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气象学与气候学1第一章引论第二节气候系统概述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。一、大气圈概述大气圈是气候系统中最活跃、变化最大的组成部分。1）大气圈的组成：大气是由多种气体混合组成的，此外，还悬浮由一些固体杂质和液体微粒；大气的气体组成成分：主要成分——氮、氧、氩，99.96％；微量气体成分——二氧化碳、臭氧、甲烷等；干洁空气：90km以下可以看成是分子量为28.97的“单一成分”的气体；大气中的氧气：大气中的氧是一切生命所必须的，这是因为动物和植物都要进行呼吸，都要在氧化作用中得到热能以维持生命大气中臭氧的形成、分布与作用:大气中的臭氧主要是由于在太阳的短波辐射下，通过光化学作用，氧分子分解成氧原子后再和另外的氧分子结合而成的，另外有机物的氧化和雷电的作用也能形成臭氧，臭氧可以大量吸收太阳紫外线使臭氧层增暖，影响大气温度的垂直分布，从而对地球大气环流和气候的形成起着重要的作用。大气中的氮气：大气中的氮气能够冲淡氧气，使氧气不至太浓，氧化作用不过于激烈，大量的氮气可以通过豆科植物的根瘤菌固定到土壤中，成为植物体内不可缺少的养料大气中的二氧化碳、甲烷、一氧化碳等都是温室气体，它们对太阳辐射吸收甚少，但却能强烈地吸收地面辐射，同时又向周围空气和地面放射长波辐射。因此它们都有使空气和地面增温的效应。大气中的水汽：大气中的水汽来自江、河、湖、海及潮湿物体表面的水分蒸发和植物蒸腾，并借助空气的垂直交换向上传输。空气中的水汽含量夏季多于冬季，随高度的增加而减少。水汽可以凝结或凝华为水滴或冰晶，成为淡水的主要来源。大气气溶胶粒子：大气中悬浮的多种固体微粒和液体微粒，统称大气气溶胶粒子。固体微粒有的来源于自然界，如火山喷发的烟尘，被风吹起的土壤颗粒，海水飞溅扬入大气后而被蒸发的盐粒，细菌、微生物、孢子花粉，流星燃烧所产生的细小微粒和宇宙尘埃等；有的是由于人类活动，如燃烧物质排放至空气中的大量烟粒等。它们多集中于大气的底层。它们可以成为水汽凝结的核心，对云、雾的形成起重要作用。同时固体颗粒能散射、漫射和吸收一部分太阳辐射，也能减少地面长波辐射的外逸，对地面和空气温度有一定影响，并会使大气的能见度变坏。液体微粒是指悬浮在大气中的水滴和冰晶等水汽凝结物。它们常聚集在一起，以云、雾形式出现，不仅使能见度变坏，还能减弱太阳辐射和地面辐射，对气候有很大影响。2）大气的结构：大气的上界：物理上界——1200km；着眼于大气密度，约2000－3000km。大气的垂直分层：观测证明，大气在垂直方向上的物理性质是有显著差异的。根据温度、成分等物理性质，同时考虑到大气的垂直运动等情况，可将大气分为五层：（1）对流层（地面——对流层顶）对流层是大气的最下层，它的下界为地面，集中3/4大气，90%水汽，日常所见的大气现象均发生在此层，也是对人类生活、产生最有影响的层次。对流层有三个特点：①气温随着高度而降低：由于对流层主要是从地面得到热量，因此气温随高度增加而降低。高度每增加100m，气温则下降约0.65℃，这称为气温直减率，通常以γ表示：γ=0.65℃/100m②垂直对流运动：由于地表面的不均匀加热，产生垂直对流运动。对流的强度主要随纬度和季节的变化而不同。一般情况是：低纬较强，高纬较弱；夏季较强，冬季较弱。因此对流层的厚度从赤道向两极减小。低纬度：对流强，对流层较厚，平均厚度为17-18km，气象学与气候学2中纬度：夏季对流强，冬季对流较弱，平均厚度10-20km高纬度：全年受到的太阳辐射最小，对流也最弱，对流层的厚度只有8-9km。对流层很薄，但集中了整个大气3/4的质量和几乎全部的水汽。空气通过对流和湍流运动，高、低层的空气进行交换，使近地面的热量、水汽、杂质等易于向上输送，对成云致雨有重要的作用。③气象要素水平分布不均匀：温度和湿度不同由于对流层受地表的影响最大，而地表面性质不同，使对流层中，温度、湿度气压、能见度、风速等的水平分布是不均匀的。