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1、气象学与气候学气象学与气候学Meteorology and Climatology 主讲人：主讲人： 乔晓景乔晓景 E-mail: 2013.102013.102 21.1.大气的一般特性大气的一般特性p 大气的组成成分大气的组成成分p 大气的结构大气的结构p 大气中主要的气象要素大气中主要的气象要素 大气圈大气圈大气是指包围在地球外面的空气层。大气圈是指因地球的引力而聚集在地表周围的气体圈层。大气圈无色无味，那么它是否真的存在呢？大气圈存在的主要证据或现象 有大气圈的google earth没有大气圈的google eartha.a.蓝色的天空蓝色的天空 这是由于大气中的一些非常细小物质成分
2、，如气体、粉尘等非球形微粒，它们的直径较阳光的波长小得多，因此，蓝色的散射量较之于其他任何一种颜色能更多地被选择散射。这种散射称瑞利散射。b.b.白云白云 如果形成散射的粒子的形状是球形的，而且其直径并不比阳光的波长小，所有的波长都是平均地被散射的，这种散射称迈耶散射。因此，云是白色的。c.c.风风 有风就说明有物质的存在，因为风是由于大气不同部位的压力差别造成的。如果在真空中就不会有风了。 d.d.d.d.流星流星流星流星 流星就是陨石穿过大气层时，由于其速度太快，与大气摩擦产生热使陨石燃烧起来。 否则我们的地球也与月球一样“ 千疮百孔”。没有大气保护的月球表面神州飞船返回舱返回舱着地后表面
3、留下了与大气摩擦、烧蚀的痕迹返回舱着地后表面留下了与大气摩擦、烧蚀的痕迹大气的组成大气的组成u 干空气干空气干空气干空气氮、氧、氩、其他微量气体氮、氧、氩、其他微量气体氮、氧、氩、其他微量气体氮、氧、氩、其他微量气体u 水汽水汽水汽水汽来自江河湖海及各种潮湿物体的蒸发来自江河湖海及各种潮湿物体的蒸发来自江河湖海及各种潮湿物体的蒸发来自江河湖海及各种潮湿物体的蒸发u 气溶胶气溶胶气溶胶气溶胶各种固体或液体微粒各种固体或液体微粒各种固体或液体微粒各种固体或液体微粒u 空空空空气气气气污污污污染染染染物物物物一一一一氧氧氧氧化化化化碳碳碳碳、二二二二氧氧氧氧化化化化硫硫硫硫、硫硫硫硫化化化化 氢等污
4、染气体氢等污染气体氢等污染气体氢等污染气体 干空气的主要成分： O2、N2 、 CO2 、O3l O2的作用的作用（1）用于呼吸作用维持生命，新陈代谢（2）有机物燃烧、腐化、分解 （3）植物光合释放氧气l l N2的作用的作用（1）冲淡氧气，控制氧化速率 （2）固氮，植物养料l CO2的来源及作用的来源及作用 来源：有机物燃烧，腐烂和生物呼吸 作用：温室气体，植物光合作用原料l lO O3 3的的来源来源 来源：高空臭氧、低空臭氧 氧分子 光解作用 为氧原子, 再 化学反应与另外的氧分子结合 O2O+O2O3 臭氧的形成过程在大气层中主要由太阳紫外辐射来完成，少量是由于有机物的氧化、雷电和火山
5、喷发等而产生的。 O3层的破坏：主要为CFC 氯氟烃的英文名称Chloro-fluoron-carbon臭氧层空洞臭氧层空洞l南极上空的臭氧层空洞是指每年的8月下旬至10月上旬，在2025公里高度的南极大陆上空，臭氧总量开始减少并出现空洞, 10月初空洞面积最大，可达2,000多万公里，覆盖了整个南极大陆及南美洲南端的上空；l11月份臭氧浓度才重新增加，臭氧层空洞也逐渐消失。由三个氧原子组成，平均含量为0.010.1ppm，大部分集中在1030km的平流层，对流层臭氧仅占10%。臭氧在地球大气化学中起着非常重要的作用，臭氧通过吸收太阳辐射维护地球的能量平衡和生态平衡。臭氧臭氧OO3 3 (Oz
