氣象學基礎第二章氣候系統(tǒng)

1、氣象學基礎第二章氣候系統(tǒng)第二章 氣候系統(tǒng)第一節(jié) 氣候系統(tǒng)的組成第二節(jié) 主要的氣象要素第一節(jié) 氣候系統(tǒng)的組成重點：大氣圈的組成及垂直結構的變化空間部分：地球系統(tǒng)和宇宙空間如何交換能量從而實現(xiàn)能量平衡大氣部分：氣候系統(tǒng)的主體部分下墊面部分：包括海洋、陸地、冰雪圈、生物圈氣候系統(tǒng)定義：包括大氣圈、水圈、陸地表面、冰雪圈和生物圈在內(nèi)的，能夠決定氣候形成、氣候分布和氣候變化的統(tǒng)一的物理系統(tǒng)。太陽輻射是這個系統(tǒng)的能源。一、大氣圈概述（一）大氣的組成大氣是由干潔大氣和懸浮在其中的液態(tài)和固態(tài)雜質(zhì)所組成。干潔大氣的主要成分是氮、氧和氬，少量的CO2、O3、各種氮氧化物以及其他的一些惰性氣體，是次要成分。從地面到

2、90公里高度，空氣的主要成分是氮、氧、氬、還有微量的惰性氣體（氖、氪氙及氦）等之間大致保持固定的比例，基本上不隨時間、空間變化，稱為常定成分。其它的一些氣體在大氣中所占的比例隨時間、地點而變，稱為可變成分。在討論大氣組成時，人們經(jīng)常將所有成分按其濃度分為三類：1 主要成分，其濃度在百分之一以上，它們是氮（N2）、氧(O2)和氬(Ar);2 微量成分，其濃度在1ppm1%之間，包括二氧化碳CO2)、甲烷(CH4)、氦(He)、氖(Ne)、氪 (Kr)等干空氣成分和水汽；3 痕量成分，其濃度在1ppm以下，主要有氫(H)、臭氧(O3)、氙(Xe)、一氧化二氮(N2O)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(

3、NO2)、氨氣(NH3)、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)等。此外，還有一些人為產(chǎn)生的污染氣體，它們的濃度多為ppt量級。 （二）大氣中各種成分的分布和作用1、含量較多的氧氣、氮氣和水汽的作用一切生命所必須，植物和動物都要呼吸，在氧化作用中得到熱能以維持生命；決定有機物的燃燒、腐敗及分解過程；植物的光合作用過程中要吸收氧氣，放出二氧化碳降低氧氣濃度，使氧化作用不過于強烈；豆科植物的根瘤菌可以在常溫常壓下將氮固定在土壤中，成為植物體不可缺少的原料來自江、河、湖、海以及潮濕的物體表面的水分蒸發(fā)和植物的蒸騰；水汽含量有明顯的時空變化，夏季多于冬季，低緯度多于高緯度；在垂直方向上，水汽含量隨高度的

4、增加而減少 水汽的作用：天氣變化的重要角色，在大氣溫度變化的范圍內(nèi)，它可以凝結或凝華為水滴或冰晶，成云致雨，落雪降雹，成為淡水的主要來源，水的相變和水分循環(huán)不僅把大氣圈、海洋、陸地和生物圈緊密聯(lián)系在一起，而且對大氣運動的能量轉(zhuǎn)換和變化，以及對地面和大氣溫度都有重要的影響。（二）大氣中各種成分的作用2、一些微量和痕量氣體的性質(zhì)與作用大氣微量成分和痕量成分的特點：（1）短壽命的成分（除惰性氣體）；（2）有化學活性，能夠參與大氣中的一些化學過程，如形成酸雨、光化學煙霧等；（3）大多是溫室氣體，它們含量的變化會影響地球的輻射平衡，影響全球氣候變化。（1）臭氧O3分布：1050高度的平流層大氣中，極大值

5、在2030 高度之間。平流層臭氧的作用：（1）阻擋強紫外輻射到達地面，保護了地球上的生命。（2）臭氧層吸收的太陽紫外輻射能量使平流層大氣增溫，對平流層的溫度場和大氣環(huán)流起著決定性作用。（1）是一種強氧化劑，能促進二氧化硫的氧化及氮氧化物的轉(zhuǎn)化，這些過程是酸雨和光化學煙霧的主要成因之一；對流層內(nèi)的臭氧是一種大氣污染物（2）在紅外波段的9.6微米附近有一個很強的吸收帶，因此它也是使底層大氣增溫的重要的溫室氣體；（3）地表附近的臭氧是一種重要的溫室氣體，其濃度增加會直接危害生態(tài)環(huán)境。臭氧的空間分布（2）二氧化碳、甲烷、一氧化二氮等溫室氣體溫室氣體，對太陽輻射吸收很少，但卻能強烈吸收地面放射的長波輻射

