大气科学概论-第一讲(概述).

大气科学概论课程内容第一章概述第二章大气运动的基本规律第三章气旋与反气旋第四章关于气团和锋的介绍第五章关于天气预报的基本方法和技术第六章海气相互作用的产物———厄尔尼诺第七章气候变化本章内容大气科学的研究对象、内容和学科体系大气科学的发展历史、现状及其在生产建设中的应用有关大气的物理属性大气科学的研究对象、内容和学科体系由于地球的引力作用，地球周围聚集着一个气体圈层，构成了所谓大气圈;大气的分布是如此之广，以致地球表面没有任何地点不在大气的笼罩之下；人类就生活在大气圈底部的“下垫面”上;大气圈是人类地理环境的重要组成部分。大气圈阻挡了大多数陨石大气科学的研究对象大气科学的研究对象主要是覆盖整个地球的大气圈，也研究大气与其周围的水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈相互作用的物理和化学过程，此外还研究太阳系其他行星的大气。大气科学的领域很广，其基本内容是：把大气当作研究的对象来探讨其特性和状态，如大气的组成、结构、温度、湿度、压强和密度等等；研究导致大气现象发生、发展的能量来源、性质及其转化；研究大气现象的本质，从而能解释大气现象，寻求控制其发生、发展和变化的规律；探讨如何应用这些规律，通过一定的措施，为预测和改善大气环境服务（如人影、消雾、防雹等），使之能更适合于人类的生活和生产的需要。大气科学的研究内容大气科学是研究大气的各种现象（包括人类活动对它的影响）及其演变规律，以及如何利用这些规律进行天气、气候的监测和预测，从而趋利避害为人类服务的一门学科。天气和气候的区别天气和气候是两个既有联系又有区别的概念从时间尺度上讲，天气是指某一地区在某一瞬间或某一短时间内大气状态（如气温、湿度、压强等）和大气现象（如风、云、雾、降水等）的综合。天气过程是大气中的短期过程。而气候指的是在太阳辐射、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。世界主要气候图气候系统一个完整的气候系统应包括对气候形成分布和变化有直接或间接影响的各个环节，除太阳辐射这个主要能源之外，气候系统包括大气圈、水圈、冰雪圈、陆地表面和生物圈（动、植物和人类）等5个子系统。各个子系统内部以及各子系统彼此之间的各种物理、化学乃至生物过程的相互作用决定着气候的长期平均状态以及各种时间尺度的变化。《后天(TheDayAfterTomorrow)》《完美风暴(PerfectStorm)》《龙卷风（Tornadoes）》覆盖整个地球的大气的质量约占地球总质量的百万分之一。由于地心引力的作用，大气质量的90%聚集在地表15km高度以下的大气层内，99.9%（48km）。2000km以上，上大气极其稀薄，逐渐向星际空间过渡，无明显的上界。气候系统之大气圈观测证明，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、电荷等物理性质，同时考虑到大气的垂直运动等情况，可将大气分为五层。大气的垂直结构1.对流层对流层是地球大气中最低的一层。云、雾、雨雪等主要大气现象都出现在此层。对流层是对人类生产、生活影响最大的一个层次，也是大气科学研究的重点层次。对流层有以下3个主要特征：（1）气温随高度增加而降低：（2）垂直对流运动：（3）气象要素水平分布不均匀：在对流层的最下层称为行星边界层或摩擦层。其范围一般是自地面到1—1.5km高度。在这层里大气受地面摩擦和热力的影响最大，湍流交换作用强，水汽和微尘含量较多，各种气象要素都有明显的日变化。行星边界层以上的大气层称为自由大气。在自由大气中，地球表面的摩擦作用可以忽略不计。在对流层的最上层，介于对流层和平流层之间，还有一个厚度为数百米到1—2km的过渡层，称为对流层顶。这一层的主要特征是：气温随高度的增加突然降低缓慢，或者几乎不变，成为上下等温。2.平流层自对流层顶到55km左右为平流层。在平流层内的温度随着高度的增高。