航海气象与海洋学课件全

第一章气象学基础知识第一节大气概况第二节气温第三节气压第四节空气水平运动--风第五节大气环流第六节大气湿度第八节云和降水第九节雾和能见度第十节船舶海洋水文气象观测第一节大气概况基本概念和知识点：大气成分；大气污染；大气垂直结构。重点：大气中的易变成分及其作用；对流层主要特征；摩擦层和自由大气。大气概况一、大气成分：主要由多种气体(氮、氧、氩、二氧化碳和臭氧等)、水汽和悬浮的杂质构成。干空气（Dryair）:除水汽和杂质以外的混合气体。干空气主要成分:氮（78.09%）、氧(20.95%）、氩（0.93%）三项约占总体积的99.97%。次要成分:二氧化碳（0.03％）、氢、氖、氦、氪、氙、氡、臭氧等稀有气体（0.01％）。大气是可压缩气体，大气密度随高度增加而迅速减少。观测表明，10公里以内集中了大气质量的75%，35公里以下则达99%，近地面空气标准密度为1.293kg/m-3,大气的总质量为5.3ⅹ1018kg，约为地球质量的百万分之一。其中影响天气、气候变化的主要大气易变成分为二氧化碳、臭氧和水汽。大气中的易变成分1.二氧化碳:平均含量0.03%，二氧化碳能强烈地吸收和放射长波辐射。2.臭氧：主要存在于20-40公里气层中，又称臭氧层。臭氧是吸收太阳紫外线的唯一大气成分大气中的易变成分3.水汽：水汽能强烈地吸收和放出长波辐射，并在相变过程中吸收和放出潜热能。湿空气在同一气压和温度下，只有干空气密度的62.2％。大气中水汽含量范围在0～4％，它也是造成云、雨、雪、雾等天气现象的主要物质条件。4.杂质：悬浮在空气中的固体或液体微粒，主要包括尘埃、烟粒、细菌、病毒、花粉和微小盐粒等。它们主要集中在大气的低层，影响能见度，能吸收部分太阳辐射，并对太阳辐射具有散射作用。在水汽相变过程中，杂质可以作为凝结核。大气污染大气污染：二氧化碳的逐年增多将导致地球变暖并引起全球天气和气候的异常变化。导致极冰融化、海面上升、一些陆地和港口将被淹没。另外，大气中的粉尘、二氧化硫、一氧化碳、一氧化氮、硫化氢、碳氢化合物和氨等。严重污染大气，对人类造成极大危害。全球141个国家和地区签署的旨在遏制全球气候变暖的《京都议定书》于2005年2月16日正式生效。2009年12月7—18日192个国家在丹麦首都哥本哈根召开《联合国气候变化框架公约》第１５次缔约方会议，旨在遏制全球气候变暖，温家宝总理出席会议。二、大气垂直结构大气上界大气上界的高度，常常因科学家们根据和目的不同而结果相差很大，因此要精确划定大气层上界的高度并为众人公认，始终是科学研究的一个难题。一般以物理现象发生的最高高度为上界。极光发生在高纬度不同高度上，最高达到1000-1200Km称为大气的物理上界。由卫星探测的大气上界为2000-3000Km。大气垂直分层根据气温、水汽的垂直分布、大气扰动程度和电离现象等不同等特点，自下而上将大气分为五个层次。（P5）1.对流层（Troposphere）：下界为地面，上界随纬度和季节变化，平均厚度10-12km。通常在高纬为6-8km，中纬度10-12km，低纬度17-18km。夏季对流层的厚度比冬季高。对流层集中了大气质量的80％和全部水汽，与人类关系最为密切，大气中几乎所有的物理和化学过程都发生在该层。对流层具有三个主要特征。对流层中三个主要特征⑴气温随高度而降低。平均幅度为-0.65℃/100m。即γ＝0.65℃/100m称γ为对流层中气温垂直递减率。⑵具有强烈的对流和湍流运动。是引起大气上下层动量、热量、能量和水汽等交换的主要方式。⑶气象要素沿水平方向分布不均匀。如温度、湿度等。根据大气运动的不同特征通常将对流层分为：摩擦层(frictionlayer)：摩擦层又称边界层，从地面到1-1.5km高度。其厚度夏季高于冬季，白天高于夜间，大风和扰动强烈的天气高于平稳天气。湍流输送是该层的基本运动特点，多涡动，各种气象要素都有明显的日变化。