6、one)(Ozone) l 水汽的来源：蒸发和蒸腾作用l 水汽的时空分布： 地面高空，热带极地，海洋沙漠，夏季冬季l 水汽的作用：云和降水的源泉 影响地面、空气温度及大气垂直运动水汽水汽海洋海洋湖蒸蒸发发水汽输送水汽输送地表径流地表径流地下径流地下径流降水降水降水降水蒸发蒸发植物蒸腾植物蒸腾下渗下渗大气中的水分循环大气中的水分循环l定 义 ： 空 气 中 悬 浮 的 固固 态态 或或 液液 态态 颗颗 粒粒的总称，能在空气中滞留至少几个小时滞留至少几个小时。l 尺度：10-3102ml 数密度： 102106个/cm3 城市农村，陆地海洋，冬季夏季l 作用：形成云、雾，降水条件 改变辐射平衡
7、造成大气污染，能见度降低 造成光学现象气溶胶（气溶胶（Aerosols）来源：自然源和人为源来源：自然源和人为源海水溅沫18固态微粒固态微粒液态微粒液态微粒气气溶溶胶胶 (Aerosols) 19火山灰火山灰气溶胶对气溶胶对气候气候的影响：的影响：l气溶胶粒子会吸收和反射太阳辐射，减少紫外线通过，使到达地面的太阳辐射大大减弱，导致地面温度降低。l大气中气溶胶粒子增加，增多了凝结核，使云量、降水量、雾的频率增多，对地表亦起冷却作用（阳伞效应）气溶胶放大照片大气的结构大气的结构 大气层高度（大气的上界）的确定大气层高度（大气的上界）的确定密度上界密度上界2000-30002000-3000千米千米
8、物理上界物理上界极光极光-1200-1200千米千米大气的垂直结构大气的垂直结构根据垂直方向上大气温度变化、运动状态、密度及成分的变化等，将大气分为：对流层、平流层、中间层、热层、外层大气的垂直结构大气的垂直结构u气温湿度在垂直方向上的分布气温湿度在垂直方向上的分布大气的垂直分层的依据大气的垂直分层的依据u大气中的扰动程度大气中的扰动程度u不同程度上的电离现象不同程度上的电离现象大气的结构大气的结构 南南京京农农业业大大学学樊樊多多琦琦对流层对流层 厚度厚度： 低纬低纬 171718km18km 中纬中纬 101012km12km 高纬高纬 8 8 9km9km 夏季厚于冬季夏季厚于冬季 主要
9、特征：主要特征： 随高度增加温度降低随高度增加温度降低 对流、乱流运动强烈对流、乱流运动强烈 天气层天气层 气象的要素水平分布气象的要素水平分布 不均匀不均匀 10 0 20 30 40 50 60 70 80 901001201401601802003004005006007008009001000km800 85 55 15散逸层散逸层热成层热成层中间层中间层平流层平流层对流层对流层南南京京农农业业大大学学樊樊多多琦琦 对流层的分层对流层的分层6000m6000m2000m2000m0m0m对对流流层层低云和雾低云和雾云和降水云和降水高云高云急流急流(30m/s)(30m/s)等温和逆温（
10、稳定）等温和逆温（稳定）对流层顶对流层顶上层上层中层中层（摩擦层、行星边界层）（摩擦层、行星边界层）下层下层南南京京农农业业大大学学樊樊多多琦琦2000m2000m0m0m自自由由大大气气层层摩摩擦擦层层100m100m2m2m埃克曼层埃克曼层EkmanEkman近地层近地层 贴地层贴地层 南南京京农农业业大大学学樊樊多多琦琦平流层平流层 主要特征：主要特征： 随高度增加随高度增加 下部温度变化很小下部温度变化很小 上部显著升高上部显著升高 平流平流 大气臭氧层大气臭氧层 O O3 3吸收太阳紫外辐射吸收太阳紫外辐射 珠母云珠母云( (贝母云、珍珠云贝母云、珍珠云) ) 10 0 20 30