平流层这种气温分布特征是和它受地面温度影响很小，特别是存在着大量臭氧能够直接吸收太阳辐射有关。虽然30km以上臭氧的含量已逐渐减少，但这里紫外线辐射很强烈，故温度随高度增加得以迅速增高，造成显著的暖层。平流层内气流比较平稳，空气的垂直混合作用显著减弱。平流层中水汽含量极少，大多数时间天空是晴朗的。平流层中的微尘远较对流层中少，但是当火山猛烈爆发时，火山尘可到达平流层，影响能见度和气温。3.中间层自平流层顶到85km左右为中间层。该层的特点是气温随高度增加而迅速下降，并有相当强烈的垂直运动。中间层内水汽含量更极少，几乎没有云层出现，在中间层的60—90km高度上，有一个只有白天才出现的电离层，叫做D层。4.热层热层又称热成层或暖层，它位于中间层顶以上。该层中，气温随高度的增加而迅速增高。其增温程度与太阳活动有关，当太阳活动加强时，温度随高度增加很快升高。在热层中空气处于高度电离状态，又可称为电离层，正是由于高层大气电离层的存在，人们才可以收听到很远地方的无线电台的广播。此外，在高纬度地区的晴夜，在热层中可以出现彩色的极光。5.散逸层这是大气的最高层，又称外层。这一层中气温随高度增加很少变化。由于温度高，空气粒子运动速度很大，又因距地心较远，地心引力较小，所以这一层的主要特点是大气粒子经常散逸至星际空间，本层是大气圈与星际空间的过渡地带。气候系统之大气圈地球大气运动的复杂性空间尺度：小至几米以下，大至几千公里甚至上万公里时间尺度；短至几秒长至数十天或更长气候系统各组成部分及其相互作用地球大气的组分以氮、氧、氩为主，它们占大气总体积的99.96%，此外还包括二氧化碳、甲烷、臭氧、水汽、氡、氨等。大气中还悬浮着水滴、冰晶、尘埃、花粉等液态、固态微粒。氧：人类赖以生存的物质基础水汽：淡水的主要资源臭氧：含量虽少，但能吸收太阳紫外辐射中对生命有害的部分水圈包括海洋、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。海洋是由世界大洋和邻近海域的含盐海水所组成。其总面积约占地球表面的71%，相当于陆地面积的2.5倍。无论从力学和热力学效应来看，海洋在气候系统中具有最大的惯性，是一个巨大的能量贮存库。气候系统之水圈（海洋）气候系统之水圈洋流示意图暖流寒流水圈（海洋）由于海洋对太阳辐射的反射率比陆面小，海洋单位面积所吸收的太阳辐射能比陆地多25％—50％。全球海洋表层的年平均温度要比全球陆面温度约高10℃左右。如果仅考虑100m深的表层海水，即占整个气候系统总热量的95.6％。仅此一端就可见其在气候系统中的重要性。陆面有时亦称岩石圈。岩石圈的变化时间尺度甚长，其中如山脉形成的时间尺度约为105—108a，大陆飘移的时间尺度约为106—109a，而陆块位置和高度变化的时间尺度则更在109a以上。它们的这些特征对地质时期的气候变化是有巨大影响的，但对近代在季节、年际、十年际乃致百年际的气候变化中是可以忽略的。气候系统之岩石圈陆面（岩石圈）在上述近代气候变化的时间尺度内，除火山爆发外，对大气的作用主要还是发生在陆地表面。因此在气候系统中通常不用岩石圈这个更广泛的名词，而采用陆面一词。陆地表面具有不同的海拔高度和起伏形势，可分为山地、高原、平原、丘陵和盆地等类型。它们以不同的规模错综分布在各大洲之上，构成崎岖复杂的下垫面。气候系统之岩石圈青藏高原冰雪圈包括大陆冰原、高山冰川、海冰和地面雪盖等。陆地雪盖有季节性的变化，海冰有季节性到几十年际的变化，而大陆冰原和冰川的变化要缓慢得多，约在几百年甚至到几百万年的周期。冰川和冰原的体积变化与海平面高度的变化有很大关系。气候系统之冰雪圈冰雪圈由于冰雪具有很大的反射率，在冰雪覆盖下，地表（包括海洋和陆地）与大气间的热量交换被阻止，因此冰雪对地表热量平衡有很大影响。它是气候系统中的一个重要子系统。总之，冰雪的主要效应是增大了地表反照率，对大气运动总是起冷却（源）作用。气候系统之冰雪圈生物圈除了包括动植物，也包括人类本身。生物圈的各部分在变化的时间尺度上有显著差异，但它们对气候的变化都很敏感，而且反过来又影响气候。