气象学基础第二章 气候系统

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1、第二章 气候系统第二章 气候系统第一节 气候系统的组成第二节 主要的气象要素第一节 气候系统的组成重点：大气圈的组成及垂直结构的变化空间部分：地球系统和宇宙空间如何交换能量从而实现能量平衡大气部分：气候系统的主体部分下垫面部分：包括海洋、陆地、冰雪圈、生物圈气候系统气候系统定义：包括大大气圈、水圈、陆地表面、气圈、水圈、陆地表面、冰雪圈和生物圈冰雪圈和生物圈在内的，能够决定气候形成、气气候形成、气候分布和气候变化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。一、大气圈概述（一）大气的组成大气大气是由干洁大气干洁大气和悬浮在其中的液态和固悬浮在其中的液态和固态杂质态杂质所组成。干洁

2、大气的主要成分主要成分是氮、氧和氩氮、氧和氩，少量的少量的CO2、O3、各种氮氧化物以及其他的一些惰性气体各种氮氧化物以及其他的一些惰性气体，是次要成分次要成分。从地面到90公里高度，空气的主要成分是氮、氧、氩、还有微量的惰性气体（氖、氪氙及氦）等之间大致保持固定的比例，基本上不随时间、空间变化，称为常常定成分定成分。其它的一些气体在大气中所占的比例随时间、地点而变，称为可变成分可变成分。在讨论大气组成时，人们经常将所有成分按其浓浓度度分为三类：1 1 主要成分主要成分，其浓度在百分之一以上，它们是氮（N2）、氧(O2)和氩(Ar);2 2 微量成分微量成分，其浓度在1ppm1%之间，包括二氧

3、化碳CO2)、甲烷(CH4)、氦(He)、氖(Ne)、氪 (Kr)等干空气成分和水汽；3 3 痕量成分痕量成分，其浓度在1ppm以下，主要有氢(H)、臭氧(O3)、氙(Xe)、一氧化二氮(N2O)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、氨气(NH3)、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)等。此外，还有一些人为产生的污染气体，它们的浓度多为ppt量级。 （二）大气中各种成分的分布和作用1、含量较多的氧气氧气、氮气氮气和水汽水汽的作用一切生命所必须，植物和动物都要呼吸，在氧化作用中得到热能以维持生命；决定有机物的燃烧、腐败及分解过程；植物的光合作用过程中要吸收氧气，放出二氧化碳降低氧气浓度，使氧化

4、作用不过于强烈；豆科植物的根瘤菌可以在常温常压下将氮固定在土壤中，成为植物体不可缺少的原料来自江、河、湖、海以及潮湿的物体表面的水分蒸发和植物的蒸腾；水汽含量有明显的时空变化，夏季多于冬季，低纬度多于高纬度；在垂直方向上，水汽含量随高度的增加而减少 水汽的作用：天气变化的重要角色，在大气温度变化的范围内，它可以凝结或凝华为水滴或冰晶，成云致雨，落雪降雹，成为淡水的主要来源，水的相变和水分循环不仅把大气圈、海洋、陆地和生物圈紧密联系在一起，而且对大气运动的能量转换和变化，以及对地面和大气温度都有重要的影响。（二）大气中各种成分的作用2、一些微量和痕量气体的性质与作用大气微量成分和痕量成分的特点：

5、（1）短寿命的成分（除惰性气体）；（2）有化学活性，能够参与大气中的一些化学过程，如形成酸雨、光化学烟雾等；（3）大多是温室气体，它们含量的变化会影响地球的辐射平衡，影响全球气候变化。（1）臭氧O3分布：1050高度的平流层大气中，极大值在2030 高度之间。平流层臭氧的作用：（1）阻挡强紫外辐射到达地面，保护了地球上的生命。（2）臭氧层吸收的太阳紫外辐射能量使平流层大气增温，对平流层的温度场和大气环流起着决定性作用。（1）是一种强氧化剂，能促进二氧化硫的氧化及氮氧化物的转化，这些过程是酸雨和光化学烟雾的主要成因之一；对流层内的臭氧是一种大气污染物对流层内的臭氧是一种大气污染物（2）在红外波段