11、40 50 60 70 80 901001201401601802003004005006007008009001000km800 85 55 15散逸层散逸层热成层热成层中间层中间层平流层平流层对流层对流层南南京京农农业业大大学学樊樊多多琦琦中间层中间层（高空对流层）（高空对流层） 主要特征：主要特征： 随高度增加随高度增加 温度降低温度降低 对流运动强烈对流运动强烈 夜光云夜光云 10 0 20 30 40 50 60 70 80 901001201401601802003004005006007008009001000km800 85 55 15散逸层散逸层热成层热成层中间层中间层平流层
12、平流层对流层对流层南南京京农农业业大大学学樊樊多多琦琦热成层（热层、暖层）热成层（热层、暖层） 主要特征：主要特征： 随高度增加温度升高随高度增加温度升高 空气处于高度电离状态空气处于高度电离状态 N N、O O 吸收太阳紫外辐射吸收太阳紫外辐射 （0.20.2 m m） 极光极光 10 0 20 30 40 50 60 70 80 901001201401601802003004005006007008009001000km800 85 55 15散逸层散逸层热成层热成层中间层中间层平流层平流层对流层对流层南南京京农农业业大大学学樊樊多多琦琦散逸层散逸层（外层）（外层） 10 0 20 30
13、 40 50 60 70 80 901001201401601802003004005006007008009001000km800 85 55 15散逸层散逸层热成层热成层中间层中间层平流层平流层对流层对流层南南京京农农业业大大学学樊樊多多琦琦大气上界大气上界 极光出现的最大高度极光出现的最大高度 100010001200km1200km 气体密度气体密度 200020003000km3000km 10 0 20 30 40 50 60 70 80 901001201401601802003004005006007008009001000km800 85 55 15散逸层散逸层热成层热成层中
14、间层中间层平流层平流层对流层对流层11001200大气中主要气象要素大气中主要气象要素l 气温气温l 气压气压l 湿度湿度l 风向、风速风向、风速l 云量云量l 降水量降水量l 能见度能见度气象观测场布置图百叶箱百叶箱（测气温）（测气温）雨量计雨量计（测雨量）（测雨量）风速仪风速仪（测风速、风向）（测风速、风向）气气温温1.1.定义：表示大气冷热程度的物理量定义：表示大气冷热程度的物理量2.2.单位单位 ： 摄摄氏氏度度（）温温标标，以以气气压压为为1013.3hpa1013.3hpa或或者者相相当当于于760mmhg760mmhg时时纯纯水水的的冰冰点点为为零零度度（0 0），沸沸点点为为1
15、00100度度（100100），其间等分），其间等分100100等份中的等份中的1 1份即为份即为1 1摄氏度。摄氏度。 绝绝对对温温标标，以以K K表表示示，这这种种温温标标中中一一度度的的间间隔隔与与摄摄氏氏度度相相同同，其其零零度度称称为为“绝绝对对零零度度”，规规定定为为等等于于摄摄氏氏273.15273.15。因因此此水水的的冰冰点点为为273.15K273.15K，沸沸点点为为373.15K373.15K。3.3.单位换算：单位换算：T=t+273.15T=t+273.15大气中的温度一般以百叶箱中干球温度为代表。大气中的温度一般以百叶箱中干球温度为代表。气温的观测仪器与方法气温的
16、观测仪器与方法1、定义：单位面积上所承受到的整个空气柱的质量，即大气的压力。实质：气压的大小决定于整个空气柱质量的多少2、单位：mmHg 、mb、pa、 hpa3、标准大气压：在纬度为45的海平面上，温度为0时，所测得的水银柱高高为760mm的大气压强，为一个标准大气压（1013.25mb）。4、测量仪器：定定槽槽式式水水银银气气压压表表、动动槽槽式式水水银气压表、自记气压计、空盒水银气压表。银气压表、自记气压计、空盒水银气压表。 精确的气压值是用水银气压表来测量的。精确的气压值是用水银气压表来测量的。气气 压测气压仪器测气压仪器水银气压表水银气压表气压计气压计空盒气压表空盒气压表 定义：表示