该层水汽、杂子含量多，因而低云、雾、霾、浮尘等出现频繁。自由大气(freeatmosphere)：摩擦层以上称自由大气。摩擦作用忽略不计，大气运动规律比较简单和清楚。自由大气的基本运动形式是层流，气流多波状系统。对流层顶：厚度约为1-2km，温度随高度呈等温或逆温状态。2.平流层（Stratosphere）：厚度：自对流层顶到大约55km。特点：空气主要是水平运动；水汽含量少；气温随高度升高而递增（20～40km气温突增，形成臭氧层）；气层稳定利于飞机飞行。3.中间层（Mesosphere）：厚度：自平流层顶到85km左右。特点：气温随高度迅速下降；又称高空对流层。4.热层（Thermosphere）：厚度：85-800km。特点：气温随高度迅速增加；空气处于高度电离状态，又叫电离层。5.逸散层（Exosphere）:厚度：热层顶以上。可高达3000km，地球大气向宇宙空间逸散的过渡区域。第二节气温基本概念和知识点：气温的概念；太阳、地面和大气辐射；空气增热和冷却方式；气温随时间的变化；气温的空间分布。重点：常用的温标及其换算；气温的日年变化；气温的空间分布；气温垂直递减率。一、气温的定义和温标气温（AirTemperature）是大气的重要状态参数之一，是天气预报的直接对象。气温的分布和变化与气压场、风场、大气稳定度以及云、雾、降水等天气现象密切相关。1.定义：气温是表示空气冷热程度的物理量。空气的冷热程度，实质上是反映空气分子运动的平均动能。当空气获得热量时，其分子运动的平均速度增大，平均动能增加，气温升高。反之当空气失去热量时，其分子运动平均速度减小，平均动能随之减少，气温就降低。气温可以通过温度表或温度计直接测得。温标2．温标：温度的数值表示法称温标。常用的温标有三种。①摄氏温标℃：把水的冰点温度定为0℃，沸点为100℃，多数非英语国家使用。②华氏温标Ｆ：水的冰点温度定为32F，沸点212F。一些英语国家多使用。摄氏与华氏的关系：③绝对温标(K氏温标)K：水的冰点温度定为273K，沸点为373K（由英国物理学家Kelvin提出）。多用于理论计算。关系：K＝273＋C或T=t+273)32(95FC3259CF二、太阳、地面和大气辐射辐射的基本特性自然界中凡温度高于绝对零度的物体均以电磁波（辐射）的方式进行能量交换。电磁波按其波长分为γ射线、X射线、可见光、红外线和无线电波。温度高，辐射强，多为短波；温度低，辐射弱，多为长波。物体因放射辐射消耗内能而使本身的温度降低，同时又因吸收其它物体放射的辐射能并转变为内能而使本身的温度增高。太阳表面温度约为6000K，辐射波长0.15～4μm，太阳是短波辐射。地面和大气的温度约为300K，放出长波辐射4～120μm，称长波辐射。太阳辐射是地球和大气的唯一能量来源。太阳、地面和大气辐射若将太阳对地球大气系统的辐射作为100个单位，其中地气系统反射和散射占30%，大气吸收占19%，地表吸收51%。地球表面通过长波辐射占21%、热传导占7%、水汽相变占23%等过程释放能量。使地球大气系统的温度保持恒定。大气受热的主要直接热源是地球表面。三、空气增热和冷却方式空气的增热和冷却受下垫面的影响很大。下垫面是泛指不同性质的地球表面。下垫面与空气之间的热量交换途径有以下几种：1.热传导（Conduction）：空气与下垫面之间，通过分子热传导过程交换热量，又称感热。地面和大气都是不良的热导体。仅在贴近地面几厘米以内明显，故通常不予考虑。2.辐射（Radiation）：地气系统热量交换的主要方式。地面吸收太阳短波辐射，放射出长波辐射加热大气。如白天辐射增温，夜间辐射冷却。3.水相变化：水有液态、气态和固态之间的变化。液体水蒸发，吸收热量；水汽凝结放出热量。一般下垫面水蒸发，吸收热量；上空水凝结放出热量。从而通过水相变化将下垫面的热量传给上层大气。4.对流（Convection)：一般将垂直运动称对流，对流分热力对流和动力对流。