例如：陆地上的湿度比海洋上要小得多，白天陆地上的温度要比海洋上高得多。在对流层内，按气流和天气现象分布特点又可分为三层。下层：又称行星边界层或摩擦层或扰动层。它的范围自地面到2km高度。下层受地面强烈影响摩擦作用、湍流交换十分明显，各气象要素具有明显的日变化（使大气浑浊度增大）。由于本层的水汽、尘粒含量多，因而低云、雾、霾、浮尘等出现频繁。中层：从摩擦层顶到6km左右高度。这一层受地表影响较小，气流的状况基本上可以表征整个对流层空气运动的趋势。大气中的云和降水现象大都产生在这一层。上层：从6km高度到对流层顶。由于这一层离地面更远，受地表影响更小，水汽含量极少，气温常在0℃以下，各种云多由冰晶和过冷水滴组成。在中、低纬度地区上层，常有风速＞30m/s的强风带出现。此外，在对流层和平流层之间有一个厚度为数百米至1-2km的过渡层，称为对流层顶。此层主要特征是：气温随高度增加变化很小，甚至无变化。这种温度的垂直分布抑制了对流作用的发展，上升的水汽、尘粒多聚集其下，能见度变坏。对流层顶的温度在低纬度地区平均为-83℃，在高纬度地区约为-53℃。为什么在对流层顶，低纬的温度低于高纬的？参考：对流层顶，低纬的温度低天于高纬，是因为：（1）在对流层顶，温度的平均分布取决于辐射、湍流对流交换过程，对流层顶附近的温度与对流层顶的高度有密切的关系；（2）对流层顶愈高，温度随高递减的层次就愈厚，对流层顶的温度也就愈低；（3）低纬地区对流旺盛，对流层顶高度为18-19KM，而高纬地区对流层顶只有9-10KM，故对流顶，低纬温度低于高纬。（2）平流层：范围：对流层顶～55km左右。主要特征：随高度的增高，气温最初保持不变或微有上升，约30km以上，气温随高度增加而显著升高；气流比较平稳，垂直混合运动显著减弱；水汽含量极少。（3）中间层：范围：平流层顶～85km左右。主要特征：气温随高度增加迅速下降；垂直运动强烈；水汽含量更少；电离层D层。（4）热层：此层没有明显的顶部。有人观测在250～500km；有人认为可达800km。主要特征：气温随高度增加迅速升高；空气处于高度电离状态；在高纬度晴夜，可出现极光。（5）散逸层：是大气的最高层，又称外层。主要特征：该层的主要特点是大气粒子经常散逸至星际空间，是大气圈与星际空间的过渡地带。3、水圈、陆面、冰雪圈和生物圈概述1）水圈：水圈包括海洋、湖泊、江河、地下水和地表上的一切液态水，其中海洋在气候形成和变化中最重要。海温的垂直变化：表层暖层、斜温层、冷水层。海洋在气候系统中具有最大的热惯性，是一个巨大的能量贮存库。2）陆面：岩石圈、陆地表面；岩石圈变化时间尺度长；陆面的动力作用和热力作用。3）冰雪圈：冰雪圈包括大陆冰原、高山冰川、海冰和地面雪盖等。冰雪圈的变化尺度：陆地雪盖—季节变化；海冰—季节到几十年际的；大陆冰原和冰川—几百甚至到几百万年。气象学与气候学3冰雪圈对地表热量平衡的影响：很大的反射率；阻止地表和大气间的热量交换。4）生物圈：对气候变化很敏感，反过来影响气候。对大气和海洋的二氧化碳平衡、气溶胶粒子的产生以及其他与气体成分和盐类有关的化学平衡等的作用。第三节有关大气的物理性状一、主要气象要素（一）气温绝对温标，以K表示，温标之间的换算关系：T=t+273（二）气压当选定温度为0℃，纬度为45°的海平面作为标准时，海平面气压为1013.25hPa，相当于760mm的水银柱高度，称此压强为1个大气压。（三）湿度1、水汽压和饱和水汽压：大气中水汽所产生的那部分压强称为水汽压（e），单位hPa，在温度一定的情况下，单位体积空气的水汽量有一定的限度，如果水汽含量达到此限度，空气就呈饱和状态这是的空气称为饱和空气，其水汽压称为饱和水汽压（E），也叫最大水汽压，因为超过这个限度，水汽就要开始凝结。饱和水汽压随温度的升高而增大。2、相对湿度（f）：空气中实际水汽压与同温度下饱和水汽压的比值（用百分数表示），即：f=e/E*100%意义：相对湿度直接反映了空气距离饱和的程度。