17、大气中水汽量多少的物理量称大气湿度。 意义：大气湿度状况直接影响了云、雾、降水等天气现象的 形成。水汽压(e)及饱和水汽压(E) 相 对 温 度（f）饱和差（d）比湿（q）水汽混合比（） 露点（Td）湿湿度度表表示示方方法法湿湿 度度 测湿度的仪器测湿度的仪器 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、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。 在高纬度地区冬季降雪多，还需测量雪深和雪压。雪深是从积雪表面到地面的垂直深度，以厘米（cm）为单位。当雪深超过5cm 时，则需观
18、测雪压。雪压是单位面积上的积雪重量，以g/cm2 为单位。降水量是表征某地气候干湿状态的重要要素，雪深和雪压还反映当地的寒冷程度。 降降 水水降水降水u单位：单位：mm mm u测定测定: : 雨量计雨量计u等级等级: : 降水强度及持续时间（暴雨降水强度及持续时间（暴雨:P50mm:P50mm）u影响因素：纬度位置、海陆位置、地形状况影响因素：纬度位置、海陆位置、地形状况u分布规律：总体从赤道向两极递减分布规律：总体从赤道向两极递减 雨量器雨量器雨量器雨量器 内径内径20cm20cm口径。分辨口径。分辨率率0.1mm0.1mm。两段制观测，。两段制观测，即每日即每日8 8时及时及2020时各
19、观测时各观测一次。雨季增加观测段一次。雨季增加观测段次。次。每日每日8 8时至次日时至次日8 8时时降水量为当日降水量降水量为当日降水量器测法、雷达探测、卫星云图估算器测法、雷达探测、卫星云图估算 自记雨量计自记雨量计自记雨量计自记雨量计 承雨器将雨量导入浮子承雨器将雨量导入浮子承雨器将雨量导入浮子承雨器将雨量导入浮子室，浮子随注入的雨水增室，浮子随注入的雨水增室，浮子随注入的雨水增室，浮子随注入的雨水增加而上升，带动自记笔在加而上升，带动自记笔在加而上升，带动自记笔在加而上升，带动自记笔在附有时钟的转筒上的记录附有时钟的转筒上的记录附有时钟的转筒上的记录附有时钟的转筒上的记录纸上连续记录随时
20、间累积纸上连续记录随时间累积纸上连续记录随时间累积纸上连续记录随时间累积增加的雨量。当累积雨量增加的雨量。当累积雨量增加的雨量。当累积雨量增加的雨量。当累积雨量达达达达10mm10mm10mm10mm时，自行进行虹吸，时，自行进行虹吸，时，自行进行虹吸，时，自行进行虹吸，使自记笔立即垂直下落到使自记笔立即垂直下落到使自记笔立即垂直下落到使自记笔立即垂直下落到记录纸上纵坐标的零点，记录纸上纵坐标的零点，记录纸上纵坐标的零点，记录纸上纵坐标的零点，以后又开始记录以后又开始记录以后又开始记录以后又开始记录 空气的水平运动称为风。风是一个表示气流运动的物理量。它有大小（风速），又有方向（风向），是一个
21、向量。风向是指风的来向。地地面面风风向向用用16 16 方方位位表表示示；高高空空风风向向常常用用方方位位度度数数表表示示，即以0（或360）表示正北，90表示正东，180表示正南，270表示正西。在16方位中，每相邻方位间的角差为22.5。风风速速单单位位常常用用m/sm/s、knotknot（海里/小时，又称“节”，）和 km/h km/h 表示表示， 其换算关系如下 1m/s=3.6km/h 1knot=1.852km/h 1km/h=0.28m/s 1knot=1/2m/s 风风向方位图风向方位图风向玫瑰图（风向玫瑰图（某个地方多年平均统计状态下的风向某个地方多年平均统计状态下的风向的
