
第二,地-气系统内部有着复杂的能量转换和能量输送过程。大气圈辐射平衡为零。地面辐射平衡也为零。两者的平均温度都比较稳定。
五:大气的增温和冷却
(一)地面温度与温度变化
海陆增温和冷却的差异水的比热容比陆地的大;水体和陆地透射太阳辐射的性能不同;水体与陆地导热方式不同;水面的蒸发大于陆面。这一切导致:水面的势力过程具有调和平缓的特性,而陆面则有急剧多变的特性。
陆地表面的温度随时间的变化:
冻结深度:地下温度零摄氏度的深度。
大气传热的方式:传导;辐射(地气主要方式);对流;湍流(显热,感热);潜热(对流层下半层)
气温的日变化与年变化;气温日较差(纬度,季节,下垫面性质,海拔高度,天气状况)、气温年较差(纬度,地面性质,天气情况)
气温变化类型:
赤道型:有两个最咼值/每年,两个最低值/每年
热带型:有一个最高值/每年,一个最低值/每年
温带型:有一个最高值/每年,一个最低值/每年,年较差较大,随纬度增加而增大;
极地型:有一个最高值/每年,一个最低值/每年,年较差很大。随纬度增高,日较差减小。
气温的地理分布:
(二)空气的增温和冷却
空气的冷热程度是空气内能大小的表现。空气内能变化的原因:有热量交换引起(非绝热变化);外界压力变化引起(绝热变化)。