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1、大气科学基础期中复习,大气科学基础,大气圈的基本结构,大气演变的描述 基本气象要素,大气内最基本的热力、动力及相态变化过程,静力学和大气动力学基础,大气热力学,辐射过程,大气水分的相态变化,主要内容： 绪论 大气概述、气象要素的特征、变化和分布 大气静力学 大气动力学基础 太阳、地面和大气的辐射,大气概述,大气圈的组成 基本情况以及温室气体 大气圈的结构 垂直分层以及各层的特点,从地面到100千米高度的大气可看为三个部分组成： 干洁大气：不包含水汽和气溶胶粒子的纯净大气 水汽： 气溶胶质粒：悬浮于空气中的液体和固体粒子,Water vapor has several very importan
2、t functional roles on our planet: 1. It redistributes heat energy on the Earth through latent heat energy exchange. 2. The condensation of water vapor creates precipitation that falls to the Earths surface providing needed fresh water for plants and animals. 3. It helps warm the Earths atmosphere th
3、rough the greenhouse effect.,气溶胶粒子对辐射的吸收和散射、云雾降水的形成、大气污染以及大气光学与电学现象的产生都具有重要的作用。 气溶胶粒子的来源可分为人工源和自然源两大类。,大气的物理性质和化学性质无论在水平方向还是在垂直方向上都是不均匀的 按照大气的化学成分划分，大气垂直方向可分为均质层和非均质层 按照大气的压力结构划分，大气垂直方向可分为气压层和逸散层 按照大气的电离结构划分，大气可分为电离层和磁层 按照温度变化划分，大气在垂直方向可分为：对流层、平流层、中间层、热层以及外层,Vertical change in average global atmosph
4、eric temperature,气象要素的特征、变化和分布,影响温度变化的因子（辐射加热、潜热加热以及与周围的热量交换） 温度的时间演变特征 温度的空间分布特征,温度,大气中常见的气压型 全球气压分布的基本特征,气压,影响风的因子（科氏力、地转风、摩擦力的作用等） 山谷风和海陆风 全球风系（及其与气压型的联系）,风,Temperature of absolute zero, the ice point of water, and the stream point of water using various temperature measurement scales,converts te
5、mperature from Fahrenheit to Celsius and vice versa : Celsius = (Fahrenheit - 32) * 5/9 Fahrenheit = Celsius * 9/5 + 32 converts temperature from Celsius to Kelvin Kelvin=Celsius +273,摄氏、华氏以及开氏温度的相互转换,影响局地气温变化的因子,太阳辐射加热 冷暖平流 凝结、蒸发潜热 云覆盖,冷（暖）平流,空气的温度平流空气平流运动传热过程引起局地气温变化称为温度平流,warm,cold,T1,T2,T3,T4,wa
6、rm,cold,T1,T2,T3,T4,如果风向与水平温度梯度的交角小于900暖平流,如果风向与水平温度梯度的交角大于900冷平流,气温的空间变化,热带地区温度高，中高纬度地区温度低 夏季海洋比陆地温度低，冬季海洋比陆地温度高 海洋上温度分布相对均匀 由于下垫面的不均匀，形成了许多的冷暖中心（如：西伯利亚、格陵兰等是冷中心；澳大利亚、非洲等地形成暖中心） 山脉南麓气温高，北麓气温低,天气图中最常见的5种气压形势,高压,低压,鞍型场,槽线,脊线,全球气压分布特征,全球气压带的分布特征是由太阳辐射、地球自转效应、海陆分布等因子决定的。 总体而言，可分为四大气压带，即：极地高压带(Polar Hig
7、h)、副极地低压带(Subpolar Low)、副热带高压带(Subtropical High)、赤道低压带(Equatorial Low) 由于由于海陆分布的差异，上述的气压带并不随纬度均匀分布，在海平面气压图上表现为永久性和季节性的大气活动中心,海平面气压场上的大气活动中心 半永久性活动中心 太平洋副高、大西洋副高、冰岛低压、阿留申低压、格陵兰高压 季节性活动中心 西伯利亚高压、北美高压、亚洲热低压、北美低压 为什么半永久性活动中心出现于海洋，而季节性活动中心出现于大陆？,地球自转作用三圈环流的形成,赤道地区受热上升的气流，流向极地；在地球自转偏向力的作用下，逐步变为偏西气流，阻滞了空气的
8、北上，在300附近积聚下沉；下沉到达地面后一支回流赤道，形成了Hadley环流圈；另一支继续北上，与极地下沉的南流气流在600附近汇合上升；上升到高空一支南流形成中纬度Ferrel环流圈；一支北流形成极地环流圈。,与三圈环流相对应，是所谓的“三风四带”，即： 极地东风(Polar Easterlies) 中纬度西风(Westerlies) 低纬度信风(Trades) 极地高压带(Polar High) 副极地低压带(Subpolar Low) 副热带高压带(Subtropical High) 赤道低压带(Equatorial Low) 赤道低压带又称为热带辐合带(InterTropical C