22、示意图的示意图）工业企业布局、城市功能区合理规划、气象资料统计工业企业布局、城市功能区合理规划、气象资料统计 在在地地面面天天气气图图上上，用用下下列列图图示示来来表表示示风风，风风尾尾长长划划风风速速为为4 4米米/ /秒秒，即即风风力力为为2 2级级，短短划划风风速速为为2 2米米/ /秒秒。一一个个风风旗旗，表表示示风风力力为为8 8级级。风风尾尾和和风风旗旗均均放放在在风风杆杆的的左左侧。侧。西南风西南风5 5级级东南风东南风1212级级天气图上风的表示方法天气图上风的表示方法轻便三杯风向风速仪轻便三杯风向风速仪 功能：轻便三杯风向风速表用于测量风向和一分钟时间内的平均风速。组成：由风
23、向仪、风速、手柄三部分组成。风向仪：包括风向指针、方位盘、制动小套管部件。 风与风车风与风车中国风力资源分布状况图 我国风能资源丰富的地区我国风能资源丰富的地区 （1 1）三三北北( (东东北北、华华北北、西西北北) )地地区区包包括括东东北北三三省省、河河北北、内内蒙蒙古古、甘甘肃肃、宁宁夏夏和和新新疆疆等等省省( (自自治治区区) )近近200 200 公公里里宽宽的的地地带带。风风功功率率密密度度在在200200300 300 W/mW/m2 2以上。以上。 （2 2）东东南南沿沿海海及及附附近近岛岛屿屿包包括括山山东东、江江苏苏、上上海海、浙浙江江、福福建建、广广东东、广广西西和和海海
24、南南等等省省( (市市) )沿沿海海近近10 10 公里宽的地带，年风功率密度在公里宽的地带，年风功率密度在200W/m200W/m2 2米以上。米以上。 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。云云 量量 天天气气预预报报广广播播中中的的晴晴、少少云云、多多云云和和阴阴，就就是是根根据云量的多少划分的。据云量的多少划分的。 天天空空无无云云，或或者者虽虽有有零零星星云云
25、层层，但但云云量量不不到到2 2成成时时称称为为晴晴；低低云云量量在在8 8成成以以上上称称为为阴阴。中中、低低云云的的云云量量为为1 13 3，高高云云的的云云量量为为4 45 5时时，称称为为少少云云；中中、低低云云的的云云量量为为4 47 7，高高云云的的云云量量为为6 61010时，称为时，称为多云多云。 2024/7/23观察云云量的多少云量的多少晴天：无云或云量少（太阳总能看见）晴天：无云或云量少（太阳总能看见）多云：云量较多（太阳时常可见）多云：云量较多（太阳时常可见）阴天：云量很多（很难见到太阳）天气2024/7/23晴天 多云阴天 把天空当做一个圆，看看云在天空中所占的多少把
26、天空当做一个圆，看看云在天空中所占的多少2024/7/23观察云晴晴 天天2024/7/23观察云多多 云云2024/7/23观察云阴阴 天天 能能见见度度指指视视力力正正常常的的人人在在当当时时天天气气条条件件下下，能能够够从从天天空空背背景景中中看看到到和和辨辨出出目目标标物物的的最最大大水水平平距距离离。单单位位用用米米（m m）或千米（或千米（kmkm）表示。）表示。能见度能见度习题习题1 1、低层大气由哪些成分混合组成？试分析其分布、低层大气由哪些成分混合组成？试分析其分布特点和气象气候意义。特点和气象气候意义。2 2、大、大气垂直分层的主要依据是什么？共分哪几层气垂直分层的主要依据是什么？共分哪几层？大气上界如何确定？大气上界如何确定？3 3、臭氧的分布特点是什么？大气中的臭氧在气象臭氧的分布特点是什么？大气中的臭氧在气象学和生物生命活动中有什么意义学和生物生命活动中有什么意义？4 4、大气中的气象要素有哪些？、大气中的气象要素有哪些？预习要求预习要求1.3 1.3 大气水分及其相变大气水分及其相变 一、空气湿度一、空气湿度 二、水相变化二、水相变化