6、的9.6微米附近有一个很强的吸收带，因此它也是使底层大气增温的重要的温室气体；（3）地表附近的臭氧是一种重要的温室气体，其浓度增加会直接危害生态环境。臭氧的空间分布（2）二氧化碳、甲烷、一氧化二氮等温室气体温室气体温室气体，对太阳辐射吸收很少，但却能强烈吸收地面放射的长波辐射，同时又向周围空气和地面放射长波辐射，所以有使地面和空气增温的效应全球碳循环（二）大气中各种成分的作用3、气溶胶的作用大气中悬浮的各种固体微粒和液体粒子，统称为气气溶胶溶胶。固体杂质能成为水汽凝结的核心，对云、雾形成起重要作用气溶胶粒子影响能见度，减弱太阳辐射和地面辐射，对地面和空气温度有一定影响（三）大气的结构大气的总质

7、量为5.31015t ，其中有50集中在离地5.5以下的气层内，在离地361000余公里的大气层只占大气总质量的1 大气上界划分的着眼点：大气的物理上界大气的物理上界：根据大气中才有的，在宇宙空间没有的物理现象确定的大气上界，为1200 着眼于大气密度：接近于星际空间的气体密度的高度作为大气上界1 1、大气的质量和上界、大气的质量和上界垂直温度梯度垂直温度梯度：垂直温度梯度又称为气温垂直递减率，简称气温直减率，它表示在垂直方向上每变化100米高度，气温的变化值，并以气温随高度的升高而降低为正值，通常以 表示，即 。 2 2、大气的垂直结构、大气的垂直结构 表示气温随高度的升高而降低； 表示气温

8、随温度的升高而升高，这种气层称为逆温层； 表示气温随高度不产生变化，这种气层称为等温层。根据温度、成分、电荷等物理性质，同时考虑大气的垂直运动状况，将大气分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层五层。垂直分层彩图垂直分层彩图1 1）对流层）对流层（tropospheretroposphere）大气垂直结构大气垂直结构对流层是靠近地面的大气最底层。 对流层顶高度对流层顶高度平均高度：在高纬度地区为89，在中纬度地区为1012，在低纬度地区为1718 主要的天气现象主要的天气现象对流层里集中了大气质量的3/4和几乎全部水汽再加上有强烈的垂直运动，因此主要的天气现象和过程如寒潮、台风、雷雨、闪电等都

9、发生在这一层。 对流层的三个基本特征：（1）大气温度随高度而降低ABC低高低低高高低层大气中，以太阳辐射加热地面后引起的对流、湍流交换作用以及地面的红外辐射为主，地面是主要热源。 （2）大气的垂直混合作用强，空气具有强烈的对流和湍流运动 ABC低高低低高高（3）气象要素（指温度、气压、湿度、风向、风速、辐射等）的水平分布不均匀对流层的三个基本特征：对流层的三个基本特征：2 2、平流层（平流层（stratospherestratosphere）平流层的主要特征：（1）气温随高度的上升而升高 （2）空气以水平运动为主 （3）水汽含量极少，大多数时间天气晴好 3 3、中间层中间层( (meosoph

10、eremeosophere) )特征：气温对高度的增加迅速降低，气流有强烈的垂直运动，故又称为高空对流层。其顶部的气温可降至11383。4 4、热层（热层（thermospherethermosphere）特征：（1）气温随高度的增加迅速升高。（2）空气处于高度电离状态。五颜六色的极光五颜六色的极光5 5）散逸层（）散逸层（exosphereexosphere ）大气的最高层，温度随高度很少变化；大气粒子经常散逸到宇宙空间，是大气圈与星际空间的过渡地带。第二节 主要的气象要素第二章第二节 主要的气象要素表示大气中物理现象和物理变化过程的物理量，统称为气象要素。包括气温、气压、湿度、风向、风速、

11、能见度、降水量、云量、日照时数 等。一、气象要素的定义一、气象要素的定义第二章第二节 主要的气象要素二、气温二、气温气温是表示空气冷热程度的物理量。气象观测中规定以距离地面1.5米高度处的空气温度作为衡量各地气温的标准。气象工作中所用的温标 有摄氏温标（） 、华氏温标（） 、绝对温标T（开） 三种。普通干湿球温度表最低温度表最高温度表第二章第二节 主要的气象要素三种温标之间的换算关系：t、t、T分别为摄氏温度、华氏温度及绝对温度的数值。第二章第二节 主要的气象要素二、气温二、气温三、气压三、气压第二章第二节 主要的气象要素 气压就是大气压强，它指的是与大气相接触的面上，空气分子作用在每单位面积