由于空气受热不均引起有规则的暖湿空气上升、干冷空气下沉，称热力对流。由于动力作用造成的对流运动称动力对流，如空气遇山爬升等。5.平流（Advection)：某种物理量的水平输送称平流。它是大气中异地间热量传输的最重要方式，范围大，持续时间长。如温度平流、湿度平流等。“南风暖、北风寒、东风湿、西风干”。6.湍流：又称乱流（Turbulence），是空气不规则的运动。湍流是摩擦层中热量、能量和水汽交换的主要方式。综上所知，空气与下垫面之间的热量交换是通过多种途径进行的。通常，地面与大气之间的热量交换以辐射为主，乱流和水相变化次之；各地空气之间的热量交换以平流为主。上下层空气之间的热量交换以对流和乱流为主。以上均为非绝热过程。空气的增热和冷却主要是非绝热过程引起的。四、气温随时间的变化大气的热量主要来自下垫面，所以气温具有与下垫面温度类似的周期性变化。如冬寒夏暖、午热晨凉反映了气温日、年变化的一般规律。1.气温的日变化diurnalvariationoftemperature日变化:一天中气温有一个最低温度和最高温度。陆地上最低气温出现在日出前，最高气温夏季出现在14～15点，冬季出现在13～14点。海洋上最高值滞后陆地1～2小时。气温的日较差：一日中最高气温与最低气温之差。其大小与纬度、季节、下垫面性质、海拨高度及天气状况有关。一般有：低纬＞高纬；陆上＞海上；夏季＞冬季；晴天＞阴天；低海拨＞高海拨。（吐鲁番海拔-154m，日较差大）2.气温的年变化annualvariationoftemperature年变化：一年中月平均气温有一个最高值和一个最低值。陆地：北半球:最高在七月份,最低在一月份。南半球:最高在一月份,最低在七月份。海洋：比陆地迟后一个月,即最高在八月,最低在二月年较差：一年中月平均最高气温与月平均最低气温之差。它与下热面的性质、纬度和海拔等有关。高纬＞低纬；陆上＞海上；海拔低＞海拔高五、气温的空间分布1.气温的水平分布海平面平均气温从赤道向高纬递减，南半球等温线大约与纬圈平行，北半球由于海陆分布不均匀，等温线不与纬圈平行。①夏半球的等温线比较稀疏，冬半球较密集②冬季北半球的等温线在大陆上大致凸向赤道，在海洋上大致凸向极地，而夏季相反。这是因为在同一纬度上，冬季大陆温度比海洋温度低，夏季大陆温度比海洋温度高的缘故。③北半球冬季大洋西部从低纬向东北方向伸出一个暖脊直达大洋东部中高纬海域。这是两个强大暖流黑潮、湾流所致。7月海平面平均气温分布1月海平面平均气温分布湾流黑潮温度脊“寒极”和“热赤道”④在南半球不论冬夏，最低气温均出现在南极地区，而在北半球只有夏季在北极，冬季在西伯利亚东北部（佛科扬斯克）和格陵兰，称为“寒极”(ColdPole)。⑤近赤道附近存在一个高温带,1月和7月平均气温均高于25℃，称这个高温带称为“热赤道”(HeatEquator)。平均在10N左右。全球平均气温为14.3℃，极端最高气温63℃（索马里），极端最低气温-94℃（南极附近）。2.气温的垂直分布在对流层中气温随高度上升而降低,气温随高度递减的快慢可用气温垂直递减率γ表示：γ=0.65℃/100m式中：∆T表示高度增加∆Z时，相应的气温变化量。∆Z的单位通常取100m.负号表示气温随高度增加而减小。通常γ＞0。当γ=0时表示等温。当γ＜0时表示逆温。逆温既在某一气层中，气温随高度增加而升高。zT气温对人体的影响研究指出，人体对周围温度的感觉与介质是大气还是水有关。在大气中，气温为28~29℃时，人体皮肤不感温，这个温度称为生理零度。人体皮肤对气温的感觉是：低于25℃有冷感，25~28℃时有温感，高于29℃时有热感。人体的感温还与风速有关，风速越大，感温越低，风速约在33kn时人体感温达最低值。当气温5℃时，3级风时感温在0℃左右；6级风时，对裸露的肌肤的作用相当于-12℃时的温度；同样风速，当气温为-5℃时，对裸露的肌肤