生物对于大气和海洋的CO2平衡，气溶胶粒子的产生，以及其它与气体成分和盐类有关的化学平衡等都有很重要的作用。由于动物需要得到适当的食物和栖息地，所以动物群体的变化也反映了气候的变化。气候系统之生物圈气候系统之生物圈大气的气体组成成分微量气体含量通常用体积或质量混合比表示。其定义为单位体积(质量)大气中微量气体作占体积(质量)的比例，以mL/L(mg/g)表示。五大圈层相互作用大气科学的学科体系物理气象学气象学天气学动力气象学大气科学物理气候学气候学描述气候学应用气候学从20世纪60年代以来，大气科学扩充了其传统的研究内容，出现了许多分支学科，主要有大气探测、天气学与大气环流、大气动力学、气候学与全球变化、大气物理学、大气环境学、大气化学、人工影响天气、应用气象学等。大气科学与其它学科的关系大气科学与其它学科的关系由于人类越来越认识到大气圈与水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈之间相互作用和相互影响的重要性，要了解大气变化过程就不能不深入到其他圈层变化过程的研究。因此，大气科学与其它学科之间的相互渗透也越来越深入。大气科学与其它学科的关系总之，人类生产和生活的发展，将不断提出新的问题和要求，推动大气科学新理论和新分支的发展。大气科学新的发展，必将不断提高它为生产和生活服务的能力，如提高天气和气候预报的准确率、为开发利用气象资源和制定经济政策提供更加可靠的科学依据等，其经济效益和社会效益将不可估量。第二节大气科学的发展历史、现状及其在生产建设中的应用大气科学的发展史古代气象知识的积累时期大气科学的建立时期大气科学主要分支的形成时期大气科学迅速发展时期古气象史时代从人类有文字记载的历史时期开始到十六世纪末。气象史的两个时代：近现代气象史时代从十六世纪末至今以来。古代气象知识的积累时期（自人类文明开始至16世纪）源流：1）以中国和印度为主的亚洲（中国殷代便有记载，测量空气湿度、风向和降水量的仪器都是我国最先发明的）2）地中海东部、欧亚非三洲的交汇处（埃及文化、巴比伦文化和希腊文化的发祥地）最早的气象学专著：亚里士多德《气象汇论》英国气象学的奠基人---圣比德《自然本质》现代气象科学的四次飞跃第一次飞跃:（大约1700—1859年）气象仪器如温度表、雨量器、气压表等相继发明，导致对信风和全球大气环流的研究。各种气象仪器相继问世：空气温度表（1597）、气压表（1643）、虹吸式自记雨量计（1662）、毛发湿度计（1783）第一个气象观测站：1653年由意大利的斐迪南二世在佛罗伦萨建立，18世纪80年代哈默尔组建了由欧洲、北美洲和西伯利亚共20个国家的57个气象观测站构成的观测网。1686年哈雷发现信风，认为信风同太阳供给赤道较多的热有关。哈得来在1735年的《关于信风之起因》中，第一次对大气环流考虑地球自转的因素，并首次创立了经圈环流的理论。18世纪中叶，人们开始进行高空探测的尝试。17世纪～19世纪初，流体的概念及牛顿的力学三大定律和微积分学，为动力气象学提供了理论基础。第一次飞跃:（大约1700—1859年）现代气象科学的四次飞跃第二次飞跃:（1860—1940）无线电报发明，地面气象观测网产生，天气图诞生，VBjerknes创立了锋面学说，提出了著名的斜压概念和环流理论，从此天气学和动力气象学形成并得到发展。第一张天气图：1820年，布兰德斯（德国）风与气压关系的提出：1857年，白贝罗（荷兰）科里奥利力的引入：1861年，费雷尔（美国）环流理论：1897年，VBjerknes（1921年提出大气环流图案）现代天气学理论，天气分析和天气预报方法，基本上是由VBjerknes父子、索尔贝格和伯杰龙等人在20世纪20～30年代期间建立起来的。1939年Rossby等提出了长波理论。第二次飞跃:（1860—1940）现代气象科学的四次飞跃第三次飞跃:（1941—1980）无线电探空仪发明，高空观测网迅速建立，Rossby提出了长波动力学，创立了长波理论。Lorenz提出奇异吸引子与混沌理论