6、，同時又向周圍空氣和地面放射長波輻射，所以有使地面和空氣增溫的效應全球碳循環(huán)（二）大氣中各種成分的作用3、氣溶膠的作用大氣中懸浮的各種固體微粒和液體粒子，統(tǒng)稱為氣溶膠。固體雜質(zhì)能成為水汽凝結的核心，對云、霧形成起重要作用氣溶膠粒子影響能見度，減弱太陽輻射和地面輻射，對地面和空氣溫度有一定影響（三）大氣的結構大氣的總質(zhì)量為5.31015t ，其中有50集中在離地5.5以下的氣層內(nèi)，在離地361000余公里的大氣層只占大氣總質(zhì)量的1 大氣上界劃分的著眼點：大氣的物理上界：根據(jù)大氣中才有的，在宇宙空間沒有的物理現(xiàn)象確定的大氣上界，為1200 著眼于大氣密度：接近于星際空間的氣體密度的高度作為大氣上界

7、1、大氣的質(zhì)量和上界垂直溫度梯度：垂直溫度梯度又稱為氣溫垂直遞減率，簡稱氣溫直減率，它表示在垂直方向上每變化100米高度，氣溫的變化值，并以氣溫隨高度的升高而降低為正值，通常以 表示，即 。 2、大氣的垂直結構 表示氣溫隨高度的升高而降低； 表示氣溫隨溫度的升高而升高，這種氣層稱為逆溫層； 表示氣溫隨高度不產(chǎn)生變化，這種氣層稱為等溫層。根據(jù)溫度、成分、電荷等物理性質(zhì)，同時考慮大氣的垂直運動狀況，將大氣分為對流層、平流層、中間層、熱層和散逸層五層。垂直分層彩圖1）對流層（troposphere）大氣垂直結構對流層是靠近地面的大氣最底層。 對流層頂高度平均高度：在高緯度地區(qū)為89，在中緯度地區(qū)為1

8、012，在低緯度地區(qū)為1718 主要的天氣現(xiàn)象對流層里集中了大氣質(zhì)量的3/4和幾乎全部水汽再加上有強烈的垂直運動，因此主要的天氣現(xiàn)象和過程如寒潮、臺風、雷雨、閃電等都發(fā)生在這一層。 對流層的三個基本特征：（1）大氣溫度隨高度而降低ABC低高低低高高低層大氣中，以太陽輻射加熱地面后引起的對流、湍流交換作用以及地面的紅外輻射為主，地面是主要熱源。 （2）大氣的垂直混合作用強，空氣具有強烈的對流和湍流運動 ABC低高低低高高（3）氣象要素（指溫度、氣壓、濕度、風向、風速、輻射等）的水平分布不均勻?qū)α鲗拥娜齻€基本特征：2、平流層（stratosphere）平流層的主要特征：（1）氣溫隨高度的上升而升高

9、 （2）空氣以水平運動為主 （3）水汽含量極少，大多數(shù)時間天氣晴好 3、中間層(meosophere)特征：氣溫對高度的增加迅速降低，氣流有強烈的垂直運動，故又稱為高空對流層。其頂部的氣溫可降至11383。4、熱層（thermosphere）特征：（1）氣溫隨高度的增加迅速升高。（2）空氣處于高度電離狀態(tài)。五顏六色的極光5）散逸層（exosphere ）大氣的最高層，溫度隨高度很少變化；大氣粒子經(jīng)常散逸到宇宙空間，是大氣圈與星際空間的過渡地帶。第二節(jié) 主要的氣象要素第二章第二節(jié) 主要的氣象要素表示大氣中物理現(xiàn)象和物理變化過程的物理量，統(tǒng)稱為氣象要素。包括氣溫、氣壓、濕度、風向、風速、能見度、降

10、水量、云量、日照時數(shù) 等。一、氣象要素的定義第二章第二節(jié) 主要的氣象要素二、氣溫氣溫是表示空氣冷熱程度的物理量。氣象觀測中規(guī)定以距離地面1.5米高度處的空氣溫度作為衡量各地氣溫的標準。氣象工作中所用的溫標 有攝氏溫標（） 、華氏溫標（） 、絕對溫標T（開） 三種。普通干濕球溫度表最低溫度表最高溫度表第二章第二節(jié) 主要的氣象要素三種溫標之間的換算關系：t、t、T分別為攝氏溫度、華氏溫度及絕對溫度的數(shù)值。第二章第二節(jié) 主要的氣象要素二、氣溫三、氣壓第二章第二節(jié) 主要的氣象要素 氣壓就是大氣壓強，它指的是與大氣相接觸的面上，空氣分子作用在每單位面積上的力，在氣象上，氣壓通常用觀測高度到大氣上界（或說