相对湿度越大，越接近饱和，当达到100%时，空气就达饱和状态，此时水汽就要开始凝结。当水汽压不变时，气温升高，饱和水汽压增大，相对湿度会减小。3、饱和差（d）：在一定温度下，饱和水汽压与实际空气中的水汽压之差称饱和差（d）。即：d=E-e4、比湿（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。在讨论空气的垂直运动时，通常用比湿来表示空气的湿度。5、水汽混合比(γ):一团湿空气中，水汽质量与干空气质量的比值。6、露点（Td）：当空气中水汽含量不变且气压一定时，降低温度，使未饱和空气达饱和时具有的温度，称之露点。单位与气温相同。在气压一定时，露点的高低只与空气中的水汽含量有关，水汽含量愈多，露点愈高，所以露点也是反映空气中水汽含量的物理量。在实际大气中，空气经常处于未饱和状态，露点温度常比气温低（TdT）。因此，根据T和Td的差值，可以大致判断空气距离饱和的程度。7、绝对湿度（a）：单位体积空气中所含的水汽量，单位为g/m^3或g/cm^3降水：指从天空降落到地面的液态或固态水，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。以毫米（mm）为单位。风：风向：地面风向用16方位，高空风向常用方位度数表示。以0度表示正北，90度表示正东，180度表示正南，270度表示正西。云量：云遮蔽天空视野的成数。能见度：单位为米或千米二、空气状态方程空气状态有气压、密度、体积、绝对温度来表示。（一）理想气体状态方程：PV/T=R(常量)气体常数:R=8.31J/(mol*K)在通常大气和压强条件下未饱和湿空气和干空气都十分接近理想气体对于质量为M克，1摩尔气体的质量是μ的理想气体，在标准状态下，其体积V等于1摩尔气体体积的M/μ倍PV=（M/μ）•R*TP=M/V•R*/μ•TP=ρRT其中R*/μ=R——比气体常数（二）干空气状态方程则P=ρRdTRd为干空气比气体常数=0.287J/g*K（三）湿空气状态方程气象学与气候学4P=ρRdT（1+0.378e/p）虚温（Tv）=（1+0.378e/P）T湿空气的状态方程可写为P=ρRTv第二章大气的热能和温度第一节太阳辐射一.辐射的基本知识：1.辐射：自然界中的一切物体过程都以电磁波的方式向四周放射能量，这种传播能量的方式称为辐射。通过辐射传播的能量称为辐射能，也简称为辐射。2.辐射能基本特征量：辐射通量密度：单位时间内通过单位面积的辐射能量称辐射通量密度，单位W/m2。物体的放射能力：物体表面，在单位时间内、单位面积上射出的辐射能，单位W/m2。辐射强度:单位时间内，通过垂直与选定方向上的单位面积（对球面坐标，即单位立体角）的辐射能，单位W/m2或W/sr。辐射强度和辐射通量密度的关系。3.物体对辐射的反射、吸收与透射：物体所吸收的辐射与投射到该物体表面上的总辐射之比为物体对辐射的吸收率。物体所反射的辐射与投射到该物体表面上的总辐射之比为物体对辐射的反射率。透过物体的辐射与投射到该物体表面上的总辐射之比为物体对辐射的透射率。物体的吸收率、反射率和透射率的关系：α＋γ＋d＝1物体的吸收率、反射率和透射率大小随辐射的波长和物体的性质而改变。二、太阳辐射太阳辐射光谱：太阳辐射中辐射能按波长的分布。太阳辐射的波长范围：大约在0.15~4微米之间。在这段波长范围内，又可分为紫外光区、红外光区和可见光区。太阳辐射的能量主要分布在可见光区和红外区，前者占太阳辐射总量的50％，后者占43％。紫外区只占能量的7％。太阳常数：就日的平均距离来说，在大气上界，垂直于太阳光线的平面上，单位面积、单位时间内获得的太阳辐射能量。1981年世界气象组织推荐的太阳常数最佳值为1367（±7）W/m2。太阳辐射在大气中的减弱：图2·6表明太阳辐射光谱穿过大气时受到减弱的情况：曲线1是大气上界太阳辐射光谱；曲线2是臭氧层下的太阳辐射光谱；曲线3是同时考虑到分子散