9、onvergence Zone)，简称ITCZ，它是南北半球两支信风在赤道地区汇合而形成的低气压区,大气中水汽的含量虽然不多，却是大气中极其活跃的成分，在天气和气候中扮演着重要的角色。大气中的水汽含量有很多种测量方法，日常生活中人们最关心的是水汽压、绝对湿度和相对湿度。 水汽压（e）是大气压力中水汽的分压力，和气压一样用百帕来度量。以前气压和水汽压常以水银柱的毫米数来测度，1百帕0.75008毫米水银柱。在一定温度下空气中水汽达到饱和时的分压力，称为饱和水汽压(E)。饱和水汽压随着气温的升高而迅速增加。 绝对湿度(a)指单位体积湿空气中含有的水汽质量，也就是空气中的水汽密度，单位为克/厘米3或
10、千克/米3。绝对湿度不容易直接测量，实际使用比较少。 相对湿度(f)指空气的水汽压e与同一温度下的饱和水汽压E之比，以百分数表示。相对湿度的大小表示空气接近饱和的程度。当f=100时，表示空气已经达到饱和；未饱和时，f100；过饱和时f100。相对湿度的大小不仅与大气中水汽含量有关，而且还随气温升高而降低。,描述湿度变化的物理量,比湿（q）:水汽质量与同一容积中空气的总质量的比值，单位为克/克或者克/千克。表达式： 混合比（r）：水汽质量与同一容积中干空气质量的比值，单位为克/克或者克/千克。表达式：,饱和差（d）:在某一温度下，饱和水汽压与实际水汽压之差，表达式： 露点温度(Td)：. 保持
11、空气中的水汽含量不变，而使之降低温度，当水汽因降温而达饱和时之温度，即 为露点温度。露点温度也可用来表示水气含量的多寡，露点温度愈高，则表示空气中水气含量愈多。,大气静力学,大气静力学方程 静止大气中的力（重力和重力位势） 静力学方程: 静力平衡过程 压高公式静力学方程的积分形式 均质大气、等温大气、多元大气以及标准大气 压高公式的应用（计算不同高度的气压、天气系统的垂直结构）,什么是大气静力学？,大气静力学研究静止大气所受到的作用力以及在力的作用下质量和压强分布规律的科学称为大气静力学,大气静力学基本方程,静止大气中的力 静力学方程 为什么大尺度大气满足静力平衡条件,静力学方程得到的推论,d
12、z0时dp0，说明气压随高度是下降的 由于g随高度的变化很小，所以气压随高度下降的快慢主要取决于密度。大气层低层密度大，气压随高度下降快；大气层高层密度小，气压随高度下降的慢 将静力学方程从任意高度z积分到大气上界，得,表明任意高度z处的气压等于从该高度到大气上界的单位截面积气柱所受的重力。,均质大气的压高公式,所谓均质大气，即假定大气密度不随高度变化（密度为常数）的大气。对静力学方程积分：,均质大气压高公式,等温大气的压高公式,气温不随高度变化的大气称为等温大气,积分后可得,多元大气的压高公式,温度随高度线性递减的大气，称为多元大气。当温度的垂直递减率为,时，z高度处的温度可表示为,这样，静
13、力学方程,可表示为,上式积分后可得,多元大气中，气压随高度变化与温度的垂直递减率有关，温度随高度递减得快，气压随高度递减得也快。,压高公式的应用,1、利用压高公式可以计算出不同高度的气压值 2、利用压高公式分析天气系统的垂直结构,到底哪种类型的气旋、反气旋能延伸到较高的高度呢？,深厚系统：暖高压、冷低压（冷涡） 浅薄系统：冷高压、热低压 另外 气旋中心随高度向冷区倾斜 反气旋中心随高度向暖区倾斜,上述现象可以用压高公式进行解释,温度高时，同一等压面位势高度增加的快,低压系统向冷区倾斜,高压系统向暖区倾斜,浅薄的热低压,浅薄的冷高压,影响风的因子,气压梯度力 Coriolis力 摩擦力,The
14、complete equation (Ignoring frictional effects),Scale analysis,Even though the equation has been simplified by excluding Frictional effects and combining the Centrifugal force with the Gravitational force, it is still a complicated equation. To further simplify, a process known as Scale analysis is
15、employed. We simply assign typical scale values to each element and then eliminate those values which are SIGNIFICANTLY smaller than the rest,Simplified Equation of Motion,大气中的平衡运动,（1）地转风 （2）梯度风 （3）热成风,（1） 地转风,地转风是在水平气压梯度力与水平地转偏向力达到平衡的风，无加速度、无摩擦的空气水平运动,Geostrophic Wind,L,H,980 mb,984 mb,988 mb,PGF,C
16、o,V,Eventually the Coriolis and PGF balance each other. Since there is no unbalanced force, there is no acceleration. The wind continues to move at constant speed in a straight line (remember, no Friction). This is called:,Geostrophic Wind,地转风公式,地转风的矢量公式：,风压定律（白贝罗定律）,地转风与等压线平行，在北半球，地转风指向气压梯度力的右方，在南半球，地转风指向低压梯度力的左方。即背风而立，北半球低压在左，高压在右；南半球相反，低压在右，高压在左，这就是风压定律或称白贝罗定律。,（2） 梯度风,地转风只解释了大气作等速直线运动的情况，但大气的运动通常是曲线运动。 无切向加速度，无摩擦的大气水