11、頂部）單位橫截面積上垂直空氣柱所受的重力來表示。第二章第二節(jié) 主要的氣象要素三、氣壓標準大氣壓：一般將緯度45的海平面上，溫度為0時，760毫米水銀柱高（mmHg）所具有的壓強為一個標準大氣壓，為1013.25百帕。動槽式水銀氣壓表定槽式水銀氣壓表第二章第二節(jié) 主要的氣象要素百帕、毫巴、水銀柱高度、標準大氣壓都是氣壓的單位 1毫巴=1百帕=3/4毫米水銀柱。一個標準大氣壓為1013.25百帕。第二章第二節(jié) 主要的氣象要素三、氣壓第二章第二節(jié) 主要的氣象要素四、大氣濕度 濕度是表示大氣中水汽含量多少的物理量。1、水汽壓和飽和水汽壓大氣中的水汽所產(chǎn)生的那部分壓力稱為水汽壓（e），其單位為百帕（hP

12、a）。飽和空氣的水汽壓（E），稱為飽和水汽壓，也叫最大水汽壓 。它是溫度的指數(shù)函數(shù)。對于平水面，a=7.5，b=237.3對于平冰面，a=9.5，b=265.5第二章第二節(jié) 主要的氣象要素四、大氣濕度四、大氣濕度第二章第二節(jié) 主要的氣象要素2、絕對濕度（a）絕對濕度是單位體積濕空氣中含有的水汽質(zhì)量，單位為/m3。3、比濕q在一團濕空氣中，水汽的質(zhì)量與該團空氣總質(zhì)量（水汽質(zhì)量加上干空氣質(zhì)量）的比值，稱為比濕。其單位是g/g或g/ 。比濕、大氣壓和水汽壓之間具有如下的關系：四、大氣濕度第二章第二節(jié) 主要的氣象要素4、混合比（r）水汽質(zhì)量與同一容積中干空氣質(zhì)量的比值，單位為g/g或g/。四、大氣濕度

13、第二章第二節(jié) 主要的氣象要素5、相對濕度相對濕度指的是空氣中的實際水汽壓與同溫度下的飽和水汽壓的比值（用百分數(shù)表示），即四、大氣濕度第二章第二節(jié) 主要的氣象要素6、飽和差（d）在某一溫度下，飽和水汽壓與實際水汽壓之差稱為飽和差。7、露點溫度（Td）在空氣中水汽含量和氣壓不變的情況下，當氣溫降低到使空氣達到飽和時的那個溫度稱為露點溫度。如果濕空氣是對于冰面飽和，則此溫度成為霜點溫度（Tf）第二章第二節(jié) 主要的氣象要素五、降水 降水是指從天空降落到地面的液態(tài)或固態(tài)水，包括各種強度的雨、毛毛雨、雪、雨夾雪、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（固態(tài)的降水則需經(jīng)融化后）

14、，未經(jīng)蒸發(fā)、滲透、流失而在水平面上積聚的深度，以毫米為單位。 第二章第二節(jié) 主要的氣象要素六、風 空氣的水平運動稱為風。風的觀測包括風向和風速。風向指風的來向，風速指單位時間內(nèi)空氣在水平方向上移動的距離，以米/秒，公里/小時，或海里/小時為單位。風向方位圖第二章第二節(jié) 主要的氣象要素蒲福風級表 第二章第二節(jié) 主要的氣象要素七、云 云是懸浮在大氣中的小水滴、冰晶微?；騼烧叩幕旌衔锏目梢娋酆先后w，底部不接觸地面（如果接觸地面則稱為霧），并有一定的厚度。 云的觀測包括云量、云狀和云高。 云量是指云遮蔽天空視野的成數(shù)。 云高是指云底距離地面得垂直距離。第二章第二節(jié) 主要的氣象要素第二章第二節(jié) 主要的氣象要素八、蒸發(fā) 氣象學中把液態(tài)水變?yōu)樗Q為蒸發(fā)。在一定時段內(nèi)，水分經(jīng)蒸發(fā)而逸入空氣中的量，稱為蒸發(fā)量，用蒸發(fā)掉的水層厚度的毫米數(shù)表示。蒸發(fā)量的測定用小型蒸發(fā)皿和E601型蒸發(fā)器進行測定。第二章第二節(jié) 主要的氣象要素九、水平能見度 能見度是指視力正常的人在當時天氣條件下，能夠從天空背景中看到和分辨出目標物的最大水平距離。單位用千米或米表示。第二章第二節(jié) 主要的氣象要素十、日照可照時數(shù)，從日出到日落的