12、上的力，在气象上，气压通常用观测高度到大气上界（或说顶部）单位横截面积上垂直空气柱所受的重力来表示。第二章第二节 主要的气象要素三、气压三、气压标准大气压：一般将纬度45的海平面上，温度为0时，760毫米水银柱高（mmHg）所具有的压强为一个标准大气压，为1013.25百帕。动槽式水银气压表定槽式水银气压表第二章第二节 主要的气象要素n百帕、毫巴、水银柱高度、标准大气压都是气压的单位 n1毫巴=1百帕=3/4毫米水银柱。一个标准大气压为1013.25百帕。第二章第二节 主要的气象要素三、气压三、气压第二章第二节 主要的气象要素四、大气湿度四、大气湿度 湿度是表示大气中水汽含量多少的物理量。1

13、1、水汽压和饱和水汽压、水汽压和饱和水汽压大气中的水汽所产生的那部分压力称为水汽压（e），其单位为百帕（hPa）。饱和空气的水汽压（E），称为饱和水汽压，也叫最大水汽压 。它是温度的指数函数。对于平水面，a=7.5，b=237.3对于平冰面，a=9.5，b=265.5第二章第二节 主要的气象要素四、大气湿度四、大气湿度四、大气湿度四、大气湿度第二章第二节 主要的气象要素2 2、绝对湿度（、绝对湿度（a a）绝对湿度是单位体积湿空气中含有的水汽质量，单位为/m3。3 3、比湿、比湿q q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，称为比湿。其单位是g/g或g/ 。

14、比湿、大气压和水汽压之间具有如下的关系：四、大气湿度四、大气湿度第二章第二节 主要的气象要素4 4、混合比（、混合比（r r）水汽质量与同一容积中干空气质量的比值，单位为g/g或g/。四、大气湿度四、大气湿度第二章第二节 主要的气象要素5 5、相对湿度、相对湿度相对湿度指的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），即四、大气湿度四、大气湿度第二章第二节 主要的气象要素6 6、饱和差（、饱和差（d d）在某一温度下，饱和水汽压与实际水汽压之差称为饱和差饱和差。7 7、露点温度（、露点温度（T Td d）在空气中水汽含量和气压不变的情况下，当气温降低到使空气达到饱和时的那个

15、温度称为露点温度。如果湿空气是对于冰面饱和，则此温度成为霜点温度（T Tf f）第二章第二节 主要的气象要素五、降水五、降水 降水降水是指从天空降落到地面的液态或固态水，包括各种强度的雨、毛毛雨、雪、雨夹雪、霰，冰粒和冰雹等。降水的多少用降水量表示，降水量是指降水落到地面以后（固态的降水则需经融化后），未经蒸发、渗透、流失而在水平面上积聚的深度，以毫米为单位。 第二章第二节 主要的气象要素六、风六、风 空气的水平运动称为风。风的观测包括风向和风速。风向指风的来向，风速指单位时间内空气在水平方向上移动的距离，以米/秒，公里/小时，或海里/小时为单位。风向方位图第二章第二节 主要的气象要素蒲福风级

16、表 第二章第二节 主要的气象要素七、云七、云 云云是悬浮在大气中的小水滴、冰晶微粒或两者的混合物的可见聚合群体，底部不接触地面（如果接触地面则称为雾），并有一定的厚度。 云的观测包括云量云量、云状云状和云高云高。 云量是指云遮蔽天空视野的成数。 云高是指云底距离地面得垂直距离。第二章第二节 主要的气象要素第二章第二节 主要的气象要素八、蒸发八、蒸发 气象学中把液态水变为水汽称为蒸发蒸发。在一定时段内，水分经蒸发而逸入空气中的量，称为蒸发量，用蒸发掉的水层厚度的毫米数表示。蒸发量的测定用小型蒸发皿和E601型蒸发器进行测定。第二章第二节 主要的气象要素九、水平能见度九、水平能见度 能能见见度度是

17、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分辨出目标物的最大水平距离。单位用千米或米表示。第二章第二节 主要的气象要素十、日照十、日照可照时数，从日出到日落的总时数，称为可照时数。 日照时数：每天太阳直射光线实际照射地面的时数。日照时数与可照时数的比值，称为日照百分率。复习思考题1、地球大气由哪些成分组成？臭氧、二氧化碳、水汽和尘埃各有什么作用？2、大气垂直分层的主要依据是什么？共分为哪几层？3、对流层的主要特征是什么？为什么说对流层是大气科学研究的重点层次？4、了解各种气象要素的意义及其单位。5、名词解释：干洁空气、气温直减率、露点、相对湿度、水汽压、标准大气压返返回回返回返回返回返返回回台风中心台风中心返回台风中心台风中心台风台风龙卷和气旋龙卷和气旋闪电闪电返回